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Beschreibung
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Es gibt eine Vielzahl von Einflußgrößen, für erschwerte Einsatzbedingungen
von Kolbenringen. Dazu gehören eine Steigerung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine,
Wie eines Dieselmotors, die Verwendung eines korrosiven Brennstoffes, wie hochverbleites
Benzin oder geringwertiges Dieselöl, die Wiederverwendung von Abgas und das Auf-
bzw. Überladen der Maschine. Um unter solchen Bedingungen betriebsbereit zu hleiben,
benötigen Kolbenringe gesteigerte Beständigkeiten gegen Fressen und Korrosion sowie
gegen thermische Beanspruchung.
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Es ist bereits versucht worden, die Verschleißbeständigkeit von Kolbenringen
durch Anwendung des Chromplattierens, Sprühbeschichtens, Härtens und Nitrierens
sowie durch Verwendung abgeschreckten, hochchromhaltigem Gußeisens zu verbessern,
aber diese Maßnahmen erwiesen sich als nicht sehr erfolgreich. Das Chromplattieren
ist nicht sehr wirksam gegenüber korrosiven Verbrennungsprodukten und ist nicht
imstande, einen Kolbenring gegen Korrosionsverschleiß zu schützen. Wenngleich ein
durch Sprühen aufgebrachter Film, wie beispielsweise eine Schicht aus einem keramischen
Werkstoff, gegenüber Korrosion wirksam ist, so neigt eine solche Schicht zum Ablösen
von der Kolbenringoberfläche als Folge der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten
dieser Materialien sowie als Folge der Einwirkung einer Schlagbeanspruchung bei
hoher Temperatur.
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Das Härten ist kaum wirksam gegenüber Korrosionsbeanspruchung und
Fressen. Eine oberflächlich Compound-Schicht, die durch sanftes Nitieren gebildet
istr neigt sehr leicht zum Ablösen einer Diffusionsschicht, welche keine gute Korrosionsbeständigkeit
gewährleistet. Hoch-
chromhaltiges Gußeisen , aus welchem Rotationskolben-Scheiteldichtunqen
sowie ölringe üblicherweise hergestellt werden, ist unyeeignet für die Herstellung
eines Kolbenringes, wo es auf hohe Zugfestigkeiten ankommt, da dieser Gußeisenwerkstoff
brüchig ist und nur unter Schwierigkeiten mit dem angestrebten Gefügeaufbau hergestellt
werden kann.
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Wie vorstehend erwähnt, sind im Stand der Technik Oberflächenbeschichtungen
oder Wärmebehandlungsmaßnahmen verwendet worden, um die Verschleißbeständigkeit
eines Kolbenringes zu erhöhen.
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Bei Oberfleichenbehandlungen, die mit erheblichen Wärmmengen arbeiten,
wie beim Abschrecken, SchmelzfluBbinden usw. wird der Kolbenring jedoch unvermeidlich
einer hohen Beanspruchung oder Verformung unterworfen, wodurch die Gebrauchseigenschaften
herabgesetzt werden.
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Aus diesem Grunde sind auf Kolbenringe derartigelTechniken nicht anwendbar.
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Andere Gattungen von Oberflächenbehandlungen sind entwickelt worden,
welche eine hohe Energiedichte benutzen, wie in der DE-AS 16 75 300 beschrieben.
Bei dieser Oberflächenbehandlung können thermische Beeinträchtigungen des Kolbenringes
als solche selbst unter Anwendung der früher nicht anwendbaren Arbeitsweisen vermieden
werden.
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Eine derartige Anwendung hoher Energiedichten ist gleichfalls auf
eine thermische Oberflächenbehandlung anwendbar, wie in der DE-OS 26 18 775 beschrieben.
Ferner kann mit Hilfe einer hohen Energiedichte ein Abschreckverfahren durchgeführt
werden, wie in der DE-AS 30 34 519 beschrieben. Wird jedoch eine Schmelzfluß-Bindungsschicht
im Kolbenring ausgebildet, so ist eine Vielzahl von Herstellungsschritten erforderlich,
wodurch die Produkti-
vität herabgesetzt wird. Ist ferner die Binduny
zwischen der Schmelzfluß-Bindungsschicht und dem Grundwerkstoff bzw. Grundkörper
unzureichend, so kann es zum Ablösen der Schnlelzfluß-Bindungsschicht kommen. Aus
diesem Grunde ist eine Wärmebehandlung (thermal setting type treatment) vorzuziehen,
um eine stabilisierte vcrschleißbeständige Schicht auf dem Kolbenring zu erzielen.
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Gemäß den in den vorstehend genannten Veröffentlichungen beschriebenen
thermischen Behandlungsverfahren muß jedoch freier Graphit auf der Oberfläche des
aus Gußeisen bestehenden Kolbenringes vorhanden sein, wodurch die Korrosionsbeständigkeit
und die Dauerfestigkeit selbst dann herabgesetzt werden, wenn eine hinreichende
Schmierung gewährleistet ist. Hat folglich der Brennstoff bzw.
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das Schmieröl korrodierende Eigenschaften (wie beispielsweise als
Folge eines hohen nJ.cigehalter,) oder wird dit Maschine unter hoher Belastung betrieben,
so führen derartige Behandlungen nicht zu einem Kolbenring mit ausreichender Verschleißbeständigkeit
im Vergleich mit einem Kolbenring, der eine Oberflächenbeschichtung aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Kolbenringoberfläche mit einer Weißgußeisenschicht
versehen, so daß freier Kohlenstoff von der Kolbenringoberfläche entfernt werden
kann, wobei die Oberflächenhärte des Kolbenrings ferner erhöht ist (wird) um so
die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit zu erhöhen. Außerdem wird durch die
Ausbildung einer thermisch beeinflußten Schicht unteriialb dr Weißgußeisenschicht
die Gesamtbelastung bzw. Verformung des Kolbenringes herabgesetzt und die mechanische
Festigkeit desselben erhöht.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Kolbenring
zu schaffen, der sich durch eine überragende Beständigkeit gegen Fressen sowie überragende
Beständigkeiten gegenüber Korrosion und thermischer Beanspruchung unter Einschluß
von thermischer Wechselbeanspruchung auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieses technischen Problems ein Kolbenring
vorgeschlagen, welcher eine Weißgußeisenschicht umfaßt, die zur Gänze oder teilweise
in der äußeren Umfangsoberfläche des Kolbenrings ausgebildet ist. Ferner besitzt
der Kolbenring eine thermisch beaufschlagte Schicht, welche der Weißgußeisenschicht
als Unterlage dient. Die Weißgußeisenschicht ist aus einem Gefüge zusammengesetzt,
welches erhalten wird, wenn Gußeisen rasch von seiner Schmelztemperatur abgekühlt
wird. Ein solches Gefüge ist als Abschreckgefüge (chilled structure) bekannt. Das
Gefüge enthält keinen kristallisierten Graphit, sondern umfaßt eine Mischung aus
freiem Zementit und dem Grundmetall und zeigt eine weiße Farbe. Die thermisch beaufschlagte
Zone ist eine zwischen der Weißgußeisenschicht und dem Grundmetall ausgebildete
Schicht, die sowohl eine Mischung aus Martensit mit der Weißgußeisenschicht als
auch ein Gefüge aufweist, welches unmittelbar angrenzend an das Grundmetall ausgebildet
ist und Sorbit ähnlich ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand zweiter Ausführungsbeispiele
und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt: Fig. 1 einen
Teilquerschnitt durch einen Kolbenring nach der Erfindung,
Fig.
2 eine mit Fig. 1 vergleichbare Darstellung, wobei jedoch ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt ist, und Fig. 3 eine Teil-Stirnansicht des in Fig. 2 dargestellten
Kolbenringes.
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Der in Fig. 1 dargestellte Kolbenring 1 nach der Erfindung besitzt
eine Weißgußeisenschicht 3, welche quer über die gesamte äußere Umfangsfläche 2
des Kolbenrinc3es ausgebildet ist. Ferner besitzt der Kolbenring eine thermisch
beaufschlagte Zone 4, welche zwischen der Weißgußeisenschicht 3 und dem Grundmetall
5 ausgebildet ist.
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Fig. 2 zeigt einen anderen Kolbenring, bei dem eine Weißgußeisenschicht
3 im Zentralabschnitt der äußeren Umfangsfläche 2 vorgesehen ist und eine thermisch
beaufschlagte Schicht 4 zwischen dieser Weißgußeisenschicht 3 und dem Grundmetall
5 ausgebildet ist.
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Da die Weißgußeisenschicht 3 freien Zementit enthält, behält sie eine
recht hohe Härte selbst bei erhöhten Temperaturen, wobei diese Schicht als Gleitlager
dient.
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Ein Fressen erfolgt in der Praxis nicht, weil Zementit selbst bei
solchen Temperaturen, bei welchen zwischen Metallwerkstoffen ein Fressen auftritt,
keine Schmelzerscheinungen zeigt. Die Weißgußeisenschicht 3 ist so hart, daß sie
von feinen Teilchen der Zylinderoberfläche praktisch nicht angegriffen wird.
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Die thermisch beaufschlagte Schicht 4 ist beträchtlich hart, und dient
zum Abstützen der Weißgußeisenschicht 3, welche zwar sehr hart, aber relativ brüchig
ist. Die Schlagbeanspruchung sowie die zyklischen Spannungen, welche auf die äußere
Umfangsfläche des Kolbenringes 1 einwirken, werden von der thermisch bcufIchiaguen
Schicht
4 absorbiert, welche zwischen dem-relativ elastischen Grundmetall 5 und der brüchigen
Weißgußeisenschicht 3 ausgebildet ist, was zur Folge hat, daß diese Weißgußeisenschicht
3 nicht reißt. Es ist folglich möglich, daß Bilden bzw. Ausbreiten von Rissen in
der Weißgußeisenschicht 3 zu verhindern und auch zu vermeiden, daß sich Feinteilchen,
welche einen Verschleiß der äußeren Umfangsfläche des Kolbenringes fördern könnten,
aus der Weißeisenschicht lösen. Dieses ist eine Folge der Bindungsfestigkeit zwischen
der Weißgußeisenschicht 3 und der thermisch beaufschlagten Schicht 4, welche bei
weitem größer ist als die Bindungskräfte zwischen einem Compound-Werkstoff und durch
Nitrierung erzeugten Diffusionsschichten.
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Die Verhinderung des Wachstums bzw. des Ausbreitens von Feinrissen
in der äußeren Umfangsoberfläche des Kolbenrings trägt gleichfalls bei zur Steigerung
der Wärmebeanspruchbarkeit des Kolbenringes. Wird der Kolbenriny mit offenem Spalt
wieder erwärmt und abgekühlt, so ist es möglich, ihn vor einer Glühung auf erhöhter
Temperatur zu bewahren, welche eine Herabsetzung seiner Zugfestigkeit zur. Folge
hätte. Der Kolbenring bricht nicht und splittert nicht, da er zu seinem größeren
Anteil, wie im Schnitt dargestellt, aus dem Grundmetall 5 besteht, welches Gußeisen
mit vorgegebener Festigkeit enthält.
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Die Weißgußeisenschicht umfaßt eine netzartige Struktur, in welcher
eine große Menge freien Zementits dicht und gleJchförmJ.q dispergicrt ist., wodurch
der Kolbenring gegen Verschleiß durch Korrosion geschützt ist, weil der freie Zementit
äußerst korrosionsbeständig ist.
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Die Weißgußeisenschicht sollte eine Vickers-Härte von wenigstens 600
aufweisen. Die Weißgußeisenschicht sollte
ferner eine Dicke von
wenigstens 50 pm aufweisen, da sie andernfalls eine unzureichende Festigkeit besitzt
und zum Reißen und Ablösen neigt. Die thermisch beaufschlagte Schicht 4 sollte eine
Dicke von wenigstens 30 um haben, um die Weißgußeisenschicht hinreichend abstützen
zu können. Die Weißgußeisenschicht und die thermisch beaufschlagte Schicht, die
in ihrer Kombination einen synergistischen Effekt herbeiführen, soll vorzugsweise
zusammen eine Gesamtdicke von wenigstens 100 >im aufweisen, um eine ausreichende
Festigkeit zu gewährleisten.
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Der Kolbenring 1 hat einen Spalt 6-, um welchen keine Weißgußeisenschicht
3 ausgebildet..lst, wie in Fig. 3 dargestellt ist, weil die Weißgußeisenschicht
3 so hart ist, daß sie anderenfalls die Ausbildung bzw. Bearbeitung des Spaltes
beeinträchtigen könnte.
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Die Weißgußeisenschicht 3 wird übXicherweise durch Wiedererwärmen
der äußeren Umfangsschicht 2 des Kolbenring-Werkstoffes auf dessen Schmelztemperatur
ausgebildet und zwar mit Hilfe einer Wärmestrahlung mit hoher Energiedichte, wie
durch eine Elektronenstrahlbehandlung, eine Laser-Behandlung usw., worauf das Material
abgekühlt wird. Während der Erwärmungsbehandlung wird der Kolbenring um seine eigene
Achse gedreht, während der beispielsweise verwendete Elektrohetstrahl in Axialrichtung
oszilliert. Die Drehzahl des kolbenringes und die Oszillationsgeschwindigkeit des
Elektronenstrahles werden in geeigneter Weise gesteuert,' um jegliche Ungleichmäßigkeit
auf der wiedererwärmten Ringoberfläche auf ein Minimum herabzusetzen. Die thermisch
beaufschlagte Schicht 4 wird gleichzeitig mit der.Weißgußeisenschicht 3 erzeugt.
Jegliche ungleichmäßige bzw.
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unebene Abschnitte sowie Oxide werden von der Ringober-
fläche
entfernt, woran sich eine gewöhnliche Finish-Behandlung anschließt. Wird die Weißgußeisenschicht
3 lediglich im Zentralabschnitt der äußeren Umfangsfläche 2 ausgebildet, wie in
Fig. 2 dargestellt, so ist es möglich, auf leichte Weise ein Erweichen des wiedererwärmten
Materials zu verhindern und einen Kolbenring mit gutem Sitz zu erzeugen.
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Es wurden Verschleißprüfungen an erfindungsgemäßen Kolbenringen durchgeführt,
die aus Kugelgraphit-Gußeisen mit der folgenden Zusammensetzung (Gew.-%) bestanden:
C Si Mn P S Cu Fe 3,66 2,41 0,50 0,09 0,03 0,60 Rest Für die Untersuchungen wurden
Zylinder-Auskleidungen aus Flockengraphit-Gußeisen mit der folgenden Zusammensetzung
(Gew.-) verwendet: C Si Mn P S Cu F 3,23 2,02 0,79 0,29 0,08 0,07 Rest Jeder Kolbenring
wurde mit einer Weißgußeisenschicht mit einer Dicke von. 600 Zum und einer Vickers-Oberflächenhärte
von 1000 sowie einer thermisch beaufschlagten Schicht mit einer Dicke von 200 fm
bei einer Tiefe von 0,65 mm unterhalb der Ringoberfläche und einer Vickers-Härtevon
550 versehen.
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Zu Vergleichszwecken wurden aus dem gleichen Werkstoff Kolbenringe
im Guß zustand (Vergleichsversuch 1), Kolbenringe mit einer harten chromplattierten
Schicht mit einer Dicke von 75 pm und einer Vickers-Härte von 880 (Vergleichsversuch
2) sowie Kolbenringe mit einer gehärteten Oberflächenschicht mit einer Stärke von
900 Mum und
einer Vickers-Härte von 510 (Vergleichsversuch 3) hergestellt.
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Versuch 1 - Beständigkeit gegen Fressen Durchführung: Jeder ortsfest
gehaltene Probekörper aus dem Kolbenrinywerkstoff mit einer Abmessung von 12 x 18
mm wurde in Kontakt gebracht mit einer rotierenden Scheibe eines Zylinder-Auskleidungswerkstoffs
mit 135 mm Durchmesser.
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Eine Zusatzlast von 5 kg wurde in Abständen von 10 min aufgebracht
und diejenige Last, bei welcher Fressen auftrat, wurde bestimmt.
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Versuchsbedingungen: Gleitgeschwindigkeit : 5m /sec Schmiermittel
: SAE + 30 + Kerosin (1:1) Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel 1
zusammengestellt.
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Tafel 1 2 Probekörper Fressdruck (kg/cm nach der Erfindung 81,0 Vergleichsversuch
1 48,6 Vergleichsversuch 2 88,0 Vergleichsversuch 3 51,0 Versuch 2 - Korrosionsbeständigkeit
Durchführung: Ein säulenförmiger Probekörper aus jedem Kolbenring-Werkstoff mit
5 mm Durchmesser wurde 4 Stunden lang in eine korrosive Flüssigkeit eingetaucht,
während diese Flüssigkeit durch Anwendung von Ultraschall umgerührt
wurde.
Der Gewichtsverlust eines jeden Probekörpers wurde ermittelt. Die beiden folgenden
Flüssigkeiten wurden verwendet: Korrosive Flüssigkeit Nr. 1 : Schmiermittel mit
0,3 % H2S04 und Korrosive Flüssigkeit Nr. 2 : qualitätsmäßig herabgesetztes Schmieröl,
welches mit Benzin benutzt worden war, das 4 g Blei je US-Gallone enthielt.
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Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel 2 zusammengestellt.
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Tafel 2 Probekörper Relativer Gewichtsverlust in bezug auf den Probekörper
nach der Erfindung Flüssigkeit 1 Flüssigkeit 2 nach der Erfindung 100 100 Vergleichsversuch
1 150 190 Vergleichsversuch 2 650 500 Vergleichsversuch 3 230 200 Aus den in den
Tafeln 1 und 2 zusammengestellten Versuchsergebnissen geht deutlich hervor, daß
der erfindungsgemäße Kolbenring hinsichtlich seiner Bestätigkeit gegen Fressen mit
dem chromplattierten Kolbenring vergleichbar ist, der bisher als über die beste
Beständigkeit gegen Fressen verfügend angesehen wurde, wobei der Kolbenring nach
der Erfindung eine wenigstens zweimal so große
Korrosionsbeständigkeit
aufweist als jeder herkömmliche Kolbenring.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt, da diese lediglich zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen.
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