DE1200550B

DE1200550B - Process for the powder metallurgical production of piston rings

Info

Publication number: DE1200550B
Application number: DEZ7309A
Authority: DE
Inventors: Jaroslav Belak; Felix Reinl
Original assignee: ZD PRVNI PETILETKY NARODNI POD
Current assignee: ZD PRVNI PETILETKY NARODNI POD
Priority date: 1958-05-07
Filing date: 1959-05-06
Publication date: 1965-09-09

Description

Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Kolbenringen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Kolbenringen.Process for the powder metallurgical production of piston rings The invention relates to a method for the powder-metallurgical production of piston rings.

Es ist bereits bekannt, gleitende Maschinenteile einschließlich der Kolbenringe aus Metallpulver, dem man Cu und C bzw. CuPb und C zusetzt, herzustellen. Diese Herstellung ist aber schwierig, da das Material zwecks Erzielung eines spezifischen Gewichtes über 7,2 g/cm3 warm- oder kaltgepreßt werden muß. Wegen der schwierigen Herstellung behandelt die bekannte Fachliteratur vorteilhaftere Herstellungsverfahren, die durch ein pulvermetallurgisches Verfahren ermöglicht sind. Bei diesen bekannten Verfahren wurde aber nicht der Vorteil der Porosität beachtet, der durch das pulvermetallurgische Verfahren erreicht werden kann. Das Schrifttum behandelte vielmehr die verbesserten Eigenschaften der Kolbenringe in bezug auf die Lebensdauer der Motoren, die durch die geringere Abnutzung der Zylinderwandungen und der verbesserten Dichtung bis um 15001, erhöht wird, wie Versuche zeigten.It is already known to manufacture sliding machine parts including the piston rings from metal powder to which Cu and C or CuPb and C are added. This production is difficult, however, since the material has to be hot or cold pressed in order to achieve a specific weight above 7.2 g / cm3. Because of the difficulty of manufacture, the known technical literature deals with more advantageous manufacturing processes made possible by a powder metallurgical process. In these known processes, however, the advantage of porosity was not taken into account, which can be achieved by the powder metallurgical process. Rather, the literature dealt with the improved properties of the piston rings in relation to the service life of the engines, which is increased by less wear on the cylinder walls and the improved seal up to around 15001 , as tests have shown.

So weisen z. B. die meisten Kolbenringe, die nach den bekannten Verfahren hergestellt werden, ein spezifisches Gewicht von über 7 g/cm3, eine Porosität unter 100/, und eine Härte HB in kg/mma von über 200 auf (z. B. schweizerische Patentschrift 317 246 oder deutsche Patentschrift 861 700). Alle diese Nachteile werden gemäß der Erfindung beseitigt.So show z. For example, most piston rings that are manufactured according to the known processes have a specific weight of over 7 g / cm3, a porosity under 100 /, and a hardness HB in kg / mma of over 200 (e.g. Swiss patent 317 246 or German patent specification 861 700). All of these drawbacks are eliminated according to the invention.

Der Erfindung liegt ein Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen aus einem Gemisch von Eisenpulver und einer Cu-Pb-Legierung mit dem Zusatz von Graphit oder einem Gemisch von Eisenpulvern und Cu-Pulver, auch mit Zusatz von Graphit, auf dem bekannten pulvermetallurgischen Wege, d. h. mit Anwendung von Zusammenpressen, Sintern, Kalibrierung, Zerschneiden des Preßlings und Gefügebeeinflussung durch Wärmebehandlung zugrunde. Zu diesem Gemisch kann Bor oder Seandium in kleinen Mengen beigefügt werden, was eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zur Folge hat, so daß man Preßlinge erzeugen kann, deren Porosität sich den maximal erlaubten Werten nähert.The invention relates to a method for producing piston rings from a mixture of iron powder and a Cu-Pb alloy with the addition of graphite or a mixture of iron powder and copper powder, also with the addition of graphite, by the known powder metallurgical route, d. H. with the use of compression, Sintering, calibration, cutting the compact and influencing the structure Based on heat treatment. To this mixture boron or seandium can be added in small amounts added, which results in an improvement in the mechanical properties has, so that you can produce compacts, the porosity of which allowed the maximum Approaching values.

Das Gemisch wird zu einem Preßling mit der Porosität von 10 bis 25 °/o kaltgepreßt. Dieser wird dann in einem geschlossenen Raum in der reduzierenden Schutzatmosphäre des gespaltenen Ammoniaks, deren Zusammensetzung während des Sinterns durch die entstehenden Gase beeinflußt wird, gesintert.The mixture becomes a compact with a porosity of 10 to 25 ° / o cold-pressed. This is then in a closed space in the reducing Protective atmosphere of the split ammonia, its composition during sintering is influenced by the resulting gases, sintered.

Nach dem Sintern kommt das Abkühlen, das ab 830°C mit einer Geschwindigkeit von 100°C ?A 5 bis 15 Minuten und vorteilhaft in einer Schutzatmosphäre durchgeführt wird.After sintering, the cooling takes place, starting at 830 ° C with one speed from 100 ° C? A 5 to 15 minutes and advantageously carried out in a protective atmosphere will.

Die Preßlinge können auch nach dem Sintern beliebig abgekühlt, dann auf die Temperatur von 830°C gebracht, auf dieser Temperatur 1 Stunde gehalten und dann bis auf Raumtemperatur in einer Schutzatmosphäre mit einer Geschwindigkeit von 100°C in 5 bis 15 Minuten abgekühlt werden.The compacts can also be cooled as desired after sintering, then brought to the temperature of 830 ° C, kept at this temperature for 1 hour and then down to room temperature in a protective atmosphere at one rate from 100 ° C in 5 to 15 minutes.

Nach dem Abkühlen werden die Preßlinge in kaltem Zustand unter einem nach ihrem Gefüge zu wählenden und von dem beim ersten Pressen angewandten nicht um vieles abweichenden Druck kalibriert, so daß die Porosität nachher einen Wert von 7 bis 190/, besitzt.After cooling, the compacts are calibrated in the cold state under a pressure which is to be selected according to their structure and which does not differ much from the pressure applied during the first pressing, so that the porosity afterwards has a value of 7 to 190 / .

Dann werden sie zerschnitten und einer zweiten Wärmebehandlung, nämlich der »Thermo-Oxy-Fixation«, unterworfen. Diese von dem Erfinder gewählte Bezeichnung der Warmbehandlung bezweckt die Entfernung der durch vorgehendes Öffnen des Preßlings entstandenen Spannung bei Wärme und eine Fixierung der neuen Form des Kolbenringes, jedoch bei gleichzeitiger Oxydation.Then they are cut up and subjected to a second heat treatment, viz the »Thermo-Oxy-Fixation«. This name chosen by the inventor The purpose of the heat treatment is to remove the by first opening the compact tension created by heat and a fixation of the new shape of the piston ring, but with simultaneous oxidation.

Die Preßlinge werden durch einen dünnen radialen Schnitt, dessen Stärke durch das Blatt der Schneidemaschine gegeben ist und die ungefähr 1 mm beträgt, aufgeschlitzt.The compacts are made by a thin radial cut, whose strength given by the blade of the cutting machine and which is approximately 1 mm, slashed.

Die eigentliche Thermofixation verläuft auf einer Vorrichtung, bei der der Preßling frei auf einer glatten Unterlage liegt. Vorher wird in den Schnitt ein Körper, der die Dimension der verlangten Öffnung des Ringes besitzt, eingefügt, damit die nötige Spannung gegenüber dem Zylinder entsteht. Bei der Thermo-Oxy-Fixation verläuft gleichzeitig mit der Thermofixation eine selektive Oxydation der Preßlinge, bei der eine dünne Oberflächenschicht des schwarzen festhaftenden Fe304 entsteht.The actual thermofixation takes place on a device at which the compact lies freely on a smooth surface. Before that is in the cut a body with the dimensions of the required opening of the ring is inserted, so that the necessary tension against the cylinder arises. In the Thermal-oxy-fixation runs at the same time as thermal fixation, a selective one Oxidation of the compacts, in which a thin surface layer of the black firmly adhering Fe304 is produced.

Die Erwärmung bei der Thermo-Oxy-Fixation erfolgt in Luft in einem Temperaturbereich von 130 bis 570°C einmalig oder öfter für die Gesamtdauer von 30 Minuten bis zu 20 Stunden.The heating in the Thermo-Oxy-Fixation takes place in air in one Temperature range from 130 to 570 ° C once or more often for the total duration of 30 minutes to 20 hours.

Während der thermischen Operationen, besonders beim Sintern im gespaltenen Ammoniak, kommt es zum Nitrieren des Eisens, dessen Gehalt an Stickstoff im Vergleich mit üblichen Stählen (mit 0,004 bis 0,008 °/o Stickstoffgehalt) auf das Mehrfache steigt.During thermal operations, especially when sintering in the split Ammonia, when iron is nitrated, its nitrogen content is compared with conventional steels (with 0.004 to 0.008% nitrogen content) several times as much increases.

Die so hergestellten Kolbenringe enthalten 0,5 bis 5 Gewichtsprozent Sauerstoffund 0,007 bis 0,3 Gewichtsprozent Stickstoff und haben folgende Eigenschaften: Spezifisches Gewicht .......... 6,3 bis 7,1 g/cm3 Porosität ................... 7 bis 19 °/o Zugfestigkeit................. 15 bis 55 kg/mm2 Biegefestigkeit ............... 40 bis 110 kg/mm2 Zugelastizitätsmodul .......... 1 bis 1,8. 104 kg/mm2 Härte HB ................... 100 bis 240 Brinelleinheiten Mikrohärte Hm .............. 700bis1100kg/mm2 spezifischer Druck auf die Zylinderwand .............. 0,5 bis 2,5 kg/cm' Der technische Fortschritt der Erfindung beruht: 1. In der Bildung einer weiteren Strukturkomponente Fe304 in der Endphase der Fixierung der geometrischen Form; 2. in der Bildung eines Kolbenringes mit einer neuen Legierungskomponente Fe304 und mit kleinerem spezifischem Gewicht, als bei bisher bekannten Kolbenringen. Die erhöhte Porosität setzt jedoch die Härte des Ringes herab. Die neu dazutretende Komponente Fe304, die durch die Thermo-Oxy-Fixation gebildet wird, besitzt aber eine verhältnismäßig hohe Mikrohärte von über 700 kg/mm2, erhöht die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Biegefestigkeit usw.) und verbessert die Funktionseigenschaften des Kolbenringes, besonders die Widerstandsfähigkeit gegen ein Einreiben; 3. darin, daß zur Beendigung der Wärmebehandlung die Arbeitswärme des Motors benutzt wird und die Stabilisierung der mechanischen Eigenschaften des Kolbenringes erst nach dem Einlauf erzielt wird; 4. in dem, daß die durch die erfindungsgemäßen Kolbenringe verursachte Rauheit HS von 0,04 p, der Zylinderwand beinahe die gleiche ist, wie sie nur durch verchromte Kolbenringe erzielt wird. Daraus ergibt sich eine Annäherung der Gleitflächen des Zylinders und des Ringes und eine Verdoppelung der Kapillarkräfte, was eine bessere Dichtung zur Folge hat; 5. in der Verminderung des Kraftstoffverbrauchs und in der Leistungssteigerung, sowie in der Verbesserung der Motorelastizität. Die Neuheit der Erfindung beruht darin, 1. daß bei der Erzeugung der Kolbenringe eine spezielle Warmbehandlung eingeschaltet wird, die sogenannte Thermo-Oxy-Fixation, und. daß sich bei der geometrischen Stabilisierung oxydhaltige Oberflächen bilden; 2. daß Kolbenringe erzeugt werden, deren Zusammensetzung der im Patentanspruch 2 angeführten Zusammensetzung entspricht; 3. daß zum Beenden der Warmbehandlung und zur Fertigstellung des Ringes die Arbeitswärme des Motores benutzt wird.The piston rings produced in this way contain 0.5 to 5 percent by weight oxygen and 0.007 to 0.3 percent by weight nitrogen and have the following properties: Specific weight .......... 6.3 to 7.1 g / cm3 porosity ... ................ 7 to 19 ° / o tensile strength ................. 15 to 55 kg / mm2 flexural strength ... ............ 40 to 110 kg / mm2 tensile modulus of elasticity .......... 1 to 1.8. 104 kg / mm2 hardness HB ................... 100 to 240 Brinelle units micro hardness Hm .............. 700 to1100kg / mm2 specific pressure on the cylinder wall .............. 0.5 to 2.5 kg / cm 'The technical progress of the invention is based: 1. In the formation of a further structural component Fe304 in the final phase of the fixation of the geometric shape; 2. in the formation of a piston ring with a new alloy component Fe304 and with a lower specific weight than with previously known piston rings. However, the increased porosity reduces the hardness of the ring. The newly added component Fe304, which is formed by thermo-oxy fixation, has a relatively high microhardness of over 700 kg / mm2, increases the mechanical properties (tensile strength, flexural strength, etc.) and improves the functional properties of the piston ring, especially the Resistance to rubbing; 3. The fact that the heat from the engine is used to complete the heat treatment and the stabilization of the mechanical properties of the piston ring is only achieved after the run-in; 4. in that the roughness HS of 0.04 p, caused by the piston rings according to the invention, of the cylinder wall is almost the same as that achieved only by chrome-plated piston rings. This results in a convergence of the sliding surfaces of the cylinder and the ring and a doubling of the capillary forces, which results in a better seal; 5. In reducing fuel consumption and increasing performance, as well as improving engine elasticity. The novelty of the invention is based on the fact that a special heat treatment, the so-called thermo-oxy fixation, is switched on during the production of the piston rings, and. that oxide-containing surfaces are formed during the geometric stabilization; 2. that piston rings are produced, the composition of which corresponds to the composition specified in claim 2; 3. that the heat from the engine is used to end the heat treatment and to complete the ring.

Claims

Claims 1. A method for producing piston rings from a mixture of iron powders and graphite with the addition of Cu-Pb or Cu powder and possibly small amounts of certain elements influencing the mechanical properties of sintered products by cold pressing, sintering at 1050 to 1170 ° C in an atmosphere of split ammonia, cooling, calibrating, slitting the rings through a radial section, geometrical shaping of the rings in the open state, thermal relaxation and further cooling, characterized in that the mixture is reduced to a porosity of 10 to 25 before sintering ° / o is pressed so that the compacts are cooled after sintering from the temperature of 830'C at a rate of 100 ° C in 5 to 15 minutes in a protective atmosphere, whereupon the cooled compacts are calibrated by pressure so that they still have a porosity of 7 to 19% and the compacts calibrated in this way for at least 30 minutes, max but at least 20 hours at a constant temperature of 130 to 570 ° C are subjected to a heat treatment in air and the end of the thermal treatment of the rings takes place during operation by the heat of the engine.

2. The method according to claim 1, characterized in that the values for the time and the temperature within the specified limits in a known manner Way be chosen so that the finished piston rings have an oxygen content of 0.5 to 5 percent by weight, predominantly in the form of Fe304, and 0.007 to 0.3% nitrogen contained in nitride form.

3. The method according to claim 1, characterized in that in addition to Cu-Pb or Cu powder, small amounts of boron or scandium are added to the powder mixture. Considered publications: German Patent Nos. 861700, 889165, 918 328; British Patent No. 594,918; R. Kie ffer and W. Hotop, Sintereisen und Sinterstahl, 1948, pp. 398, 399.