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Kolbenring, insbesondere für Großkolbenmotoren Die Erfindung betrifft
einen Kolbenring, insbesondere für großvolumige Verbrennungskraftmaschinen, mit
einer verschleißfefsten Beschichtung der Laufflächen und gegebenenfalls der Flankenflächen,
bestehend aus zwei übereinandergelagerten Schichten, von denen die äußere Schicht
eine Chromschicht ist.
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Die Laufflächen und gegebenenfalls die Flankenflächen von Kolbenringen,
welche im motorischen Betrieb hohen Belastungen durch reibenden Verschleiß ausgesetzt
sind, werden bekanntlich durch Aufbringen verschleißfester Beschichtungen besonders
geschützt. Vor allem bewährt haben sich dabei galvanisch aufgetragene Hartchromschichten,
thermisch aufgespritzte oder aufgeschweißte Schichten aus vor allem Molybdän oder
Molybdänlegierungspulvern oder auch thermische, zu Gefügeumwandlungen der Oberflächen
führende Härtungsverfahren. Die Verschleißfestigkeit dieser Schichten ist allerdings
begrenzt durch ihre Schichtstärke. So läßt sich Chrom oder Molybdän problemlos nur
bis zu einer bestimmten Stärke auftragen, da sonst das Auftragungsverfahren zu kostspielig
wird und im motorischen Betrieb Schichtausbrüche entstehen können. Analog lassen
sich thermische Härtungsverfahren ohne größeren Aufwand nur bis zu einer bestimmten
Tiefe ausführen.
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Eine über lange Betriebsdauer hohe Verschleißfestigkeit ist aber gerade
bei Kolbenringen mit großen Durchmessern erforderlich, da diese in Großmotoren eingesetzt
werden, die vor allem als stationäre Motoren oder Schiffsmotoren ununterbrochen
über lange Zeit im Einsatz sind. Gerade in diesem Fall ist aber ein Austausch der
verschlissenen Kolbenringe durch die damit verbundene Stillstandzeit aufwendig und
kostspielig.
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Die zunächst naheliegende Maßnahme, solche Kolbenringe massiv aus
hoch verschleißfesten Metallen, wie beispielsweise hochlegierte Gußeisen - oder
Stahlsorten, herzustellen, scheidet in diesem Fall aus, da solche Metalle bei hoher
Verschleißfestigkeit im allgemeinen eine geringere Festigkeit, Elastizität, mangelnde
thermische Beständigkeit und 1 oder sehr schwierige spanabhebende Bearbeitbarkeit
besitzen, so daß sie als Kolbenringwerkstoffe
Kolbenring, insbesondere
ftir G-eßkolbenn,otoren : 1694 ) nicht geeignet sind.
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Ferner sind aus der GB - PS 1.194.446 auch bereits Kolbenringe mit
Zweizonenverschleißschichten bekannt, bei denen zunächst durch Induktions -oder
Flammhärten oder gegebenenfalls auch durch Nitrieren die Lauffläche des Grundringes
gehärtet wurde. Auf diesen Schichten werden anschließend galvanisch Hartchromschichten
abgeschieden. In diesem Fall führt das bekannte thermische Härten durch Erhitzen
mit der Flamme oder durch Induktion bei Gußeisen lediglich zu einer Martensitbildung
mit einer Härte von 40 bis 50 HRC, und die Härtungstiefe liegt bei etwa bis zu 1,2
mm. Die Härtungstiefe und die erzielte Härte reichen aber noch nicht für die optimale
Verschleißfestigkeit von Kolbenringen aus, insbesondere weil Hartchromschichten
eine erheblich größere Härte besitzen, so daß bei ungleichmäßigem Abrieb auf der
Lauffläche dieser Ringe unterschiedliche Verschleißbilder entstehen. Dementsprechend
werden nach der GB - PS 1.194.446 nur insbesondere durch die Einsparung von Chrom
normale Kolbenringe mit einer normalen Verschleißfestigkeit nach einem verbilligten
Verfahren hergestellt. Derartig hergestellte Kolbenringe sind daher für den Dauerbetrieb
in Großkolbenmotoren noch nicht geeignet.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Laufflächen
und gegebenenfalls auch die Flankenflächen von Kolbenringen so verschleißfest zu
beschichten, daß sie auch im Dauerbetrieb in Größkolbenmotoren lange Zeit störungsfrei
laufen können. Gleichzeitig soll das Verfahren ihrer Herstellung möglichst einfach
und damit kostengünstig sein.
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Erfirtdungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Kolbenring mit einer
Zweizonenverschleißschicht-auf der Lauffläche und gegebenenfalls auch auf den Flanken
gelöst, deren innere Zone aus einem ledeburitisch erstarrten Gußeisen mit gegebenenfalls
auflegierter oder auch aufgeschweißter Verschleißschicht besteht, während die äußere
Schicht aus einer nach einem der bekannten Verfahren hergestellten Chromschicht
Ublicher Stärke hergestellt ist.
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Zur Herstellung der inneren verschleißfesten Schicht kann das Gußeisen,
Kolbenring,
insbesondere tir 5roßkolbenmoterer ( 1694 ) wie beispielsweise aus der DE - AS 20
45 125 bekannt, durch Einwirkung energiereicher Elektronenstrahlen oder auch beispielsweise
durch einen Plasmastrahl oder in der Flamme in einer beliebigen Tiefe aufgeschmolzen
werden, so daß beim schnellen Abkühlen ein hauptsächlich ledeburitisches Gefüge
hoher Härte entsteht. Gegebenenfalls kann dabei, wie aus der DE - PS 25 01 370 bekannt,
das Aufschmelzen unter gleichzeitiger Einwirkung von Elementen wie Tellur, Wismuth
und Bor erfolgen, welche beim schnellen Abkühlen die Ledeburitbildung begünstigen.
Ebenso kann das Aufschmelzen unter gleichzeitiger Einwirkung von karbidbildenden
Schwermetallen wie Molybdän, Wolfram oder Chrom erfolgen, so daß beim schnellen
Abkühlen verschleißfestes ledeburitisches Gußeisen mit hohen Sonderkarbidanteilen
entsteht. Im Sinne der Erfindung können diese Metalle auch im Oberschuß wie beim
Auftragsschweißen aufgetragen werden.
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Auf diese erste Schicht wird nach einem der bekannten galvanischen
Verfahren eine Chromschicht aufgetragen. Diese Chromschicht hat die übliche Stärke
und besteht vorzugsweise aus Hartchrom, dessen Oberfläche wie beim Verchromen übliche,
mikrorissige und poröse Struktur aufweist.
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Während des motorischen Betriebes kommen jetzt nacheinander die Chromschicht
und die verschleißfeste harte Eisenschicht zum Tragen, und da das Grundmaterial
in jeder gewünschten Tiefe problemlos gehärtet werden kann, ist der Kolbenring praktisch
unbegrenzt verschleißbeständig. Die äußere Chromschlcht wirkt zugleich während der
Lagerung korrosionsschützend, und da sie sich durch Schleifen oder Läppen gut bearbeiten
läßt, besitzt der Ring bereits in der kritischen Einlaufphase eine optimale Liühtspaltdichtigkelt.
Die etwa gleiche Härte von Innen - und Außenschicht bewirkt zusätzlich etwa gleiche
Verschleißeigenschaften, so daß' auch nach nur teilweisem Abrieb der Chromschjcht
der weitere Abrieb am Umfang gleichniaßig erfolgt. Ferner ist das Herstellungsverfahren
der erfindungsgeiißen Ringe einfach und wenig kostenaufwendig.
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Der erfindungsgem6ße Kolbenring eignet sich aufgrund seiner hohen
und gleichm!ßigen Verschleißfestigkeit hervorragend für den Dauerbetrieb in Großkolbenmotoren.
Im Sinne der Erfindung kann die erfindungsgemäße Be-
Kolbenring,
insbesondera L'r GroßKolDermotoren ( 1694 ) schichtung, auch über den Umfang verteilt,
ungleichmäßig erfolgen. So kann die ledeburitische Härtung beispielsweise je nach
Bedarf nur am Stoß mit stärkerer Tiefe erfolgen oder die Flankenflächen können entweder
nur verchromt oder nur ledeburitisch gehärtet sein. Gerade bei Großkolbenringen
läßt sich eine solche Fertigung besonders' gut anwenden, weil diese ohnehin aufgrund
ihrer Größe einzeln bearbeitet werden müssen.
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Beispiel Ein Kolbenring mit einem inneren Durchmesser von 400 mm,
einem äußeren Durchmesser von 412 mm und einer axialen Tiefe von 8 mm, bestehend
aus einem für Kolbenringe üblichen, schwach legierten Gußeisen, wird mit einem elektrischen
Lichtbogen an seiner Oberfläche auf eine Tiefe von 2,5 mm aufgeschmolzen, wobei
gleichzeitig etwa 40 mg Tellurpulver, über den Umfang verteilt, gleichmäßig in das
geschmolzene Gußeisen gegeben werden. Nach dem Abkühlen zeigt die aufgeschmolzene
Oberfläche auf seiner nahezu gesamten Tiefe eine Ledeburiterstarrung. Durch entsprechende
Führung des elektrischen Lichtbogens während des Schmelzvorganges ist die behandelte
Oberfläche weitgehend glatt, so daß nach einem angeschlossenen einfachen Schleifprozeß
darauf und auf die Flankenflächen aus einem dafür üblichen Verchromungsbad eine
Chromschicht von etwa 0,3 mm Stärke abgeschieden werden kann. Nach dem Schleifen
der Chromschicht kann der Ring in einem entsprechenden Großkolbenmotor eingesetzt
werden.