DE3323458A1

DE3323458A1 - Verfahren zur herstellung eines kolbenringes

Info

Publication number: DE3323458A1
Application number: DE19833323458
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yono Ikutake
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1982-07-01
Filing date: 1983-06-29
Publication date: 1984-01-05
Also published as: GB2124733B; US4499643A; JPS594934A; GB2124733A; GB8317937D0

Description

Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kolbenringes, der eine verschleißfeste Schicht auf seiner Außenumfangsflache hat.

Ein Kolbenring sollte insbesondere auf seiner äußeren ümfangsflache verschleißfest sein, die eine Gleitfläche bildet, die in Berührung mit einer Zylinderlaufbuchse kommt. Es ist daher üblich, eine widerstandsfeste Schicht 12 auf einem Grundmaterial 11 für einen Kolbenring vorzusehen, wie dies in Figur 1 gezeigt ist. Diese Schicht wird üblicherweise durch Aufbringen eines Oberflächenüberzuges gebildet, den man durch Chromplattieren oder durch Spritzüberziehen von Molybdän, einer Ferrolegierung, keramischen Werkstoffen oder dergleichen oder durch eine Wärmebehandlung zur Erzielung einer Härtung, wie das Weichnitrieren oder das Ion-Nitrieren, oder durch Oberflächenerschmelzung oder durch Erschmelzung der Oberflächenschicht und Legierung derselben erhält. Die durch Oberflächenbeschichten gebildete Schicht ist jedoch nicht zufriedenstellend fest mit dem Grundmaterial verbunden, sondern löst sich leicht ab oder bricht. Die Wärmebehandlung zur Erzielung einer Härtung ist hinsichtlich der Produktivität ungünstig, da hierfür viel Zeit benötigt wird, und bei anderen Verfahren, wie beim Ober-.flächenerschmelzen, wird die Oberfläche so rauh, daß man eine Nachbehandlung durchführen muß, obgleich sich die

Wärmebehandlung innerhalb kurzer Zeit durchführen läßt.

Auch gibt es Kolbenringe, in die andere Materialien, c beispielsweise ein Ferrox-Einsatz oder ein weiches Metall, wie Kupfer oder Blei, eingebettet ist. Diese Kolbenringe werden dadurch hergestellt, daß eine Ausnehmung im Kolbenring-Grundmaterial mit einem Pulver irgendeines anderen Materials oder einer durch Kneten mit einem Binde-,Q mittel erhaltenen Paste ausgefüllt wird und insgesamt ein Sintern bzw. Brennen erfolgt. Alternativ kann ein bandähnliches oder ein plattenähnliches Runddrahtmaterial mittels Preßsitz in eine Kolbenringausnehmung bzw. Kolbenringnut eingepaßt oder in diese gestaucht werden.

Als Material, das sich in diese Kolbenringe einbetten läßt, kommen jedoch nur weiche Materialien in Betracht, die sich leicht plastisch verformen lassen oder ein Material, das sich bei einer niedrigen Temperatur brennen läßt. Diese Materialien werden hauptsächlich zur Verbesserung der Benetzungs- und Schmiereigenschaften der Kolbenringe verwendet und hierbei ist keine Verschleißfestigkeit zu erwarten.

Es ist daher unmöglich, einen Runddraht aus einem harten Material, wie einem martensitischen, chromreichen rostfreien Stahl einzubetten, da dieser sich nur unter Schwierigkeiten plastisch verformen läßt und man daher keine Einpassung in eine Kolbenringausnehmung mittels Preßsitz oder durch Stauchen erzielen kann. Ferner ist auch kein Einbrennen oder eine andere Methode durchführbar, um ein solches Material fest mit dem Kolbenring zu verbinden.

Die Erfindung zielt daher darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings anzugeben, mit dem ein

hartes Material verbunden ist und der hinsichtlich der Produktivität und der Leistungsfähigkeit ausgezeichnet ist.

Nach der Erfindung wird daher ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes vorgeschlagen, das die folgenden sieben Schritte umfaßt:

(1) Bereitstellung eines Kolbenring-Grundmaterials in Form eines Runddrahtes sowie eines zweiten Teils in Form eines Runddrahtes,

(2) (erster Schritt) Zuführen des Grundmaterials und des zweiten Elementes von verschiedenen Richtungen,

(3) (zweiter Schritt) Erschmelzen jener Abschnitte des Grundmaterials und des zweiten Elementes durch Wärme, an denen sie verbunden werden sollen,

(4) (dritter Schritt) inniges Inberührungbringen des Grundmaterials und des zweiten Elementes miteinander, um ein Kolbenringmaterial zu bilden,

(5) (vierter Schritt) Biegen des Materials zu einem Ring mit einem vorbestimmten Krümmungsradius,

(6) (fünfter Schritt) Zuschneiden des Materials, um einen Schlitz in dem Ring zu bilden, und

(7) (sechster Schritt) Wärmebehandlung des Ringes.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Figur 1 eine Querschnittsansicht eines üblichen

Kolbenringes,

Figur 2 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung ^q des Verfahrens nach der Erfindung, und

Figuren 3 bis 5 Querschnittsansichten von verschiedenen Ausführungsformen nach der Erfindung.

^5 Das Verfahren nach der Erfindung soll nachstehend anhand eines Beispiels näher erläutert werden.

Das Verfahren nach der Erfindung soll anhand der schematischen Ansicht von Figur 2 näher erläutert werden. Ein Kolbenring-Grundmaterial 11 und ein zweites Teil 12 werden von verschiedenen Richtungen mit Hilfe von Rollen 2 und 3 jeweils aufeinander zu geleitet. Das Grundmaterial 11 wird vorher mit einem großen Krümmungsradius R. durch primäre Biegerollen 41, 42 und 43 gebogen. Ähnlich wird das zweite Element 12 mit einem vorbestimmten Krümmungsradius R„ durch primäre Biegerollen 51, 52 und 53 gebogen. Die Richtungen, in denen die Materialien weiterbefördert werden und ihr Krümmungsradius beim Vorbiegen hängen von den Positionen der Rollen 61 und 62 ab, zwisehen denen diese beiden Teile innig miteinander verbunden werden.

Eine Heizeinrichtung 7 ist zur Erwärmung jener Abschnitte des Grundmaterials 11 und des zweiten Teils 12 vorgesehen, an denen diese beiden Materialien miteinander verbunden werden sollen. Die Heizeinrichtung liefert einen Bogen

■ 2-

odor einen Heizstrahl, um die Oberflächenschichten des Grundmaterial 11 und des zweiten Teils nochmals zu erschmelzen. Das Grundmaterial 11 und das zweite Teil 12 t-, werden dann in innige Berührung miteinander gebracht und gleichzeitig gekühlt, so daß man durch das Schweissen ein Kolbenringmaterial 13 erhält.

Das Material 13 wird zu einem Ring mit einem endgültigen Krümmungsradius mit Hilfe von drei oder fünf Rollen 81, 82, 83, 84 und 85 gebogen, die üblicherweise zum Biegen eines Stahlkolbenringes verwendet werden. Der Ring wird zur Bildung eines Schlitzes durchgetrennt und wärmebehandelt.

Der Kolbenring kann in Form eines wirklichen Kreises mit Hilfe von fünf Rollen entsprechend Figur 2 ausgebildet werden oder er kann in die Form einer Nocke oder in irgendeine andere vorbestimmte Form durch Wickeln auf einen kreisförmigen oder einen nockenförmigen Dorn gebracht werden. Ein Schlitz kann für jeden Kolbenring vorgesehen sein oder alternativ kann der Schlitz nach der Bildung eines Bundes von Kolbenringes eingeschnitten werden.

Die Wärmebehandlung wird derart durchgeführt, daß jegliche Eigenbeanspruchung aufgehoben wird, die sich durch die plastische Verformung des Kolbenringes ergeben hat, sowie die thermische Beanspruchung, die sich beim Zusammenschweißen des Grundmaterials und des zweiten Teils ergeben hat. Wenn eine übliche Wärmebehandlung, wie ein Härten oder ein Weichnitrieren, jedoch durchgeführt wird, ist keine spezielle Wärmebehandlung zur Spannungsaufhebung erforderlich, da die Eigenspannungen und Eigenbeanspruchungen infolge des Schweißens und der plastischen Verformung bei solch einer üblichen Wärmebehandlung beseitigt werden können.

. 9.

•Um das Grundmaterial und das zweite Element zum Schweissen aufzuwärmen, ist es zweckmäßig, eine Wärmequelle zu verwenden, die eine Wärme mit hoher Energiedichte liefert, wie einen Plasmabogen oder einen Laserstrahl, da es notwendig ist, sicherzustellen, daß nur die Verbindungsoberflächen des Grundmaterials und des zweiten Teils selektiv erschmolzen werden oder daß wenigstens hinsichtlich des Grundmaterials nur dessen Oberfläche erschmolzen wird. Ferner ist es notwendig, jene Oberflächen in einer reduzierenden oder nicht oxidierenden Atmosphäre wieder zu erschmelzen, um ihre Oxidation zu verhindern. Daher sollte das Wiedererschmelzen in einer Inertgasatmosphäre oder mit Hilfe eines Plasmabogens durchgeführt werden.

Es ist zweckmäßig, das zweite Material mit einer höheren Geschwindigkeit als das Grundmaterial zuzuführen, um Eigenbeanspruchungen zu reduzieren, die in der Verbindung zwischen dem Grundmaterial und dem zweiten Element erzeugt werden, wenn das Kolbenringmaterial in seinen Endzustand gebogen wird. Hierdurch werden Rißbildungen oder Brüche an der Schweißverbindung vermieden.

Das Vorbiegen des Grundmaterials und des zweiten Teils ist dazu bestimmt, die Eigenspannungen zu reduzieren, die in der Schweißverbindung erzeugt werden, wenn das Grundmaterial in den Endzustand gebogen wird, und um einen Winkel zu erreichen, mit dem das Grundmaterial 11 und das zweite Teil 12 unmittelbar vor den Schweißrollen 61 und 62 aneinanderstoßen.

Während eine erste Ausfuhrungsform des Verfahrens nach der Erfindung vorstehend erläutert worden ist, läßt sich die Erfindung auch auf die nachstehend näher beschriebene Weise zur Herstellung von Kolbenringen verwirk I. Lchon.

Das zweite Teil 12 wird mit dem Grundmaterial 11 verbunden und eine Schweißraupe 14 wird dazwischen gebildet, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Wenn eine solche ρ Schweißraupe 14 auf der oberen und unteren Fläche des Kolbenringes vorhanden ist, wird die maschinelle Bearbeitbarkeit desselben stark herabgesetzt und es wird unmöglich, eine präzise bearbeitete endgültige Oberfläche zu erreichen. Daher hat das Kolbenringmaterial 11 eine

jQ Ausnehmung 16, in die das zweite Teil 12 eingepaßt ist.

Wenn die Heizeinrichtung nicht nur die Verbindungsflächen des Grundmaterials und des zweiten Teils erwärmt, erstreckt sich die Schweißraupe 14 zu der äußeren Oberfläche des Kolbenringes. Daher hat die Schweißrolle 62 eine Nut 63,

-, - die den Rand des Kolbenringes, wie in Figur 4 gezeigt, umgibt und sie ist mit einer Zwangskühleinrichtung in ihrem Inneren versehen, so daß der Bogen oder ein von der Heizeinrichtung erzeugter Strahl abgeflacht werden kann. Für eine solche Abflachung ist es möglich, ein mag-

2Q netisches Feld zur Steuerung eines Plasmabogens oder einen halbzylindrischen Spiegel im Falle eines Laserstrahls zu verwenden, oder die Richtung zu regeln, in der ein Strahl oszilliert, wenn man einen Elektronenstrahl verwendet.

Da das Grundmaterial und das zweite Teil in ihrem Volumen in starkem Maße voneinander abweichen, sind sie auch hinsichtlich des Wärmeleitvermögens sehr unterschiedlich. Daher ist es möglich, daß bei ihrer Erwärmung das zweite Teil insgesamt geschmolzen werden kann. Selbst wenn dies jedoch auftritt, walzt die Schweißrolle 62 die Oberfläche des zweiten Teils, die die äußere Umfangsflache des Kolbenringes bildet, derart, daß der Kolbenring keine rauhe äußere Umfangsflache hat.

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Das Grundmaterial 11 und das zweite Teil 12 können auch miteinander durch Löten verbunden werden, wie dies in Figur 5 gezeigt ist. Ein Lötmittel 17 wird aufgetragen oder wird in einer Straße auf das Grundmaterial 11 oder das zweite Teil in Form eines Überzugs aufgebracht, währenddem sich diese Materialien noch in einer geradlinigen Stangenform befinden. Dann erfolgt eine Erwärmung auf eine Temperatur, die gleich oder höher als der Schmelzpunkt des Lötmittels, aber niedriger als die Schmelzpunkte des Grundmaterials und des zweiten Teils ist. Bei diesem Verfahren wird verhindert, daß sich irgendwelche Schweißraupen freiliegend auf der äußeren Oberfläche des Kolbenringes befinden oder daß das zweite Teil vollständig erschmolzen wird.

Zweckmäßigerweise wird nach der Erfindung ein hochgekohlter Stahl oder ein niedriglegierter kohlenstoffreicher Stahl als Grundmaterial und ein Material mit einer hohen Härte und einer Verschleißfestigkeit, wie kohlenstoffreicher martensitischer, rostfreier Stahl oder Schnellarbeitsstahl für das zweite Teil verwendet.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, ermöglicht die Erfindung eine kontinuierliche Massenherstellung von Kolbenringen, bestehend aus unterschiedlichen Materialien, die eine widerstandsfähige Verbindung zwischen den unterschiedlichen Materialien durch Schweißen oder Löten haben und man erhält eine glatte Kolbenringoberfläche, durch die irgendwelche möglichen Nachbehandlungen erleichtert werden. Das Verfahren zur Herstellung der Kolbenringe ist sehr leistungsfähig.

Claims

Patentansprüche

[ 1.) Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes durch Umformen eines Kolbenringmaterials in Form eines
Runddrahtes zu einem Kolbenring mittels plastischer Verformung mit einem vorbestimmten Krümmungsradius, bei dem ein anderes Material auf der Außenumfangsflache des Kolbenringmaterials eingebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß:

ein Kolbenringgrundmaterial in Form eines Runddrahtes und ein zweites Teil in Form eines Runddrahtes bereitgestellt werden,

in einem ersten Schritt das Grundmaterial und das zweite Teil aus verschiedenen Richtungen zugeführt werden,

in einem zweiten Schritt durch Erwärmung jene Abschnitte des Grundmaterials und des zweiten Teils erschmolzen werden, an denen sie verbunden werden,

° in einem dritten Schritt das Grundmaterial und das zweite Element zur Erzielung eines innigen Kontaktes miteinander unter Bildung eines Kolbenringmaterials in Berührung gebracht werden,

in einem vierten Schritt das Material zu einem Ring ^y

mit einem vorbestimmten Krümmungsradius gebogen wird,

in einem fünften Schritt das Material zur Bildung eines Schlitzes in dem Ring eingeschnitten wird, und

in einem sechsten Schritt der Ring wärmebehandelt wird. 15
2. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial und das zweite Element mit
vorbestimmten Krümmungsradien vorgebogen werden, be-

^w vor sie den Rollen zugeleitet werden, mit denen sie in innige Berührung miteinander gebracht werden.
3. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erschmelzen durch Wärme in einer nicht oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird.
4. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Grundmaterial eine Ausnehmung hat, in die das zweite Teil eingepaßt wird, um eine Verbindung mit dem Grundmaterial zu erreichen.
5. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenringes nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß ein Lötmittel zwischen dem Grundmaterial und

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dem zweiten Teil angeordnet ist und durch Wärme dasselbe erschmolzen wird/ um das Grundmaterial und das zweite Element miteinander zu verbinden.