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Kolbenring aus einer Leichtmetallegierung Zusatz zum Patent ;05 886
Im Hauptpatent 705 886 ist ein insbesondere für Leichtmetallkolben von Brennkraftmaschinen
geeigneter Kolbenring aus einer Leichtmetallegierung beschrieben, dessen wesentliches
Kennzeichen darin besteht, daß er aus gesintertem pulverförmigem Leichtmetall gebildet
ist, welches Zusätze von Schwermetallen hoher Schmelztemperatur enthält.
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Der Vorschlag, den Dichtungsring eines aus Leichtmetall bestehenden
Kolbens ebenfalls aus Leichtmetall anstatt aus dem üblichen Grauguß zu bilden, ist
im Hauptpatent nicht zum ersten Male gemacht worden; :er ist schon früher vereinzelt
in Patentschriften aufgetaucht und war aus dem Gesichtspunkt entstanden, den an
den Berührungsstellen zwischen Kolben und Kolbenring auftretenden Verschleiß nach
Möglichkeit in die leichter und billiger zu ersetzenden Kolbenringe zu verlegen.
Indessen waren derartige Vorschläge bisher nicht zur präktischen Anwendung gekommen,
weil man sich bewußt gewesen war, daß Leichtmetall kein geeigneter Baustoff für
Dichtungsringe ist, denn gegossenes Leichtmetall neigt weit mehr als der übliche
Grauguß # zu Undichtheiten und Fehlerstellen, auch würde es sich an den im Zylinder
gleitenden Flächen wegen ungenügender Härte zu rasch abnutzen, und vor allem mangelt
es diesem Stoff, insbesondere bei hoher Temperatur, an demjenigen Grad von Elastizität,
welcher zur Aufrechterhaltung :eines genügenden Dichtungsdruckes erforderlich ist.
Diese Hindernisse, welche der praktischen Einführung des aus Leichtmetall gebildeten
Dichtungsringes entgegenstanden, werden aber beseitigt, wenn der Ring aus gesintertem
pulverförmigem Metall, insbesondere
mit Zusätzen von pulverförmigen
Schwermetallen, gebildet wird, denn das Sinterverfahren gestattet, wenn als Ausgangsstoff
Metallpulver feinster Korngröße benutzt wird, feste Körper mit außerordentlich dichtem
Gefüge zu bilden, welchen dann mit Hilfe der genannten Beimischungen die für den
Zweck geeignete Warm- und Oberflächenhärte ausreichende Elastizität und gute Gleiteigenschaften
verliehen werden können. Werden also die den Dichtungsring aus Leichtmetall an sich
anhaftenden Mängel auf diese Weise beseitigt, so erlangt man nicht nur den Vorteil,
daß die zur Aufnahme der Dichtungsringe dienenden Nuten des Leichtmetallkolbens
geschont und somit dessen Lebensdauer verlängert wird, sondern auch noch andere
wichtige, auf der besseren Wärmeleitfähigkeit des Leichtmetalls beruhende Vorteile,
die im Hauptpatent ausführlicher beschrieben sind und früher überhaupt noch nicht
erkannt worden waren. Da die Wärmeleitfähigkeit des Leichtmetalls :etwa dreimal
so groß wie diejenige des Gußeisens ist und durch die Zusätze von Schwermetallen
sogar noch verbessert wird, gelingt es, die aus dem Verbrennungsraum in den Kolben
übergehende Wärme schon unmittelbar hinter dem Kolbenboden, d. h. der heißesten
Aufnahmestelle, zur gekühlten Zylinderwand abzuleiten und somit die in diesem Teil
des Kolbens sonst durch Wärmeanstauung entstehende hohe Temperatur zu vermeiden.
Infolgedessen können das Spiel zwischen Kolbenkopf und Zylinderwand geringer gehalten
und dementsprechend auch der hier vorhandene ölfilm dünner gemacht, die auf die
Dichtungsringe gelangenden Kräfte vermindert, der Kolbenkopf wegen der erhöhten
mechanischen Festigkeit leichter ausgebildet und dadurch der mechanische Wirkungsgrad
verbessert, außerdem der Kompressionsgrad und mit ihm der thermische Wirkungsgrad
der Maschine entsprechend erhöht werden, wie das im Hauptpatent bereits ausführlicher
dargelegt worden ist.
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Die Erfindung betrifft eine weitere Ausbildung des Gegenstandes des
Hauptpatents, indem sie genau:re Anweisungen für die Anwendung besonders geeigneter
Schw-ermetallzusätze gibt.
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Als besonders geeignetes Schwermetall, welches die Warmhärte, die
Verschl°ißfestigkeit und die Elastizität wesentlich Heraufsetzt, ohne die Wärmeleitfähigkeit
über Gebühr zu vermindern, kann Kobalt bezeichnet werd-,n. Seines hohen Schmelzpunktes
wegen ist es mit Aluminium nur schwer in Legierung zu bringen. Versuche zur Beimischung
durch Erschmelzen von Vorlegierungen scheiterten an der überinäßigcn Beanspruchung
der Schmelz-_ tiegel, wodurch. das Verfahren unwirtschaftlich wurde.
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Es liegt jedoch für die Herstellung von Leichtmetallkolbenringen :ein
besonderes Interesse vor, Kobaltzusätze zu verwenden, da hubalt im Gegensatz zu
anderen Schwermetallcn mit Aluminium keine Mischkristalle bildet, sondern mit ihm
eine Verbindung- von der Formel Co, ."AI"" eingeht, welche für den genannten Verwendungszweck
außerordentlich günstige Eigenschaften aufweist und dem Kolbenring die Eigenschaften
verleiht, die er zur Erfüllung seines Verwendungszweckes benötigt. Infolgedessen
kommt eine verhältnismäßig große Zusatzmenge von Kobalt in Betracht, die beispielsw=eise
bis zu 3o0 o des verwendeten Leichtmetalls betragen kann. Diese verhältnismäßig
große Menge des sonst nur schwer legierbaren Metalls läßt sich im vorliegenden Falle
mit Aluminium ohne weiteres in Mischung bringen, da das Sinterungsverfahren von
den Schwierigkeiten befreit, welche sonst dem Schmelz- und Gußverfahren eigen sind.
Da die Metalle bereits in Pulverform die für die Legierungsbildung erforderliche
Korngröße und Durchmischung erhalten haben und sich im SinterungsprozeU, in gewünschter
Weise aneinanderlagern, können weder Entmischungen auftreten, noch die Korngröße
überschreitende, ungleich verteilte Kristallisationserzeugnisse, die sonst im Falle
der Beimischung eines so hohen Kobaltzusatzes zu erwarten sein würden.
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Es empfiehlt sich, neben der angeg(2l)en'en Beimischung von Kobalt
auch Zusätze von Nickel, Kupfer, Mangan und Chrom zii verwenden, wobei Nickel und
Kupfer zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit und Gleiteigenschaften, Mangan und
Chrom zur Erhöhung der Elastizität benutzt werden. Auch einige dieser Schwermetalle
sind bei dem an cutektische Grenzen gebundenen Schmelzverfahren nur schwer mit Aluminium
in Legierung zu bringen, während das Sinterungsverfahren deren Beimischung in geeigneten
Verhältnissen ohne weiteres ermöglicht. Als empfehlenswert kommt demnach eine Sinterlegierung
in Betracht, die Kobalt in den Grenzen von 1o bis 300'o, dazu a bis 5(3ü Nickel,
i bis 4@'o Mangah, a bis 5°'o Chrom, Rest Aluminium enthält. Gegebenenfalls können
dabei dem Aluminium auch noch Zusätze von Lithium, Beryllium und Magnesium in der
Größenordnung von i @ ö beigemischt werden.
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Eine solche Sinterlegierung weist eine Warmhärte von So Brinell bei
3co- C sowie eine Wärmeleitfähigkeit über o,3 bei hinreichend großer Verschleißfestigkeit
auf. Zum Vergleich seien die Werte der besten Leichtmetallkolbenlegierungen herangezogen,
die bei
3oo° C nur eine Warmhärte von 45 Brinell hei einer Wärmeleitfähigkeit
von 0,4 besitzen. Die Wärmeleitfähigkeit der genannten Sinterlegierung reicht also
fast an den höhen Wert dieser besten Leichtmetallegierungen heran, während die Härte
auf etwa das Doppelte gesteigert ist. Sie bleibt :allerdings noch erheblich unter
der Härte des Graugusses, die bei 300°C 150 Brinell beträgt, was :aber nicht schadet,
weil ein übermäßiger Härteunterschied zwischen dem Werkstoff des Kolbens und demjenigen
der Kolbenringe nicht erwünscht ist. Die Überlegenheit der angegebenen Sinterlegierung
gegenüber Grauguß besteht in der stark vergrößerten Wärmeleitfähigkeit, denn der
in Vergleich zu setzende Wert des Graugusses beträgt nur o, f .
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Die in der vorgeschlagenen Sinterlegierung angegebenen Zusätze von
Chrom, Mangan und Nickel können auch ganz oder teilweisse durch metallurgisch annähernd
äquivalente Schwermetalle, wie Wolfram, Molybdän, Titan und andere ersetzt werden,
wobei ebenfalls Werte erzielbar sind, weiche eine praktische Verwendbarkeit des
gesinterten Leichtmetallkolbenringes gewährleisten.