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.
Process for the production of piston rings, in particular for light metal pistons of internal combustion engines. The invention relates to a method for producing piston rings, in particular for light metal pistons in internal combustion engines. It is well known that the sealing rings used in such pistons are made of cast iron, so-called gray cast iron, because this building material has so far proven to be the best for these purposes in all types of piston machines.
However, when using cast iron rings for pistons that are cast from light metal, there is the disadvantage that the grooves of the piston used to hold the rings are already heavily worn out after a relatively short operating time, that is to say expanded, so that the rings have lost their good fit.
With every piston clearance, the pressure forces acting suddenly on the lateral bearing surfaces of the grooves reach, which are greater, the greater the specific weight of the rings; they result in rapid wear on the piston body because its material is less hard than cast iron, especially at high temperatures. This deficiency has been known for a long time and has suggested, for example, - the piston ring grooves. In order to prevent them from wearing out too quickly, they can be lined with cast-in harder rings made of steel or cast iron.
However, such tools are unsatisfactory. The piston becomes heavier and more complicated; The different thermal expansion of light metal and iron or steel leads to operational difficulties, and there are further thermal disadvantages which will be discussed later. The suggestion has occasionally appeared in the literature - the piston rings as well. made of light metal in order to relocate the wear and tear in the cheaper piston rings, but these proposals have not been used in practical use so far. The reasons are easy to understand.
Ringwind cast from light metal is not very suitable for sealing against the high pressures occurring in the combustion chamber of the machine, because cast light metal tends to have leaks and flaws far more than the usual gray cast iron. In addition, rings made of light metal would wear out too quickly because of the relatively low hot hardness and, in particular, surface hardness on the sealing outer surfaces, which slide constantly on the cylinder surface.
Above all, however, it is difficult to manufacture such rings with a degree of elasticity which is retained at the high operating temperatures and which is necessary for a permanent tight fit. These disadvantages of light metal rings have rightly been viewed as so predominant that, on the other hand, the advantage of weight reduction cannot play a role.
The invention is based on the one hand on the consideration that the piston ring formed from light metal besides the advantage of the Ge weight reduction BEZW. the protection of the piston ring grooves would offer other advantages of much greater importance, namely advantages that the structural education from and the operability of the piston itself, even the mechanical and thermal efficiency of the whole internal combustion engine are able to favorably influence;
On the other hand, the invention is based on the knowledge that the disadvantages of light metal rings, which have opposed their practical use so far, can be avoided if the rings are not produced by casting, but by a special manufacturing process.
Accordingly, the invention consists in a method for the production of piston rings, in particular for light metal pistons of internal combustion engines, which is characterized in that the ring is produced from powdery light metal in the sintering process by pressing finely powdered light metal under high pressure at elevated temperature form is brought to fusion and intimate union. As is well known, the sintering process permits. to form solid bodies with an extremely dense structure if the starting material used is metal powder of fine grain size.
A sealing ring produced in this way is completely homogeneous and has no cavities or flaws that could lead to leaks in operation. Furthermore, the sintering process offers the possibility of forming alloys that cannot be produced at all in the casting process, or at least cannot be produced in a perfect manner. This is important because it consequently succeeds in giving the Kol benring formed from light metal by adding heavy metals to all the properties that the light metal itself lacks. namely, sufficient strength, sufficient hardness on the outer sliding surface, especially at high temperature, also increased elasticity, as well as improved sliding ability and high wear resistance.
These properties can be achieved without significantly reducing the thermal conductivity by adding certain heavy metals to the light metal, as will be explained in more detail later. These heavy metals can also be in powder form with a fine grain size. the light metal powder, e.g. B. aluminum powder, which can also contain the thermal hardness-increasing admixtures of magnesium, beryllium, lithium up to 1%, mixed intimately and brought under high pressure at the appropriate temperature for sintering and fusing ge.
If you want to liquefy heavy metals, which have a high melting point, with aluminum, whose melting point is around 660 C, in the usual way by means of heat and alloy them, there are extremely great difficulties because of the different fusibility. Certain metals such as chromium, cobalt, molybdenum and others that are difficult to melt at all can only be alloyed with aluminum in a costly and time-consuming manner.
Above all, however, it is not possible to keep such alloys in homogeneous form by a casting process, since the limited solubility and the eutectic limits narrow the possibilities of the composition of the alloy and even within these limits segregation occurs when the alloy is poured together partly due to the different specific weights of the metals, partly due to the fact that the casting temperature cannot be kept sufficiently and uniformly high everywhere, taking into account the molds.
In the usual way of alloying the metals, it is inevitable that the metals, which are difficult to melt, form larger crystals that are unevenly distributed in the mass when they cool, so that the properties of the cast body are not improved, but may even be worsened. The desired strength, hardness, elasticity, etc. only come about when the various metals are intimately and homogeneously mixed; in the other case, for example, very hard areas are formed which make machining more difficult, in addition to other soft areas which have little resistance, and the like.
The sintering process, on the other hand, frees you from the difficulties inherent in the melting and casting process. It enables the eutectic bezw. to exceed the solubility limits at will. Segregation can no longer occur, since the metals have already obtained the grain size and mixture required for alloy formation in powder form and are deposited on one another in the desired manner in the sintering process.
The occurrence of unevenly distributed crystallization products exceeding the grain size is definitely avoided. As a result, you can produce piston rings made of light metal with a composition of the material that corresponds to the practical requirements in terms of hot hardness, sliding and wear resistance, thermal conductivity and permanent elasticity as far as possible. The material of the piston ring shows a uniform, lattice-like structure, which, due to the lack of large crystals, does not cause any difficulties during processing.
Cobalt can be described as a particularly suitable heavy metal, which increases the hot hardness, the wear resistance and the elasticity significantly without reducing the thermal conductivity by excess. Because of its high melting point, it is difficult to alloy with aluminum. Attempts at admixture by melting master alloys failed due to the excessive stress on the crucible, which made the process uneconomical.
For the production of light metal piston rings, however, there is a particular interest in using cobalt additives, since cobalt, in contrast to other heavy metals, does not form mixed crystals with aluminum, but forms a compound with the formula Co3A1 ", which is for the stated purpose Extraordinary Lich has favorable properties and gives the piston ring the properties it needs to fulfill its intended use.
Since the sintering process also allows the admixture of other heavy metals that do not combine with aluminum, without being tied to eutectic limits like the melting process, nickel, copper, manganese and chromium additives can be used in addition to cobalt, with nickel and copper to improve thermal conductivity and sliding properties, manganese and chromium to increase elasticity.
For example, a sintered alloy has 10 to 30% cobalt, 2 to 5 nickel, 1 to 4% manganese, 2 to 5% chromium, the remainder aluminum, with additions of lithium, beryllium, magnesium in the order of magnitude of 1% can be, a hot hardness of up to 80 Brinell at 300 C, a thermal conductivity above 0.3 and a sufficiently high wear resistance.
For comparison, let the Z values of gray cast iron with hot hardness 1.50 Brinell at 300 and thermal conductivity 0.1. as well as the best light metal piston alloys with hot hardness 45 at <B> 300 '</B> and thermal conductivity 0.4.
The additions of chromium, 3langan and nickel specified in the proposed sintered alloy can also be completely or partially replaced by metallurgically nearly equivalent visual metals such as tungsten, molybdenum, titanium and others, values which can also be achieved which are practical Ensure usability of the sintered light metal piston ring.
In this case, too, additions of lithium, beryllium and magnesium in the order of magnitude of about <B> l </B> / 'o each can be added to the mixture. For piston rings that are generated by casting, you tend to generate the required elastic tension by hammering. This method is not appropriate for sintered rings because of their lattice-like structure. In the present case, it is advisable to subject the manufactured rings to an aftertreatment by means of heat, which gives them the necessary tension that they need to be on the cylinder wall.
This can be seen, for example, in that the slotted ring in the raw or finished state is clamped on a mandrel, exposed to an appropriately higher selected temperature for a longer period and quenched. As a result, the ring finally takes on the shape that enables it to exert sufficient pressure on the cylinder wall when installed.
The properties of the piston ring made of light metal produced in the sintering process can optionally be improved by providing the ring with an anodized coating on the sliding outer surfaces, which is known to be an electrical oxidation of the aluminum on its surface. Anodizing not only increases the hardness on the surface and thereby. the wear resistance is reduced, but above all the thermal conductivity of the ring is improved to an excellent degree.
Experiments have shown that the ability. To absorb heat and to radiate heat is increased many times over, which in the present case, as will be shown, is of particular importance.
In this way, you can see sealing rings made of light metal, which are in no way inferior to the usual gray cast iron rings in terms of the properties mentioned above. On the other hand, however, they are superior to conventional piston rings in essential respects. Despite the admixture of heavy metals, which may only form a fraction of the total mass.
their specific Ge weight is low and not significantly higher than that of the alloy from which the piston is made. As a result, the use of the piston ring grooves is correspondingly lower. Much more important are the advantages that have obviously not been recognized until now. which arise from the fact that the piston ring made of light metal has an extraordinarily good thermal conductivity, which is about three times as large as that of cast iron and which is even improved by the addition of heavy metals.
It is well known that the highest temperature prevails at the piston crown, that is to say on the face of the piston, which is constantly in contact with the burning gases. At this point, the flask continuously absorbs heat. which is to be diverted to the cooled cylinder lines.
Measurements have shown that the operating tempera ture at the end face of the piston is around 250 and in the head carrying the piston rings is still around 200, while the piston skirt (piston jacket), which usually extends from the piston head around the circumference, is wholly or largely through a Slot is separated, has about a temperature of <B> 130 '</B>.
Since the cooled cylinder wall now has a temperature of, for example, <B> 80 '</B>, the temperature gradient at the piston head is 120' compared to a gradient of only <B> 50 '</B> between the piston skirt and the cylinder wall. For the cooling of the piston, it would be beneficial if the dissipation of heat to the cooled cylinder surface took place there; where the heat gradient is great, i.e. at the piston head. Now, however, the head is usually designed with an outer diameter smaller than the shirt, so that a gap filled with oil remains between the head and the cylinder surface, which does not conduct heat well.
The heat transfer from the head to the cylinder can only take place by means of the piston rings, which are in close contact with the cylinder surface. If these rings are now made of cast iron, the thermal conductivity of which is only a third as great as that of the light metal, heat accumulates at the piston head, which causes this part to assume a very high operating temperature. This build-up of heat is now increased if the piston ring grooves, as mentioned above, are still provided with a poorly conductive cast iron lining. The part of the piston head containing the annular grooves then remains at a temperature that comes very close to that of the piston face.
As is well known, the hardness of the light metal decreases very quickly with increasing temperature. While it is around 120 Brinell when cold, it drops to 60 Brinell at 250. This strong reduction in hardness is mainly the reason why the piston ring grooves wear out relatively quickly in operation. This disadvantage can best be prevented if it is ensured that the heat from the piston head can flow away to the cylinder more effectively than is the case with previous piston designs.
This considerably improved cooling occurs when the heat transfer to the cylinder surface takes place by means of a body made of light metal to which particularly highly conductive heavy metal additives are added. Even if such additives increase the specific weight and hardness of the piston rings a little, it does not matter as soon as the better heat dissipation ensures that the material of the piston head cannot be too soft during operation.
However, other practical advantages are also associated with the reduction in the operating temperature of the piston head. As already mentioned, in the previous designs the piston head had to be kept noticeably smaller in diameter than the piston skirt due to the greater expansion. For example, while the customary light metal pistons of vehicle engines can run on the piston skirt with a clearance of five hundredths of a millimeter, between the cylinder wall and the piston head this must be around two to three tenths (both on a piston of around 80 mm <B> 0 </ B > related) to prevent the piston from seizing.
This has the unfavorable consequence that in practical operation the oil film between the piston head and the cylinder wall is always significantly thicker, that is, it is less heat-transferring than the relatively thin oil film between the piston skirt and the cylinder wall. The inven tion allows the game on the piston head and thus the thickness of the oil film to be reduced because the expansion of the piston head is smaller. Then there is also a significantly better heat transfer at these points and therefore a potentiation of the cooling effect.
If the expansion of the piston head becomes smaller, it is also possible to keep the clearance between the base of the piston ring and the light metal rings smaller. As a result, the oil and respectively at this point. The air gap is narrower, the heat transfer from the piston head to the piston ring is greater.
If the operating temperature of the piston head is now significantly lower, the thickness of the piston crown, which has to withstand the highest loads, can be selected correspondingly lower, which reduces the piston weight and improves the mechanical efficiency of the engine.
Furthermore, because of the reduced temperature of the piston head while maintaining the same piston crown thickness, the compression ratio of the machine can be increased, thereby improving the thermal efficiency of the machine and thus also improving its performance, reducing fuel consumption. In particular, in the case of die selmotoren, in which the piston heads are made of light metals of different thermal conductivity in composite casting due to the high thermal stress, they can be produced in a single building material, thus making production easier and cheaper.
The possibility of reducing the clearance between the piston head and the cylinder wall not only leads to an improved heat dissipation, but also has the beneficial consequence that the piston ring protrudes less from the piston ring groove; the part of the piston ring surface exposed to the explosion pressure is therefore smaller, and accordingly the pressure forces to be absorbed by the bearing surface of the piston ring groove and which are decisive for their wear are lower.
It is also noteworthy that the risk of the piston rings burning on is now also smaller, because the oil that is located between the piston rings and the piston ring grooves is exposed to a lower temperature. The accumulation of heat that occurs in the common types of construction contributes a great deal to the cracking of the oil and the burning of the rings.
Finally, it should be mentioned that the more favorable heat dissipation from the piston head also reduces the operating temperature of the piston skirt. The piston skirt with its bearings carrying the piston pin therefore has a greater hot hardness, which is particularly important for the durability of the piston pin bearings.
So there are all difficulties thermal and mechanical type, which are due to it; that the piston head is not freed from the accumulated heat effectively enough, reduced to the extent that the use of the light metal rings causes more favorable heat dissipation from the piston head to the cooled cylinder wall.