DE19825860A1

DE19825860A1 - Piston ring for piston engine, with diamond-like coating

Info

Publication number: DE19825860A1
Application number: DE1998125860
Authority: DE
Inventors: Josef Schmid
Original assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Current assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority date: 1998-06-10
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 1999-12-16

Abstract

A piston engine piston ring (5) made in stainless steel has a coating of DLC (diamond-like carbon) (15) on its outer circumference. The DLC is extremely hard and minimizes friction between the piston and cylinder lining.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring für die Verwendung an einem Kolben, der in einem Zylinder einer Kraft- oder Arbeitsmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors, angeordnet oder anordenbar ist.The invention relates to a piston ring for use on a piston in a cylinder of a force or Work machine, in particular an internal combustion engine, is arranged or can be arranged.

Bei Kolbenringen für Verbrennungsmotoren unterscheidet man allgemein zwischen Verdichtungsringen bzw. Kompressionsringen und Ölabstreifringen. Verdichtungsringe übernehmen die Fein abdichtung des Kolbens im Zylinder gegenüber der Zylinderin nenfläche und können ggf. zur Wärmeableitung vom Kolben zum gekühlten Zylinder beitragen. Ölabstreifringe dienen zum Abstreifen überschüssigen Schmieröls von der Zylinderin nenfläche und zur Rückführung dieses Schmieröls in die Ölwanne. Dadurch soll unter anderem verhindert werden, daß das Öl aus dem Kurbelgehäuse in den Verbrennungsraum gelangt, was einen größeren Ölverbrauch und Schadstoffemission durch verbranntes Öl zur Folge hätte. Bei ohne Schmierung der Lauffläche arbeitenden Maschinen, beispielsweise Arbeits maschinen wie Kompressoren zur Gasverdichtung, können Ölab streifringe entfallen. A distinction is made with piston rings for internal combustion engines generally between compression rings or compression rings and oil rings. Compression rings take over the fine Sealing the piston in the cylinder from the cylinder nenfläche and can possibly for heat dissipation from the piston to contribute to cooled cylinders. Oil scraper rings are used for Wipe off excess lubricating oil from the cylinder surface and to return this lubricating oil to the Oil pan. This is to prevent, among other things, that the oil from the crankcase enters the combustion chamber, resulting in greater oil consumption and pollutant emissions burned oil. With no lubrication Tread working machines, such as labor machines such as compressors for gas compression can oil stripe rings are eliminated.

Ein Kolbenring muß elastisch sein, um einen gewissen Anpreß druck an die Zylinderinnenfläche bzw. Zylinderwand bereitzu stellen. Der Anpreßdruck an die Zylinderinnenwand wird, ins besondere bei dem dem Arbeitsraum der Kolbenmaschine am näch sten liegenden Kolbenring, während des Betriebes noch durch den seine obere Stirnfläche sowie seine Innenseite beauf schlagenden Gasdruck beachtlich verstärkt, so daß hier eine besonders starke Reibung zwischen Kolbenring und Zylinderin nenfläche entstehen kann. Da bei geschmierten Kolbenmaschinen der oberste Kolbenring darüber hinaus nur geringe Schmier stoffmengen zugeführt erhält, können hier Reibungsprobleme wie Verschleiß oder Festfressen an der Zylinderinnenfläche besonders leicht auftreten.A piston ring must be elastic to apply a certain amount of pressure pressure to the cylinder inner surface or cylinder wall put. The contact pressure on the cylinder inner wall is ins especially in the next working area of the piston machine most lying piston ring, still in operation which its upper end face and its inside face striking gas pressure considerably increased, so that here particularly strong friction between piston ring and cylinder surface can arise. As with lubricated piston machines the top piston ring also has little lubrication amounts of substance supplied can cause friction problems here such as wear or seizure on the inside of the cylinder occur particularly easily.

Um den vielfältigen funktionalen Anforderungen gerecht zu werden, werden vielfach beschichtete Kolbenringe eingesetzt. Ein derartiger Kolbenring hat einen Ringkörper, der eine Beschichtung hat, die eine zur Gleitberührung mit der Zylin derinnenfläche vorgesehene radiale Ringaußenfläche bzw. Umfangsfläche bildet. Während der Ringkörper im wesentlichen die Volumenbeanspruchung des Kolbenringes aufnimmt, wird das Material der Beschichtung im Hinblick auf die unmittelbare Wechselwirkung mit dem Reibpartner Zylinderinnenfläche und die damit verbundene Oberflächenbeanspruchung ausgewählt.To meet the diverse functional requirements multi-coated piston rings are used. Such a piston ring has an annular body, the one Coating that has a sliding contact with the cylinder the radial outer ring surface provided or Forms peripheral surface. While the ring body essentially absorbs the volume of the piston ring, it will Material of the coating with regard to the immediate Interaction with the friction partner cylinder inner surface and the associated surface stress selected.

Es sind Kolbenringe bekannt, bei denen der Ringkörper an seiner radialen Ringkörperaußenfläche mit einer Beschichtung aus Chrom oder Molybdän beschichtet ist. Mit Chrom beschich tete Kolbenringe haben gute Verschleißfestigkeit, neigen jedoch zum Festfressen und zu stärkerem Abrieb, wenn sie in Verbindung mit Zylinderinnenflächen aus Gußeisen eingesetzt werden. Mit Molybdän beschichtete Kolbenringe verhindern durch die gute Wärmeleitfähigkeit weitgehend das Fressen der Ringe, sind jedoch nicht sehr verschleißfest. Piston rings are known in which the ring body is attached its radial outer ring surface with a coating is coated from chrome or molybdenum. Coat with chrome tete piston rings have good wear resistance, tend however, to seize and become more abrasive when in Connection with cast iron cylinder surfaces used become. Prevent piston rings coated with molybdenum due to the good thermal conductivity largely the eating of Rings, however, are not very wear resistant.

Die herkömmlichen beschichteten Kolbenringe haben sich als wenig geeignet für das Zusammenarbeiten mit Zylinderlauf flächen in modernen Leichtmetallmotoren erwiesen, bei denen als Matrixmaterial für die die Zylinderinnenfläche bildende Laufschicht ein Leichtmetall eingesetzt wird, insbesondere eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung. Diese Materialien werden zur Steigerung ihrer Freßsicherheit und Verschleiß festigkeit durch feinverteilte, eingelagerte Partikel ver stärkt. Bei den Verstärkungspartikeln kann es sich um aus der Schmelze ausgeschiedene Ausscheidungspartikel, beispiels weise Silizium oder intermetallische Phasen, handeln, und/oder um beispielsweise keramische Fremdpartikel, insbesondere aus Aluminiumoxid (Korund) und/oder Siliziumcarbid. Diese wie Schleifpartikel wirkenden, abrasiven Verstärkungspartikel wirken sich nachteilig auf die Standfestigkeit herkömmlicher Kolbenringe aus.The conventional coated piston rings have proven to be not very suitable for working with cylinder barrels surfaces proven in modern light metal engines, in which as a matrix material for the one forming the inner surface of the cylinder Running layer a light metal is used, in particular an aluminum or magnesium alloy. These materials are used to increase their seizure security and wear strength due to finely divided, embedded particles strengthens. The reinforcement particles can be from excretion particles excreted in the melt, for example wise silicon or intermetallic phases, act, and / or for example ceramic foreign particles, in particular made of aluminum oxide (corundum) and / or silicon carbide. This abrasive reinforcement particles that act like abrasive particles adversely affect the stability of conventional Piston rings.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kolbenring für einen Kolben einer Arbeits- oder Kraft maschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors, zu schaffen, der nicht nur hohe Verschleißfestigkeit und geringe Freß neigung aufweist, sondern der, insbesondere im Zusammenwirken mit partikelverstärkten Zylinderinnenflächen von Leicht metallmotoren, dauerhaft gute Laufeigenschaften ermöglicht. Insbesondere sollen der Energieverbrauch und die Schad stoffemission der Kolbenmaschine herabgesetzt werden.The invention has for its object an improved Piston ring for a piston of a work or force to create a machine, in particular an internal combustion engine, not only high wear resistance and low feeding tendency, but that, especially in interaction with particle-reinforced cylinder inner surfaces from Leicht metal motors, permanently good running properties. In particular, the energy consumption and the damage emissions of the piston machine can be reduced.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Kol benring mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor.To achieve this object, the invention proposes a Kol benring with the features of claim 1.

Die Erfindung schlägt einen beschichteten Kolbenring vor, bei dem die Beschichtung im wesentlichen durch harten, amorphen Kohlenstoff gebildet ist, zumindest die Ringaußenfläche des Kolbenrings ist mit einer derartigen Beschichtung versehen. Das Material einer derartigen Hartstoff-Außenschicht ist nach Fertigstellung der Außenschicht diamantartig hart, weshalb das Material häufig als diamantartigfer Kohlenstoff bzw. "Diamond Like Carbon" (DLC) bezeichnet wird. Der Begriff "diamantartiger Kohlenstoff" bzw. das Kürzel "DLC" werden in dieser Anmeldung allgemein für harte amorphe Kohlenstoff schichten verwendet. Das Material kann eine amorphe oder polymerartige Struktur haben. Es kann Wasserstoff enthalten, beispielsweise in der Größenordnung von 20 bis 30%, über dessen Gehalt der Vernetzungsgrad einstellbar ist. Es kann auch im wesentlichen wasserstofffrei sein. Grundlagen über Struktur und Herstellung von dünnen Kohlenstoffschichten dieser Art sind beispielsweise folgendem Artikel zu entneh men: "Carbon Thin Films" von J. Angus, P. Koidl und S. Domitz in: "Plasma Deposited Thin Films", Hrsg. J. Mort, F. Jansen, CRC Press, Boca Raton, USA, 1986. Das sehr harte, verschleiß feste Material zeichnet sich auch durch hohe Elastizität aus, die insbesondere im Hinblick auf die elastischen Eigen schaften des normalerweise metallischen Ringkörpers vorteil haft ist und ein Abplatzen der Beschichtung bei mechanischer Beanspruchung verhindert. Das gasdichte, chemisch inerte Beschichtungsmaterial kann eine sehr glatte freie Oberfläche bilden, die im Aussehen Glas ähnelt und einen extrem niedri gen Reibungskoeffizienten hat.The invention proposes a coated piston ring, at which the coating is essentially hard, amorphous Carbon is formed, at least the outer ring surface of the Piston ring is provided with such a coating. The material of such a hard material outer layer is after finishing the outer layer diamond-like hard, which is why the material is often called diamond-like carbon or "Diamond Like Carbon" (DLC). The term "Diamond-like carbon" or the abbreviation "DLC" are in this application generally for hard amorphous carbon layers used. The material can be an amorphous or have polymer-like structure. It can contain hydrogen for example in the order of 20 to 30% the content of which is adjustable. It can also be essentially hydrogen free. Basics about Structure and manufacture of thin carbon layers This type can be found, for example, in the following article men: "Carbon Thin Films" by J. Angus, P. Koidl and S. Domitz in: "Plasma Deposited Thin Films", ed. J. Mort, F. Jansen, CRC Press, Boca Raton, USA, 1986. The very hard, wear solid material is also characterized by high elasticity, which in particular with regard to the elastic eigen Advantages of the normally metallic ring body is sticky and flaking of the coating with mechanical Stress prevented. The gas-tight, chemically inert Coating material can have a very smooth free surface form, which resembles glass in appearance and an extremely low has coefficient of friction.

Dank ihrer extrem hohen Härte hält eine derartige Beschich tung bzw. Außenschicht der abrasiven Wirkung von schleifend wirkenden Verstärkungspartikeln in Leichtmetall-Laufbuchsen bei entsprechender Schichtdicke ohne weiteres dauerhaft stand. Beim Einlaufen des Motors können Kanten oder Spitzen von vergleichsweise weicheren Verstärkungspartikeln unter Plateaubildung schnell beseitigt werden, was den weiteren Verschleiß der Kolbenringe stark herabsetzt, die Gleitreibung der Laufpartner verringert, zu niedrigeren mechanischen Verlusten und damit zu einer günstigeren Emission und Ener giebilanz der Kolbenmaschine führt.Thanks to its extremely high hardness, such coating lasts tion or outer layer of the abrasive effect of abrasive acting reinforcement particles in light metal liners with the appropriate layer thickness without any problems permanently was standing. Edges or tips can occur when the engine is running in of comparatively softer reinforcement particles under Plateau formation can be eliminated quickly, causing further Wear on the piston rings is greatly reduced, the sliding friction the running partner decreased to lower mechanical Losses and thus to a cheaper emission and energy the balance of the piston engine.

Wegen der geringen Adhäsionsneigung der Außenschicht mit der Zylinderinnenfläche kann die Oberfläche der Zylinderwand, falls erwünscht, glatter als herkömmliche Zylinderinnen flächen sein, ohne daß die Freßgefahr wesentlich zunimmt. Die Zylinderinnenfläche kann also beispielsweise feinere Ölhal tespuren aufweisen oder im wesentlichen frei von Ölhalteril len sein, wie sie beispielsweise durch Honen oder Laser bearbeitung herstellbar sind. Dadurch ergibt sich ein ver ringerter Ölverbrauch, was wiederum die Schadstoffemission herabsetzt und unter anderem aus Umweltgesichtspunkten vorteilhaft ist. Zudem kann die Gasdichtigkeit zwischen Kolbenring und Zylinder verbessert werden. Die durch die DLC- Beschichtung mögliche bessere Abdichtung zwischen Kolbenring und Zylinderinnenwand hat bei Kompressoren auch den Vorteil eines geringeren Ölgehaltes in dem Druckgas. Aufgrund der antiadhäsiven Eigenschaften kann bei Leichtmetall-Zylinder werkstoffen ggf. die Zugabe von Verstärkungspartikeln wie keramischen Fasern oder Partikeln verringert oder sogar ganz vermieden werden. Dies erleichtert die Bearbeitung des Zylinderwerkstoffes.Because of the low tendency of the outer layer to adhere to the Inner surface of the cylinder can be the surface of the cylinder wall, if desired, smoother than conventional cylinders be surfaces without the risk of eating increasing significantly. The For example, the inner surface of the cylinder can have a finer oil neck have traces or are essentially free of oil len, such as by honing or laser machining can be produced. This results in a ver reduced oil consumption, which in turn reduces pollutant emissions reduced and, among other things, from an environmental point of view is advantageous. In addition, the gas tightness between Piston ring and cylinder are improved. The through the DLC Coating possible better seal between piston ring and cylinder inner wall also has the advantage in compressors a lower oil content in the compressed gas. Due to the Anti-adhesive properties can be found in light alloy cylinders materials, if necessary, the addition of reinforcement particles such as ceramic fibers or particles reduced or even entirely be avoided. This makes editing the Cylinder material.

Die sehr geringe Adhäsionsneigung eines erfindungsgemäß beschichteten Kolbenringes auf einer Zylinderinnenwand hat auch bessere Notlaufeigenschaften der Laufpaarung zur Folge. Insbesondere wird die Erzeugung von Axialriefen vermindert oder ganz vermieden. Derartige, insbesondere beim Einlaufen entstehende, Axialriefen führen einerseits zu Druckverlusten und damit zur Verringerung des Wirkungsgrades der Kolben maschine, und andererseits steigern sie ggf. den Ölverbrauch und die Schadstoffemission durch axiales "blow by". Die Ver meidung von Axialriefen kann insbesondere auch bei Grauguß- Laufbuchsen vorteilhaft sein. Bei diesen kann es insbesondere am Beginn des Einlaufvorganges im Bereich von Mischreibung oder Trockenreibung zum Anhaften von Partikeln am Kolben kommen, die durch den Kolben bzw. Kolbenring aus dem Lauf buchsenmaterial ausgerissen werden und die Axialriefen verursachen. Durch die geringe Adhäsionsneigung einer DLC- Außenschicht kann dieser Effekt minimiert werden. Vorteilhaft ist weiterhin, daß eine ausreichend dicke DLC-Außenschicht auch als Verschleißschutzschicht für den Kolbenring wirken kann und dessen Lebensdauer verlängert.The very low tendency towards adhesion according to the invention coated piston ring on a cylinder inner wall also results in better emergency running properties of the mating pair. In particular, the generation of axial grooves is reduced or avoided entirely. Such, especially when entering The resulting axial grooves lead to pressure losses on the one hand and thus to reduce the efficiency of the pistons machine, and on the other hand they may increase oil consumption and pollutant emissions through axial "blow by". The Ver Avoidance of axial grooves can also be Bushings can be beneficial. With these it can in particular at the beginning of the running-in process in the area of mixed friction or dry friction to adhere particles to the piston come out of the barrel through the piston or piston ring bushing material and the axial grooves cause. Due to the low adhesion tendency of a DLC This effect can be minimized on the outer layer. Advantageous is furthermore that a sufficiently thick DLC outer layer also act as a wear protection layer for the piston ring can and extends its lifespan.

Das Material des die Beschichtung tragenden Ringkörpers kann der beabsichtigten Anwendung entsprechend gewählt werden, da DLC-Beschichtungen auf vielen, insbesondere metallischen, Materialien ohne Zwischenschaltung von haftungsfördernden Zwischenschichten gut haften. So sind beispielsweise Ringkör per aus Gußeisen oder rostbeständigem oder nicht rostbestän digem Stahl möglich. Bei letzteren ist bei kompletter Be schichtung mit diamantartigem Kunststoff eine Korrosions beständigkeit ebenfalls gewährleistet. Diese Grundwerkstoffe sind kostengünstig und gut bearbeitbar. Der Ringkörper kann ohne Haftvermittler direkt mit einer DLC-Schicht beschichtet werden. Es ist aber grundsätzlich möglich, zwischen einer DLC-Außenschicht und dem Ringkörper eine oder mehrere Zwi schenschichten anzuordnen.The material of the ring body carrying the coating can be chosen according to the intended application, because DLC coatings on many, especially metallic, Materials without the interposition of liability-promoting Adhere intermediate layers well. For example, ring bodies made of cast iron or rustproof or not rustproof digem steel possible. In the latter case with complete loading layering with diamond-like plastic to prevent corrosion resistance also guaranteed. These basic materials are inexpensive and easy to edit. The ring body can coated directly with a DLC layer without an adhesion promoter become. However, it is basically possible to choose between one DLC outer layer and the ring body one or more intermediate to arrange layers.

Obwohl es besonders kostengünstig und für viele Anwendungen ausreichend sein kann, wenn nur radiale Ringkörperaußenflä chen mit einer Beschichtung versehen sind, ist es möglich, daß auch die axiale Oberseite und/oder die axiale Unterseite und/oder die radiale Innenseite des Ringkörpers wenigstens bereichsweise mit einer Außenschicht beschichtet ist, die mindestens im oberflächennahen Außenbereich im wesentlichen durch diamantartigen Kohlenstoff gebildet ist. Eine derartige Axial- und/oder Innenbeschichtung kann die Gleitreibung des in einer Ringnut des Kolbens liegenden Kolbenringes gegenüber dem Kolben vermindern und erleichtert die Bewegung des Kolbenrings innerhalb seiner Nut. Diese Beweglichkeit fördert zum einen die Anpassung des Kolbenringes an die Zylinder innenfläche, und wirkt somit verschleißmindernd und abdich tungsfördernd. Zudem wird durch diese Beweglichkeit die Beseitigung von Verbrennungsrückständen, die sich in den Spalten zwischen Kolbenring und Ringnut ablagern können, gefördert.Although it is particularly inexpensive and for many applications can be sufficient if only radial ring body outer surface Chen are provided with a coating, it is possible that also the axial top and / or the axial bottom and / or at least the radial inside of the ring body partially coated with an outer layer that essentially at least in the outer area near the surface is formed by diamond-like carbon. Such Axial and / or inner coating can cause the sliding friction of the in an annular groove of the piston opposite piston ring reduce the piston and facilitates the movement of the Piston ring within its groove. This mobility encourages on the one hand the adaptation of the piston ring to the cylinder inner surface, and thus reduces wear and seals promotional. In addition, this flexibility makes the Removal of combustion residues that occur in the Deposits between the piston ring and the ring groove, promoted.

Die Schichtdicke der DLC-Außenschicht kann nach Anwendungs- und Kostengesichtspunkten gewählt werden. Sie liegt normaler weise unterhalb von 20 µm, insbesondere zwischen ca. 0,5 µm und 15 µm. Besonders preiswert herstellbar sind geringe Schichtdicken bis hinunter zu ca. 0,5 µm, die insbesondere dann eingesetzt werden können, wenn vor allem eine Verbes serung des Einlaufverhaltens gewünscht ist und es nicht erforderlich ist, über die gesamte Betriebsdauer eine DLC-be schichtete Umfangsfläche zu haben. Für den Dauerbetrieb, vor allem in Zusammenarbeit mit Laufflächen mit stark verschlei ßenden Partikeln, kann die Schichtdicke beispielsweise in der Größenordnung von ca. 10 µm liegen. Die Schichtdicke kann über die gesamte Außenschicht etwa gleichförmig sein oder es können dickere neben dünneren Schichtbereichen vorgesehen sein.The layer thickness of the DLC outer layer can be and cost considerations are chosen. It is more normal as below 20 microns, especially between about 0.5 microns and 15 µm. Small ones are particularly inexpensive to manufacture Layer thicknesses down to about 0.5 µm, which in particular can then be used, especially if a verb improvement of the running-in behavior is desired and it is not a DLC-be is required over the entire operating time to have stratified peripheral surface. For continuous operation, before especially in cooperation with treads with heavy wear eating particles, the layer thickness can, for example, in the Order of magnitude of approx. 10 µm. The layer thickness can be approximately uniform over the entire outer layer or it can be provided thicker in addition to thinner layer areas be.

Da die Beschichtung bei großen Schichtdicken von beispiels weise zwischen 5 und 15 µm in vorteilhafter Weise vorhandene geringfügige Oberflächenrauhigkeiten der beschichteten Unterlage teilweise ausgleichen kann, kann insbesondere bei größeren Beschichtungsdicken die Vorbearbeitung der beschich teten Oberfläche, insbesondere des Ringkörpers, kostengünstig relativ grob erfolgen. Eine gewisse Rauhigkeit der beschich teten Außenfläche erhöht sogar vorteilhaft die Haftung zwischen Unterlage und Beschichtung. Insbesondere bei gerin gen Beschichtungsdicken, beispielsweise in der Größenordnung von 1 µm oder darunter, kann es erforderlich werden, die zu beschichtende Oberfläche, insbesondere des Ringkörpers, beispielsweise durch Läppen oder Honen zu glätten, da die wirksamen äußeren Oberflächen topographietreuer, sehr dünner Beschichtungen im wesentlichen die Rauhigkeit der Unterlage aufweisen können. Damit die beschichteten Kolbenringe nicht selbst eine abrasive Wirkung auf die Zylinderinnenwand ausüben, ist es zweckmäßig, wenn die Rauhigkeit der Kolben ringe im Bereich der Ringaußenfläche eine gemittelte Rauh tiefe R_z von ca. 3 µm und/oder eine maximale Rauhtiefe R_max. von ca. 5 µm nicht wesentlich überschreitet, vorzugsweise unterhalb dieser Werte liegt.Since the coating with large layer thicknesses of, for example, between 5 and 15 .mu.m can partially compensate for the slight surface roughness of the coated substrate, in particular with larger coating thicknesses, the pre-processing of the coated surface, in particular of the ring body, can be carried out inexpensively relatively roughly. A certain roughness of the coated outer surface even advantageously increases the adhesion between the base and the coating. Particularly in the case of small coating thicknesses, for example of the order of magnitude of 1 μm or less, it may be necessary to smooth the surface to be coated, in particular of the ring body, for example by lapping or honing, since the effective outer surfaces of topographically accurate, very thin coatings are essentially can have the roughness of the base. So that the coated piston rings do not themselves have an abrasive effect on the inner wall of the cylinder, it is useful if the roughness of the piston rings in the area of the outer ring surface has an average roughness depth R _z of approximately 3 μm and / or a maximum roughness depth R _max. of approx. 5 µm does not significantly exceed, preferably lies below these values.

Die Außenschicht kann senkrecht zur lateralen Ausdehnung der Schicht homogene Eigenschaften, insbesondere bzgl. Zusammen setzung und mechanischer Eigenschaften wie Härte oder der gleichen, haben. Derartige Beschichtungen sind durch Kon stanthaltung der Beschichtungsparameter einfach herzustellen. Andere Ausführungen zeichnen sich dadurch aus, daß die Außen schicht in Richtung senkrecht zu ihrer lateralen Ausdehnung inhomogen ist, wobei sowohl ein Schichtaufbau mit übereinan derliegenden, sich bzgl. ihrer Eigenschaften unterscheiden den, gesonderten Lagen möglich ist, als auch ein Aufbau der Außenschicht als Gradientenschicht mit senkrecht zur latera len Ausdehnung im wesentlichen kontinuierlich veränderlichen Eigenschaften. Ein inhomogener Aufbau kann durch geeignete Variation der Beschichtungsparameter und/oder durch Variation und/oder Mischung von Beschichtungsmaterialien einschließlich dem Grad der Wasserstoffeinlagerungen erreicht werden. Bei dickeren Außenschichten hat sich ein inhomogener Schichtauf bau insbesondere zum Abbau von Spannungen innerhalb der Schicht bewährt. Eine Ausführunsgform, bei der ein die Ringaußenfläche bildender Schicht-Außenbereich weicher ist als ein darunter liegender Schicht-Innenbereich, zeichnet sich durch besonders gute Einlaufeigenschaften aus und kann sich selbst an die Geometrie der Zylinderbohrung noch an passen.The outer layer can be perpendicular to the lateral extent of the Layer homogeneous properties, especially with regard to together setting and mechanical properties such as hardness or same, have. Such coatings are through Kon Maintaining the coating parameters is easy to manufacture. Other designs are characterized in that the outside layer in the direction perpendicular to its lateral extent is inhomogeneous, with both a layer structure with one another the lying, differ in their properties the, separate layers is possible, as well as a structure of the Outer layer as a gradient layer with perpendicular to the latera len expansion essentially continuously variable Characteristics. An inhomogeneous structure can be achieved by suitable Variation of the coating parameters and / or by variation and / or mixture of coating materials including the degree of hydrogen storage can be achieved. At thicker outer layers have an inhomogeneous layer construction especially to relieve tension within the Layer proven. An embodiment in which a The outer layer forming the outer ring surface is softer as an underlying layer interior is characterized by particularly good running-in properties and can itself to the geometry of the cylinder bore fit.

Die DLC-Schicht besteht im wesentlichen aus Kohlenstoff, ggf. mit Wasserstoff-Anteilen. Es ist möglich, daß sie Einlagerun gen anderer Stoffe aufweist, wobei die Einlagerungen bzw. Dotierungsstoffe vorzugsweise im wesentlichen aus Metall nitrid, Metallkarbid oder Metallkarbonitrid bestehen, ins besondere auf Basis von Carbid- und/oder Nitrid-Bildern wie Titan, Wolfram, Tantal oder Molybdän. Die Einlagerungen liegen normalerweise in molekularer Form oder in Form klein ster, submikroskopischer Agglomerate fein verteilt in der Kohlenstoffmatrix vor. Durch ihre Konzentration und räumliche Anordnung können die mechanischen Eigenschaften der Schicht vorteilhaft eingestellt werden.The DLC layer consists essentially of carbon, possibly with hydrogen components. It is possible that they are put into storage gene of other substances, the inclusions or Dopants preferably essentially made of metal nitride, metal carbide or metal carbonitride, ins especially based on carbide and / or nitride images such as Titanium, tungsten, tantalum or molybdenum. The storages are usually in molecular form or small in form most submicroscopic agglomerates finely divided in the Carbon matrix. Through their concentration and spatial Arrangement can change the mechanical properties of the layer can be set advantageously.

Zur Herstellung der DLC-Außenschicht kann jedes geeignete Dünnschichtverfahren eingesetzt werden, beispielsweise das Sputtern von einem Kohlenstoff-Target, beispielsweise durch elektrische Funkentladung oder Elektronenstrahl. Beim Sput tern können durch den Einsatz mehrerer unterschiedlicher Targets auf einfache Weise die genannten Einlagerungen oder andere Zusammensetzungsänderungen der Beschichtung einge stellt werden. Es ist auch möglich, beim Aufbau der Außen schicht eine laserinduzierte Plasmaabscheidung einzusetzen, beispielsweise mittels gepulstem Laser kurzer Wellenlänge, etwa einem Excimer-Laser. Besonders variabel und kostengün stig läßt sich die Außenschicht durch plasmagestützte chemi sche Gasphasenabscheidung (PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) herstellen, wobei sowohl ein Einkammer- Verfahren, als auch ein Mehrkammer-Verfahren eingesetzt werden kann. Die DLC-Außenschicht kann direkt auf den Ring körper oder auf eine auf diesem aufgebrachte Zwischenschicht aufgebracht werden.Any suitable can be used to make the DLC outer layer Thin-film processes are used, for example that Sputtering from a carbon target, for example through electrical radio discharge or electron beam. Sput ters can be achieved by using several different Targets in a simple way the mentioned storage or other changes in the composition of the coating be put. It is also possible to build the outside layer to use laser-induced plasma deposition, for example using a pulsed laser of short wavelength, like an excimer laser. Particularly variable and inexpensive Stig can the outer layer by plasma-assisted chemi chemical vapor deposition (PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor deposition), whereby both a unicameral Process, as well as a multi-chamber process used can be. The DLC outer layer can be directly on the ring body or on an intermediate layer applied thereon be applied.

Durch die Erfindung ist also ein beschichteter Kolbenring geschaffen, dessen Einsatz in einer Kolbenmaschine mit in einem Zylinder geführten Kolben eine Vielzahl von Vorteilen bringt. Insbesondere sind geringer Energieverbrauch bzw. verbesserter Wirkungsgrad, ggf. geringer Ölverbrauch, damit zusammenhängend geringere Schadstoffemissionen und verbesser tes Einlaufverhalten zu nennen. Diese durch die vorgeschla gene Verwendung von DLC-Schichten zur Beschichtung von Kolbenringen erzielbaren Vorteile sind beispielsweise in Kolbenmaschinen erreichbar, bei denen die Zylinderinnenfläche durch ein Graugußmaterial gebildet ist. Besondere Vorteile gegenüber herkömmlichen beschichteten oder unbeschichteten Kolbenringen ergeben sich im Zusammenwirken mit partikel verstärkten Laufflächen, also in solchen Maschinen, bei denen das Material der Zylinderinnenfläche fein verteilte, abrasiv wirkende Partikel aus hartem Material, beispielsweise Aus scheidungspartikel und/oder Fremdpartikel, insbesondere aus Silizium, Siliziumcarbid und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), aufweist. Die Partikel sind vorzugsweise in einer Leicht metallmatrix, insbesondere auf Basis von Aluminium oder Magnesium, eingebettet. Durch die Verwendung erfindungs gemäßer Kolbenringe lassen sich somit insbesondere lang lebige, schadstoffarme Verbrennungskraftmotoren mit niedrigem Energiebedarf und hohem Wirkungsgrad sowie geringer Schad stoffemission aufbauen.The invention therefore provides a coated piston ring, the use of which in a piston machine with pistons guided in a cylinder brings a multitude of advantages. In particular, low energy consumption or improved efficiency, possibly low oil consumption, associated lower pollutant emissions and improved running-in behavior are to be mentioned. These advantages which can be achieved by the proposed use of DLC layers for coating piston rings can be achieved, for example, in piston engines in which the cylinder inner surface is formed by a gray cast iron material. Special advantages compared to conventional coated or uncoated piston rings result from the interaction with particle-reinforced treads, i.e. in machines in which the material of the inner surface of the cylinder has finely divided, abrasive particles made of hard material, for example made of separation particles and / or foreign particles, in particular made of silicon. Silicon carbide and / or aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ). The particles are preferably embedded in a light metal matrix, in particular based on aluminum or magnesium. Through the use of piston rings according to the invention, in particular long-lived, low-emission internal combustion engines with low energy requirements and high efficiency and low pollutant emissions can be built up.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh rungsform in Verbindung mit den Zeichnungen und den Unteran sprüchen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Kombination miteinander bei einer Ausführungsform verwirklicht sein. Ein Ausführungsbei spiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:Further features and details of the invention emerge from the following description of a preferred embodiment form in connection with the drawings and the sub annex sayings. The individual characteristics can be used for alone or in combination with each other an embodiment can be realized. An execution example Game of the invention is shown in the drawings. It demonstrate:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Ausfüh rungsform eines erfindungsgemäßen Kolbenringes mit Teilen eines Kolbens und eines Zylinders, Fig. 1 is a schematic sectional view of one embodiment of a piston ring according to the invention with parts of a piston and a cylinder,

Fig. 2 eine schematische, stark vergrößerte Darstel lung des in Fig. 1 eingekreisten Kontaktberei ches zwischen Kolbenring und Zylinderinnen wand, und Fig. 2 is a schematic, greatly enlarged presen- tation of the circled in Fig. 1 Kontaktberei ches between the piston ring and inner cylinder wall, and

Fig. 3 eine partikelverstärkte Zylinderinnenwand mit herausstehendem Hartstoffpartikel vor (Fig. 3a) und nach (Fig. 3b) dem Einlaufen mit einem erfindungsgemäßen Kolbenring. Fig. 3 shows a particle-reinforced cylinder inner wall with protruding hard material particles before ( Fig. 3a) and after ( Fig. 3b) running in with a piston ring according to the invention.

Die schematische Darstellung in Fig. 1 zeigt einen Kompres sionskolbenring 1, der in der brennraumnächsten Umfangsnut 2 eines Hubkolbens 3 eines Kfz-Verbrennungsmotors mit Axial- und Seitenspiel eingesetzt ist. Der Leichtmetallkolben 3 läuft in einem Zylinder 4 eines Leichtmetallkurbelgehäuses. Der Kolbenring 1 hat einen im Querschnitt etwa rechteck förmigen Ringkörper 5 aus rostfreiem Stahl hoher Korrosions beständigkeit und Elastizität auch bei hohen Temperaturen. Der Ringkörper hat eine im wesentlichen zylindrische Ring körperinnenfläche 6, die mit radialem Abstand zur radialen Innenwand der Umfangsnut 2 angeordnet ist, sowie eine im wesentlichen ebene Ringkörperoberseite 7 und eine hierzu parallele Ringkörperunterseite 8. Die radial außenliegende Ringkörperaußenfläche 9 des Rechteckringes ist zur zylind rischen Zylinderinnenfläche bzw. Zylinderinnenwand 10 gering fügig konvex gekrümmt und liegt radial außerhalb der in einem Abstand zur Zylinderinnenwand 10 ohne Berührungskontakt mit dieser angeordneten, zylindrischen Kolbenaußenfläche 11.The schematic representation in Fig. 1 shows a compression piston ring 1 , which is used in the combustion chamber closest circumferential groove 2 of a reciprocating piston 3 of a motor vehicle internal combustion engine with axial and side play. The light metal piston 3 runs in a cylinder 4 of a light metal crankcase. The piston ring 1 has an approximately rectangular cross-sectional annular body 5 made of stainless steel with high corrosion resistance and elasticity even at high temperatures. The ring body has a substantially cylindrical ring inner surface 6 , which is arranged at a radial distance from the radial inner wall of the circumferential groove 2 , as well as a substantially flat top 7 and an underside 8 parallel thereto. The radially outer annular body outer surface 9 of the rectangular ring is slightly cambered to the cylindrical inner cylinder surface or cylinder inner wall 10 and is located radially outside the cylinder piston outer surface 11 arranged at a distance from the inner cylinder wall 10 without any contact with it.

Der in Fig. 1 gezeigte, sogenannte "ballige" Ring 1 steht beispielhaft für alle in Kolbenmaschinen verwendbaren Ring arten bzw. -formen. Insbesondere können alternativ oder zusätzlich auch Minutenringe, Minuten-Nasenringe und/oder Abstreifringe erfindungsgemäß ausgebildet sein.That shown in Fig. 1, so-called "spherical" Ring 1 is an example of all usable in piston engines Ring types and shapes. In particular, alternatively or additionally, minute rings, minute nose rings and / or scraper rings can also be designed according to the invention.

Wie besonders in Fig. 2 gut zu erkennen ist, ist auf die nach einer schleifenden Vorbearbeitung oder Sandstrahlen gering fügig aufgerauhte Ringkörperaußenfläche 9 eine ca. 5 µm dicke Außenschicht 15 aufgebracht, die im wesentlichen aus diamant artigen Kohlenstoff (DLC) besteht. Die DLC-Beschichtung 15 wurde durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung, d. h. durch eine Abscheidung von DLC durch ein kohlenstoff haltiges Gas mittels Gasentladung ohne Zwischenschaltung von Haftvermittlern direkt auf die metallisch blanke Ringkörper außenfläche 9 aufgebracht. Sie hat auf der gesamten Ring körperaußenfläche 9 etwa gleichförmige Dicke und eine im Vergleich zur Ringkörperaußenfläche 9 glattere radiale Außenseite 16, die die zur Gleitberührung mit der Zylinder innenfläche 10 vorgesehene, wirksame radiale Ringaußenfläche oder Umfangsfläche des Kolbenringes 1 bildet. Das Material der Außenschicht 15 hat eine diamantartig hohe Härte, wobei Festigkeitswerte bis in die Größenordnung von ca. 30 GPa oder darüber erreichbar sind. Die Mikrostruktur dieser extrem verschleißfesten Hartstoffschicht ist jedoch nicht kristal lin, sondern polymerartig amorph und hat eine hohe Elas tizität, so daß auch bei Druckbeanspruchung das Beschich tungsmaterial nicht von dem ebenfalls elastischen Material des Ringkörpers 5 abplatzt. Das Material hat, gefördert durch die sehr glatte Oberfläche, einen extrem niedrigen Reib beiwert und ist chemisch inert, insbesondere auch gegen Kohlenwasserstoff-Verbindungen, wie sie in Treibstoffen und Schmiermitteln vorliegen. Weiterhin zeigt das Material sehr geringe Adhäsionsneigung zum Material der Zylinderinnenwand 10. Dadurch kann das bei herkömmlichen Kolbenringen insbeson dere beim Einlaufen der Maschine beobachtete Ausreißen von Teilchen des Zylinderwandmaterials verhindert oder zumindest so weit reduziert werden, daß die Erzeugung von axialen Einlaufriefen, durch die sowohl Gas als auch Öl "abpfeifen" können, reduziert oder ganz vermieden werden kann.As can be seen particularly well in FIG. 2, an approximately 5 μm thick outer layer 15 , which essentially consists of diamond-like carbon (DLC), is applied to the outer surface 15 of the ring body 9 , which is slightly roughened after grinding pre-processing or sandblasting. The DLC coating 15 was applied by plasma-assisted chemical vapor deposition, ie by deposition of DLC by means of a carbon-containing gas by means of gas discharge without the interposition of adhesion promoters, directly on the bright metallic outer surface 9 . It has on the entire ring body outer surface 9 of approximately uniform thickness and a smoother compared to the ring body exterior surface 9 radial outer side 16 which forms the inner surface for sliding contact with the cylinder 10 provided effective radial annular outer surface or peripheral surface of the piston ring. 1 The material of the outer layer 15 has a diamond-like high hardness, strength values of up to the order of magnitude of approximately 30 GPa or more being achievable. However, the microstructure of this extremely wear-resistant hard material layer is not crystalline, but polymer-like amorphous and has a high elasticity, so that the coating material does not flake off from the likewise elastic material of the ring body 5 even under pressure. The material, promoted by the very smooth surface, has an extremely low coefficient of friction and is chemically inert, especially against hydrocarbon compounds such as those found in fuels and lubricants. Furthermore, the material shows very little tendency to adhere to the material of the inner cylinder wall 10 . As a result, the tearing of particles of the cylinder wall material observed in conventional piston rings, in particular when the machine runs in, can be prevented or at least reduced to such an extent that the generation of axial inlet grooves through which both gas and oil can "whistle" can be reduced or avoided altogether can.

Obwohl es möglich ist, daß nur die radiale Ringkörperaußen fläche 9 ganz oder zumindest im zylinderwandnahen Bereich eine DLC-Beschichtung aufweist, sind bei der in Fig. 1 ge zeigten Ausführungsform auch die axialen, ringförmigen Ober flächen 7, 8 des Kolbenringes sowie dessen Innenseite 6 mit einer DLC-Schicht beschichtet, die in einem Arbeitsgang mit der radialen Außenschicht 15 aufgebracht wurde. Diese Be schichtung der im Betrieb mit den Innenwänden der Kolben- Ringnut 2 in Kontakt tretenden Ringkörper-Oberflächen fördert die Beweglichkeit des Kolbenringes 1 in seiner Führungsnut 2 sowohl in radialer und axialer Richtung, als auch in Umfangs richtung. Damit kann einem Festwerden des Kolbenrings in der Nut 2 verhindert werden. Insbesondere sorgt die Beweglichkeit des Kolbenringes für einen Abtransport möglicherweise in den spaltförmigen Zwischenräumen zwischen Ringnut und Kolbenring sich ansammelnder Verbrennungsrückstände, die ein Festbacken des Kolbenringes im Kolben verursachen und damit die An passungsfähigkeit des Kolbenringes an die Zylinderinnenwand behindern können. Die Beschichtung von Ober-, Unter- und/oder Innenseite des Kolbenrings mit diamantartigem Kohlenstoff kann auch bei Kolbenringen vorteilhaft sein, deren radiale Außenseite nicht oder mit anderen Materialien beschichtet ist. Durch die antiadhäsive Beschichtung kann zudem das Spiel in der Ringnut verringert werden, was ebenfalls zu einer Verringerung von "blow by" und Ölverbrauch beiträgt.Although it is possible that only the radial outer ring surface 9 has a DLC coating entirely or at least in the area close to the cylinder wall, in the embodiment shown in FIG. 1 the axial, annular upper surfaces 7 , 8 of the piston ring and the inside thereof are also 6 coated with a DLC layer, which was applied in one operation with the radial outer layer 15 . This loading of the coating during operation with the inner walls of the piston ring groove 2 come into contact ring body surfaces promotes the mobility of the piston ring 1 in its guide groove 2 in both the radial and axial direction as the direction in circumference. This prevents the piston ring from becoming stuck in the groove 2 . In particular, the mobility of the piston ring for removal is possible in the gap-shaped spaces between the ring groove and piston ring accumulating combustion residues that cause the piston ring to stick in the piston and thus hinder the adaptability of the piston ring to the cylinder inner wall. Coating the top, bottom and / or inside of the piston ring with diamond-like carbon can also be advantageous for piston rings whose radial outside is not coated or is coated with other materials. The anti-adhesive coating can also reduce the play in the ring groove, which also contributes to a reduction in "blow by" and oil consumption.

In den Fig. 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Kolbenring in Laufpartnerschaft mit einer Zylinderinnenfläche 10 ge zeigt, die an einem Zylinder aus einem partikelverstärkten Material ausgebildet ist. Partikelverstärkte Zylinderwandun gen können beispielsweise durch galvanisch oder stromlos aufgebrachte Nickel- oder Chromschichten gebildet sein, die Hartstoffpartikel aus Siliziumcarbid, Titannitrid oder Aluminiumoxid aufweisen und die beispielsweise unter den Bezeichnungen Nikasil bzw. Galnikal (eingetragene Marken) bekannt sind. Eine Zylinderwandung kann auch durch partikel haltige Beschichtungen nach dem Plasma- oder Flammspritz- Verfahren hergestellt sein. Hier besteht die Metallmatrix normalerweise überwiegend aus Eisen oder auch Aluminium mit Partikeln wie Zirkonoxid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid bzw. Korund, Siliziumnitrid oder zirkonlegiertem Korund. Eine dritte Materialgruppe für partikelverstärkte Zylinderwandun gen bilden die Aluminium-Silizium-Legierungen, beispielsweise übereutektisch gegossene Buchsen oder Kurbelgehäuse aus Aluminum mit ca. 15 bis 22% Silizium, die auch über Wärme behandlung ausscheidungsgehärtet werden können, oder sprüh kompaktierte Werkstoffe mit beispielsweise 12 bis 30% Silizium, die u. a. unter den Bezeichnungen Silitec oder Dispal (eingetragene Marken) bekannt sind. Es kann sich um Infiltrationswerkstoffe handeln, die beispielsweise durch Reaktionsinfiltration, Squeezecasting oder Druckguß her gestellt werden. Weiterhin kann es sich um Leichtmetall- Werkstoffe, beispielsweise mit Legierungen mit Aluminium- oder Magnesiumbasis handeln, in denen als ggf. fasrige Verstärkungspartikel solche aus Aluminiumoxid, Siliziumcar bid, Siliziumnitrid o. dgl. und/oder Fasern aus Kohlenstoff oder Mullit verteilt sind. Verstärkungspartikel können auch aus Schmelzkorund, Sol-Gel-Korund, Sinterkorund, zirkon legiertem Korund, Zirkonoxid, kubischem Bornitrid, Silizium nitrid oder Siliziumcarbid bestehen. Die Partikel können beispielsweise durch Einrühren in die Schmelze, Sprühkompak tieren, Reaktionsinfiltrieren oder Infiltrieren mit oder ohne Druck in das Matrixmaterial eingebracht sein.In Figs. 1 and 2, an inventive piston ring run in association with a cylinder inner surface 10 is ge is formed on a cylinder of a particle-reinforced material. Particle-reinforced cylinder walls can be formed, for example, by electrolytically or electrolessly applied nickel or chrome layers, which have hard particles of silicon carbide, titanium nitride or aluminum oxide and which are known, for example, under the names Nikasil or Galnikal (registered trademarks). A cylinder wall can also be produced by particle-containing coatings using the plasma or flame spraying method. Here the metal matrix usually consists mainly of iron or aluminum with particles such as zirconium oxide, silicon carbide, aluminum oxide or corundum, silicon nitride or zirconium-alloyed corundum. A third group of materials for particle-reinforced cylinder walls are aluminum-silicon alloys, for example, hypereutectically cast bushings or crankcases made of aluminum with approx. 15 to 22% silicon, which can also be precipitation hardened by heat treatment, or spray-compacted materials with, for example, 12 to 30 % Silicon, which are known under the names of Silitec or Dispal (registered trademarks). It can involve infiltration materials that are produced, for example, by reaction infiltration, squeezecasting or die casting. Furthermore, it can be light metal materials, for example with alloys with an aluminum or magnesium base, in which, if necessary, fibrous reinforcement particles such as aluminum oxide, silicon carbide, silicon nitride or the like and / or fibers of carbon or mullite are distributed. Reinforcing particles can also consist of fused aluminum oxide, sol-gel aluminum oxide, sintered aluminum oxide, zirconium-alloyed aluminum oxide, zirconium oxide, cubic boron nitride, silicon nitride or silicon carbide. The particles can be introduced into the matrix material, for example, by stirring into the melt, spray compaction, reaction infiltration or infiltration with or without pressure.

Partikelverstärkte Materialien werden zunehmend in Zylinder laufbüchsen und/oder Kurbelgehäusen moderner Leichtmetall- Verbrennungsmotoren oder in Arbeitsmaschinen, z. B. Kompres soren, eingesetzt und sollen es unter anderem ermöglichen, dem vorteilhaft leichten Matrixmaterial, das beispielsweise aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung bestehen kann, zumindest im Bereich der Zylinderinnenwand 10 die gewünschten Oberflächeneigenschaften, insbesondere Verschleißfestigkeit und eine vorteilhafte Oberflächenstruktur zu geben. Ein Beispiel einer derartigen Zylinderlaufbuchse ist in der DE 44 38 550 beschrieben. Im Beispiel der Fig. 1 und 2 handelt es sich bei den Partikeln 20 um Fremdpartikel aus Aluminiumoxid bzw. Korund, die feinverteilt in einer Mag nesium-Basislegierung des Zylinders 4 vorliegen.Particle-reinforced materials are increasingly used in cylinder liners and / or crankcases of modern light metal internal combustion engines or in work machines, e.g. B. Compressors, used and should make it possible, among other things, to give the advantageously light matrix material, which can for example consist of an aluminum or magnesium alloy, at least in the area of the cylinder inner wall 10, the desired surface properties, in particular wear resistance and an advantageous surface structure. An example of such a cylinder liner is described in DE 44 38 550. In the example of FIGS. 1 and 2, the particles 20 are foreign particles made of aluminum oxide or corundum, which are present in finely divided form in a magnesium-based alloy of the cylinder 4 .

Die Hartstoffpartikel 20, zwischen denen in Fig. 2 Honriefen 21 zu erkennen sind, haben die erwünschte Funktion, der Zylinderinnenfläche 10 eine ausreichende Festigkeit und/oder Verschleißfestigkeit zu verleihen. Die in der Regel scharf kantig begrenzten Partikel haben jedoch eine abrasive Wirkung und führen daher, insbesondere in der Einlaufphase eines Motors, zu einem relativ hohen Verschleiß an den Kolbenrin gen. Erfindungsgemäße Kolbenringe sind aufgrund der hohen Verschleißfestigkeit der Beschichtung 15 hervorragend an das Zusammenwirken mit partikelverstärkten, oder auch keramischen oder nitrierten Zylinderlaufflächen, insbesondere auch Aluminium-Zylinderlaufflächen, angepaßt.The hard material particles 20 , between which honing grooves 21 can be seen in FIG. 2, have the desired function of imparting sufficient strength and / or wear resistance to the cylinder inner surface 10 . However, the generally sharp-edged particles have an abrasive effect and therefore, particularly in the running-in phase of an engine, lead to relatively high wear on the piston rings. Due to the high wear resistance of the coating 15, piston rings according to the invention are outstanding in their interaction with particle-reinforced ones , or also ceramic or nitrided cylinder running surfaces, in particular also aluminum cylinder running surfaces, adapted.

Die extreme Härte der Beschichtung erlaubt es sogar, einen mit erfindungsgemäßen Kolbenringen ausgestatteten Kolben zur "Nachbearbeitung" der Zylinderinnenfläche zu verwenden, wie es in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die in Fig. 3(a) zu erken nenden, aus der Oberfläche 10 herausstehenden, ggf. scharf kantigen Bereiche 22 der Hartstoffpartikel, die weicher sind als das Beschichtungsmaterial, werden unter Bildung von Plateaus 23 abgetragen (Fig. 3(b)), so daß die Zylinderober fläche 10 geglättet wird und damit weniger verschleißfördernd wird. Zudem kann sich eine Verbesserung der Bohrungsgeometrie während des Motorlaufs ergeben, indem der Kolbenring die Zylinderinnenfläche durch sanftes Abschaben bis zum vollstän digen Anliegen bearbeitet, ohne daß Partikel aus der Matrix herausgerissen werden.The extreme hardness of the coating even allows a piston equipped with piston rings according to the invention to be used for "reworking" the inner surface of the cylinder, as illustrated in FIG. 3. The 23 removed (Fig. 3 (b)) in Figure 3 (a) to erken nenden, projecting from the surface 10, if necessary. Sharp edged portions 22 of the hard material particles which are softer than the coating material, be the formation of plateaus so that the cylinder surface 10 is smoothed and thus less wear-promoting. In addition, there may be an improvement in the bore geometry while the engine is running, in that the piston ring processes the inner surface of the cylinder by gentle scraping until it is completely in contact, without particles being torn out of the matrix.

Es kann ggf. sogar der Bearbeitungsschritt zur Rücksetzung der Metallmatrix bei der Zylinderwand, wie er beispielsweise in der DE 44 38 550 beschrieben ist, eingespart werden. Dieser Schritt wird herkömmlich vorgenommen, um die Zylinder innenfläche, wie in Fig. 2 gezeigt, so zu strukturieren, daß der Kolbenring möglichst nicht direkt mit dem weichen Matrix material des Zylinders 4 in Berührung kommt und sich in den Bereichen zwischen den hervorstehenden Partikeln Ölhalte taschen bilden, die die Schmierung der Laufpartner fördern. Die erforderliche Menge an Schmierstoff kann bei Einsatz erfindungsgemäßer Kolbenringe erheblich reduziert werden, da wegen der Schichteigenschaft ein Fressen des Kolbenringes mit dem metallischen Matrixmaterial vermieden werden kann. Die maximale Rauhigkeit der fertigbearbeiteten, faser- und/oder partikelhaltigen Oberflächen sollte Werte der gemittelten Rauhtiefe R_z von ca. 4 µm nicht überschreiten, da sonst eine Schädigung sowohl der Partikel, als auch der Ringbeschichtung auftreten könnte.The processing step for resetting the metal matrix in the cylinder wall, as described, for example, in DE 44 38 550, can even be saved. This step is carried out conventionally, in order to structure the inside surface of the cylinder, as shown in FIG. 2, in such a way that the piston ring does not come into direct contact with the soft matrix material of the cylinder 4 and oil pockets are pocketed in the areas between the protruding particles form that promote the lubrication of the running partners. The required amount of lubricant can be considerably reduced when using piston rings according to the invention, because the layer property prevents the piston ring from seizing with the metallic matrix material. The maximum roughness of the finished, fiber and / or particle-containing surfaces should not exceed values of the average roughness depth R _z of approx. 4 µm, since otherwise damage to both the particles and the ring coating could occur.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsform eines Kolbenringes hat eine für Dauerbetrieb ausgelegte, ca. 5 µm dicke Außenschicht 15, die zum Abbau von Spannungen innerhalb der Schicht einen senkrecht zur Schicht inhomogenen Schicht aufbau hat. Ausführungsformen mit in Dickenrichtung inhomoge nem Schichtaufbau können insbesondere so hergestellt werden, daß ein die Ringaußenfläche bildender Schichtaußenbereich weicher ist als ein darunterliegender, in Kontakt mit dem Ringkörper stehender Schichtinnenbereich. Die Schichtaußen bereiche können so weich sein, daß sie sich der Zylinderwand zu Beginn des Betriebes gut anpassen und damit besonders gut abdichtende Kolbenringe ermöglicht werden.The embodiment of a piston ring shown in FIGS. 1 and 2 has an outer layer 15 which is designed for continuous operation and has a thickness of approximately 5 .mu.m and which has an inhomogeneous layer perpendicular to the layer to reduce stresses within the layer. Embodiments with inhomogeneous layer structure in the thickness direction can in particular be produced in such a way that an outer layer area forming the ring outer surface is softer than an underlying layer inner area in contact with the ring body. The outer layer areas can be so soft that they adapt well to the cylinder wall at the beginning of operation and thus particularly well sealing piston rings are made possible.

Auch sehr dünne Schichten, beispielsweise in der Größenord nung zwischen 0,5 µm und 1 µm, können vorteilhaft sein. Sie sind preiswert und können beispielsweise zur Verbesserung des Einlaufverhaltens, insbesondere in Verbindung mit partikel verstärkten Leichtmetall-Zylinderwandungen, eingesetzt werden. Die Einlaufschicht kann sich beim Glätten der Hart stoffpartikel selbst langsam durch Abrieb aufbrauchen, so daß die Beschichtung im Dauerbetrieb nur noch teilweise oder gar nicht mehr vorhanden ist. Als direkt an die DLC-Schicht angrenzendes Substrat kann sogar ein bereits andersartig, beispielsweise mit Chrom, beschichteter Kolbenring in Frage kommen.Even very thin layers, for example of the size voltage between 0.5 µm and 1 µm can be advantageous. she are inexpensive and can be used, for example, to improve the Break-in behavior, especially in connection with particles reinforced light metal cylinder walls become. The running-in layer can become hard when smoothing Use up particles of material slowly by abrasion, so that the coating is only partially or even permanently in continuous operation is no longer available. As directly to the DLC layer adjacent substrate can even be an already different one, for example with chrome, coated piston ring in question come.

Eine andere, nicht bildlich dargestellte vorteilhafte Anwen dung erfindungsgemäßer Kolbenringe ergibt sich, wenn die Zy linderwand besonders glatt ist. Denn durch die geringe Adhä sionsneigung erfindungsgemäßer Beschichtungen sowie deren geringer Reibwerte können auch bei größerflächigem Andruck kontakt zwischen Kolbenringaußenfläche und Zylinderinnenwand leicht gleitende Laufpaarungen gebildet werden. Es ist also möglich, die Anzahl und/oder Tiefe der normalerweise an der Zylinderinnenseite vorgesehenen, üblicherweise durch Honen oder Laserbearbeitung eingebrachten Ölhalterillen zumindest im Bereich der Kolbenringbewegung zu verringern. Als Folge kann ein geringerer Ölverbrauch und entsprechend geringere Schadstoffemission bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad erreicht werden. Bei laserstrukturierten Zylinderlaufflächen ergibt sich als zusätzlicher Vorteil, daß die den Kolben ringverschleiß normalerweise erhöhenden Aufhärtungen in der Randzone von durch Laser erzeugten Vertiefungen bei erfin dungsgemäßen Kolbenringen weniger stark verschleißend wirken.Another advantageous application, not illustrated dung piston rings according to the invention results when the Zy linderwand is particularly smooth. Because of the low adhesion sion tendency of coatings according to the invention and their lower friction values can also occur when pressure is applied over a large area contact between the outer surface of the piston ring and the inner wall of the cylinder easily sliding pairings are formed. So it is possible the number and / or depth of normally at the Provided inside the cylinder, usually by honing or laser processing introduced oil holding grooves at least decrease in the area of the piston ring movement. As a result can lower oil consumption and accordingly lower Pollutant emissions with high efficiency can be achieved. For laser-structured cylinder running surfaces there is an additional advantage that the piston ring wear normally increasing hardening in the Edge zone of depressions created by laser at erfin piston rings according to the invention have less wear.

Für Laufflächen, die frei von Partikeln sind, beispielsweise Laufflächen mit Gußeisen, Stahl oder Aluminium, können mittlere Rauhtiefen R_z bis zu ca. 10 µm betragen. Plateau strukturen mit reduzierten Riefentiefen RVK von z. B. 0,5 bis ca. 2,0 µm und/oder reduzierten Spitzenhöhen RPK von maximal ca. 0,2 µm haben sich besonders als Gleitflächen bewährt. Bei den glatten Flächen können wegen der antiadhäsiven Eigen schaften der Beschichtung Werte R der Mittenrauhigkeit bis hinunter zu beispielsweise 0,01 µm gewählt werden.For treads that are free of particles, for example treads with cast iron, steel or aluminum, average roughness depths R _{z can be} up to approximately 10 μm. Plateau structures with reduced depths RVK of z. B. 0.5 to about 2.0 microns and / or reduced peak heights RPK of a maximum of about 0.2 microns have proven particularly useful as sliding surfaces. In the case of the smooth surfaces, values R of the center roughness down to, for example, 0.01 μm can be selected because of the anti-adhesive properties of the coating.

Erfindungsgemäße Kolbenringe können nicht nur in Ver brennungsmotoren wie Diesel- oder Ottomotoren eingesetzt werden, sondern beispielsweise auch in Stirling-Motoren, wie sie zur Kraft-Wärmekopplung eingesetzt werden können. Vor teilhafte Anwendungen können sich auch in Arbeitsmaschinen wie Kompressoren bzw. Verdichtern, Pumpen o. dgl. ergeben. Bei Kompressoren kann insbesondere ein geringerer Ölgehalt in dem Druckgas, insbesondere der Druckluft, erreicht werden.Piston rings according to the invention can not only in Ver internal combustion engines such as diesel or petrol engines be, but also in Stirling engines, such as they can be used for combined heat and power. Before Partial applications can also be found in work machines such as compressors or compressors, pumps or the like. At In particular, compressors can have a lower oil content in the Compressed gas, especially compressed air, can be reached.

Claims

1. Piston ring for use on a piston which is arranged or can be arranged in a cylinder of an engine or working machine, in particular a combustion engine, with an annular body which has a coating which has an inner surface provided for sliding contact with a cylinder inner surface forms, characterized in that the coating ( 15 ) is formed at least in the area near the surface essentially by hard, amorphous carbon.

2. Piston ring according to claim 1, characterized in that the ring body ( 5 ) consists essentially of cast iron or steel, with layer thicknesses of the coating up to approximately 1 µm, preferably of nitrided or chrome-coated steel.

3. Piston ring according to claim 1 or 2, characterized in that the top ( 7 ) and / or the underside ( 8 ) and / or the inside ( 6 ) of the ring body ( 5 ) min at least partially has a coating that at least in near the surface is essentially formed by hard, amorphous carbon.

4. Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that the coating ( 15 ) has a layer thickness of less than 20 µm, in particular between 0.5 µm and 15 µm, preferably about 5 µm.

5. Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that the coating ( 15 ) at least in the region of the ring outer surface ( 16 ) has an average roughness depth R _z of less than approximately 3 µm.

6. Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that the coating ( 15 ) is inhomogeneous in the direction perpendicular to the lateral layer extension.

7. Piston ring according to claim 6, characterized in that the coating ( 15 ) is designed as a gradient layer with perpendicular to the lateral layer extension continuously changing properties, in particular continuously changing hardness.

8. Piston ring according to claim 6 or 7, characterized in that the coating ( 15 ) has a ring outer surface ( 16 ) forming the outer layer region, which is softer than an underlying layer inner region.

9. Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that the coating ( 15 ) has finely divided, preferably submicroscopic deposits, the deposits preferably consisting essentially of metal nitride, metal carbide or metal carbonitride, in particular based on titanium, tungsten, tantalum and / or molybdenum.

10. Piston ring according to one of the preceding claims, characterized in that the coating ( 15 ) is applied by plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD).

11. Piston for a piston-operated work or force machine, in particular an internal combustion engine, on which at least one piston ring according to one of claims 1 to 10 is arranged.

12. Piston-powered work or power machine, in particular internal combustion engine, with at least one Cylinder having an inner surface in which a Piston is arranged with at least one piston ring, characterized in that the piston ring after a of claims 1 to 10 is formed.

13. Machine according to claim 12, characterized in that the cylinder inner surface at least in that of the piston ring area is laser-structured.

14. Machine according to claims 12 or 13, characterized net that the cylinder inner surface is a plateau structure with a reduced mean groove depth RVK between approx. 0.5 µm and approx. 2.0 µm and / or with a reduced one Peak height of about 0.2 µm maximum.

15. Machine according to one of claims 12 or 14, characterized characterized in that the inner cylinder surface at least in the area traversed by the piston ring smooth and essentially free of oil wells as seen through Honing or laser processing produces oil contents creasing is.

16. Machine according to claim 15, characterized in that the cylinder inner surface, at least in the area traversed by the piston ring, has an arithmetic mean roughness R _a of not more than 0.1 µm, preferably between 0.1 µm and 0.01 µm .

17. Machine according to one of claims 12 to 16, characterized in that the cylinder material, at least in the region of the cylinder inner surface ( 10 ), finely divided particles ( 20 ) made of hard material, in particular of separation particles and / or foreign particles, preferably made of silicon carbide and / or aluminum oxide , The particles ( 20 ) are preferably embedded in a light metal matrix, preferably based on aluminum or magnesium.

18. Machine according to claim 17, characterized in that the cylinder inner surface, at least in the area traversed by the piston ring, has an average roughness depth R _z of not more than approximately 4 µm.

19. Method of smoothing and / or the bore geometry improving machining of an inner cylinder surface one, especially at least in the area of the cylinders inner surface made of particle-reinforced material the cylinder of an engine or machine, in particular an internal combustion engine, in which a at least one piston ring according to one of claims 1 up to 10 provided pistons in the cylinder back and forth is brought about.

20. Use one with at least one piston ring after one of claims 1 to 10 provided piston for smoothing machining of an inner surface of a cylinder, especially at least in the area of the cylinders surface consisting of particle-reinforced material, Cylinders of an engine or machine, in particular that of an internal combustion engine.