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Die Erfindung bezieht sich auf einen geschlitzten Kolbenring für Verbrennungsmotoren,
der durch Pressen, Sintern und Nachverdichten eines Metallpulvers mit einheitlicher
Zusammensetzung, insbesondere eines Eisenpulvers mit Zusätzen von Graphit und Blei,
sowie anderen Schwermetallen bis zu mehreren Prozent hergestellt ist und der längs
seines Umfangs einen unveränderten Querschnitt hat.
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Es ist bekannt, Kolbenringe auf pulvermetallurgischem Wege in der
Weise herzustellen, daß das Metallpulver zunächst gepreßt, alsdann gesintert und
darauf entweder kalt oder heiß nachverdichtet wird. Die Nachverdichtung kann dabei
in einem solchen Maße erfolgen, daß die Porosität des bereits gesinterten Werkstückes
beträchtlich herabgesetzt, die scheinbare Dichte des Körpers also erheblich erhöht
wird. Die weiteren Verfahrensschritte, denen der-zunächst geschlossen hergestellte
Ring 'unterworfen wird, bestehen darin, ihn aufzuschneiden, alsdann fertigzubearbeiten
und bestimmten Vergütungsbehandlungen zu unterwerfen.
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Ferner sind Kolbenringe aus Sintermaterial bekannt, bei denen vorzugsweise
metallische Sinterstoffe derart verteilt werden, daß an den mechanisch und thermisch
am höchsten beanspruchten Stellen Anhäufungen oder Schichtungen an Zusatzstoffen
vorhanden sind. Es soll z. B. an höher beanspruchten Stellen des Ringes Metallpulver
aus Chrom, Nickel oder Vanadin dem Eisenpulver zugesetzt werden, um so einzelnen
Stellen des Ringes bestimmte Eigenschaften zu erteilen.
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Durch die deutsche Patentschrift 100 613. ist auch ein Dichtungsring
für Kolben bekannt, der zur Erhöhung der Tangentialspannung auf der äußeren oder
inneren Fläche, je nach dem der Ring nach innen oder außen federn soll, durch Hämmern
oder Walzen verdichtet ist, und zwar an der seinen Enden gegenüberliegenden Stelle
am stärksten und von dort nach den Enden zu abnehmend.
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Obwohl in dieser Druckschrift vom »Verdichten des Ringes« die Rede
ist, kann nicht abgeleitet werden, daß es sich dabei um eine Verdichtung im Sinne
der Erfindung mit Erhöhung des spezifischen Gewichts handelt. Da eine Werkstoffangabe
nicht vorhanden ist und auch auf Grund des Alters dieser Druckschrift nicht unterstellt
werden kann, daß es sich um einen Sinter- oder Graugußwerkstoff handelt, ist die
»Verdichtung« nur im Sinne einer Kaltverfestigung zu verstehen.
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Zur Erhöhung der Tangentialspannung hat man einen durch Pressen, Sintern
und Nachverdichten hergestellten Kolbenring auch schon so ausgebildet, daß der Ring
längs seines Umfangs unterschiedliche Werte der Dichte aufweist, beispielsweise
indem man ihm an der dem Stoß gegenüberliegenden Stelle und in der Nähe des Stoßes
eine höhere Dichte gegeben hat. Die Herstellung eines solchen Ringes erfolgt in
der Weise, daß durch Pressen von Metallpulver zunächst ein Ring mit längs seines
Umfangs zonenweise unterschiedlichem Querschnitt hergestellt wird und daß man den
Ring dann sintert und erst beim Nachverdichten auf einen über den Umfang gleichen
Querschnitt bringt. Derartige Ringe haben sich an sich in der Praxis bewährt, jedoch
hat es sich als erforderlich erwiesen, für bestimmte Anwendungsfälle, z. B. für
den Einbau des Ringes in hochwertige Motoren od. dgl., die Tangentialspannung auf
noch höhere Werte zu steigern. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
auf pulvermetallurgischem Wege hergestellten Kolbenring so auszubilden, daß man
ihm eine Tangentialspannung aufgeben kann, die höher ist die der bekannten in dieser
Weise hergestellten Kolbenringe.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß der Ring an seinem
inneren Umfang eine höhere Dichte hat als an seinem äußeren Umfang, wobei an jeder
radialen Querschnittsebene die gleiche Dichte und Dichteverteilung vorliegt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Dichte linear
oder stufenweise vom äußeren zum inneren Umfang hin ansteigen; bei einer.bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Dichte vom inneren Umfang
bis etwa zur Hälfte der radialen Breite des Ringes abnimmt und dann bis zum äußeren
Umfang `gleichbleibt.
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Der Kolbenring gemäß vorliegender Erfindung hat eine höhere Dichte
an seinem inneren Umfang und ist an der äußeren Seite der Lauffläche porös. Durch
die hohe Dichte an-der Innenseite ist es möglich, dem Ring eine Tangentialspannung
zu geben, die doppelt so hoch ist wie bei den bekannten Ringen aus Grauguß, während
der Charakter des porösen Sinterstahls mit seinen guten- Laufeigenschaften an der
äußeren Seite erhalten bleibt. .. y Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren
zur Herstellung eines derartigen Kolbenringes, das darin besteht, zunächst ein Metallpulvergemisch
zu einem Ring vorzupressen, dessen eine Ringfläche von außen nach innen ansteigt,
den so gefertigten Rohling zu sintern und derart zu verdichten, daß er über die
gesamte Wandstärke die gleiche Höhe hat, und den Ring dann mit einem entsprechend
ausgebildeten Stempel derart nachzuverdichten, daß er an seinem inneren Umfang eine
geringere Höhe hat als an seinem äußeren Umfang, worauf man ihn auf die gleiche
Sollhöhe schleift, trennt und in bekannter Weise thermisch spannt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Nachverdichtung
nur die innere Zone des Ringes etwa bis zur halben radialen Breite verdichtet, während
die äußere Zone keine Verdichtung erfährt und poröser bleibt.
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Die Erfindung sieht ferner vor, mit einem Druck von 35 t vorzupressen,
den Rohling bei einer Temperatur von 1080° C zu sintern, nach dem Sintern mit einem
Druck von 100 t zu verpressen und mit einem Druck von 80 t nachzuverdichten.
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Ein nach dem obigen Verfahren hergestellter geschlitzter Kolbenring
kann erfindungsgemäß an seinem inneren Umfang eine Dichte von 7,5 g/cm3 haben, die
zum Außenumfang auf 6,3 g/cm3 abfällt. Für die Unteransprüche, insbesondere die
Verfahrensansprüche 5 bis 9, wird Patentschutz nur in Verbindung mit Anspruch 1
beansprucht.
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In den F i g. 1 a bis 1 d der Zeichnung sind die einzelnen Fertigungsstufen
des Ringes dargestellt. Es wird zunächst ein Ring mit dem Fertigdurchmesser in einer
Preßform vorgepreßt, deren Unterstempel so ausgebildet ist, daß die untere Ringfläche
1 des Rohlings vom äußeren Umfang 2 zum inneren Umfang 3 in einem Winkel x von 15°
ansteigt (F i g. 1 a). Bei der ersten Verdichtung, die nach dem Sintern erfolgt,
erhält der Ring die auf F i g. 1 b dargestellte Form, bei der er über den gesamten
radialen
Querschnitt die gleiche Höhe hat. Die Nachverdichtung wird
mit einer Form durchgeführt, deren Unterstempel nach innen steigend in einem Winkel
von 15° angeschrägt ist, derart, daß der nachverdichtete Ring etwa von der Mitte
seiner radialen Breite zu seinem äußeren Umfang 2 hin dicker wird. Der Winkel ß,
den der geneigt verlaufende Abschnitt 4 der unteren Ringfläche 1 mit der senkrecht
zur Ringachse liegenden Ebene bildet, soll ebenfalls etwa 15° betragen (vgl. F i
g. 1 c). Durch die zweite Nachverdichtung ist die Dichte der Innenzone des Ringes
gegenüber der Zone an seinem äußeren Umfang erhöht worden. Der Ring wird anschließend
auf seine Sollhöhe h geschliffen (F i g. 1 d), mit einem Fräser von der Stärke der
vorgesehenen Spaltbreite getrennt und dann thermisch gespannt. Nach dieser Behandlung
ist der Ring einbaufertig.
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Ausführungsbeispiel 18 g eines Pulvergemisches aus 1,2% Graphit, 3,0%
Blei, 3,0% Nickel und 92,8% Eisenpulver wurden mit einem Preßdruck von 35 t zu einem
Ring mit folgenden Abmessungen verpreßt:
| Außendurchmesser . . . . . . . . . . . . 85,5 mm |
| Innendurchmesser . . . . . . . . . . . . 77,6 mm |
| Höhe außen .................. 2,5 mm |
| Höhe innen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,5 mm |
| Steigung nach innen . . ... ...... 15° |
Die Dichte des Ringes betrug 6,3 g/cm3, das Porenvolumen 12 bis 13 %.
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Der Rohling wurde anschließend bei einer Temperatur von 1080° C 2
Stunden gesintert, danach betrug das Ringgewicht 17,9 g. Zur stärkeren Verdichtung
der Innenzone wurde der Ring mit einem Druck von 100 t auf eine außen und innen
gleiche Höhe von 2,5 mm verpreßt. Bei der anschließenden Nachverdichtung mit einem
um 15° nach innen steigend angeschrägten Unterstempel wurde bei einem Druck von
80 t eine weitere Verdichtung von der Wandstärkenmitte zur Innenzone erreicht. Danach
betrug die Höhe am Innenumfang des Ringes 2,1 mm bei einer Dichte von 7,5 g/cm3,
die zum äußeren Umfang 2 auf 6,3 g/cm3 abfiel.
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Der Ring wurde dann auf eine Sollhöhe von 2,0 mm geschliffen, mit
einem 0,3 mm starken Fräser getrennt und in bekannter Weise thermisch gespannt.