DE3405983C1 - Verschleißfeste Kolbenringnuten an einem aus Vergütungsstahl hergestellten Kolbenoberteil eines Brennkraftmaschinenkolbens - Google Patents

Description

• Dieses Material erfordert eine spezielle Behandlungsweise, denn nur dann können seine vorteilhaften Eigenschaften voll zur Wirkung kommen. Dies ist nachstehend durch Angabe der Herstellungsscliritte für den Erhalt der Panzerungen 6 aufgezeigt.
• Zunächst wird in das Kolbenoberteil 1 bei Verwendung von Kolbenringen mit größer Ringhöhe (etwa über 10 mm) für jeden derselben, wie aus F i g. 2 ersichtlich, eine Ringnut 7 spanabhebend eingearbeitet. Der Abstand der Flanken dieser Ringnuten 7 ist dabei um einiges größer als der durch die Ringhöhe bestimmte Flankenabstand der Kolbenringnuten 2 nach Endbearbeitung. Bei Verwendung von Kolbenringen mit kleinerer Ringhöhe (etwa unter 10 mm) wird in diesem ersten Herstellungsschritt anders verfahren; es wird dabei, wie aus F i g. 3 ersichtlich, eine einzige Ringnut 8 spanabhebend in das Kolbenoberteil 1 eingearbeitet, wobei diese Ringnut 8 die gesamte Ringpartie 9 mit Übermaß in Höhe und gegebenenfalls auch Tiefe überdeckt. Es wäre jedoch auch denkbar, analog zu diesem dargestellten Fall insbesondere dann, wenn mehr als drei Kolbenringe notwendig sind, mehrere solcher Ringnuten 8, die jeweils den Bereich mehrerer Kolbenringe mit Übermaß in Höhe und gegebenenfalls auch Tiefe überdecken, spanabhebend in das Kolbenoberteil 1 einzuarbeiten.
• Nach dieser spanabhebenden Vorbereitung des Kolbenoberteils 1 wird im Fall gemäß F i g. 2 durch Auftragschweißung an den Flanken der Ringnut 7, im Fall gemäß F i g. 3 die gesamte Ringnut 8 bzw. wenn mehrere solcher Ringnuten 8 vorhanden, jede derselben durch Vollschweißung ausgefüllt, zum Erhalt der gewünschten Panzerung 6, und zwar am kalten, nicht erwärmten Kolbenoberteil 1 durch Niederschmelzen eines Fülldrahtes aus Bestandteilen, die den weiter vorn bereits erwähnten erfindungsgemäßen Hartmanganstahl bilden. Dieses Aufschweißen des die Panzerung 6 bildenden Hartmanganstahls erfolgt unter besonderer Schweißtemperaturführung unter Vermeidung eines anschließenden Spannungsarmglühens und bei niedriger Schmelzenergiezufuhr, so daß sich das Kolbenoberteilmaterial insgesamt nicht über 3000C erwärmt. Ein Spannungsarmglühen darf deshalb nicht stattfinden, weil hierdurch die besonderen Eigenschaften des Hartmanganstahles und des Kolbenoberteilmateriales verlorengehen würden.
• Im dritten Arbeitsgang werden die Kolbenringnuten 2 auf Endmaß durch spanabhebendes Ausdrehen erstellt. Dabei sind beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 lediglich die Nutflanken 3 und 4 nachzuarbeiten, während beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 die Ringnuten 2 insgesamt aus dem eine Ringnut 8 ausfüllenden Panzermaterial herausgearbeitet werden müssen. Außerdem wird die Außenkontur des Kolbenoberteils 1 nachgearbeitet, wobei radial überstehendes Panzermaterial abgetragen wird.
• Im letzten Herstellungsschritt werden die Flanken 3, 4 der Kolbenringnuten 2 an den die aufgetragene Hartmanganstahl-Panzerung aufweisenden Stellen durch ein Spezialwerkzeug ohne weitere Spanabnahme druckbeaufschlagt. Dabei wird das austenitische Gefüge der Hartmanganstahl-Panzerung teilweise oder vollständig in ein martensitisches Gefüge umgewandelt. Hierdurch ist eine enorme Härtesteigerung erzielbar, die letztendlich eine extrem hohe Verschleißwiderstandsfähigkeit in diesem Anwendungsfall garantiert.
• Die aufgeschweißte Hartmanganstahl-Panzerung weist an Kolbenringnuten 2, die Kolbenringe mit einer über 10 mm liegenden Ringhöhe aufzunehmen haben, nach der Endbearbeitung noch eine Dicke von etwa 2 mm auf. Für Kolbenringe mit Ringhöhen kleiner als 10 mm bildet die Hartmanganstahl-Panzerung 6 je nachdem, ob sie eine oder mehrere Ringnuten 8 ausfüllt, den gesarilten oder einen wesentlichen Teil des Ringsteges am Kolbenoberteil 1.
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Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Verschleißfeste Kolbenringnut an einem aus Vergütungsstahl hergestellten Kolbenoberteil eines Brennkraftmaschinenkolbens, deren Flanken, erforderlichenfalis auch deren Boden, durch härteres Material gepanzertsind, dadurch gekennzeichn e t, daß die Panzerung (6) der Kolbenringnuten (2) aus am Kolbenoberteil (1) aufgeschweißtem, austenitischem Hartmanganstahl mit 12 bis 20% Mangan, etwa 1% Kohlenstoff, 0 bis 5% Nickel, Rest Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
2. 2. Kolbenringnut nach Anspruchl, für Kolbenringe mit einer etwas über 10 mm liegenden Ringhöhe, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgeschweißte Hartmanganstahl-Panzerung (6) der Kolbenringnuten (2) nach Endbearbeitung eine Dicke von etwa 2 mm aufweist.
3. 3. Kolbenringnut nach Anspruch 1 für Kolbenringe mit unter 10 mm liegender Ringhöhe, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Ringnuten (8) in eine sich über einen wesentlichen Teil des Ringsteges am Kolbenoberteil erstreckenden Hartmanganstahl-Panzerungsschicht (6) eingearbeitet ist.
4. 4. Kolbenringnut nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß für die Panzerung (6) ein durch einen Anteil von bis zu 5% Nickel veredelter Normstahl der Bezeichnung X 120 Mn 12 oder X 110 Mn 14 oder X 90 Mn 18 oder ähnlich verwendet ist.

   Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 verschleißfeste Kolbenringnuten an einem aus Vergütungsstahl hergestellten Kolbenoberteil eines Brennkraftmaschinenkolbens, deren Flanken erforderlichenfalls auch deren Boden, durch härteres Material gepanzert sind.

   Es sind aus der US-PS 30 95 204 beispielsweise Kolbenringnuten an aus Vergütungsstahl hergestellten Kolbenoberteilen von Brennkraftmaschinenkolben bekannt, deren Flanken durch eine Schicht härteren Materials, beispielsweise Chrom, bewehrt sind. Diese Chromschichten erhöhen zwar die Lebensdauer, können jedoch nach einer gewissen Betriebsdauer zur Rißbildung neigen; wenn einmal Risse aufgetreten sind, ist ein Abplatzen der Chromschicht und eine Fortpflanzung der Risse in das Kolbenoberteilmaterial kaum mehr zu vermeiden. Ein weiterer Nachteil solcher Chromschichten ist darin begründet, daß diese relativ dünn sind, in der Regel eine nicht wesentlich über 0,5 mm liegende Dicke aufweisen.

   Der Vollständigkeit halber sei noch darauf hingewiesen, daß es aus der DE-OS 24 11 840 auch schon bekannt ist, an den Flanken von Kolbenringnuten Verstärkungskörper aus abnutzungsfestem Material anzuschweißen.

   Diese Verstärkungskörper sind durch flache Ringabschnitte gebildet, die sich jeweils über einen Segmentabschnitt zusammen über den Umfang des Kolbens in einer Ringnut erstrecken. Diese Lösung würde sicherlich gute Betriebswerte ermöglichen; sie ist aber wegen des extrem hohen Kostenaufwandes kaum realisierbar. Außerdem ist es bei Aluminiumkolben auch schon bekannt (siehe DE-OS 29 26 699, US-PS 30 14 771), zur Verfestigung einer Ringnut diese mit verschleißfestem Material durch Schweißen auszufüllen und dann die den Kolbenring aufnehmende Ringnut aus dem Schweißmaterial auszuarbeiten. Aluminiumkolben sind jedoch nicht in allen Fällen verwendbar, insbesondere meist nicht mit extrem schlechten Schwerölen betriebenen Brennkraftmaschinen. Diese qualitätsmäßig schlechten Schwerölbrennstoffe erfordern sehr hohe Einspritzdrücke bis zu etwa 1500 bar und bewirken hohe Verbrennungsdrücke sowie hohe Verbrennungstemperaturen mit relativ harten, unverbrannten Rückständen. Letztere würden an Aluminiumkolben, insbesondere im Kolbenringbereich, unter anderem zu einem starken abrasiven Verschleiß führen.

   Es ist daher Aufgabe der Erfindung, an aus Vergütungsstahl hergestellten Kolbenoberteilen von Brennkraftmaschinenkolben die Kolbenringnuten durch eine Panzerung zu bewehren, die eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit und eine lange Lebensdauer gewährleisten, außerdem billig und auf einfache Art und Weise herstellbar ist.

   Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 definierte Panzerung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen derselben sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

   Nachstehend sind Vorteile und Einzelheiten der Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

   F i g. 1 zeigt ein Kolbenoberteil eines Brennkraftmaschinenkolbens mit erfindungsgemäß gepanzerten Kolbenringnuten; F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß gepanzerten Kolbenringnut, die einen Kolbenring mit großer Ringhöhe (etwa über 10 mm) aufnimmt); Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform erfindungsgemäß gepanzerter Kolbenringnuten, die Kolbenringe mit kleinerer Ringhöhe (etwa unter 10 mm aufnehmen.

   In den Figuren ist mit 1 ein Kolbenoberteil eines des weiteren nicht dargestellten Brennkraftmaschinenkolbens bezeichnet. Dieses Kolbenoberteil 1 wird aus einem Vergütungsstahl, beispielsweise 34 CrMo 4 durch Schmieden, Vergüten und anschließende spanabhebende Bearbeitung hergestellt. Mit 2 sind am Kolbenoberteil 1 ausgebildete Kolbenringnuten bezeichnet, deren Flanken 3 und 4 und ggf. auch Boden 5 durch härteres Material gepanzert sind. Die mit 6 bezeichnete Panzerung der Kolbenringnuten 2 besteht aus am Kolbenoberteil 1 aufgeschweißtem, austenitischem Hartmanganstahl mit 12 bis 20% Mangan, etwa 1% Kohlenstoff, 0 bis 5% Nickel, Rest Eisen und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen. Als Hartmanganstahl ist ein zur Verbesserung der Schweißbarkeit und zur Verringerung der Rißanfälligkeit durch einen Anteil von bis zu 5% Nickel veredelter Normstahl der Bezeichnung X 120 Mn 12 oder X 110 Mn 14 oder X 90 Mn 18 oder ähnlich verwendet.