DE1152720B

DE1152720B - Manufacture of piston rings by powder metallurgy

Info

Publication number: DE1152720B
Application number: DESCH24362A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Heinz Schmalz
Original assignee: HEINZ SCHMALZ DR ING
Current assignee: HEINZ SCHMALZ DR ING
Priority date: 1958-07-08
Filing date: 1958-07-08
Publication date: 1963-08-14

Description

Herstellung von Kolbenringen auf pulvermetallurgischem Wege Der Einsatz des pulvermetallurgischen Herstellungsverfahrens ist wirtschaftlich insbesondere dann interessant, wenn es sich um die Fabrikation großer Serien von Teilen gleicher Abmessung handelt, die zudem nach dem bisherigen Herstellungsverfahren noch einer erheblichen spanabhebenden Bearbeitung bedürfen. Diese Voraussetzungen sind insbesondere bei der Herstellung von Kolbenringen für Verbrennungskraftmaschinen gegeben.Production of piston rings by powder metallurgy The use the powder metallurgical manufacturing process is particularly economical then interesting when it comes to the production of large series of parts of the same type Dimension is, in addition, according to the previous manufacturing process, one more require considerable machining. These requirements are in particular given in the manufacture of piston rings for internal combustion engines.

Solche Kolbenringe werden zum überwiegenden Teil nach einem Spezialgießverfahren aus perlitischem Grauguß gegossen und dann spanabhebend bearbeitet, wobei ein Mehrfaches des Ausbringgewichtes zerspant werden muß. Früher wurden die Kolbenringe als geschlossene, kreisrunde Ringe gedreht, geschlitzt und dann thermisch gespannt. Heute hat sich dagegen die Fertigung mechanisch gespannter Ringe weitgehend durchgesetzt. Dabei werden die Ringe auf Unrunddrehbänken in genau berechneter, unrunder Form gedreht, ein Teilstück herausgeschnitten, so daß der Ring nach dem Zusammendrücken Kreisform annimmt. Der so hergestellte Ring hat wesentliche Vorzüge. Die Radialspannung des mechanisch gespannten Ringes tritt auf dem gesamten Ringumfang annähernd gleichmäßig auf, was bei einem thermisch gespannten Ring nicht zu erreichen war. Ferner hält der mechanisch gespannte Ring seine Spannung auch noch bei wesentlich höheren Temperaturen. Der geringe Ausbringfaktor, die umfangreiche und beim unrund gefertigten Ring auch noch komplizierte spanabhebende Bearbeitung lassen nun die Koibenringfertigung geradezu prädestiniert für das pulvermetallurgische Herstellungsverfahren erscheinen. Es ist deshalb nicht verwunderlich, daß schon vielfach versucht wurde, Kolbenringe auf diesem Wege herzustellen. Zunächst versuchte man in England, das Problem durch die Komposition eines dem verwendeten Gußeisen entsprechenden Werkstoffes auf metallkeramischem Wege zu lösen. Dabei setzte man Elektrolyt- bzw. Schwammeisenpulver 15 bis 25% weißes Gußeisenpulver und eine entsprechende Menge feinsten Graphitpulvers zu. Die Wärmeprozesse der brikettierten Teile wurden so geführt, daß der Kohlenstoff nicht restlos in Lösung ging. Trotzdem recht beachtliche technologische Eigenschaften der Teile erzielt wurden, konnte sich das Verfahren weiter nicht durchsetzen, da das erzielte Erzeugnis auf die Dauer doch den zu stellenden Anforderungen nicht genügte.Such piston rings are predominantly made using a special casting process Cast from pearlitic gray cast iron and then machined, with a multiple of the spreading weight must be machined. In the past, the piston rings were considered closed, circular rings turned, slotted and then thermally tensioned. Today has on the other hand, the production of mechanically tensioned rings largely prevailed. Included the rings are turned on non-circular lathes in a precisely calculated, non-circular shape, cut out a section so that the ring is circular in shape when pressed together accepts. The ring produced in this way has significant advantages. The radial tension of the mechanically tensioned ring occurs almost evenly on the entire circumference of the ring on what could not be achieved with a thermally stressed ring. It also holds the mechanically tensioned ring retains its tension even at significantly higher temperatures. The low output factor, the extensive and also the non-round ring Even complicated machining can now be done by the Koibenring production seem predestined for the powder metallurgical manufacturing process. It it is therefore not surprising that many attempts have been made to make piston rings in this way. First they tried in England to solve the problem the composition of a material corresponding to the cast iron used on a metal-ceramic Ways to solve. Electrolyte or sponge iron powder was used 15 to 25% white Cast iron powder and a corresponding amount of the finest graphite powder. The heating processes the briquetted parts were guided so that the carbon is not completely in Solution went. Nevertheless, quite remarkable technological properties of the parts were achieved the process could not continue to prevail because the product obtained in the long run it did not meet the requirements.

Es wurde nun weiterhin vorgeschlagen, z. B. durch Zusatz von chromlegiertem Gußeisen, die fechnologischen Eigenschaften zu verbessern. Über größere Erfolge auf diesem Wege ist aber ebenfalls nichts bekanntgeworden. Ebenso wurde vorgeschlagen, bei einem verhältnismäßig einfach herzustellenden Sintereisen ferritisch-perlitischer Struktur die notwendigen Federeigenschaften durch eine partielle Innenhärtung der Ringe zu erzeugen. Zweifellos ist diese Methode unter Anwendung moderner Härteverfahren bei kreisrunden, also thermisch zu spannenden Ringen realisierbar, aber nicht gerade billig. Bei unrund gefertigten Ringen ist sie aber nicht anwendbar. Da man nun heute auf die Vorzüge des mechanisch gespannten Ringes nicht mehr verzichten kann und will, kommt also die Anwendung der partiellen Innenhärtung als generelle Lösung des Herstellungsproblemes von Kolbenringen auf pulvermetallurgischem Wege nicht in Frage.It has now been further proposed, e.g. B. by adding chromium alloy Cast iron to improve the technological properties. About greater success but nothing has become known in this way either. It was also suggested that more ferritic-pearlitic in the case of a relatively easy-to-manufacture sintered iron Structure the necessary spring properties through a partial internal hardening of the To create rings. Undoubtedly, this method is using modern hardening processes feasible with circular, i.e. thermally tensioned rings, but not straight cheap. However, it cannot be used for rings that are not round. Since you are now today can no longer do without the advantages of the mechanically tensioned ring and So the application of partial internal hardening comes as a general solution the production problem of piston rings by powder metallurgy does not in question.

Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren vorgeschlagen, nach dem in jeder Beziehung einwandfreie Kolbenringe aus pulvermetallurgischem Wege unter Anwendung des an sich bekannten Doppelpreß-Sinterverfahrens hergestellt werden können, wobei es lediglich eine Frage der Form des verwendeten Preßwerkzeuges ist, ob die Ringe rund oder unrund anfallen. Die Basis der Erfindung stellt eine Legierung dar, die neben einem sehr hohen ÖE auch sonstige Eigenschaften garantiert, die diejenigen besten perlitischen Gußeisens weit übersteigen. Dies trifft insbesondere für Zerreiß-, Verschleiß- und Warmfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit und Gleiteigenschaften zu.According to the invention, a method is now proposed according to which in Piston rings that are flawless in every respect, made by powder metallurgy, are used the known double press sintering process can be produced, wherein it is only a question of the shape of the pressing tool used, whether the rings round or out of round. The basis of the invention is an alloy that In addition to a very high OE, other properties are also guaranteed that those far exceed the best pearlitic cast iron. This is especially true for tear, Wear and heat resistance as well as corrosion resistance and sliding properties to.

Es wird dazu eine Legierung vorgeschlagen, die aus 4 bis 8% Kupfer, 0,3 bis 0,8% Silizium, 0,4 bis 0,6"/o Mangan, 0,4 bis 1,2% Zinn, Zink oder Aluminium, 0,8 bis 1,2% Kohlenstoff, Rest Fe besteht. Dabei soll die Maximalkorngröße aller verwendeten Einzelpulversorten 0,15 mm nicht überschreiten.For this purpose, an alloy is proposed that consists of 4 to 8% copper, 0.3 to 0.8% silicon, 0.4 up to 0.6 "/ o manganese, 0.4 to 1.2% tin, Zinc or aluminum, 0.8 to 1.2% carbon, the remainder being Fe. The maximum grain size should be of all single powder types used do not exceed 0.15 mm.

Bei der- Herstellung und Verarbeitung dieser Legierung können nun prinzipiell zwei Wege eingeschlagen werden, wobei der zweite Weg etwas höhere Kosten verursacht, dafür aber auch die Erzielung einer Spitzenqualität hinsichtlich der technologischen Eigenschaften des Materials ermöglicht.In the production and processing of this alloy you can now In principle, two routes can be taken, the second route being somewhat higher in cost caused, but also the achievement of top quality in terms of technological properties of the material.

Bei dem ersten Weg wird die Pulvermischung aus reinem Eisen-, Kupfer-, Ferrosilizium- und Ferromanganpulver sowie Zinn-, Zink- oder Aluminiumpulver und Graphit durch intensives Mischen hergestellt. Zur Erleichterung des Pressens und Verhinderung von Entmischungserscheinungen, hauptsächlich beim mechanischen Füllen der Formen, setzt man der Mischung noch etwa 0,5% Zinkstearat und etwa 0;0511/a Öl zu. Die Pulvermischung wird nun bei einem spezifischen Preßdruck von etwa 6 t/cm2 brikettiert und bei einer unter dem Schmelzpunkt des Kupfers liegenden Temperatur, etwa bei 1020 bis 1050° C, etwa 1 Stunde gesintert. Dabei ist wie bei allen folgenden Wärmeprozessen in bekannter Weise dafür zu sorgen, daß eine Entkohlung der Teile auf ein bestimmtes Minimum beschränkt wird. Nach der ersten Sinterung der Teile erfolgt eine Nachverdichtung, wieder mit einem spezifischen Preßdruck von etwa 6 t/cm2, und eine weitere Sinterung bei etwa 1200° C. Aus der Abkühlungszone des Sinterofens werden die Teile dann bei einer Temperatur von etwa 950° C entnommen, in Öl abgeschreckt, wieder auf etwa 750° C unter Schutzgas erwärmt und langsam, möglichst im Ofen, abgekühlt. Der zweite Weg ist folgender: Es wird ein Eisenlegierungspulver in der verlangten Korngröße hergestellt, das Silizium, Mangan und Kohlenstoff bereits als Legierungselemente enthält. Dieses Legierungspulver wird in bekannter Weise und in dem gewünschten Umfange auf chemischem oder galvanischem Wege mit Kupfer ummantelt und sorgfältig reduziert. Dabei ist darauf zu achten, daß keine Entkohlung stattfindet. Das ummantelte Pulver wird nun mit Zinn-, Zink- oder Aluminiumpulver und Öl in der vorher erwähnten Menge gemischt und verpreßt. Die Beimischung von Zinkstearat erübrigt sich in diesem Falle. Die weitere Verarbeitung entspricht der vorher geschilderten.In the first way, the powder mixture of pure iron, copper, Ferrosilicon and ferromanganese powder as well as tin, zinc or aluminum powder and Graphite made by intensive mixing. To facilitate pressing and Prevention of segregation phenomena, mainly during mechanical filling of the molds, about 0.5% zinc stearate and about 0.0511 / a are added to the mixture Oil too. The powder mixture is now at a specific pressure of about 6 t / cm2 briquetted and at a temperature below the melting point of copper, sintered at about 1020 to 1050 ° C, about 1 hour. This is the same as with all of the following Heat processes in a known manner to ensure that a decarburization of the parts is kept to a certain minimum. After the parts have been sintered for the first time redensification takes place, again with a specific pressure of about 6 t / cm2, and a further sintering at about 1200 ° C. From the cooling zone of the sintering furnace the parts are then removed at a temperature of about 950 ° C, quenched in oil, reheated to around 750 ° C under protective gas and slowly cooled, if possible in an oven. The second way is as follows: There is an iron alloy powder in the requested Grain size manufactured, the silicon, manganese and carbon already as alloy elements contains. This alloy powder is in a known manner and in the desired Completely chemically or galvanically coated with copper and carefully reduced. It is important to ensure that no decarburization takes place. The encased Powder is now mixed with tin, zinc or aluminum powder and oil in the aforementioned Amount mixed and pressed. The addition of zinc stearate is not necessary in this Cases. The further processing corresponds to that described above.

Will man in besonderen Fällen sehr hohe Festig- ; keitseigenschaften erzielen, so ist es ohne Schwierigkeiten möglich, die Verdichtung bei der zweiten Pressung in warmem Zustand, beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 850 und 950° C, vorzunehmen. Man kann dann auch den spezifischen ; Preßdruck bei der ersten Brikettierung niedriger wählen. Je nach der speziellen. Zusammensetzung des Werkstoffes sind dann Festigkeiten bis zu 100 kg/cm2 und Dichten von 7,6 und höher zu erreichen.If you want very high strength in special cases; properties Achieve, it is possible without difficulty, the compaction in the second Pressing in a warm state, for example at a temperature between 850 and 950 ° C. One can then also use the specific; Pressing pressure at the first Select a lower briquetting rate. Depending on the special. Composition of the material strengths of up to 100 kg / cm2 and densities of 7.6 and higher can then be achieved.

Es ist weiterhin möglich, die Legierung zunächst ohne Kohlenstoff zu verarbeiten und nachträglich lediglich eine Aufkohlung der Außenzone der Teile vorzunehmen. Da der Kohlenstoff bei der vorliegenden Legierung weniger zur Festigkeitssteigerung beiträgt, sondern in erster Linie eine Umwandlung des ferritischen Eisens in Perlit ermöglichen soll, Iäßt sich eine Beschränkung des Kohlenstoffgehaltes auf die Außenzonen der Teile vertreten. Weiterhin soll noch erwähnt werden, daß es natürlich auf dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Wege auch möglich ist, Kolbenringe herzustellen, an die ganz spezielle Anforderungen gestellt werden. So sei hier beispielsweise angeführt, daß man besonders günstig Ringe herstellen kann, an deren Korrosionsbeständigkeit besondere Anforderungen gestellt werden. Solche Ringe werden bisher vorzugsweise aus Spezialbronze hergestellt. Sie können nach der vorliegenden Erfindung durch verhältnisgleiche Steigerung der Elemente Kupfer sowie Zinn, Zink oder Aluminium in der Legierung über das ursprünglich vorgesehene Maß hinaus mit bestem Erfolg fabriziert werden. Bei der Zusammenstellung der Legierung ist dann aber grundsätzlich von kupferummanteltem Eisenlegierungspulver auszugehen. Die Ummantelungsstärke ist dabei auf mindestens 60/a festzulegen, während das restliche Kupfer in Pulverform eingebracht werden kann.It is still possible to initially use the alloy without carbon to process and subsequently only a carburization of the outer zone of the parts to undertake. Since the carbon in the present alloy is less used to increase strength but primarily a transformation of the ferritic iron into pearlite should allow, a restriction of the carbon content to the outer zones can be of the parts represented. It should also be mentioned that it is of course based on the ways proposed according to the invention is also possible to produce piston rings, to which very special requirements are placed. So be here for example stated that rings can be produced particularly cheaply because of their resistance to corrosion special requirements are made. Such rings have so far been preferred made of special bronze. You can according to the present invention by proportionate increase in the elements copper as well as tin, zinc or aluminum in the alloy beyond the originally intended level with the greatest success are fabricated. When composing the alloy, however, is then fundamental start from copper-coated iron alloy powder. The sheath thickness is set to at least 60 / a, while the rest of the copper is in powder form can be introduced.

Nach den erfindungsgemäßen Vorschlägen kann praktisch jeder Kolbenring hergestellt werden, sofern sich seine Abmessungen und der Bedarf grundsätzlich aus wirtschaftlichen Erwägungen heraus für eine Fabrikation auf pulvermetallurgischem Wege eignen.According to the proposals according to the invention, practically any piston ring are made, provided that its dimensions and the need are fundamentally out economic considerations for a fabrication on powder metallurgy Appropriate ways.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Manufacture of thermally or mechanically stressed Piston rings by powder metallurgy using the double press sintering process, characterized in that a powder mixture with a maximum grain size of "0.15 mm, consisting of 4 to 8% copper, 0.3 to 0.8% silicon, 0.4 to 0.6% manganese, 0.4 up to 1.2% tin, zinc or aluminum, 0.8 to 1.2% carbon, the remainder iron, each pressed with a specific pressure of about 6 t / cm2, avoiding stronger decarburization at a temperature below the melting point of copper sintered after the first pressing and at about 1200 ° C after the second pressing will. After the second sintering, the rings are removed from the cooling zone of the sintering furnace removed at about 950 ° C, quenched in oil, heated again to 750 ° C and slowly cooled before the completion of the piston rings takes place in the usual way.

2. Manufacture of piston rings according to claim 1, characterized in that silicon and manganese in the form of ferro-silicon and ferro-manganese powder of the appropriate grain size can be added to the powder mixture.

3. Production of piston rings according to claim 1 or 2, characterized in that silicon, manganese and carbon are already in the iron to be pulverized are contained as alloy components and that Copper completely or at least partially by sheathing on the iron alloy powder is applied.

4. Production of piston rings according to one of claims 1 to 3, characterized in that the second pressing takes place in the warm state, wherein the pressing pressure can be reduced during the first briquetting.

5. Amendment the method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the Powder mixture initially processed carbon-free will and after after the second sintering of the parts, partial carburization of the outer ring layers is carried out in a known manner to a depth of about 0.5 mm.

6. Production of piston rings of increased corrosion resistance according to one of claims 1 to 5, characterized in that the copper content of the alloy is increased in proportion to the content of tin, zinc or aluminum beyond 8%, but always a minimum of 6% copper chemical or electrolytic coating of the iron alloy powder is introduced into the mixture.