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Eisenlegierung und ihre Verwendung. für Kolben für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Legierung und bezweckt die Schaffung einer besonders
für die Kolben von Brennkraftmaschinen geeigrieten Stahllegierung; die aus der neuen
Legierung hergestellten .Kolben weisen die meisten Vorzüge der Aluminiumkolben ohne
deren Nachteile auf. Die Aluminiumkolben sind insofern vorteilhaft, als das Aluminium
ein außerordentlich guter Wärmeleiter ist, so daß die Wärmeübertragung von einem
Kolbenteil zum anderen geifügeni--seh-nell -ist,Tumzrr ermöglichen, daß der Kolben
trotz verhältnismäßig hoher Kompressionsgrade kühl bleibt. Das, geringe spezifische
Gewicht des Aluminiums verringert ferner die hin und her gerichteten Beanspruchungen
des Kolbenzapfens und des Schubstangenlagers und verlangt auch ein nur geringes
Gewicht für die Gegengewichtsmasse der Kurbelwelle, die für den ausgeglichenen Umlauf
der Welle erforderlich ist. Diese Vorzüge sind genügend, um den Aluminiumkolben
dem gewöhnlichen Gußeisenkolben bei schnellaufenden Motoren vorzuziehen. Indes sind
mit diesen Vorzügen gewisse Nachteile verbunden, nämlich daß das Aluminium einen
hohen - Ausdehnungskoeffizienten hat; so daß Ausgleichschlitze, Streben und andere
Mittel benutzt werden müssen, um das Schleudern des Kolbens während der Anwärmungszeit
des Motors zu verhindern. Ferner besitzt Aluminium einen verhältnismäßig großen
Reibkoeffizienten mit Gußeisen, wodurch übermäßige Abnutzung des Kolbens verursacht
wird und die Zylinderfläche durch die stärkere Reibung höhere Temperaturen erreicht
als beim Gebrauch von Gußeisenkolben.
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Der größte Übelstand der Aluminiumkolben besteht aber darin, daß dieses
Metall verhältnismäßig weich ist, wodurch die Kolbennuten abgenutzt-,Werden-,- -d-.
h.--in der- Weite -zunehmen, und zwar in bereits nach wenigen hundert Arbeitsstunden
wahrnehmbarerWeise. Diese Abnutzung des Kolbenmantels verursacht gleichfalls das
Kanten des Kolbens beim Hubwechsel, wodurch die scharfen Kanten der Ringnuten abgeschliffen
werden. Durch diese beiden Umstände wird bedingt, daß die Maschine eine beträchtliche
Menge 01 pumpt. Der eine Grund für den Oldurchtritt an den Kolben der Brennkraftinaschinen
liegt darin, daß das übermäßige Spiel zwischen Ringnuten und Ringen es dein Öl ermöglicht,
beim Abwärtshub des Kolbens in den Raum hinter den Ringen einzudringen, so daß bei
dem darauffolgenden Aufwärtshub das Öl an der Zylinderwandung oberhalb der Ringe
abgelagert wird. Um das Pumpen des
Öles zu vermeiden, ist es wesentlich,
daß zwischen den Ringnuten und den Kolbenringen ein möglichst geringes Spiel vorhanden
ist.
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Die Kolbenlegierung gemäß Erfindung besitzt im wesentlichen denselbenAusdehnurgskoeffizienten
wie die gußeisernen Kolbenringe und ist genügend hart und abnutzungsfest, damit
die Ringnuten gegen nennenswertes Ausweiten geschützt werden. Die Ringe passen daher
selbst nach hunderten von Arbeitsstunden noch dicht in den Ringnuten.
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Die Legierung gemäß Erfindung eignet sich daher insbesondere für die
Kolben von Brennkraftmaschinen. Die Zusammensetzung der neuen Legierung ist folgende:
| Kohlenstoff . . . . . . . . i,4o bis 1,7o % |
| Mangan . . . . . . . . . . . . 0;90 - z,iao/o |
| Schwefel . . . . . . . . . . o, r2 - o,16 % |
| Silicium, . . : . . . . . . . . 0,90 - i,io0lo |
| Kupfer ............ 1,50 - 2,00°/0 |
| Phosphor ...... . o,i2 (I-IÖChstwert) |
| Eisen . . . . . . . . . . . . . der Rest. |
Diese Legierung ist ein außerordentlich guter Wärmeleiter und läßt daher eine sehr
geringe Dicke des Kolbenkopfes zu. Diese Wärmeleitfähigkeit beruht auf dem-in der
Legierung vorhandenen Kupfergehalt.
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Ferner ist die Legierung außerordentlich leichtfließend, so daß ein
bequemes Gießen von verhältnismäßig dünnen Rippen und Kolbenwänden ermöglicht ist.
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Schließlich ist der Schwefelgehalt in der Legierung besonders hoch,
und zwar dreibis viermal so groß wie die im Gußeisen sonst als Höchstgrenze zulässige
Menge. Die Erfahrung hat gezeigt, daß auch bei der genannten Zusammensetzung der
hohe Schwefelgehalt, wie es an sich bekannt ist; eine bessere spanabhebende Bearbeitungsfähigkeit
verursacht, die bei dünnwandigen Gußstücken von besonderer Wichtigleitat: _--=---=-Es
ist wahrscheinlich, däß diese :sä,mtlichen. Eigenschaften-wesenttich `sind insßfern,
als ohne eine gesteigerte Wärmeleitfähigkeit ein Kolben mit geringem Gewicht in
Hochkompressionsinotoren nicht benutzt werden könnte, während ohne Leichtflüssigkeit
des Metalls ein solcher leicht wiegender Kolben nichtgegossen werden kann und ohne
gute Bearbeitungsfähigkeit die dünnwandigenKolben nicht herstellbar sind.
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Die Legierung wird in üblicher Weise in Sandformen vergossen; und
es ist zweckmäßig, die Formlinge einer zweifachen Wärmebehandlung zu unterwerfen.
Die Formlinge werden zuerst auf etwa goo° C erhitzt und an der Luft gekühlt. Sie
werden dann auf etwa 75o° C gebracht und langsam bis auf etwa 54o° C und dann weiter
an der Luft bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Durch diese Wärmebehandlung erhält
die Legierung eine Brinellhärte von 207 bis-286 sowie eine Zugfestigkeit
von etwa 70,3014,g je qmm.
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Durch die genannte Wärmebehandlung geht der Kohlenstoff anstatt in
die Graphitflockenform in das Gefüge der Temperkohle übet. Dieser Umstand trägt
im wesentlichen Maße zur Steigerung der Festigkeit und der Abnutzungsfestigkeit
der Legierung bei. Ein Kennzeichen der -Legierung ist ferner, daß das Kupfer durch
das Silicium in Lösung gehalten wird.
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Ein wesentlicher Vorteil der Kolbenlegierung besteht darin; daß der
Kupfergehalt über den ganzen Querschnitt des Gußstückes verteilt ist; hierdurch
wird die Wärmeleitfähigkeit bis zu einem solchen Grade gesteigert, daß die _Ouerschnittsfiäche
bzw. die Dicke des Kolbens bis auf ein Mindestmaß verringert werden kann. Da dieser
Werkstoff eine Zugfestigkeit von etwa 70,30 kg je qmm besitzt, so genügt
ein verhältnismäßig dünnerKolbenkopf, der viel dünner als bei Gußeisenkolben ist,
um die auf ihn ausgeübten Beanspruchungen auszuhalten, während die gesteigerte Wärmeleitfähigkeit
eine Vorzündung verhütet. Vorzügliche Ergebnisse ohne Vorzündung sind bei Verwendung
eines Kolbens von etwa 7,5 cm Durchmesser mit einer Kopfdicke von nur 2,25 mm beim
Kompressionsgrad von 6,5 Atm. erzielt worden, während bei gewöhnlichen Gußeisenkolben
der Kolbenkopf ein Mehrfaches dieser Dicke aufweisen muß, um die erforderliche Festigkeit
zu haben. Bei gewöhnlichen Stahlkolben muß eine Steigerung von 5o l/, in der Kopfdicke
zwecks Verhütung der Vorzündung benutzt werden, um die geringere Wärmeleitfähigkeit
des Stahles auszugleichen.
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Ein weiterer Vorteil der Legierung besteht darin, daß-dex-R:eihkoeffi-zient
rnt-Gdßeisen= z@Tncfern@wesentlich kleiner als derjenige zwischen--Gußeisen und
Gußeisen sowie zwischen Aluminium und Gußeisen ist. Infolgedessen tritt an der Kolbenwandung
eine weit geringere Abnutzung ein, und es wird weniger Wärme entwickelt, wodurch
das Verbrennen der Ölschicht zwischen dem Kolben und dem Zylinder verhütet wird.