DE3206980A1

DE3206980A1 - Kolbenring

Info

Publication number: DE3206980A1
Application number: DE19823206980
Authority: DE
Inventors: Tadashi Hatogaya Saitama Ebihara
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1981-02-26
Filing date: 1982-02-26
Publication date: 1982-09-23
Also published as: DE3206980C2; US4414284A; JPS6250708B2; JPS57144350A

Description

^Di^e Erfindung betrifft einen Kolbenring zur Verwendung bei einer Brennkraftmaschine oder für einen hin- und hergehenden Kolben eines Kompressors, Stoßdämpfers od. dgl. Bauteils. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem aus einer Sinterlegierung gefertigten Kolben-

25 ring.

Zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Standes der Technik wird auf die Fig. 1 und 2 der Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1 und 2 zeigen Vertikalschnitte durch herkömmliche Kolbenringe.

Da, wie Fig.l erkennen läßt, ein Kolbenring 3 bei der axialen Bewegung eines Kolbens an der Zylinderwand gleitet, muß die Außenumfangsflache 31 des Kolbenringes 3 eine hohe Abriebfestigkeit haben. Insbesondere bei einem

V für eine Brennkraftmaschine bestimmten Kolbenring ist es erforderlich, daß auch die Bodenfläche 32 des Kolbenringes 3 eine hohe Abriebfestigkeit hat, da sie durch den Druck in der Brennkammer gegen die entsprechende Fläche einer Nut k gepreßt wird.

Bei einer bestimmten Art von Kolbenringen wird eine Hartverchromung oder eine aufgesprühte Schicht aus abriebfestem Material auf den gesamten Außen- sowie Innenumfangs-

^O flächen eines Grundelements aus Gußeisen und auch auf dessen Kopf- und Bodenflächen aufgebracht. Diese Oberflächenbeschichtung wird nach der Formgebung des Kolbenringes durchgeführt. Insofern werden die Zahl der Arbeits schritte und der zur Herstellung dieses herkömmlichen

'5 Kolbenringes notwendige Zeitaufwand erhöht.

Schon in den 4tOer Jahren ist in Englang ein aus einer Sinterlegierung gebildeter Kolbenring entwickelt worden, und seit dieser Zeit wurden für Kolbenringe verschiedene

Arten von Sinterlegierungen verwendet.

So wurde ein herkömmlicher Kolbenring gänzlich aus einem Grundmaterial einer Sinterlegierung mit guter Abriebfestigkeit gefertigt. Im allgemeinen wird, wie in der

^zo japanischen Patent-Auslegeschrift Nr. Sho 45-32 802 offenbart ist, eine einzige Art von Pulver für das Pressen und Sintern verwendet. Bei diesem Kolbenringtyp werden die Zahl der Arbeitsschritte und die Arbeitskosten herabgesetzt. Jedoch sind die für die Herstellung des

hoch abriebfesten Grundmaterials notwendigen Ausgangsmaterialien teuer. Ferner haben diese hoch abriebfesten Sinterlegierungen auf Grund ihres hohen Kohlenstoffgehalts nur eine geringe Festigkeit, weshalb derartige Kolbenringe zusätzliche Oberflächenbehandlungen, wie Auflagentränkung und Schwefelung, notwendig machen.

Um die oben erwähnten Mangel von aus Sinterlegierungen gefertigten Kolbenringen zu überwinden, wurde ein Kolbenring aus unterschiedlichen Materialschichten vorgeschlagen.

Es wurden Verbundtechniken und -verfahren entwickelt, wonach Kolbenringe eine Mehrzahl von Schichten aufweisen. Auf Grund des Verbundaufbaus arbeiten diese Kolbenringe gut, und der Kostenaufwand für die Rohmaterialien wird vermindert.

Einer von diesen Kolbenringen aus Verbund-Sinterlegierungen wird durch Übereinanderschichten, wenn die Pulver gepreßt werden, erhalten. Nach den USA-Patentschriften 2 753 858 und 2 753 859 wird, nachdem ein erstes Pulver gepreßt und ausgeformt ist, über das zuerst gepreßte Pulver ein zweites Pulver aufgebracht. Die Herstellung von Kolbenringen unter Anwendung dieser Technik ist kompliziert.

Beispielsweise ist ein in Fig. 2 gezeigter Kolbenring 3 bekannt. Dieser Kolbenring besteht aus einer zweiten Sinterlegierung 2 mit ausgezeichneter Abriebfestigkeit und aus einer ersten Sinterlegierung 1 aus einem üblichen, niedriglegierten Metall, die auf die Schicht aus zweiter Sinterlegierung 2 geschichtet ist. Bei diesem Verbund-Kolbenring 3 ist jedoch die für die Schicht aus zweiter Sinterlegierung 2 benötigte Materialmenge groß, was immer noch recht hohe Materialkosten zum Ergebnis hat. Ferner ist es erforderlich, daß die erste SintErlegierungs-

^v schicht 1 eine hohe Dichte hat, um eine ausreichende Festigkeit über die Betriebsdauer des Kolbenringes aufrechtzuerhalten. Deshalb wird die erste Sinterlegierung aus einem niedriglegierten Metall gemacht. Andererseits wird für die zweite Sinterlegierungsschicht 2 eine niedri-

gere Dichte gefordert, so daß Schmieröl in in der zweiten Schicht 2 vorhandene Poren eindringen kann, um die Ab-

riebfestigkeit dieser Schicht zu steigern. Somit wird, wenn die M_enge der zweiten Schicht 2 erhöht und die Menge der ersten Schicht 1 vermindert wird, die Festigkeit des Kolbenringes herabgesetzt. 5

Als ein weiteres Beispiel für eine komplizierte Technik bei oder mit Sinterlegierungen offenbart die japanische Patent-Auslegeschrift Nr. Sho 51-39 166 ein Verfahren zur Herstellung einer Sinterlegierung mit mehrfachen Schichten, indem eine Matrize in eine Mehrzahl von Teilen geteilt wird. Diese Technik kann zur Herstellung einer Vielfalt von mechanischen Teilen, wie solche in der japanischen Patent-Auslegeschrift Nr. 54-3I 9°3 und in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 5^z±-23 810 gezeigt sind, angewendet werden. In der JA-Auslegeschrift Nr. 51-39 l66 sind die Pulverschichten zum Sintern nicht nur vertikal oder horizontal angeordnet, sondern auch durch Ausbilden von unterschiedlichen Pulvermaterialschichten an ganz bestimmten Berei- ^ chen der mechanischen Teile angeordnet, z.B. an Ecken, um die mechanischen Eigenschaften der mechanischen Teile zu steigern und die Kosten für das erforderliche Rohmaterial zu senken. Jedoch sind gemäß dem Stand der Technik mehrere Stempeleinrichtungen notwendig, um derart komplizierte Konstruktionen zu fertigen, weshalb die Stempel- oder Preßkraft der Maschine niedrig und die zur Herstellung der mechanischen Teile ablaufende Arbeitsfolge kompliziert sind. Das hat zum Ergebnis, daß die Maßgenauigkeit der erzeugten mechanischen Teile

niedrig und gering ist. Häufig ist das auf diese Weise geformte mechanische Teil nicht zur praktischen Verwendung geeignet.

Demzufolge ist es das Ziel der Erfindung, die oben be-

schriebenen Schwierigkeiten bei und Mängel von herkömmlichen Kolbenringen aus Sinterlegierungen zu überwinden.

Erfindungsgemäß wird durch ein pulvermetallurgisches Verfahren ein Kolbenring geschaffen, der einen nahezu dreieckigen Bereich aus einer zweiten Sinterlegierung aufweist. Hierbei bildet eine Kante oder Ecke einer Außenumfangsflache bzw. einer Bodenfläche des dreieckigen Bereichs des Kolbenringes einen Scheitel dieses Drei eckbereichs. Der übrige Teil des Kolbenringes besteht aus einer ersten Sinterlegierung.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch einen Kolbenring gemäß der Erfindung;
Fig. k eine Reihe von Arbeitsschritten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungs gemäßen Kolbenringes;

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch einen Kolbenring in einer gegenüber Fig. 3 abgewandelten Ausführung. 20

Wie Fig. 3 zeigt, hat der Kolbenring 3 gemäß der Erfindung einen nahezu dreieckigen Bereich aus einer zweiten Sinterlegierung 2. Eine Kante oder Ecke 3H einer Außenumfangsflache 31 des Kolbenringes 3 bildet einen Scheitel des Dreieckbereichs. Der dreieckförmige Bereich

kann auch an der anderen Seite des Kolbenringes, ausgebildet sein, in welchem Fall die Kante J>12. den Scheitel des Dreieckbereichs bildet. Der übrige Bereich des Kolbenringes 3 besieht aus einer ersten Sinterlegierung 1. 30

Wenn der Kolbenring 3 gemäß der Erfindung in den Kolben einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist, so gleitet der nahezu dreieckige Bereich aus zweiter Sinterlegierung 2 an der Innenumfangsflache kl einer Zylinderlaufbuchse. ^OJ Zusätzlich wird die Bodenfläche 32 des Kolbenringes kräftig gegen eine Fläche der Kolbenringnut 4 in der Nachbarschaft des dreieckigen Bereichs gedrückt. Eine

solche Anordnung oder ein solcher Aufbau vermindert den Abrieb an der Außenurafangs- und Bodenfläche des Kolbenringes in ausgeprägter Weise. Da ferner die Menge an zweiter Sinterlegierung 2, wie ein Vergleich von Fig.3 mit Fig. 1 oder 2 klar erkennen läßt, beträchtlich vermindert werden kann, können auch die Materialkosten in hohem Maß herabgedrückt werden.

Bei dem Kolbenring gemäß der Erfindung wird die Menge an zweiter Sinterlegierung 2 so eingestellt, daß diese Menge so klein wie möglich gehalten wird. Eine Verminderung der Menge an zweiter Sinterlegierung bietet bedeutende Vorteile, wie im folgenden erläutert werden wird.

In den Sinterlegierungen des Kolbenringes vorhandene Poren oder kleine Hohlräume werden zu Schmierölspeichern an der gleitenden Fläche der Sinterlegierung, wodurch die Ölfilmfestigkeit der Gleitfläche· in ausgeprägter W_eise gesteigert wird, was zur Folge hat, daß die Abriebfestigkeit des Kolbenringes an der Gleitfläche beträchtlich erhöht wird. Im Fall von außen angebrachten Ringen mit einem in diesen vorgesehenen Einschnitt, z.B. ein Kolbenring, sind derartige kleine Hohlräume jedoäi von Nachteil, da sie für das Entstehen von feinen Rissen verantwortlich sind, in denen eine Oxydation und auch cino Hitzeermüdung eintritt. Doshalb wird im Lauf der Z_eit die Spannung des Kolbenringes herabgesetzt. Um diese Erscheinung zu vermeiden, ist es erwünscht, Sinter-

^ legierungen mit hoher Dichte zu verwenden, die eine verminderte Menge an Poren oder Hohlräumen haben. Zur Herstellung solcher Sinterlegierungen mit hoher Dichte ist es selbstverständlich wünschenswert, ein feines Pulver, sog. "atomisiertes", d.h. ganz fein verteiltes

^O%J Pulver, zu verwenden. Solch feines Pulver kann leicht aus niedriglegiertem Eisen hergestellt werden, und dieses niedriglegierte Eisen ist in hohem Maß kompri-

mierbar und für die Herstellung von Sinterlegierungen mit hoher Dichte geeignet. Somit kann durch Verwendung dieser Sinterlegierungen hoher Dichte die Rracheinung der' Hitzeermüdung verhindert werden. 5

Der erfindungsgemäße Kolbenring ist so aufgebaut, daß die Masse an erster Sinterlegierung, die das niedriglegierte Eisen hoher Dichte umfaßt, beinahe den gesamten Rauminhalt des Kolbenringes ausmacht. Deshalb ist der Kolbenring für die oben erwähnte Hitzeermüdungserscheinung nicht anfällig und hat demzufolge eine stabilisierte Spannung.

Die zweite Sinterlegierung 2 hat einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt (im einzelnen 0,7 bis 2,0 Gewichtsanteile) und eine hohe Härte. Wie oben angedeutet wurde, wird vorzugsweise die Abriebfestigkeit der zweiten Sinterlegierungsschicht 2 durch geeignete Wahl der Pulvergröße und durch Steigerung der Menge an Poren, so daß ™ das Schmieröl in diesen in ausreichender Weise festgehalten wird, erhöht. Da die aieite Sinterlegierungsschicht 2 ein geringes Volumen hat und deshalb nur begrenzte Einflüsse auf die Spannung des Kolbenringes ausübt, ist es möglich, einen Kolbenring zu erhalten, der eine sta- *■** bilisierte verschleißfeste Spannung aufweist.

. Ein Verfahren zur Herstellung des Kolbenringes gemäß der Erfindung besteht aus einer Reihe von Arbeitsschritten, die in Fig. 4 gezeigt sind. Das Verfahren umfaßt

die folgenden Schritte:

1. Schritt: Ein Dorn 6 mit einem Absatz 60 und eine Matrize 5 werden, um einen ersten Raum 51 zu bilden, hochgefahren (Fig. 4a).

2. Schritt: Ein erstes Pulver A wird mit Hilfe einer

ersten Beschickungsvorrichtung 91 in den ersten Raum 51 eingegeben (Fig. 4b).

3- Schritt: Die Matrize 5 und der Dorn 6 werden hochgefahren, so daß die obere Fläche des Pulvers A über dem Absatz 6o des Dornes 6 und über einem Unterstempel 7 eine Gestalt annimmt, die der Ruhe- oder Schüttkurve dieses Pulvers nahezu gleich ist, wobei über der oberen Fläche des ersten Pulvers A ein zweiter Raum 52 gebildet wird (Fig. 4c).

4. Schritt: Ein zweites Pulver B wird mit Hilfe einer zureiten Beschickungsvorrichtung 92 in den zweiten

'0 Raum 52 eingegeben (Fig. 4d).

5. Schritt: Ein Oberstempel 8 wird abgesenkt, um den Preßformvorgang an den Pulvern A und B auszuführen. Alternativ kann der Oberstempel 8 abgesenkt werden, bis er die obere Fläche des Pulvers 3 erreicht, worauf die Matrize 5 und der Dorn 6 abgesenkt werden, bis die Bodenfläche des Absatzes 60 am Dorn auf gleicher Höhe mit der oberen Fläche des Unterstempels 7 ist, an welchem Punkt die Matrize 5 sowje der Dorn 6

angehalten werden. Dann wird der Oberstempel 8 zur on

Ausführung des Pulverformpreßvorgangs abgesenkt (Fig. 4e).

. 6. Schritt: Die Matrize 5 und der Dorn 6 werden abgesenkt, während gleichzeitig der Obarstempel hochgefahren wird, um den aus Pulver druckverformten Gegen—

stand zu entnehmen (Fig. 4f).

7. Schritt: Der auf diese Weise hergestellte Gegenstand wird gesintert und seine Oberfläche wird auf Maß bearbeitet.

Obwohl bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel der Unterstempel 7 fast ist, so ist klar, daß das Ziel der Erfindung bzw. der demgemäß hergestellte Gegenstand auch mit einem Verfahren erreicht werden können, wobei die Matrize 5 fest ist, solange die Relativbewegungen der Matnze, des Unterstempels und des Oberstempels denjenigen des in Fig. 4 gezeigten Herstellungsverfahrens entspre-

• chen. Darüber hinaus können der 1., 2., 3· und ^lt. Schritt auch ;uir· gleichen Zeit durchgeführt werdesn (d.h. nach Art einer Saugbeschickung).

Das beschriebene Verfahren ermöglicht die leichte, einfache Herstellung eines Kolbenringes und ist somit für die Herstellung eines solchen bestens geeignet, obwohl es hierauf nicht beschränkt ist.

^O Durch Steuerung von Geschwindigkeit und Betrag des Hochfahrons der Matrize 5 kann die Gestalt der auf der oboren Fläche des Pulvers Λ gebildeten Kurve, die dessen Ruhe- oder Schüttkurve ähnlich ist, genau eingeregelt werden.

Der Kolbenring gemäß der Erfindung ist im Betrieb höchst wirksam, wenn die zweite Sinterlegierung 2 in dessen äußerstem Umfangsbereich angeordnet wird. Es ist vränschenswert, die erste Pulverschicht A in einer Kegelgestalt, wie Fig. 3 zeigt, oder in Gestalt einer Faßhälfte, wie Fig. 5 zeigt, auszuformen.

Nach dem Preßvorgang kann der erfindungsgemäße Kolbenring Behandlungen, wie Tränkung, Imprägnierung und

Schwefelung, die üblicherweise, wenn der Ring unter hohen Belastungen bei hohen Temperaturen arbeitet, angewendet worden, unterworfen werden.

Durch die Erfindung wird, wie sich aus obiger Beschrei-

bung ergibt, ein Kolbenring aus Sinterlegierungen geschaffen, der Abriebfestigkeit nur in den dafür notwendigen Bereichen aufweist, dabei aber dennoch die erforderliche Spannkraft bzw. Zugfestigkeit hat. Ferner zeigt der Kolbenring gemäß der Erfindung, daß er rela-

tiv kostengünstig hergestellt werden kann.

Claims

Patentansprüche

I 1 y'In einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellter Kolbenring, g ek ennzei chn e t durch einen ersten Bereich aus einem ersten Sinterlegierungspulver (1) und durch einen zweiten Bereich aus einem zweiten Sinterlegierungspulver (2), welcher im Schnitt eine nahezu dreieckige Gestalt hat, wobei eine Kante (311) einer Außenumfangsflache (31; 32) des Kolbenringes (3) einen Scheitel des dreieckförmigen Bereichs bildet.
2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grenzlinie zwischen dem ' ersten und zweiten Bereich in Annäherung an die Schüttkurve des ersten Sinterlegierungspulvers verläuft.
3· Kolbenring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichn et, daß der zweite Bereich den maximalen Außendurchmesser des Kolbenringes einschließt, 5
4. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Sinterlegierungspulver (l) ein niedriglegiertes Eisenpulver mit hoher Dichte ist.
5. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Sinterlegierungspulver (2) ein Metallpulver mit niedriger Dichte ist.