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Verfahren zum Herstellen von Kolbenringen Die Erfindung bezieht sich
auf Kolbenringe für Brennkraftmaschinen und betrifft insbesondere ein Verfahren
zum Herstellen dieser Kolbenringe, die eine gute Abdichtung der Brennkammer gewährleisten
müssen und deshalb einen möglichst geringen Verschleiß haben sollen.
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Gewöhnlich werden Kolbenringe für Brennkraftmaschinen nach dem Traubengußverfahren
in grünem Sand aus einem Gußeisen hergestellt, dessen Durchschnittsgehalt folgender
ist: 3,50% C, 3,0°lo Si, 0,60% Mn, 0,40% P, 0,05% S..
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Bei dieser üblichen Herstellung ist das Bestreben darauf gerichtet,
ein Gußeisen zu erhalten, das aus Perlit- und gegebenenfalls Steaditgraphit . besteht
(Phosphideutektikum Fe-C-P).. Die Zementitbildung soll dabei, weil sie eine- Bearbeitung
auf der Werkzeugmaschine unmöglich machen würde, ebenso vermieden werden wie eine
Ferritbildung, weil die Anwesenheit dieses weichen Bestandteils den Verschleiß begünstigt.
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Die unumgängliche Nachbearbeitung auf der Werkzeugmaschine führt in
der Gießerei zu. Maßnahmen, die wohl der Zementitbildung -in zuverlässiger Weise
vorbeugen, es dann aber schwierig machen, dieFerritbildurig zu vermeiden. Geringe
Schwankungen der Formgießverhältnisse führen zu empfindlichen Schwankungen im Anteilverhältnis
des Ferrits, so daß eine ständige Überwachung urförderlich ist, wenn die Güte einer
derartigen Herstellung gleichbleibend erhalten werden soll.
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Die auf diese Weise hergestellten Kolbenringe ge-
nügen aber,
selbst wenn das erwünschte feinkörnige Graphit- und Ferritgefüge ari sich erreicht
ist, nicht mehr den wachsenden Anforderungen der neuzeitlichen Motoren, die für
immer größere Belastungen und Drehgeschwindigkeiten gebaut. werden. Vielmehr ergeben
sich bei der Verwendung der üblichen Kolbenringe in neueren Motoren, z. B. Kraftwagenmotoren,
Leckstellen und vorzeitige Abnutzungen, die zu einem Leistungsabfall und übermäßigem
Schmierölverbrauch führen.
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Demgegenüber stellt die Erfindung einen bedeutenden Fortschritt dar.
Sie betrifft nämlich eine Herstellungsart für Kolbenringe, die eine ausgezeichnete
Abdichtung der Brennkammer für eine praktisch unbeschränkte Laufzeit des Motors.
gewährleisten, so daß ein Ausbau niemals wegen eines Kolbenringdefektes zu erfolgen
braucht: _ Erfindungsgemäß werden die Kolbenringe im Formguß aus Gußeisen hergestellt,
dessen an sich bekannte Zusammensetzung innerhalb folgender Grenzen liegt: 3,00
bis 4,00% C, 1,50 bis 3,100/a Si, 0,60 bis 1,50010 Mn, 0,80 bis 2,0% Cu, 0,05 bis
'0;7% P; 0,02 bis 0,15% S, gegebenenfalls bis 0,05"/ä Te; Rest Eisen. Nach erfolgtem
Abguß werden die Formlinge, die ein vollständig weißes Gefüge aufweisen, einer Behandlung
ausgesetzt, deren einzelne Arbeitsstufen in nachstehender Reihenfolge durchgeführt
werden: a) Erhitzen bis zu einer die Austenitbild urig herbei= führenden, zwischen
760 und 920' C liegenden Tempe= Tatur während einer ausreichend langen Zeit,
damit der bei dieser Temperatur auflösbare Kohlenstoff auch restlos in Lösung geht.
Auf dieses Erhitzen folgt ein Härten, zweckmäßig in einem Ölbad, wodurch das Gußstück
ein Martensitgefüge erhält. Es kann auch; einstufenweises Härten vorgenommen werden,
das zu. Beginn der Martensitbildung eine Homogenisierung bei nur leichthöherer Temperatur
während einer ziemlich kurzen Zeitspanne einbegreift, um - jeder beginnenden Bainitbildung
vorzubeugen, wobei das darauffolgende Abkühlen die Martensitbildung herbeiführt.
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b) Ein zweites Erhitzen während 10 Minuten bis zu 3 Stunden bei einer
Temperatur zwischen 420 und 550° C, um Graphitkeime zu erzeugen.
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c) Ein drittes Erhitzen bis zu einer Temperatur, die höher liegt als
die Temperatur am Ende der eutektischen Ausbildung und die während der erforderlicher'
Zeit aufrechterhalten wird, bis der Kohlenstoff des; primären Zementits vollständig
in Graphit übergegangen ist. Hierauf wird je nach dem endgültig gewünschten Härtegrad
entweder in ruhiger Luft oder in Öl abgekühlt.
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d) Ein entsprechend angepaßtes Anlässen, um den Härtegrad auf den
gewünschten Wert zu bringen. Wurde beispielsweise anschließend an die Graphtausscheidung
in
Öl gehärtet, -dann erfolgt das Anlassen auf 600° C für einen endgültigen Härtegrad
von 105 RC, 560° C für einen endgültigen Härtegrad _ - von 35 RC.
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520°-C für einen endgültigen Härtegrad von 38 RC.
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e) Nach diesen - Wärmebehandlungsstufen werden die Kolbenringe auf
der Werkzeugmaschine bearbeitet und geschlitzt. Eine geeignete Spannbarkeit erhalten
die Kolbenringe durch die- Entspannung der Innenspannungen bei entsprechend auseinandergerückten
Lippen des Kolbenringes. Die Entspannung- wird dadurch erzielt, daß der Kolbenring
auf eine nur wenig niedrigere Temperatur als die Anlaßtemperatur erhitzt oder eine
gleichwertige Maßnahme getroffen wird.
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Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, grauem Gußeisen Kupfer hinzuzufügen,
um eine Verringerung der Abnutzung bei gleitender Reibung zu erzielen. Diese Wirkung
stellt sich durch während des Laufes herausgerissene Kupferpartikelchen ein. Sie
aber strebt das Verfahren nach der Erfindung nicht an, sondern vielmehr unter anderem
die besondere Wirkung des Kupfers als Legierungsbestandteil bei einer mehrstufigen
Wärmebehandlung, weil erst die Kombination der besonderen Gußeisenlegierung mit
der mehrstufigen thermischen Behandlung nach der Erfindung die besonders hohen mechanischen
Festigkeitswerte erreichen läßt, die erforderlich sind, um verschleißfeste Kolbenringe
zu erhalten.
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Nach einem früheren, aber nicht vorveröffentlichten Vorschlag des
Erfinders sollten bei einer Wärmebehandlung weißerstarrten Gußeisens auch bereits
die Gußstücke bei einer nur wenig oberhalb der eutektoiden Umwandlung liegenden
Temperatur einer Lösungsglühung unterworfen, darauf durch kurzzeitiges Eintauchen
in ein flüssiges Medium abgeschreckt und alsdann auf die Temperatur der umgebenden
Luft abgekühlt werden. Anschließend sollten die Gußstücke durch stufenweises Erwärmen
auf eine nicht über 500° C liegende Temperatur angelassen und abschließend oberhalb
der Temperatur der eutektoiden Umwandlung einem Graphitisierungsglühen unterworfen
werden. Diese Wärmebehandlung war jedoch für ein weißerstarrtes und gänzlich anders
zusammengesetztes Gußeisen vorgeschlagen worden und sollte vor allem für den Kokillenguß
Anwendung finden.
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Ein anderer, ebenfalls nicht vorveröffentlichter Vorschlag des Erfinders
ging dahin, massive Gußstücke einer stufenweisen Wärmebehandlung zu unterwerfen,
die zunächst ein Lösungsglühen und Martensithärtung, dann ein Anlassen mit Graphitkeimbildung
und schließlich die Graphitisierung des gesamten Primärzementits bei hoher Temperatur
bis zur regelmäßigen Verteilung des Anläßgraphits einschloß. Aber auch dieser Vorschlag
war für ein ganz anders zusammengesetztes Gußeisen und auf die Herstellung von massiven
Gußstücken einer Stärke oder eines Durchmessers von etwa 20 mm an aufwärts gerichtet.
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Die unter Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung erhaltenen Kolbenringe
sind metällographisch gekennzeichnet durch die Abwesenheit von primärem Zementit,
durch eine Verteilung des ausgeternperten Graphits - in sehr feinen, sehr zahlreichen
und sehr gleichmäßigen Körnchen, z. B. 6000 Graphitlcörnchen je Quadratmillimeter,
durch eine Grundmasse- von sehr feinem Sorbit oder Perlit, durch einen Elastizitätsmodul,
der um etwa 80 0%c höher liegt als bei üblichem Grauguß. So ist beispielsweise bei
erfindungsgemäßen Kolbenringen ein Elastizitätsmodul von 18 000 kg/mm2 ermittelt
_. worden, während dieser bei bisher bekannten Kolbenringen aus Grauguß nicht über
13 000 kg/mm2 hinausgeht, durch eine Elastizitätsgrenze und eine Härte, die höher
liegen als bei bisher üblichem Kolbenringguß. So ist beispielsweise bei erfindungsgemäßen
Kolbenringen eine Elastizitätsgrenze von 80 kg/mm2 und eine Bruchlast von 90 kg/mm2
festgestellt worden, durch das Fehlen jeglicher- Brüchigkeit, wie sie bei bisher
üblichen gußeisernen Kolbenringen festzustellen ist, durch sehr weiche Reibung an-Metallflächen.
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Ein Beispiel-für-die erfindungsgemäße Herstellung von Kolbenringen
ist nachstehend- angegeben: Nach traubenförmigem Abguß in grünem Sand bei Verwendung
eines Gußeisens mit einem Gehalt von 3,54% C, 1,86% Si, 1,24% Mn, 1,290lo Cu, 0;441/o
Y, 0,04% S erfahren die Kolbenringe verschiedene Behandlungen in nachstehender Reihenfolge:
Erhitzen auf 81,0° C, Halten dieser- Temperatur während 30 Minuten, alsdann Härten
in Öl,
Erhitzen zwecks Keimbildung bei 45b° C, 2 Stunden, - - -Erhitzen. zwecks
Graphitausscheidung bei 890° C, 1 Stunde, alsdann Kühlen. bei ruhiger Luft, Anlassen
auf 600° C, wodurch ein Härtegrad von 103 bis 104 RB (Kugeldruckprobe auf der Rockwell-Maschine
bei 100 kg Belastung, Kugeldurchmesser 1/1s") erzielt wird, -Bearbeiten auf der
Werkzeugmaschine, Festhalten der Lippen im gewünschten Abstand während eines Erhitz-
ens von 5 bis 7 Minuten bei 580° C, Abschleifen auf die endgültigen Abmessungen.
-Die auf diese Weise hergestellten Kolbenringe bleiben sehr lange betriebsfähig.
Sie sind besonders vorteilhaft bei Motoren, deren Zylinderlaufbüchsen aus hartem
Gußeisen bestehen. Bei derartigen Motoren ist der Verschleiß der erfindungsgemäßen
Kolbenringe bedeutend (um etwa 30%) kleiner als der bei gleichen Betriebsverhältnissen
verwendeten üblichen Kolbenringe. Die bei den sehr ausgeschnittenen Schleifringen
der bisherigen Herstellung 'oft zu . verzeichnenden Brüche während des Betriebes
kommen bei den erfindungsgemäßen Kolbenringen nicht mehr vor.