Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen, insbesondere für Leichtmetallkolben von Verbrennungskraftmaschinen. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfah ren zur Herstellung von Kolbenringen, ins besondere für Leichtmetallkolben von Ver- brennungskraftmaschinen. Bekanntlich sind die bei solchen Kolben gebräuchlichen Dich tungsringe aus Gusseisen, sogenanntem Grau guss, gefertigt, weil sich dieser Baustoff für diese Zwecke bei allen Arten von Kolbenma- scIiinen bisher am besten bewährt hat.
Aller dings besteht bei Verwendung von gusseiser- nen Ringen für Kolben, die aus Leichtmetall gegossen sind, der empfindliche Übelstand, dass die zur Aufnahme der Ringe dienenden Nuten des Kolbens nach verhältnismässig kur zer Betriebszeit schon stark ausgeschlagen, das heisst erweitert sind, .so dass die Ringe ihren guten Sitz verloren haben.
Bei jedem Kolbenspiel gelangen nämlich auf die seit lichen Auflageflächen der Nuten schlagartig wirkende Druekräfte, die umso grösser sind, je grösser das spezifische Gewicht der Ringe ist; sie ergeben eine rasche Abnutzung am Kolbenkörper, weil dessen Baustoff weniger hart als Gusseisen ist, insbesondere bei hohen Temperaturen. Man ist sich dieses Mangels schon seit langem bewusst und hat beispiels- weise vorgeschlagen, - die Kolbenringnuten,. um sie vor zu schneller Abnutzung zu bewah ren, mittels eingegossener härterer Ringe aus Stahl oder Gusseisen auszufüttern.
Derartige Hilfsmittel sind aber unbefriedigend. Der Kolben wird schwerer und komplizierter; die verschiedene Wärmeausdehnung des Leicht- metalles und des Eisens oder Stahls führt zu betrieblichen Schwierigkeiten, und es treten weitere thermische Nachteile auf, auf die spä ter eingegangen werden soll. Vereinzelt ist in der Literatur auch schon der Vorschlag auf getaucht, -die Kolbenringe gleichfalls. aus Leichtmetall herzustellen, um den auftreten den Verschleiss in die billigeren Kolbenringe zu verlegen, doch sind diese Vorschläge bis her nicht zur -praktischen Anwendung gekom men. Die Gründe sind leicht begreiflich.
Aus Leichtmetall gegossene Ringwind zur Ab dichtung gegen die im Verbrennungsraum der Maschine auftretenden hohen Drücke wenig geeignet, denn gegossenes Leichtmetall neigt weit mehr als der übliche Grauguss dazu, Un- dichtheiten und Fehlerstellen aufzuweisen. Dazu kommt, dass Ringe aus Leichtmetall sich wegen der verhältnismässig geringen Warmhärte und insbesondere Oberflächen härte an den dichtenden Aussenflächen, die beständig auf der Zylinderfläche gleiten, zu rasch abnutzen würden.
Vor allem ist es aber a ue, 'h se Iwierig, derartige Ringe mit einem Grad von Elastizität herzustellen, welcher bei den hohen Betriebstemperaturen erhalten bleibt und für ein dauernd dichtes Anliegen erforderlich ist. Diese Nachteile der Leicht metallringe sind mit Recht als derart über wiegend angesehen worden, dass demgegen über der Vorteil der Gewichtsverminderung keine Rolle spielen kann.
Die Erfindung beruht einerseits auf der Überlegung, dass der aus Leichtmetall gebil dete Kolbenring ausser dem Vorteil der Ge wichtsverminderung bezw. der Schonung der Kolbenringnuten noch andere Vorteile von wesentlich grösserer Bedeutung bieten würde, nämlich Vorteile, welche die bauliche Aus bildung und die Betriebsfähigkeit des Kol bens selbst, ja sogar den mechanischen und thermischen Wirkungsgrad der ganzen Ver brennungsmaschine günstig zu beeinflussen imstande sind;
die Erfindung beruht ander seits auf der Erkenntnis, dass die Nachteile der Leichtmetallringe, die sich ihrer prak tischen Verwendung bisher entgegengestellt haben, vermieden werden können, wenn die Herstellung der Ringe nicht durch Giessen, sondern nach einem besonderen Herstellungs verfahren erfolgt.
Demgemäss besteht die Er findung in einem Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen, insbesondere für Leicht metallkolben von Verbrennungskraftmaschi- nen, welches sich dadurch kennzeichnet, dass der Ring aus pulverförmigem Leichtmetall im Sinterverfahren hergestellt wird, indem feingepulvertes Leichtmetall unter hohem Pressdruck bei erhöhter Temperatur der Press- form zur Verschmelzung und innigen Verei nigung gebracht wird. Bekanntlich gestattet das Sinterverfahren. feste Körper mit ausserordentlich dichtem Ge füge zu bilden, wenn als Ausgangsstoff Me tallpulver feiner Korngrösse benutzt wird.
Ein in solcher Weise hergestellter Dichtungs ring ist vollkommen homogen und weist keine Hohlräume oder Fehlerstellen auf, die im Be trieb zur Undichtheit führen könnten. Weiter hin bietet das Sinterverfahren die Möglich keit, Legierungen zu bilden, die sich im Giess verfahren überhaupt nicht oder jedenfalls nicht in einwandfreier Weise erzeugen lassen. Dies ist wichtig, weil es infolgedessen ge lingt, dem aus Leichtmetall gebildeten Kol benring durch Zusätze von Schwermetallen alle die Eigenschaften zu geben, welche dem Leichtmetall an sich fehlen. nämlich ausrei chende Festigkeit, genügende Härte an der äussern Gleitfläche, insbesondere bei hoher Temperatur, ferner erhöhte Elastizität, sowie verbesserte Gleitfähigkeit und hoher Ver schleissfestigkeit.
Diese Eigenschaften können erzielt werden, ohne die -\Värmeleitfähigkeit wesentlich herabzusetzen, indem man dem Leichtmetall gewisse Zusätze von Schwer metallen zusetzt, wie später noch genauer er läutert werden soll. Diese Schwermetalle kön nen ebenfalls in Pulverform mit feiner Korn grösse mit. dem Leichtmetallpulver, z. B. Alu miniumpulver, welches auch die Wärmehärte steigernde Beimengungen von Magnesium, Beryllium, Lithium bis zu 1 % enthalten kann, aufs innigste gemischt und unter hohem Pressdruak bei entsprechender Tempe ratur zur Sinterung und Verschmelzung ge bracht werden.
Will man Schwermetalle, die einen hohen Schmelzpunkt haben, mit Alumi nium, dessen Schmelzpunkt bei etwa 660 C liegt, in gewöhnlicher Weise durch Hitze ver flüssigen und zur Legierung bringen, so er geben sieh wegen der verschiedenen Schmelz barkeit ausserordentlich grosse Schwierigkei ten. Gewisse Metalle, wie Chrom, Kobalt, Molybdän und andere, die überhaupt schwer schmelzbar sind, lassen sich nur auf kostspie lige und zeitraubende Weise mit Aluminium in Legierung bringen.
Vor allem ist es aber nicht möglich, durch ein Giessverfahren der- artige Legierungen in homogener Form zu er halten, da die beschränkte Löslichkeit und die eutektischen Grenzen die Möglichkeiten der Zusammensetzung der Legierung ein engen und selbst innerhalb dieser Grenzen beim Zusammengiessen Entmischungen auf treten, die teils auf das verschiedene spezi fische Gewicht der Metalle, teils darauf zu rückzuführen sind, dass die Giesstemperatur mit Rücksicht auf die Formen nicht überall hinreichend und gleichmässig hoch gehalten werden kann.
Bei der gebräuchlichen Art, die Metalle zu legieren, ist es unvermeidlich, dass die schwer schmelzbaren Metalle bei der Abkühlung grössere, in der Masse ungleich verteilte Kristalle bilden, wodurch der gegos sene Körper in seinen Eigenschaften nicht verbessert, sondern unter Umständen sogar verschlechtert wird. Die gewünschte Festig keit, Härte, Elastizität usw. kommen nur bei inniger homogener Durchmischung der ver schiedenen Metalle zustande; im andern Falle bilden sich beispielsweise sehr harte Stellen, welche die Bearbeitung erschweren, neben an dern weichen Stellen, welche geringe Wider standsfähigkeit haben, und dergl. mehr.
Das Sinterungsverfahren befreit demgegenüber von den Schwierigkeiten, welche dem Schmelz- und Gussverfahren eigen sind. Es ermöglicht, die eutektischen bezw. die Lös lichkeitsgrenzen beliebig zu überschreiten. Entmischungen können nicht mehr auftreten, da die Metalle bereits in Pulverform die für die Legierungsbildung erforderliche Korn grösse und Mischung erhalten haben und im Sinterungsprozess sich in gewünschter Weise aneinander lagern.
Das Auftreten von un gleich verteilten, die Korngrösse überschrei- Lenden Kristallisationsprodukten wird mit Sicherheit vermieden. Infolgedessen kann man auf die angegebene Weise Kolbenringe aus Leichtmetall mit einer Zusammensetzung des Materials erzeugen, welche den prakti schen Anforderungen in bezug auf Warm härte, Gleit- und Verschleissfähigkeit, Wärme leitfähigkeit und dauernder Elastizität wei testgehend entspricht. Das Material des Kol benringes zeigt ein gleichmässiges, gitter- artiges Gefüge, welches infolge des Fehlens grosser Kristalle bei der Bearbeitung keine Schwierigkeiten macht.
Als besonders geeignetes Schwermetall, welches die Warmhärte, die Verschleissfestig keit und die Elastizität wesentlich herauf setzt, ohne die Wärmeleitfähigkeit über Ge bühr zu vermindern, kann Kobalt bezeichnet werden. Seines hohen Schmelzpunktes wegen ist es mit Aluminium nur schwer in Legie rung zu bringen. Versuche zur Beimischung durch Erschmelzen von Vorlegierungen schei terten an der übermässigen Beanspruchung der Schmelztiegel, wodurch das Verfahren unwirtschaftlich wurde.
Es liegt jedoch für die Herstellung von Leichtmetallkolbenringen ein besonderes In teresse vor, Kobaltzusätze zu verwenden, da Kobalt im Gegenstaz zu andern Schwermetal len mit Aluminium keine Mischkristalle bil det, sondern mit ihm eine Verbindung von der Formel Co3A1" eingeht, welche für den genannten Verwendungszweck ausserordent lich günstige Eigenschaften aufweist und dem Kolbenring die Eigenschaften verleiht, die er zur Erfüllung seines Verwendungs zweckes benötigt.
Da das Sinterungsverfahren auch die Bei mischung anderer, keine Verbindung mit Aluminium eingehender Schwermetalle zu lässt, ohne wie das Schmelzverfahren an eutektische Grenzen gebunden zu sein, kön nen neben Kobalt auch Nickel-, Kupfer-, Mangan- und Chromzusätze Anwendung fin den, wobei Nickel und Kupfer zur Verbesse rung der Wärmeleitfähigkeit und Gleit- eigenschaften, Mangan und Chrom zur Er höhung der Elastizität benutzt werden.
Bei spielsweise weist eine Sinterlegierung in den Grenzen von 10 bis 30 % Kobalt, 2 bis 5 Nickel, 1 bis 4 % Mangan, 2 bis 5 % Chrom, Rest Aluminium, dem Zusätze von Lithium, Beryllium, Magnesium in der Grössenordnung von 1 % beigemischt werden können, eine Warmhärte bis zu 80 Brinell bei 300 C, eine Wärmeleitfähigkeit über 0,3 und eine hinreichend grosse Verschleissfestigkeit auf.
Zum Vergleich seien die ZVerte des Grau gusses mit Warmhärte 1.50 Brinell bei 300 und Wärmeleitfähigkeit 0,1. sowie der besten Leichtmetall-Kolbenlegierungen mit Warm härte 45 bei<B>300'</B> und Wärmeleitfähigkeit 0,4 herangezogen.
Die in der vorgeschlagenen Sinterlegierung angegebenen Zusätze von Chrom, 3langan und Nickel können auch ganz oder teilweise durch metallurgisch an nähernd äquivalente Seh-,vermetalle wie -Vol- fram, Molybdän, Titan und andere ersetzt werden, wobei ebenfalls Werte erzielbar sind, welche eine praktische Verwendbarkeit des gesinterten Leichtmetallkolbenringes gewähr leisten.
Auch in diesem Falle können dem Gemisch noch Zusätze von Lithium, Beryl lium und Magnesium in der Grössenordnung von je etwa<B>l</B> /'o beigefügt werden. Bei Kolbenringen, die durch Giessen er zeugt sind, pflegt man die erforderliche federnde Spannung durch Hämmern zu er zeugen. Dieses Verfahren ist für gesinterte Ringe wegen ihres gitterartigen Gefüges nicht zweckmässig. Im vorliegenden Falle empfiehlt es sich, die gefertigten Ringe einer Nachbehandlung mittels Wärme zu unterwer fen, durch welche ihnen die erforderliche Spannung gegeben wird, welche sie zum An liegen an die Zylinderwand benötigen.
Dies kann beispielsweise dadurch gesehehen, dass der geschlitzte Ring im rohen oder fertig be arbeiteten Zustand auf einem Spanndorn auf gespannt, längere Zeit einer zweckentspre chend höher gewählten Temperatur ausge setzt und abgeschreckt wird. Der Ring nimmt dadurch endgültig die Form an, welche ihn befähigt, im eingebauten Zustande einen hin reichenden Anpressdruck auf die Zylinder wand auszuüben.
Die Eigenschaften des im Sinterverfahren erzeugten Kolbenringes aus Leichtmetall kön nen gegebenenfalls noch dadurch verbessert werden, dass der Ring auf den gleitenden Aussenflächen mit einem Eloxalüberzug, das ist bekanntlich eine auf elektrischem Wege hervorgebrachte Oxydation des Aluminiums an seiner Oberfläche, versehen wird. Durch das Eloxieren wird nicht nur die Härte an der Oberfläche erhöht und dadurch. die Ver schleissfähigkeit vermindert, sondern es wird vor allen Dingen auch die Wärmeleitfähig keit des Ringes in hervorragendem -Masse ver bessert.
Durch Versuche ist festgestellt wor den, dass die Uähigkeit. Wärme aufzunehmen und Wärme auszustrahlen, auf ein Vielfaches gesteigert wird, was irn vorliegenden Falle, wie noch gezeigt werden soll, von besonderer Bedeutung ist.
Auf diese Weise lassen sieh Dichtungs ringe aus Leichtmetall erzeugen, welche in bezug auf die oben erwähnten Eigenschaften den gebräuchlichen Ringen aus Grauguss in keiner Weise nachstehen. Auf der andern Seite sind sie aber den üblichen Kolbenringen in wesentlichen Beziehungen überlegen. Trotz der Beimengungen von Schwermetallen, die j , gegebenenfalls nur einen Bruchteil der Ge samtmasse bilden.
ist ihr spezifisches Ge wicht gering und nicht wesentlich höher als dasjenige, der Legierung, aus welchem der Kolben besteht. Infolgedessen wird die Ab nutzung der Kolbenringnuten entsprechend geringer. Viel wichtiger sind die bisher offen bar nicht erkannten Vorteile. welche dadurch entstehen, dass der aus Leichtmetall gebil dete Kolbenring eine ausserordentlich gute 1Värtneleitfä higkeit aufweist, welche etwa dreimal so gross als diejenige des Gusseisens ist und welche durch die Zusätze von Schwer metallen sogar noch verbessert wird.
Bekannt lich herrscht im Betriebe die höchste Tempe ratur am Kolbenboden, das heisst an der Stirnfläche des Kolbens, welche dauernd mit den verbrennenden Gasen in Berührung ist. An dieser Stelle nimmt der Kolben dauernd Wärme auf. welche an die gekühlten Zylin- derfhiehen abzuleiten ist.
Durch Messungen ist festgestellt worden, dass die Betriebstempera tur an der Stirnfläche des Kolbens etwa 250 und in dem die Kolbenringe tragenden Kopf noch annähernd 200 beträgt, während das sich anschliessende Kolbenhemd (Kolbenman tel), welches gewöhnlich vom Kolbenkopf am Umfang ganz oder grösstenteils durch einen Schlitz getrennt ist, etwa eine Temperatur von<B>130'</B> aufweist.
Da nun die gekühlte Zylinderwand eine Temperatur von beispiels weise<B>80'</B> hat, so beträgt das Temperaturge fälle am Kolbenkopf 120' gegenüber einem Gefälle von nur<B>50'</B> zwischen Kolbenhemd und Zylinderwand. Für die Kühlung des Kolbens würde es günstig sein, wenn die Abführung der Wärme an die gekühlte Zylinderfläche dort stattfinden würde; wo das Wärmegefälle gross ist, also am Kolbenkopf. Nun wird aber der Kopf gewöhnlich im Aussendurchmesser geringer als das Hemd ausgeführt, so dass zwischen Kopf und Zylinderfläche ein mit 01 gefüllter Spalt verbleibt, der die Wärme schlecht leitet.
Der Wärmeübergang vom Kopf zum Zylinder kann nur mittels der Kolbenringe erfolgen, welche dicht an der Zylinderfläche anliegen. Bestelen nun diese Ringe aus Gusseisen, dessen Wärmeleitfähig keit nur ein Drittel so gross wie die des Leichtmetalles ist, so tritt am Kolbenkopf eine Stauung der Wärme ein, welche bewirkt, dass dieser Teil eine sehr hohe Betriebstempe ratur annimmt. Diese Aufstauung der Wärme wird nun noch gesteigert, wenn die Kolben ringnuten, wie eingangs erwähnt, noch mit einem schlechter leitenden Futter aus Guss eisen versehen werden. Der die Ringnuten enthaltende Teil des Kolbenkopfes verbleibt dann auf einer Temperatur .die derjenigen der Kolbenstirnfläche sehr nahe kommt.
Nun vermindert sich bekanntlich die Härte des Leichtmetalles sehr schnell mit wachsender Temperatur. Während sie im kalten Zustand etwa 120 Brinell beträgt, sinkt sie bei 250 schon auf 60 Brinell ab. Diese starke Verminderung der Härte ist hauptsächlich die Ursache, weshalb sich die Kolbenringnuten im Betriebe verhältnismässig rasch verschleissen. Diesem Nachteil kann am besten vorgebeugt werden, wenn dafür ge sorgt wird, dass die Wärme vom Kolbenkopf in wirksamerer Weise zum Zylinder abflie ssen kann, als dies bei den bisherigen Kolben konstruktionen der Fall ist.
Diese erheblich verbesserte Abkühlung tritt ein, wenn sich der Wärmeübergang zur Zylinderfläche mit tels Körper aus Leichtmetall vollzieht, wel- chem noch besonders gut leitende Zusätze von Schwermetallen beigemengt sind. Wenn auch durch derartige Zusätze das spezifische Ge wicht und die Härte der Kolbenringe ein wenig vermehrt wird, so spielt das keine Rolle, sobald durch die bessere Wärmeabfüh rung erzielt wird, dass das Material des Kolbenkopfes im Betrieb nicht zu weich wer den kann.
Mit der Verminderung der Betriebstempe ratur des Kolbenkopfes sind aber auch noch andere praktische Vorteile verbunden. Wie bereits erwähnt, musste der Kolbenkopf bei den bisherigen Konstruktionen mit Rücksicht auf die stärkere Ausdehnung im Durchmesser merklich kleiner als das Kolbenhemd ge halten werden. Während beispielsweise die gebräuchlichen Leichtmetallkolben von Fahr zeugmotoren am Kolbenhemd mit einem Spiel von fünf Hundertstel Millimetern laufen kön nen, muss dieses zwischen Zylinderwand und Kolbenkopf etwa zwei bis drei Zehntel betra gen (beides auf einen Kolben von etwa 80 mm<B>0</B> bezogen), um hier das Fressen des Kolbens zu vermeiden.
Hieraus ergibt sich die ungünstige Folge, dass im praktischen Be triebe der Ölfilm zwischen Kolbenkopf und Zylinderwand immer- wesentlich dicker, das heisst \schlechter wärmeübertragend ist, als der verhältnismässig dünne Ölfilm zwischen Kolbenhemd und Zylinderwand. Die Erfin dung gewährt die Möglichkeit, das Spiel am Kolbenkopf und somit die Stärke des Öl filmes geringer zu bemessen, weil die Aus dehnung des Kolbenkopfes kleiner wird. Dann ergibt sich auch an diesen Stellen ein wesentlich besserer Wärmeübergang und demnach eine Potenzierung der Abkühlungs wirkung.
Wird die Ausdehnung des Kolben kopfes kleiner, so ist es auch möglich, das Spiel zwischen dem Grund der Kolbenring nuten und den Leichtmetallringen geringer zu halten. Infolgedessen wird auch an dieser Stelle der Öl- bezw. Luftspalt schmäler, die Wärmeübertragung vom Kolbenkopf auf den Kolbenring grösser.
Wird nun die Betriebstemperatur des Kolbenkopfes erheblich niedriger, so kann auch die Stärke des Kolbenbodens, welcher die höchsten Beanspruchungen auszuhalten hat, entsprechend geringer gewählt werden, wodurch sich das Kolbengewicht verkleinert und eine Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrades des Motors erzielt wird.
Ferner lässts ich wegen der verringerten Temperatur des Kolbenkopfes bei Beibehal tung der gleichen Kolbenbodenstärke das Kompressionsverhältnis der Maschine er höhen, wodurch der thermische Wirkungs grad der Maschine und damit auch ihre Lei stung verbessert, der Brennstoffverbrauch verringert wird. Insbesondere kann bei Die selmotoren, bei welchen die Kolbenböden der hohen Wärmebeanspruchung wegen aus Leichtmetallen verschiedener Wärmeleit fähigkeit im Verbundguss hergestellt werden, die Erzeugung in einem einheitlichen Bau stoff erfolgen, mithin die Herstellung erleich tert und verbilligt werden.
Die Möglichkeit, den Spielraum zwischen Kolbenkopf und Zylinderwand zu verringern, bewirkt nicht nur eine verbesserte Wärmeab fuhr, sondern hat auch die günstige Folge, dass der Kolbenring weniger aus der Kolben ringnute herausragt; der dem Explosions druck ausgesetzte Teil der Kolbenringfläche wird also kleiner, dementsprechend werden die von der Tragfläche der Kolbenringnute aufzunehmenden, für deren Abnutzung mass gebenden Druckkräfte geringer.
Weiterhin ist beachtlich, dass nunmehr auch die Gefahr des Festbrennens der Kol benringe kleiner wird, weil das 01, das sich zwischen den Kolbenringen und den Kolben ringnuten befindet, einer geringeren Tempe ratur ausgesetzt ist. Gerade der bei den ge bräuchlichen Bauarten auftretende Wärme stau trägt viel zur Verkrackung des Öls und zum Festbrennen der Ringe bei.
Schliesslich sei erwähnt, dass durch die günstigere Wärmeabfuhr vom Kolbenkopf auch die Betriebstemperatur des Kolbenhem des ermässigt wird. Das Kolbenhemd mit sei nen den Kolbenbolzen tragenden Lagern hat daher eine grössere Warmhärte, was insbe- sondere für die Haltbarkeit der Kolbenbolzen lager von Bedeutung ist.
Es werden also alle Schwierigkeiten ther mischer und mechanischer Art, welche dar auf zurückzuführen sind; dass der Kolbenkopf nicht wirksam genug von der angestauten Wärme befreit wird, in dem Masse verringert, als die Verwendung der Leichtmetallringe eine günstigere Wärmeabfuhr vom Kolben kopf zur gekühlten Zylinderwand hervorruft.