DE3300582C2 - Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Ringträgern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Ringträgern der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.

Es ist schon allgemein üblich geworden, Kolben, insbesondere solche für Dieselmotoren, mit wenigstgens einem Ringträger zu versehen, der aus einem Material besteht, das eine größere Festigkeit als das des Kolbens aufweist. Ein sehr bekanntes Material für diesen Zweck ist eine austenitische Eisenlegierung, die als Niresist-Material bezeichnet wird (vgl. DE 26 46 276 B2). Kolben mit Ringträgern sind aus der DE-PS 5 97 221 bekannt.

Unter den Verfahren zur Herstellung solcher Ringträger wird bei dem am meisten bekannten und eingesetzten Verfahren eine Eisenlegierung mit einem großem Nickelgehalt in eine Schale gegossen und durch Schleudern eine Hülse bzw. Buchse ausgeformt. Hiernach wird die Hülse bzw. Buchse maschinell behandelt und in einzelne Ringabschnitte zertrennt, von denen dann die Ringträger gemacht werden. Das Material, das man durch das Schleudergießen einer austenitischen Eisenlegierung mit einem äquivalenten Kohlenstoffgehalt über 2 Gew.-% erhält, erweist sich als austenitischer Grauguß der Typen 1 bis 5. Ein solches Graugußmaterial zeigt eine austenitische Matrix mit graphitischem Kohlenstoff, der in der Form von verteilten Blättchen in Erscheinung tritt, wie dies in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt ist, welche die typische Struktur eines Gußmateriales aus besagter Eisenlegierung zeigt. Gleichfalls treten auch noch gleichmäßig verteilt kleine komplexe Chrom-Carbide (Fe, Cr)₃C auf. Dieses Material ist geeignet für Anwendungen, bei denen eine gute thermische und eine gute Korrosionsbeständigkeit gefordert wird. Im Vergleich zu solchen auf Aluminium basierenden Legierungen, die üblicherweise bei der Herstellung von Kolben eingesetzt werden, weist besagtes Gußmaterial überdies auch noch geeignete mechanische und physikalische Eigenschaften auf, wie z. B. einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der nahe bei dem der Aluminiumlegierung liegt, sowie gute Eigenschaften bezüglich Härte, Bearbeitbarkeit, Verschleißwiderstand und Zugfestigkeit.

Sieht man von den erwähnten Vorteilen ab, so gibt es jedoch auch einige Anwendungsfälle, bei denen gegossene Ringträger nicht mehr geeignet sind, in voll zufriedenstellender Weise bestimmte spezielle Erfordernisse an Beständigkeit gegenüber mechanischen Spannungen zu erfüllen, wie sie z. B. beim Schmieden von Kolben auftreten, ein Verfahren, das gerne für die Herstellung von widerstandfähigeren Kolben eingesetzt wird. In diesen Fällen könnte durch eine Erhöhung des Nickelgehaltes über den üblichen Wert hinaus ein bemerkenswerter Anstieg der Festigkeit der Teile, die mittels Schleudergießen hergestellt sind, erzielt werden. Allerdings würde das Anheben des Nickel-Zusatzes in Verbindung mit den Schneide- und Bearbeitungsvorgängen der Buchse im Hinblick auf den Materialverlust, der dabei auftritt, zu erheblichen Kostenbelastungen hinsichtlich des Endproduktes führen.

Aus der GB-PS 5 58 182 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt, bei dem Ventileinsätze für Kolben und Kolbenringträger durch Verpressen und Sintern von Metallpulvern hergestellt wurden. Es ist jedoch nicht bekannt, daß mit diesem Verfahren Legierungen erzielt werden, bei denen der Graphit gleichmäßig vermikulär verteilt ist und die sich demgemäß durch erheblich verbesserte mechanische Eigenschaften auszeichnen.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für Ringträger aus austenitischen Eisenlegierungen mit einem äquivalenten Kohlenstoffgehalt über 2 Gew.-% zu entwickeln, das zu einem Endprodukt führt, dessen Eigenschaften bezüglich Härte, Zugfestigkeit, Verschleißwiderstand, Dehnverhalten und linearem thermischem Ausdehnungskoeffizienten besser sind als die Werte eines gleichen Materiales, das aber mittels Schleudergießen erhalten wurde. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht auch darin, ein Herstellungsverfahren für Ringträger aus austenitischen Eisenlegierungen mit einem äquivalenten Kohlenstoffgehalt von mehr als 2 Gew.-% zu finden, wobei die dabei erzeugten Ringträger zur Verwendung bei Kolben aus Legierungen auf Aluminiuim- Basis eingesetzt werden können, wobei die dabei erzeugten Ringträger vor ihrer Verwendung bei den Kolben nicht mehr vorbehandelt werden müssen und bessere mechanische Eigenschaften als solche Ringträger aufweisen, die zwar aus gleichem Material bestehen, jedoch durch Schleudergießen hergestellt wurden.

Es ist ein noch weiteres Ziel der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für Ringträger aus besagten Legierungen zu entwickeln, die zu einer austenitischen Matrix führen, bei welcher der Graphit gleichmäßig verteilt ist und in würmchenartiger Form vorliegt, wie dies aus Fig. 2 der anliegenden Zeichnung ersichtlich ist, wobei auf die Darstellung der Fig. 2 ausdrücklich verwiesen sein soll.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannten Maßnahmen erreicht.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird weiterhin die Sinterung in einem Ofen während einer Dauer von ungefähr 30 Minuten bei einer Sintertemperatur von 900°C bis 1200°C vorgenommen.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Schmiermittel Zinkstearat oder Paraffin mit einem vorzugsweisen Gehalt von 0,3 bis 3,5 Gew.-% eingesetzt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielshalber im Prinzip noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine typische Gefügestruktur einer schleudergegossenen üblichen Niresist-Legierung, die das Graphit in Form von Blättchen in der austenitischen Matrix enthält;

Fig. 2 die Gefügestruktur eines wasserverdüsten üblichen Niresist-Materiales, das eine sehr gleichmäßige Verteilung vermikulären (wurmförmigen) Graphits in der austenitischen Matrix zeigt.

Der erste Verfahrensschritt besteht in der Vorbereitung einer Charge einer austenitischen Eisenlegierung, die einen äquivalenten Gehalt von über 2% Kohlenstoff enthält, wobei die Einzelkomponenten der Charge in den folgenden Gew.-%- Bereichen gewählt sind: 2,5-4,0% C, 1,0-3,0% Cr, 11,0-25,0% Ni, 1,0-9,0% Mn, 1,0-4,0% Si, 1,0-8,0% Cu und der Restgehalt besteht aus Fe. Die Festlegung des Anteils der einzelnen Legierungsbestandteile hängt dabei von den Mitteln ab, die eingesetzt werden, um die Verdüsung bzw. Pulverisierung auszuführen, d. h. Luft, Wasser oder Gas.

Die so erhaltene Charge wird in einen Schmelzofen eingebracht und auf eine geeignete Temperatur (ungefähr 1500°C) aufgeheizt, wodurch die Charge dieser Legierung schmilzt. Hiernach wird das Material durch eines der bekannten Verfahren verdüst mittels z. B. Luft, Wasser oder Gas, entweder mit oder ohne Schutzatmosphäre, wodurch ein Pulver mit unterschiedlichen Korngrößen innerhalb eines Bereiches von 0,044 bis 0,42 mm entsteht. Die Partikel, die man bei Anwendung einer der herkömmlichen Verdüsungsmethoden erhält, zeigen eine Struktur aus austenitischem Weißguß mit einer Härte von 520 HV (entsprechend etwa 50 Rockwell-Grad) und praktisch keiner Grünfestigkeit an einem Grünpreßling. Deshalb muß das Material vor seiner Verdichtung einer Glühbehandlung in reduzierter Atmosphäre unterzogen werden, wodurch Partikel erhalten werden, die eine Härte von ungefähr 220 HB aufweisen. Die wärmebehandelten Partikel werden mit 0,3 bis 3,5 Gew.-% eines Schmiermittels wie z. B. Zinkstearat oder Paraffin versetzt, um mittels einer nachgeschalteten Verdichtungsbehandlung eine möglichst hohe Verdichtung des Grünlings zu erhalten.

Bei Versuchen, die durchgeführt wurden, wurden die Partikel mit 1% Schmiermittel (Zinkstearat oder Paraffin) versetzt und unterschiedlichen Verdichtungsdrücken unterzogen, was zu Gründichten in einem Bereich von 4 bis 7 g/cm³ führte.

Nach dem Verdichtungsvorgang wird das Schmiermittel in einer Schutzatmosphäre ausgebrannt und hiernach das verdichtete Material in einem Ofen während 30 Minuten gesintert, wobei die eingesetzte Sintertemperatur in einem Bereich zwischen 900 und 1200°C liegt. Nach dem Sintervorgang wird das Material rasch abgekühlt, um dadurch die Kohlenstoff-Löslichkeit im Austenit zu erhöhen, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.

Versuche mit dem Material, das nach dem vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde, ergaben die in der nachstehenden Tabelle erfaßten Werte:

Aus den in vorstehender Tabelle angegebenen Werten ist unschwer ersichtlich, daß die Eigenschaften des gesinterten Materials erheblich besser sind als die eines ähnlichen Materials, das durch das Schleudergießverfahren erhalten wurde.

Solche aufgrund des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Ringträger aus gesinterten austenitischen Eisenlegierungen zum Einsatz bei für Brennkraftmaschinen bestimmten Kolben, die aus einer auf Aluminiumbasis aufgebauten Legierung bestehen, weisen die nachfolgenden Vorteile auf: zunächst zeigen sie einen höheren Widerstandsgrad gegen mechanische Beanspruchung (mechanische Spannungen), was solche Einsätze in ganz besonders hohem Maße geeignet macht für die Herstellung von geschmiedeten Kolben, da bei dem Schmiedeverfahren höhere Spannungen auftreten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß im Falle eines Einbettens des Ringeinsatzes in den Kolben durch intermetallische Verbindung die nahe beieinander liegenden Werte für den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kolbenmateriales (Aluminium-Legierung) und des Ringeinsatz-Materiales (Fe) nur zu einem Minimum an Erstarrungsspannungen im Kolbenmaterial führen.

Claims (3)

1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Ringträgern von Kolben aus austenitischen Eisenlegierungen mit 2,5 bis 4,0 Gew.-% C, 1,0 bis 3,0 Gew.-% Cr, 11,0 bis 25,0 Gew.-% Ni, 1,0 bis 9,0 Gew.-% Mn, 1,0 bis 4,0 Gew.-% Si, 1,0 bis 8,0 Gew.-% Cu und Rest Fe, dadurch gekennzeichnet, daß eine Charge der Eisenlegierung in einem Ofen geschmolzen, die Schmelze abgegossen und mittels eines Wasser-, Luft- oder Gasstromes zur Erzeugung von Pulver mit Korngrößen im Bereich von 0,044 bis 0,42 mm mit austenitischer Weißgußstruktur und keiner effektiven Grünfestigkeit verdüst, das erzeugte Material in reduzierender Atmosphäre geglüht und ihm hiernach soviel Schmierstoff zugesetzt wird, daß es durch eine nachfolgende Verdichtung zur gewünschten Endform eine höchstmögliche Gründichte erhält, und daß sodann der Schmierstoff in Schutzatmosphäre ausgebrannt und anschließend das verdichtete Material gesintert und hiernach plötzlich abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung in einem Ofen während ungefähr 30 Minuten bei einer Sintertemperatur von 900°C bis 1200°C vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmiermittel Zinkstearat oder Paraffin in einem Gehalt von 0,3 bis 3,5 Gew.-% eingesetzt wird.