DE3206980C2 - Verfahren zum Herstellen eines Kolbenringes - Google Patents

Abstract

Ein in einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellter Kolbenring hat - im lotrechten Schnitt betrachtet - einen nahezu dreieckigen Bereich aus einer Metallpulver-Sinterlegierung mit niedriger Dichte. Eine Kante einer Außenumfangs- oder Bodenfläche des Kolbenringes bildet einen Scheitel des Dreieckbereichs. Der übrige Teil des Kolbenringes besteht aus einer Metallpulver-Sinterlegierung mit hoher Dichte. Der Kolbenring hat in demjenigen Bereich, der an der Zylinderwand gleitet, eine hohe Abriebfestigkeit und kann mit geringem Kostenaufwand hergestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbenringes nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der US-PS 27 53 858 ist bereils ein Verfahren mil den Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruchs bekannt. Durch das bekannte Verfahren wird ein Kolbenring aus zwei verschiedenen metallischen Sinterlegierungspulvern hergestellt. Eines der Pulvermaierialien ist relativ preiswert, während das andere Pulvermaterial relativ teuer ist, wobei das letztere hervorragende mechanische Eigenschaften hat, die den Beanspruchungen des Kolbenringes an -dessen hochbclasteten Bereichen gerecht werden. Um das teuerere der beiden Pulvermaterialien nur dort einzusetzen, wo dessen Materialeigenschaften benötigt werden, wird bei dem bekannten Verfahren der Grenzbereich zwischen den beiden Pulvermaterialien in einem Winkel zum Radius det Kolbenringes angeordnet. Das Verfahren wird unter Verwendung eines Werkzeuges, das aus einer Matrize, aus einem Dorn, aus einem Unterstempel und aus einem Oberstempel besteht, durchgeführt. Zunächst wird eine erste relative Lage des Unterstempels gegenüber der Matrize und dem Dorn eingestellt, um einen ersten Raum zwischen der Matrize und dem Dorn sowie oberhalb des Unterstempels festzulegen. In diesen ersten Raum wird das erste, preiswerte Sinterlegierungspulver eingebracht. Daraufhin wird der Unterstempel gegenüber dem Dorn abgesenkt, so daß sich ein zweiter Raum zwischen der Matrize und dem Dorn sowie oberhalb des ersten Sinteriegierungspulvers bildet. Nun wird mit einem speziellen Formungswerkzeug die Oberfläche des ersten Sinteriegierungspulvers derart ausgebildet, daß sie in radialer. Richtung mit zunehmender radialer Abmessung ansteigt. Nun wird das Formungswerkzeug aus der Matrize herausgezogen, wobei ein Hohlraum oberhalb des. ersten Sinteriegierungspulvers zwischen Matrize und Dorn verbleibt. Nun wird das Formungswerkzeug entfernt, das zweite Sinterlegierungspulver in diesen zweiten Raum eingebracht und ein Oberstempel gegenüber dem Unterstempel abgesenkt, um die beiden Sinterlegierungspulver zu einem Kolbenring zu verpressen. Das bekannte Herstellungsverfahren erfordert einen erheblichen Herstellungsaufwand, da einerseits der Verfahrensschritt des Absenkens, Formens und Vorverpressens des ersten Sinteriegierungspulvers mittels des Formungswerkzeuges eine relativ hohe Zeit in Anspruch nimmt und da dieser Verfahrensschritt ein enorm aufwendiges Preßgerät erforderlich macht, welches dazu geeignet sein muß, sowohl das Formungswerkzeug a!s auch den Oberstempel in dem Matrizenhohlraum nacheinander einzuführen. Angesichts der niedrigen Stückpreise von Kolbenringen ist ein derartig aufwendiges Herstellungsverfahren wirtschaftlich untragbar und hat sich daher in der Praxis nicht durchgesetzt.

Aus der JP-PS 51-39 166 ist ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Kolbenringes aus zwei verschiedenen metallischen Sinterlegierungspulvern bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Werkzeug verwendet, das aus einer Matrize, aus einem Dorn, aus einem äußeren Unterstempel, aus einem inneren Unterstempel und aus

■ einem Oberstempel besteht. Zunächst wird der äußere Unterstempel auf gleiche Höhe mit der Matrize gebracht, während der innere Unterstempel gegenüber der Matrize und dem Dorn abgesenkt ist. In dem sich so ergebenden Hohlraum wird das erste Sinterlegierungspulver eingefüllt. Daraufhin wird der äußere Unterstempel soweit abgesenkt, daß er sich auf gleicher Höhe mit dem inneren Unterstcmpel befk^dei. Nun wird ein zweites Metallpulver eingebracht. Anschließend wird der Oberstempel gegenüber den Unterstempeln abgesenkt, um die Sinterlegierungspulver zu einem Kolbenring zu verpressen. Die für dieses Herstellungsverfahren nötige Relativbewegung des inneren und äußeren Unterstempels erfordern ein äußerst aufwendiges Werkzeug, das nur mit mangelhafter Genauigkeit arbeitet. Aufgrund der mangelnden Herstellungsgenauigkeit und der durch das Werkzeug bedingten hohen Produktionskosten konnte sich auch dieses bekannte Herstellungsverfahren nicht durchsetzen.

Ausgehend von diesen bekannten Verfahren liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs so weiterzubilden, daß ein preiswerter Kolbenring, der

aus zwei verschiedenen Sinterlegierungspulvern besteht, mit einem einfachen und genauen Werkzeug herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruchs durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine relativ komplizierte Kolbenringstruktur durch Ausnützen der natürlichen Schütteigenschaften von Pulver-

materialien erreicht werden kann. Durch Verwendung eines Domes, der zu seinem dem Oberstempel zugewandten Ende hin in seiner radialen Abmessung in Form eines radial einwärts gerichteten Absatzes

abnimmt, wird erreicht, daß das relative Absenken des Unterstempels gegenüber dem Dorn zu einer geschwungenen, radial nach außen abfallenden Schüttfläche des ersten Sinterlegierungspulvers führt. Der derart ausgebildete Hohlraum stellt eine optimale Negativform für das zweite Sinterlegierungspulver dar, das in diesen Hohlraum eingebracht wird. Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren mit einem sehr einfachen Werkzeug auskommt, wird das zweite, kostspielige Sinterlegierungspulver tatsächlich nur dort eingesetzt, wo es auch zur Verhinderung von Reibung und Abrieb benötigt wird.

Der frfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Vertikalschnitte durch herkömmliche Kolbenringe;

F i g. 3 einen Vertikalschnitt durch einen Kolbenring gemäß der Erfindung;

Fig.4 eine Reihe von Arbeitsschritten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungs- -° gemäßen Kolbenringes;

F i g. 5 einen Vertikaischnitt durch einen Kolbenring in einer gegenüber F i g. 3 abgewandelten Aus.fShrung.

Da. wie F i g. 1 erkennen läßt, ein Kolbenring 3 bei der axialen Bewegung eines Kolbens an der Zylinderwand gleitet, muß die Außenumfangsfläche 31 des Kolbenringes 3 eine hohe Abriebfestigkeit haben. Insbesondere bei einem 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 Räche einer Nut 4 gepreßt wird.

Ein in F i g. 2 gezeigter Kolbenring 3 besteht aus einer zweiten Sinterlegierung 2 mit ausgezeichneter Abriebfestigkeit und aus einer ersten Sinterlegierung I aus ³^ einem üblichen, nicdriglegierten 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 Sir.terlegierungsschicht 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 üinterlegierungsschicht 2 eine niedrigere Dichte gefordert, so daß Schmieröl in in der zweiten Schicht 2 vorhandene Poren eindringen kann, um die Abriebfestigkeit dieser Schicht zu steigern. Somit wird. ⁵ⁿ wenn die Menge der zweiten Schicht 2 erhöht und die Menge der ersten Schicht 1 vermindert wird, die Festigkeit de Kolbenringes herabgesetzt.

Wie F i g. 3 dagegen zeigt, hat der Kolbenring 3 einen nahezu dreieckigen Bereich aus einer zweiten Sinterlegierung 2. Eine Käme oder Ecke 311 einer Außenumfangsfläche 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 Kanle 312 den Scheitel des Dreieckbereichs bildet. Der übrige Bereich des Kolbenringes 3 besteht aus einer ersten Sinterlegierung 1.

Wenn der Kolbenring 3 in den Kolben einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist. so gleitet der nahezu dreieckige Bereich aus /weiter Sinterlegierung 2 an der Innenumfangsfliiehe 41 einer Zylinderlaufbuchse. Zusätzlich wird die Bocicnfliiche 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 Außenumfangs- 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 wird die Menge an zweiter Sinterlegierung 2 so eingestellt, daß diese Menge so klein wie möglich gehalten wird. Die Folge einer Verminderung der Menge an zweiter Sinterlegierung wird im folgenden erläutert.

In den Sinterlegierungen des Kolbenringes vorhande-.ne Poren oder kleine Hohlräume werden zu Schmierölspeichern an der gleitenden Räche deF Sinterlegierung, wodurch die Ölfilmfestigkeit der Gleitfläche in ausgeprägter Weise gesteigen 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 dies Sn vorgesehenen Einschnitt, z. B. ein Kolbenring, sind derartige kleine Hohlräume jedoch von Nachteil, da sie für das Entstehen von feinen Rissen verantwortlich sind, in denen eine Oxydation und auch eine Hitzeermüoung eintritt. Deshalb wird im Lauf der Zeit die Spannung des Kolbenringes herabgesetzt. Um diese Erscheinung zu vermeiden, ist es erwünscht. Sinterlegierungen 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 Pulver, zu verwenden. Solch feines Pulver kann leicht aus niedriglegiertem Eisen hergestellt werden, und dieses niedriglegierte Eisen ist in hohem Maß komprimierbar und für die Herstellung von Sinterlegierungen mit hoher Dichte geeignet. Somit kann durch Verwendung dieser Sinterlegierungen hoher Oichf e die Erscheinung der Hitzeermüdung verhindert werden.

Der 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 Hitzeermüdungserscneinung nicht anfällig und hat demzufolge sine 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 die Abriebfestigkeit der zweiten Sinterlegierungsschicht 2 durch geeignete Wahl der Pulvergröße und durch Steigerung der Menge an Poren, so daß das Schmiede!, in diesen in ausreichender Weise festgehalten wird, erhöht. Da die zweite 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 stabilisierte verschleißfeste Spannung aufweist.

Ein Verfahren zi / Herstellung des Kolbenringes besteht aus einer Reihe von Arbeitsschritten, die in Fig. 4 gezeigt sind. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:

I.Schritt:

F.in Dorn 6 mit cir^m Absatz 60 und eine Matrize 5 werden, um einen ersten Raum 51 zu bilden, hochgefahren (F i g. 4;i).

2. Schritt:

Fun erstes Pulver A wird mit Hilfe einer ersten Beschickungsvorrichtung 91 in den ersten Raum 51 eingegeben (Fig. 4b).

J.Schritt:

Die Matrize 5 und der Dorn 6 werden hochgefahren, so daß die obere Fläche des Pulvers A über dem Absatz 60 des Domes 6 und über einem Unierstempel 7 eine Gestalt annimmt, die der Ruhe- oder Schüttkurve dieses Pulvers nahe/u m gleich ist. wobei über der oberen Fläche des ersten Pulvers A ein zweiter Raum 52 gebildet wird (f-ig-4c).

4. Schritt:

F.in zweites Pulver B wird mit Hilfe einer zweiten |-, Beschickungsvorrichtung 92 in den zweiten Raum 52 eingegeben (F i g. 4d).

5. Schritt:

Pin Okefsteni^e! S wird ub**cscf!k! u!i? c!cn Preßformvorgang an den Pulvern A und B .»o 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 Untcrstcmpels 7 ist, an welchem Punkt die Matrize 5 sowie der Dorn 6 angehalten werden. Dann wird der Oberstempel 8 zur Ausführung des Pulverformpreßvorgangs abgesenkt (F ig. 4c). JO

6. Schritt:

Die Matrize 5 und der Dorn 6 werden abgesenkt, während gleichzeitig der Oberstempel hochgefahren wird, um den aus Pulver druckverfo/rnten Gegenstand zu entnehmen (F i g. 4f). j-,

7. Schritt:

Der auf diese Weise hergestellte Gegenstand wird gesintert und seine Oberfläche wird ;iuf MaLI bearbeitet.

Obwohl bei dem erläuterten Ausfiihrungsbeispicl der IJntersiempel 7 fest ist. so ist klar, daß der Gegenstand auch mit einem Verfahren hergestellt werden kann, bei dem die Matrize 5 fest ist. solange die Relativbewegungen der Mairi/e. des linterstempcls und des Oberstempels denjenigen des in Fig. 4 gezeigten Herstellungsverfahrens entsprechen. Darüber hinaus können der I.. 2.. J. und 4. Schritt auch /ur gleichen Zeit durchgeführt werden (d. h. nach Art einer Saugbesehiekung).

Das beschriebene Verfahren ermöglicht die leichte, einfache Herstellung eines Kolbenringes.

Durch Steuerung von Geschwindigkeit und Betrag des Hochfahrens der Matrize 5 kann die Gestalt der auf der oberen Fläche des Pulvers A gebildeten Kurve, die dessen Risbc oder Schii:!ks:rve ühnüch ·.',:. gen:«: eingeregelt werden.

Der Kolbenring ist im Betrieb höchst wirksam, wenn die zweite Sinterlegierung 2 in dessen äußerstem Umfangsbercieh ungeordnet wird. Es ist wünschenswert, die erste Pulverschicht A in einer Kegelgestalt, wie F i g. 3 zeigt, oder in Gestalt einer Faßhälfte, wie F i g. 5 zeigt, auszuformen.

Nach dem Preßvorgang kann der Kolbenring Behandlungen, wie Tränkung. Imprägnierung und Schwefelung, die üblicherweise, wenn der Ring unter hohen Belastungen bei hohen Temperaluren arbeitet, angewendet werden, unterworfen werden.

Der vorstehend beschriebene Kolbenring aus Sinterlegierungen weist Abriebfestigkeit nur in den dafür notwendigen Bereichen auf. hat dabei aber dennoch die erforderliche Spannkraft bzw. Zugfestigkeit.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:"

   Verfahren zum Herstellen eines Kolbenringes aus zwei verschiedenen metallischen Sinterlegierungspulvern unter Verwendung eines Werkzeuges, das aus einer Matrize, aus einem Dorn, aus einem Unterstempel und aus einem Oberstempel besteht, mit folgenden Merkmalen:

   Einstellen einer ersten relativen Lage des Unterstempels gegenüber der Matrize und dem Dorn zum Festlegen eines ersten Raumes zwischen der Matrize und dem Dorn sowie oberhalb des Unterstempels;

   Einbringen des ersten Sinterlegierungspulvers in diesen ersten Raum;

   relatives Absenken des Unterstempels gegenüber dem Dorn zum Festlegen eines zweiten Raumes zwischen der Matrize und dem Dorn sowie oberhalb des erstes 3interlegierungspulvers;
   Einbringeft des zweiten Sinteriegierungspulvers in diesen zweiten Raum;

   Absenken des Oberstempels gegenüber dem Unterstempel zum Verpressen der Sinterlegierungspulver zu einem Kolbenring,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß der Dorn (6) des Werkzeuges (5, 6, 7, 8) zu seinem dem Oberstempel (8) zugewandten Ende hin in seiner radialen Abmessung in Form eines radial einwärts gerichteten Absatzes (60) abnimmt und
   daß das relative Absenken des Unierstempets (7) gegenüber dem Dorn eine geschwungene, radial nach außvin abfallende Sttiüttfläche des ersten Sinterlegierungspulvers erzeugt.