-
Kolbenring Die Erfindung betrifft gegossene Kolbenringe, die an den
Stellen der größten thermischen Belastung, z. B. als oberste Ringe oder auch als
Schutzringe in Dieselmotoren eingebaut werden. Bei hochbelastbaren Kolbenringen
wurde bisher ein mehr oder weniger perlitisch-ferritisches, rein perlitisches oder
sorbitisches Grundgefüge erstrebt. Diese Gefügearten sind anerkannterweise verschleißfest,
und zwar steigend in der angegebenen Reihenfolge. Die Anforderungen, die an die
Kolbenringe in den mit immer größerer Verdichtung arbeitenden neuzeitlichen Brenn
kraftmaschinen sowohl hinsichtlich der thermischen Belastbarkeit als auch hinsichtlich
der Verschleißfestigkeit gestellt werden, wachsen dagegen immer mehr, so daß man
mit den genannten Gefügen fast an der obersten Grenze der Belastbarkeit angelangt
ist.
-
Es ist bereits bekannt, Kolbenringe mit martensitischem Gefüge herzustellen.
Der Martensit wurde hierbei dadurch erzeugt, daß man den Grauguß so weit legierte,
daß die Umwandlung von Austenit in Martensit nicht bei 700°, sondern schon bei tieferen
Temperaturen vor sich geht, so daß eine darauf folgende milde Abkühlung in Öl od.
dgl. genügt, um die Umwandlungstemperatur vollends auf zoo bis 25o° herabzudrücken.
Das auf diese Weise erzeugte martensitische
Gefüge besitzt tatsächlich
eine höhere Verschleißfestigkeit als die oben genannten, bisher erstrebten Gefügearten.
Als nachteilig erwies sich aber, daß der durch Vergüten erzeugte Martensit bei thermischer
Belastung wenig beständig ist. Er hat immer die Neigung, schon bei den in Verbrennungskraftmaschinen
heute üblichen Temperaturen in ein Anlaßgefüge überzugehen, was mit einer Minderung
seiner Verschleißfestigkeit gleichbedeutend ist. Im Gegensatz zu dem durch Legieren
und Abschrecken erzeugten Vergütungsinartensit ist ein ebenfalls an sich bekanntes
und bei Zylinderbüchsen von Verbrennungskraftmaschinen, Motorradzylindern, Ventilführungen,
größeren Führungsrädern, Preßgesenken,Kolben, Zylindern und Laufrädern von Pumpen,
Ventilen, Führungsplatten usw. verwendetes gußmartensitisches oder naturmartensitisches
Gefüge hitzebeständig genug, um den Betriebstemperaturen am Boden thermisch hochbeanspruchter
Motoren standzuhalten. Dieses gußmartensitische Gefüge wurde durch Legieren mit
Elementen, welche die Umwandlungstemperatur auch bei langsamer Abkühlung erniedrigen,
wie Mangan und Nickel, in solcher Menge erzeugt, daß die Umwandlung bereits bei
der Erstarrung des Gußstückes in der Form ohne jede besondere Abkühlungsmaßnahmen
eintritt. Bei Gußstücken sehr geringen Querschnitts aber, wie sie die an den Stellen
größter thermischer Belastung in Dieselmotoren eingebauten Kolbenringe darstellen,
lag die Gefahr vor, daß die Ringe wegen des verhältnismäßig hohen Zusatzes an Legierungselementen
weiß erstarren und karbidisch werden. Da es besonderer Sorgfalt bei der Leitung
des Gusses bedurfte, um diese Gefahr zu vermeiden, und der Zeitaufwand sowie die
Ausschußziffern entsprechend groß sein mußten, wurde ein gußmartensitisches Gefüge
bei Kolbenringen nicht angewandt.
-
Es sind auch bereits Kolbenringe bekanntgeworden, die bei den üblichen
Gehalten an Kohlenstoff (2,o bis q.,oo/o) und Silicium (0,5 bis i,5%) mit i,o bis
2,oo/o Mangan, o,5 bis i,5o/o Nickel, 0,3 bis 0,7% Chrom legiert und normal abgekühlt
wurden. Dieser bekannte Gehalt an Legierungsbestandteilen reicht jedoch nicht aus,
um dem Kolbenring ein martensitisches Gefüge zu geben, da die austenitbildende Kraft
des Mangans in dein auf die angegebene Weise zusammengesetzten Gußeisen infolge
der .Bindung von Mangan an freiem Kohlenstoff und der daraus folgen=-den Bildung
von Karbiden zu einem erheblichen Teil nicht zur Auswirkung kam. Da zur Bildung
von Martensit durch Legieren ohne besondere Abkühlungsmaßnahmen mindestens ein Gehalt
von 3 bis 4% Nickel erforderlich ist und da nur ein geringer Anteil des Mangans
in dem Gußeisen der bekannten Zusammensetzung die austenitbildende Kraft des Nickels
ergänzen konnte, hatte das bekannte Gußeisen kein martensitisches Gefüge. Es kommt
hinzu, daß dieses Gußeisen eine nicht unbeträchtliche Sprödigkeit aufwies, ivas
auf die Bildung von Karbiden durch seinen Gehalt an Chrom zurückzuführen war. Die
Karbidbildung und Weißerstarrung gilt überhaupt seit langem im Kolbenringguß als
unerwünscht, weil sie die Kolbenringe nicht nur zu spröde, sondern auch praktisch
unbearbeitbar macht und weil sie ihre Laufeigenschaften verschlechtert.
-
Erfindungsgemäß wird ein Kolbenring der eingangs genannten, thermisch
und mechanisch besonders hoch beanspruchten Art vorgeschlagen, der durch geeignete
Gattierung bzw. Legierung und dem Gußstückquerschnitt angepaßte Abkühlung mit bereits
im Gußzustand erzeugtem martensitischem Gefüge hergestellt ist. Nur für derartige
thermisch besonders beanspruchte Kolbenringe, auf die sich allein die Erfindung
erstreckt und die beispielsweise als oberste Ringe oder auch als Schutzringe am
Kolbenboden von Dieselinotoren eingebaut sind, lohnt sich der Arbeits- und Werkstoffaufwand
für die geeignete Gattierung bzw. Legierung, also eine Zusammensetzung des Graugusses,
welche die Karbidbildung und die daraus folgenden Nachteile vermeidet, sowie für
die notwendige Sorgfalt, um beim Zusetzen der die Umwandlungstemperatur in bekannter
Weise senkenden Legierungselemente eine zu schnelle Abkühlung zu verhindern. Derartige
schon in der Form martensitische Kolbenringe bieten aber dafür den Vorteil, daß
der Martensit beständiger ist und bei den heute in Brennkraftmaschinen üblichen
Temperaturen und Laufzeiten nicht zerfällt. Der Gehalt an nicht karbidbildenden
Legierungsbestandteilen bestimmt sich in an sich bekannter Weise durch die bei Kolbenringen
normalerweise auftretenden Abkühlungsverhältnisse, d. h. durch die Wandstärke oder
den Querschnitt des Gußstückes; diese Wandstärke ist so gering, daß auch schon ein
verhältnismäßig niedriger Gehalt an austenitbildenden Legierungselementen genügt,
um bei Abkühlung in der Form llartensit zu erzeugen. Entgegen der früheren Annahme
der Fachwelt, wonach ein durch Legieren erzeugter Martensit nur für Gegenstände
größerer Wandstärke zu verwenden war, hat es sich gezeigt, daß der martensitische
Kolbenring gemäß der Erfindung bei sehr guten Laufeigenschaften, hoher Verschleißfestigkeit
und guter Bearbeitbarkeit, d. h. ohne Karbidbildung, -eine sehr hohe Wärmebeständigkeit
aufweist.
Es erscheint zweckmäßig, Ringe, die beispielsweise geschlitzt
sind und selbstspannend sein sollen, nicht thermisch zu spannen, da bei den relativ
hohen Spanntemperaturen von 5oo bis 6oo° die Gefahr besteht, daß das erstrebte martensitische
Gefüge zerfällt. Es ist besser, solche Ringe in der bekannten Weise mechanisch,
z. B. durch Hämmern, zu spannen oder den Rohling wie üblich oval zu gießen und dann
ein entsprechendes Stück herauszuschneiden, so daß er beim Zusammendrücken die Kreisform
annimmt.