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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallelements eines beweglichen Systems einer Brennkraftmaschine (insbesondere eines Kolbenringes) und ein Metallelement, das einem solchen Herstellungsverfahren unterzogen wird.
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Dieses Herstellungsverfahren ist dafür ausgelegt, die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Materials zu ändern, aus denen das Metallelement besteht, wodurch ein Bauteil bereitgestellt wird, das eine höhere Effizienz der Funktion und eine höhere Betriebslebensdauer aufweist.
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Beschreibung des Standes der Technik
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In einer Brennkraftmaschine (gleichgültig, ob Diesel- oder Otto-, Zweitakt- oder Viertaktmotor) ist der Kolbenring ein Teil, welches die Funktion erfüllt, den Raum zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Kolben abzudichten und dadurch den Brennraum von den anderen inneren Bauteilen der Kraftmaschine zu isolieren.
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Der Kolbenring ist radial im unteren Teil (Basis) des Zylinders angeordnet, wobei er verhindert, dass die Verbrennungsgase aus dem Brennraum nach außen in Richtung des Kurbelgehäuses entweichen, und wodurch vermieden wird, dass das Öl der Kraftmaschine auf umgekehrtem Wege in den Brennraum eindringt. Es ist möglich, dass mehrere Kolbenringe vorhanden sind, die einen einzigen Kolben umgeben, wobei die Verwendung von zwei oder drei Ringen, die parallel im Bodenbereich des Kolbens angeordnet sind, recht üblich ist.
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Um diese Aufgabe effizient zu erfüllen, muss der Kolbenring eine sehr präzise, glatte Oberflächenbearbeitung aufweisen und sollte aus einem Material von relativ großer Härte bestehen. Dies hängt damit zusammen, dass, wie experimentell festgestellt wurde, die Abdichtung umso wirksamer ist, je größer die Härte der Außenfläche des Ringes ist – insbesondere der Fläche, die sich in Kontakt mit der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse befindet.
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Um eine glatte Oberfläche des Ringes zu gewährleisten und dieser eine größere Härte zu verleihen, werden die Kolbenringe (normalerweise aus Kohlenstoffstahl bestehend) einer oder mehreren Oberflächenbehandlungen unterzogen, wie etwa:
- PVD – physikalische Dampfphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition);
- CVD – chemische Dampfphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition);
- Nitrieren;
(und andere).
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Im Allgemeinen sorgen diese Behandlungen für einen größeren Härtegrad der metallischen Oberfläche, indem externe Elemente in die Kristallstruktur des Metalls eingefügt werden. Solche externen Elemente können zum Beispiel Stickstoff- oder Kohlenstoffatome sein.
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Es ist anzumerken, dass diese Verfahren der Oberflächenbehandlung keinen Einfluss auf die innere Härte des Metalls haben, das heißt auf die Härte der inneren Schichten eines Metallteils. Diese Oberflächenbehandlungen sind lediglich in der Lage, die äußere Schicht eines Teils zu verändern, indem sie einen Film mit einer Dicke im Mikrometerbereich, der mit externen Elementen übersättigt ist, in der ursprünglichen Kristallstruktur des Metalls bilden (im Weiteren "Beschichtungsfilm").
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Obwohl sie den Härtegrad einer bestimmten metallischen Oberfläche erhöhen, sind diese Oberflächenbehandlungen an sich jedoch nicht in der Lage, zur Herstellung eines Kolbenringes von hoher Wirksamkeit und Haltbarkeit beizutragen. Dies liegt daran, dass nach Ausführung dieser Behandlungen die Ringe recht spröde werden, insbesondere an den Übergangsstellen zwischen der äußeren Schicht (das heißt dem Beschichtungsfilm) und dem Kern des Metallteils.
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Diese Sprödigkeit ist vor allem auf die Heterogenität zurückzuführen, welche zwischen den zwei Metallschichten entsteht. Da diese zwei Schichten aus unterschiedlichem Material bestehen (das eine weist eine größere Konzentration an externen Elementen auf als das andere), weisen sie auch unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf, wie etwa Ausdehnungskoeffizient, Festigkeit, Verdichtungsverhältnis usw.
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In dieser Tatsache liegt ein großes Problem der Kolbenringe nach dem Stand der Technik. Die Linie, welche die zwei Schichten trennt und durch den Gegensatz zwischen der äußeren Schicht und der inneren Schicht des Metalls definiert ist, kann leicht einen Riss hervorrufen. Dieser Riss kann sich in dem Teil fortpflanzen und dabei ein Abblättern/Ablösen des Metalls und demzufolge den vollständigen Verlust der äußeren Schicht des Kolbenringes verursachen.
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Wenn der Kolbenring seine äußerste Schicht verliert, verringern sich seine Haltbarkeit und seine Wirksamkeit schlagartig, wobei ein unerwünschter Fluidaustausch zwischen dem Brennraum und dem innersten Bereich des Motorblocks ermöglicht wird und die Anfälligkeit gegenüber dem Verschleiß auf der Außenfläche des Ringes erhöht wird. Daher ist eine Lösung dieses Problems erforderlich. Diese Lösung sollte eine Erhöhung der Haltbarkeit und Wirksamkeit eines Kolbenringes durch eine physikalische und chemische Behandlung der Kristallstruktur eines bereits gehärteten Kolbenringes bewirken.
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Aufgaben der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines hinsichtlich der Abdichtung haltbaren und wirksamen Kolbenringes.
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Die vorliegende Erfindung hat außerdem die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für einen hinsichtlich der Abdichtung haltbaren und wirksamen Kolbenring zu entwickeln.
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Die vorliegende Erfindung hat außerdem die Aufgabe, ein Metallelement eines beweglichen Systems einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welches eine hohe Wirksamkeit und Haltbarkeit im Betrieb aufweist.
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Schließlich hat die vorliegende Erfindung außerdem die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für ein Metallelement eines beweglichen Systems einer Brennkraftmaschine, wie oben dargelegt, zu entwickeln.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch ein Metallelement eines beweglichen Systems einer Brennkraftmaschine gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass dieses Metallelement einer Oberflächenhärtungsbehandlung unterzogen wird, die darin besteht, in wenigstens einem Abschnitt seiner Außenfläche die Kristallstruktur des Metalls durch ein Laserverfahren mit einem externen Element zu infiltrieren.
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Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden außerdem durch ein Verfahren zur Herstellung eines Metallelements eines beweglichen Systems einer Brennkraftmaschine gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es aus einem einzigen Schritt besteht, welcher zwei Arbeitsgänge umfasst, die gleichzeitig ausgeführt werden, nämlich: Durchführung einer Oberflächenhärtungsbehandlung durch Infiltrieren der Kristallstruktur des Metalls mit einem externen Element; und die Bildung eines Diffusionsbereichs zwischen dem ursprünglichen Substrat des Metalls und seinem gesättigten Bereich durch die Applikation eines Lasers auf seine Außenfläche.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand einer in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform näher beschrieben. Die Figuren zeigen:
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1 ist eine Schnittansicht eines ersten Musters eines Kolbenringes, welcher dem Behandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen wurde.
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2 ist eine Schnittansicht eines zweiten Musters eines Kolbenringes, welcher dem Behandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen wurde.
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3 ist eine graphische Darstellung, welche den Index der Fressbeständigkeit (Scuffing Index) des Materials eines Kolbenringes der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem Kolbenring nach dem Stand der Technik zeigt.
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4 ist eine graphische Darstellung, welche die Änderung der Härte des Materials, aus dem der Kolbenring besteht, von der äußersten Schicht aus in Richtung des Kerns zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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Das Grundprinzip des Herstellungsverfahrens des Kolbenringes 1 der vorliegenden Erfindung besteht in der Applikation eines Lasers hoher Intensität auf die radial äußere Fläche des Kolbenringes 1.
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Wenn er unter korrekten Bedingungen appliziert wird, bewirkt der Laser, dass das externe Element, mit dem die radial äußerste Schicht des Ringes gesättigt ist, in den inneren Schichten dieses Materials verteilt wird, wodurch ein Konzentrationsgradient des externen Elements durch die aufeinander folgenden Materialschichten, aus denen dieser Ring besteht, erzeugt wird.
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Die 1 und 2 dieser Patentbeschreibung zeigen Mikrographien von zwei Mustern von Kolbenringen, welche der Laserbehandlung der vorliegenden Erfindung unterzogen wurden.
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In den zwei Fotos sind zu erkennen: ein äußerster Bereich, welcher dem Querschnitt einer Aluminiumpapierfolie 3 entspricht (nur verwendet, um die Unterscheidung des Bakelits – oberer schwarzer Bereich – von dem Beginn der Beschichtung zu ermöglichen); ein "gesättigter Bereich" 4, oder Beschichtungsfilm; ein "Substrat" 2, welches dem Metall entspricht, aus dem der Kolbenring 1 in seiner ursprünglichen Form besteht (im Allgemeinen Kohlenstoffstahl); und ein "Diffusionsbereich" 5, der einem Hybridmaterial zwischen dem Substrat 2 und dem gesättigten Bereich 4 entspricht.
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Dieser Diffusionsbereich 5 kann als eine Zwischenschicht zwischen dem gesättigten Bereich 4 und dem Substrat 2 definiert werden, welche nach dem Prozess der Applikation des Lasers unter der radial äußeren Fläche des Kolbenringes 1 gebildet wird.
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Es ist anzumerken, dass der Laser, wenn er eine Umhüllungs-/Legierungsbildung zwischen den Materialien des Substrats 2 und des Beschichtungsfilms bewirkt, die für Risse und Brüche anfälligen kritischen Stellen auflöst, die ursprünglich zwischen dem Beschichtungsfilm und dem Kern des Kolbenringes 1 vorhanden waren.
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Der Diffusionsbereich 5 erzeugt einen allmählichen Übergang zwischen den physikalischen Eigenschaften des Beschichtungsfilms und des Substrats 2 (oder Kerns) des Materials. Hierin besteht die Hauptqualität, die auf die Applikation des Lasers auf den Kolbenring 1 zurückzuführen ist.
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Ein mit einem Muster eines Kolbenringes 1 durchgeführter Versuch zeigte, dass ab der radial äußeren Fläche des Ringes und bis zu einer Tiefe von 100 Mikrometern (wenn man in Richtung des radialen Mittelpunktes dieses Ringes eindringt) die Härte seines Materials allmählich abnimmt, wie aus der graphischen Darstellung von 4 dieser Patentbeschreibung ersichtlich ist.
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Ein weiteres Merkmal, das aus der Applikation des Lasers auf den Kolbenring 1 resultiert, zusätzlich zur Erzeugung eines Diffusionsbereichs 5, ist die Verfeinerung der Körnung seiner metallischen Struktur an seiner radial äußeren Fläche.
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In der radial äußeren Fläche des Kolbenringes 1, der durch die Applikation des Lasers am stärksten beeinflussten Fläche, kommt es zu einem zeitweiligen Schmelzen des Metalls. Da dieses Schmelzen nur in einem Bereich der Außenfläche des Rings mit einer Dicke im Mikrometerbereich auftritt, wird das geschmolzene Metall durch den Rest des Kolbenringes 1 (welcher Raumtemperatur aufweist) rasch abgekühlt. Diese Erwärmung, auf die eine schnelle Abkühlung folgt, ist der Vorgang, welcher die Verkleinerung der Körner der metallischen Struktur verursacht, eine Erscheinung, die als Kornverfeinerung bezeichnet wird.
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Indem er die Größe der Körner der metallischen Struktur verkleinert, bewirkt der Laser eine weitere Erhöhung der Bruchfestigkeit des Ringes. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich bei jeder metallischen Struktur mit verminderter Korngröße die elastische Verformungsgrenze erhöht, wodurch unerwünschte Erscheinungen wie Abblättern/Ablösen der Oberfläche des Materials vermieden werden.
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Nach dem Vorgang der Applikation des Lasers weisen die Muster von Kolbenringen gewöhnlich eine Abblätterungsfestigkeit (Index der Fressbeständigkeit) auf, die wesentlich höher ist als diejenige von herkömmlichen Ringen nach dem Stand der Technik, wie die graphische Darstellung von 3 dieser Patentbeschreibung zeigt.
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Der Laser muss mit einer Geschwindigkeit und einer Intensität appliziert werden, welche ein Schmelzen der äußeren Schicht des Ringes ermöglichen, jedoch kein Verdampfen des Elements verursachen. Es ist anzumerken, dass Folgendes gilt: Je niedriger die Geschwindigkeit der Laserapplikation ist, desto höher ist der Grad der Diffusion des äußeren Elements, und desto stärker verdünnt, das heißt weniger gesättigt ist demzufolge dann das Material des Beschichtungsfilms. Vorzugsweise sollten die Geschwindigkeit und Intensität der Laserapplikation ausreichend sein, um einen Diffusionsbereich 5 von ungefähr 80 µm zu bilden (wobei ein beliebiger Wert zwischen 30 und 150 Mikrometern als ein sinnvoller Wert anzusehen ist).
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Die Intensität des Lasers und die Geschwindigkeit seiner Applikation sind jedoch nicht die einzigen Faktoren, welche das Ergebnis seiner Applikation auf die Außenfläche des Ringes beeinflussen. Neben der Geschwindigkeit und Intensität des Lasers beeinflussen folgende weitere Faktoren die Wirksamkeit dieser Behandlung: der Einfallswinkel des Lasers, die Gasumgebung des Laserbetriebsraums und die Dicke des Beschichtungsfilms.
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Die am besten geeigneten Parameter für die Laserapplikation sind in der folgenden Tabelle angegeben:
| Bevorzugte Parameter für die Applikation: |
| Einfallswinkel des Lasers: | zwischen 45° und 90° |
| Applikationsgeschwindigkeit des Lasers: | zwischen 2 und 20 mm/s |
| Leistung des Lasers: | zwischen 2 und 8 kW |
| Defokussierung: | zwischen 8 und 300 mm |
| Typ der Laservorrichtung: | CO2 oder Nd: YAG oder Diode HDPL oder Faser |
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Was den anfänglichen Oberflächenbehandlungsprozess betrifft, dem der Kolbenring 1 unterzogen wird, so ist bekannt, dass dieser Laserbehandlungsprozess gute Ergebnisse bei Metallringen liefern kann, deren Beschichtungsfilm mit Cobalt, Nickel, Chrom, Bor, Stickstoff, Kohlenstoff oder einer Kombination davon gesättigt ist. Diese Elemente können aus Carbiden, Sulfiden und Nitriden gewonnen werden, um nur einige Formen verwendbarer Industriematerialien zu nennen.
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In jedem Falle ist anzumerken, dass das Verfahren der Laserapplikation der vorliegenden Erfindung nicht auf Ringe beschränkt ist, die durch Infiltration mit diesen externen Elementen gehärtet wurden, und dass andere Anwendungsformen möglich sind, sofern sie das Diffusionskonzept beinhalten, das in dieser Patentbeschreibung definiert ist.
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Was die Materialien anbelangt, aus denen vorzugsweise (nicht notwendigerweise) das Substrat 2 des Kolbenringes 1 bestehen sollte, so sind dies Metalle oder Metalllegierungen, die hauptsächlich aus Eisen oder Aluminium bestehen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Verfahren des Härtens der äußeren Schicht des Kolbenringes 1 und der Applikation des Lasers aus einem einzigen Schritt. Anders ausgedrückt, das Einfügen des externen Elements in die Kristallstruktur des Metalls hinein erfolgt gleichzeitig mit der Applikation des Lasers, so dass die folgenden zwei Erscheinungen gleichzeitig auftreten: Härten der Außenfläche des Ringes und Erzeugen eines Gradienten (d. h. eines Diffusionsbereichs 5).
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Dieser Arbeitsgang kann zum Beispiel ausgeführt werden, indem Partikel, welche das externe Element enthalten, während der Laserapplikation auf das erwärmte geschmolzene Metall gespritzt werden.
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Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung mittels der oben beschriebenen Prozesse und Herstellungsverfahren alle Probleme lösen kann, die mit ihr gelöst werden sollten, nämlich die Probleme, die mit der geringen Wirksamkeit der Abdichtung und der geringen Haltbarkeit des Kolbenringes 1 nach dem Stand der Technik zusammenhängen.
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Die vorliegende Erfindung weist ferner einen vorteilhaften Nebeneffekt auf, aufgrund eines ökologischen Nutzens, den sie bei einer ihrer möglichen Ausführungsformen gewährleistet. Dieser ergibt sich daraus, dass es bei dem Prozess der Einfügung des Kohlenstoffelements in die Kristallstruktur des Metalls hinein möglich ist, ein als Kohlenstoffschwarz (Ruß) bezeichnetes Material zu verwenden.
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Kohlenstoffschwarz ist ein Nebenprodukt der Pyrolyse (kontrollierten Verbrennung) von Autoreifen. Seine Verwendung bei einem industriellen Verfahren wie bei der vorliegenden Erfindung ist sehr umweltfreundlich, da die vorliegende Erfindung durch "Einschließen" des Kohlenstoffatoms inmitten einer Kristallstruktur eines Metalls die Bildung von Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid verhindert, welche sehr umweltschädliche Stoffe sind.
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Schließlich ist anzumerken, dass es offensichtlich ist, dass, obwohl in dieser Patentbeschreibung bisher nur auf den Kolbenring 1 Bezug genommen wurde, das hier beschriebene Herstellungsverfahren auch für ein beliebiges anderes Bauteil einer Brennkraftmaschine angewendet werden kann.
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Zu anderen möglichen Bauteilen, bei denen dieses Herstellungsverfahren zur Anwendung kommen kann, gehören zum Beispiel die Laufbuchse des Kolbens, die Einlass- und Auslassventile, der Kolbenbolzen und sein Gehäuse, die Pleuelstange, die verschiedenen Teile der Kurbelwelle und andere. Es ist anzumerken, dass jedes sich bewegende Teil oder Teil, welches sich in Kontakt mit einem Teil befindet, das sich innerhalb einer Brennkraftmaschine bewegt, der in dieser Patentbeschreibung beschriebenen Behandlung unterzogen werden kann.
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Auf diese Weise kann eine Zylinderlaufbuchse auf ihrer gesamten Innenfläche (der Fläche, die sich dann während des Betriebs der Brennkraftmaschine in Kontakt mit dem Kolbenring 1 befindet) eine Oberflächenbehandlung erhalten und einer Laserapplikation unterzogen werden, um dieselben Wirkungen zu erzielen, die hier bereits beschrieben wurden, nämlich die Erzeugung eines Diffusionsbereichs 5 zwischen dem Beschichtungsfilm und dem Kern des Materials und die Kornverfeinerung in der Nähe dieses Beschichtungsfilms.
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Somit ist festzustellen, dass die vorliegende Erfindung allgemein einen Schutz für Metallelemente eines beweglichen Systems einer Brennkraftmaschine gewährleistet und Herstellungsverfahren für solche Metallelemente bereitstellt. Unter diesen Metallelementen eines beweglichen Systems sind zum Beispiel die Zylinderlaufbuchse und der Kolbenring 1 zu nennen, sowie andere Bauteile einer Brennkraftmaschine, welche von dem hier vorgeschlagenen Herstellungsverfahren profitieren können.
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Während ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, versteht es sich, dass der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung andere mögliche Varianten einschließt und nur durch den Inhalt der beigefügten Ansprüche eingeschränkt wird, wobei die möglichen Äquivalente mit eingeschlossen sind.
