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Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Kolbenringen mit porösem Gefüge nach einem pulvermetallurgischen Verfahren.
Es ist bekannt, gleitende Maschinenteile, einschliesslich Kolbenringe, aus Metallpulver, dem man Cu + C bzw. CuPb + C zusetzt, herzustellen. Diese Herstellung ist aber schwierig, da das Material zwecks Erzielung eines spezifischen Gewichtes über 7, 2 g/cm3 warm- oder kaltgepresst werden muss. Aus der Fachliteratur einschliesslich der Patentliteratur geht hervor, dass die wichtigsten mechanischen Eigenschaften der auf pulvermetallurgischem Wege hergestellten Kolbenringe, besonders die Härte, Zug- und Biegefestigkeit, Elastizitätsmodul usw., die bei der Verwendung entscheidend sind, den Eigenschaften der üblichen gegossenen Kolbenringe beinahe gleich sind. Gesinterte Kolbenringe sind aber wirtschaftlich vorteilhafter.
Der Erfindung liegt ein Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen aus einem Gemisch von Eisenpulvern und Graphit mit einem Zusatz von CuPb oderCu-Pulver auf dem bekannten pulvermetallurgischen Wege, d. h. durch Kaltpressen, Sintern bei 1050 - 11700 C in einer Reduktionsschutzgasatmosphäre, Abkühlen, Kalibrieren, Schlitzen der Ringe durch einen Radialschnitt, geometrische Formgebung der Ringe im geöffneten Zustand, thermische Entspannung und weitere Abkühlung, zu Grunde.
Gemäss der Erfindung wird das Gemisch zuerst zu einem Pressling mit der Porosität von 10 bis 250/0 kalt vorgepresst, die Presslinge entweder sofort nach dem in einer reduzierenden, die Nitridbildung fördernden Schutzgasatmosphäre von gespaltenem Ammoniak erfolgenden Sintern, von etwa 830-900 C mit einer möglichst immer gleichbleibenden Minimalgeschwindigkeit von je 1000 C in 15 Minuten, vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre, auf Zimmertemperatur abgekühlt, oder es erfolgt diese Abkühlung bei nach dem Sintern beliebig abgekühlten Presslingen, nach einer neuerlichen Erhitzung derselben auf 8300C durch eine Stunde, in einer reduzierenden Schutzgasatmosphäre mit einer möglichst immer gleichbleibenden Minimalgeschwindigkeit von je 1000 C in 15 Minuten,
worauf die solcherart abgekühltenPresslin-
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Presslinge werden geschliffen, abgegratet, geschnitten und mindestens 1/2 Stunde, höchstens aber 20 Stunden bei einer gleichbleibenden Temperatur von 130 bis 5700 C einer Oxydation an der Luft ausgesetzt ; die Beendigung der thermischen Behandlung und die endgültige Formgebung der Ringe im Betrieb erfolgt durch die Arbeitswärme des Motors.
Die nach dem Zerschneiden folgende zweite Wärmebehandlung sei kurz"Thermo-Oxy-Fixation"ge- nannt. Unter dieser Bezeichnung soll eine WarmbehandlW1g verstanden werden, welche die Entfernung der durch das vorhergehende Öffnen des Presslings entstandenen Spannung und die Fixierung der neuen Form des Kolbenringes bei gleichzeitiger Oxydation bezweckt.
Die Presslinge werden durch einen dünnen radialen Schnitt, dessen Stärke durch das Blatt der Schneidemaschine gegeben ist und die ungefähr l mm beträgt, aufgeschlitzt. Die eigentliche Thermofixation verläuft auf einer Vorrichtung, bei der der Pressling frei auf einer glatten Unterlage liegt. Vorher wird in den Schnitt ein Körper, der die Dimension der verlangten Öffnung des Ringes besitzt, eingefügt, damit die nötige Spannung gegenüber dem Zylinder entsteht.
Bei einer Thermo-Oxy-Fixierung verläuft gleichzeitig mit der Thermofixation eine selektive Oxydation der Presslinge, bei der eine dünne Oberflächenschicht des schwarzen, festhaftenden Fep. 4. entsteht.
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Die Erwärmung bei der Thermo-Oxy-Fixation erfolgt einmalig oder öfters unter Beibehaltung der Gesamtdauer von 1/2 bis zu 20 Stunden In Luft in einem Temperaturbereich von 130 bis 5700 C.
Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und insbesondere zur Gewinnung von Presslingen, deren Porosität sich dem erlaubten Maximalwert nähert, können nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dem Pulvergemisch noch geringe Mengen Bor, Beryllium oder Scandium zugesetzt werden.
Während der thermischen Operationen, besonders beim Sintern im gespaltenen Ammoniak, kommt es zum Nitrieren des Eisens, dessen Gehalt an Stickstoff auf das Mehrfache steigt, im Vergleich zu den üblichen Stählen mit einem Gehalt an Stickstoff von nur 0,004 bis 0, 0080lu.
Die so hergestellten Kolbenringe enthalten je nach Wahl der Parameter für die Zeit, den Druck und die Temperatur 0, 5 - 5 Gew. -% Sauerstoff und 0, 007-3 Gew.-'%) Stickstoff und haben folgende Eigenschaften :
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<tb>
<tb> spezifisches <SEP> Gewicht. <SEP> 6.
<SEP> 3- <SEP> 7, <SEP> 1 <SEP> g/cms <SEP>
<tb> Porosität <SEP> 7 <SEP> - <SEP> 190/0 <SEP>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 15 <SEP> - <SEP> 55 <SEP> kg/mm2 <SEP>
<tb> Biegefestigkeit <SEP> 40 <SEP> - <SEP> 110 <SEP> kg/mm2 <SEP>
<tb> Zugelastizitätsmodul <SEP> E <SEP> 1 <SEP> - <SEP> 1, <SEP> 8 <SEP> X <SEP> 104 <SEP> kg/mm
<tb> Härte <SEP> HB <SEP> 100-240 <SEP> Brinelleneinheiten <SEP>
<tb> Mikrohärte <SEP> Hm <SEP> 700 <SEP> -1100 <SEP> Einheiten
<tb> spezifischer <SEP> Druck <SEP> auf <SEP> die
<tb> Zylinderwand <SEP> 0, <SEP> 5-2, <SEP> 5 <SEP> kg/cm <SEP>
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Die Vorteile, welche die Erfindung mit sich bringt, liegen zunächst in der Bildung einer weiteren Strukturkomponente Fe in der Endphase der Fixierung der geometrischen Form.
Ferner ermöglicht das erfindungsgemässe Verfahren die Herstellung eines Kolbenringe mit kleinerem spezifischem Gewicht als bisher üblich, wobei durch die neue Strukturkomponente die Porosität gesteigert und die Makrohärte herabgesetzt wird ; zur unveränderten Mikrohärte der üblichen Komponente tritt die höhere Mikrohärte der neuen Komponente Fe 0 hinzu, wodurch die mechanischen Werte erhöht und die Funktionseigenschaften des Ringes, insbesondere die Widerstandsfähigkeit gegen Einreiben, verbessert werden.
Auf Grund der Tatsache, dass zur Beendigung der Warmbehandlung die Arbeitswärme des Motors benützt und dass eine gleichbleibende geometrische Form des Ringes erst nach dem Einlauf erzielt wird, ergibt sich eine Verminderung der Rauheit der Kolbenoberfläche bzw. eine solche Rauheit, wie sie sonst nur bei Ringen mit spezieller Oberfläche erzielt wird. Als Gesamteffekt ergibt sich somit eine Annäherung der Gleitflächen des Zylinders und des Ringes und beinahe eine Verdoppelung der Kapillarkräfte, so dass der Ring dann nicht nur geometrisch einwandfrei an den Zylinder angepasst ist, sondern auch besser dichtet. Daraus ergibt sich eine Verminderung des Brennstoffverbrauches und eine Leistungssteigerung, sowie eine Verbesserung der Motorelastizität.
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