DE861700C

DE861700C - Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen auf Eisengrundlage mit Zusatz von Graphitund bis 10% Blei

Info

Publication number: DE861700C
Application number: DEK944A
Authority: DE
Inventors: Max Dr Koehler
Original assignee: Koehler Gleitmetall Dr GmbH
Current assignee: Koehler Gleitmetall Dr GmbH
Priority date: 1949-12-13
Filing date: 1949-12-13
Publication date: 1953-01-05

Description

Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen auf Eisengrundlage mit Zusatz von Graphit und bis 10°/o Blei Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Kolbenringen auf Eisengrundlage für schnell laufende Brennkraftmaschinen durch Sintern. Bei der bekannten pulvermetallurgischen Herstellung anderer Körper besteht das Wesentliche darin, daß ein Metallpulver einer Pressung unterworfen und dann gesintert, d. h. bei einer Temperatur behandelt wird, die erheblich unter dem Schmelzpunkt der Metallpulvermischung liegt. Bei dieser Herstellungsart ist es schon bekannt, die Festigkeit der damit erzeugten Sinterkörper dadurch zu erhöhen, daß dem Weicheisenpulver aus den einzelnen Stoffen ein größerer Prozentsatz von Mangan, Chrom oder Silicium zugesetzt wird. Man hat auch schon versucht, die Festigkeitswerte zu erhöhen, indem die fertigen Sinterkörper kalt nachgepreßt oder einer mehrfachen Sinterung unterworfen wurden. Man hat -jedoch dadurch eine spürbare Festigkeitserhöhung nicht erzielen - können. Es war auch schon bekannt, bei der Herstellung von Sinterkörpern den Vorgang des Pressens und Sinterns in einem Vorgang der Heißpressung zu vereinigen.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Festigkeit solcher Sinterkörper, beispielsweise solcher, die gute Gleiteigenschaften haben sollen, dadurch zu erhöhen, daß das betreffende Werkstück, welches gepreßt und dann längere Zeit, etwa :z Stunden, bei einer Temperatur von etwa i zoQ-°-- gesintert wurde, einer nachfolgenden Heißpressung unterworfen wurde, die sich nur über einen sehn, kurzen Zeitraum erstreckte. Man erzielte dabei gänzlich andere Erscheinungen insofern, als durch die nochmalige Heißdruckbehandlung die bereits in einem längeren Sinterungsvorgang behandelte Stoffmischung, bei der schon eine weitgehende Diffusion der einzelnen Stoffteilchen eingetreten war, eine kristallinische Umwandlung erfährt, welche die Ursache für die Veränderung der Eigenschaften solcher Gleitkörper bildet. Beispielsweise erzielt man bei Anwendung dieses vorgeschlagenenVerfahrens durch die Heißpressung eine Verminderung der Porosität des Körpers auf einen Bruchteil derjenigen, die sonst bei gesinterten Gleitkörpern beobachtet wird; Durch diesen Vorschlag erzielte man beispielsweise bei Sinterkörpern auf Eisengrundlage (eines etwa 93 % Eisen enthaltenden Gleitkörpers) statt des vorher vorhandenen Porenraumes von etwa 25 °/o eine Mikroporosität von etwa 2 bis 3 °/o bei einem spezifischen Gewicht von etwa 7,5 gegenüber einem solchen von 6. Man verwendet bei diesem Verfahren Eisengemische mit Zusatz von Graphit und einem Schwermetall, in Sonderheit Blei, - wobei der Nichteisenanteil bis zu io °% betragen durfte. Dabei würde das Blei nicht- iwreinem Zustande, sondern mit anderen Elementen der Schwermetallgruppe vermischt zugesetzt. Als geeignete Schwermetalle zum Zumischen kommen Zinn, Antimon, Mangan, Chrom, Silicium, Nickel und Kupfer in Frage. Zur Vermeidung von Diffusionsvorgängen. innerhalb der Mischkristallreihen Fe-Pb-Sn, Fe-Pb-Si und Fe-Pb-Sb-Sn wurde das Verhältnis von-Zinn und Antimon zur zugesetzten Bleimenge . entsprechend gewählt. Durch die erzielten Mischkristalle entsteht im Gegensatz zu den binären Fe-C-Phasen eine aus mehreren Komponenten bestehende Mischkristallphase, die dem Gleitkörper außer den Festigkeitswerten des Stahles ähnliche elastische Eigenschaften verleiht, wie solche bei Spezialgußeisen vorhanden sind. Hierbei wurden die Gleitkörper, die aus Eisenpulver in Verbindung mit den genannten anderen Stoffen durch Pressen und nachfolgendes Sintern erzeugt wurden, einer weiteren Behandlung durch -Pressen, Schmieden oder Walzen -bei einem Drück -über- 3 t/cm2 und einer-Temperatur über 80o° unterworfen. Werden -nachdem früheren Vorschlage die gesinterten Rohlinge einer Heißpressung bei 6 t/cm2 und iooo°C unterworfen, wobei das Pressen durch Schmieden oder. Walzen ersetzt werden kann, so lassen sich nach dem bereits vorgeschlagenen Verfahren die Eigenschaften eireichen, die für Kolbenringe erforderlich sind; d. h. die erzeugten Körper haben eine hohe Streckgrenze und einen hohen Elastizitätsmodul, Eigenschaften, wie sie für Kolbenringe erforderlich sind, die beim Aufziehen auf den Kolben zunächst aufgespannt werden müssen, ohne, daß eine Verformung zurückbleibt, und die nach dem Aufziehen noch ihre ursprüngliche Federungskraft behalten.
Es hat sich nun gezeigt, daß nach dem früher vorgeschlagenen Verfahren hergestellte Kolbenringe dann den Ansprüchen nicht immer genügen, wenn sie für schnell: laufende Verbrennungskraftmaschinen benutzt werden sollen, weil bei diesen bedeutend höhere thermische und mechanische Beanspruchungen in Frage kommen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ein derartiger Kolbenring - und verschiedene Verfahren zu seiner Herstellung, der bei hochbelasteten,schnell laufenden Brennkraftnaschinen Verwendung finden soll, bei denen die Kolbenringe thermisch hoch beansprucht werden: Bei der Herstellung solcher Kolbenringe wird ebenfalls von einem pulvermetallurgischen Verfahren ausgegangen und insbesondere von der Eisengrundlage mit Zusatz von Graphit und Zusatz von Blei; der Bleizusatz kann dabei bis =o °/o betragen, gegebenenfalls können andere Schwermetalle noch zugesetzt werden. Bei Verwendung weiterer geeigneter Schwermetallzusätze wie Zinn, Antimon, Mangan, Chrom, Silicium, Nickel und Kupfer ist 'ebenfalls, wie bezüglich des früher vorgeschlagenen Verfahrens bereits erläutert wurde, das Verhältnis der Zusätze zur Bleimenge so zu regeln, daß Diffusionsvorgänge innerhalb der schon genannten Mischkristallreihen vermieden werden.
Nach dem neuen Herstellungsverfahren werden verschiedenartige Verfahrensvorgänge angewendet. Es wird einmal angestrebt, ein Gefüge mit körnigem Perlit bzw. Sorbit zu erreichen, was insbesondere für thermisch höher beanspruchte Kolbenringe in hochbelasteten schnell laufenden Brennkraftmaschinen (beispielsweise solchen mit Kolbenringbetriebstemperaturen bis etwa 3oo°C) in Frage kommt, während nach einem weiteren Verfahren ein feinlamellarperlitisches Gefüge erzielt werden soll, und zwar dann, wenn es sich um geringe thermische Beanspruchungen für Kolbenringe schnell laufender Brennkraftmaschinen handelt, nämlich bei Ringtemperaturen bis etwa 20o° C.
Das lamellar perlitische Gefüge ergibt sich darin, wenn bei der Herstellung der Kolbenringrohling auf Eisengrundlage mit Schwermetall- (Blei-) Zusatz in der Größenordnung von i bis =o %, vorzugsweise bis etwa 5 °/o, zunächst gepreßt wird, wobei er ein spezifisches Gewicht von etwa 6,3 bis 6,5 erhält, wenn darauf bei iooo bis z2oo° etwa i bis 2 Stunden gesintert wird; wenn dann bei etwa goo bis iooo° eine Verdichtung mit 6 bis 7 t/cm2 und schließlich eine langsame Abkühlung, beispielsweise in Luft oder Schutzgas; erfolgt.
Lamellar perlitisches Gefüge ergibt sich auch dann, wenn zunächst die genannten Ausgangsstoffe gepreßt werden (spezifisches Gewicht 6,3 bis 6,5) dann bei iooo bis i2oo° i bis 2 Stunden gesintert werden, darauf ein stufenweises Kaltverdichten bis =o t/cm2 (auf ein spezifisches Gewicht von 7,6 bis 7,7) vorgenommen wird und schließlich - nach Erwärmung auf 85o bis goo° während etwa i Stunde (Nachsintern) langsames Abkühlen erfolgt. Diese lamellar-perlitischen Gefüge sind für Kolbenringe von schnell laufenden Brennkraftmaschinen thermisch belasteter Art, beispielsweise 20o°, bestimmt.
Für Kolbenringe von schnell laufenden Brennkraftmaschinen mit thermisch höherer Beanspruchung von beispielsweise 300°C soll durch die nachstehend genannten Verfahrensgänge dem Kolbenringrohling ein körnig perlitisches bzw. sorbitisches Gefüge gegeben werden. Es wird zunächst gepreßt, wobei sich ein spezifisches Gewicht von 6,3 bis 6,5 ergibt, darauf etwa i bis 2 Stunden bei iooo bis i2oo° gesintert und danach bei etwa goo bis iooo° mit 6 bis 7 t/cmg warm verdichtet, wobei das spezifische Gewicht auf 7;6 bis 7,7 erhöht wird. Es folgt eine Wärmenachbehandlung bei 80o bis 85o° mit schnellem Abschrecken, beispielsweise in 01. Nach einem anderen Verfahrensgang zur Erzielung von derartigen Kolbenringen mit körnig perlitischem Gefüge wird zunächst gepreßt (spezifisches Gewicht 6,3 bis 6,5), darauf bei iooo bis i2oo° i bis 2 Stunden lang gesintert, worauf ein stufenweises Kaltverdichten bis 10 t/cm2 (spezifisches Gewicht 7,6 bis 7,7) erfolgt. Nach sich anschließender Erwärmung auf 85o bis goo° etwa i Stunde lang (Nachsintern) erfolgt dann schnelles Abschrecken, beispielsweise in 01.
Dies letztgenannte Verfahren kann noch dadurch abgewandelt werden, daß die Kaltverdichtung bis zu Drücken von 15 t/cm2, gesteigert wird und auf das schnelle Abschrecken, beispielsweise in 01, ein Anlassen folgt auf eine Temperatur von etwa 5oo bis 65o°, jedenfalls eine solche, die unterhalb des Umwandlungspunktes (720'C) liegt. Zur Erläuterung sei folgendes bemerkt: Durch die Kaltverdichtung werden der bei der Sinterung nach dem Pressen entstandene Zementit sowie der noch vorhandene freie Graphit und die Mischkristalle der Fe-C-Schwermetallgruppe zertrümmert. Hierdurch wird bei der anschließenden Erwärmung auf 76o bis 82o° und dem anschließenden schnellen Abschrecken eine rasche Umwandlung in Martensit erzielt. Bei dem anschließenden Anlassen bei Temperaturen bis zu etwa 65o° ergibt sich ein Gefügeaufbau, dessen besonderes Kennzeichen der Anlaßsorbit ist; dieser gibt dem Werkstoff die für den ,Kolbenring wertvollen Eigenschaften, nämlich eine hohe Streckgrenze, Festigkeit und Federung sowie hervorragende und bisher noch nicht erreichte Lauf-und Verschleißeigenschaften. Die Dauer des Anlassens muß dem Querschnitt des Rohlings und der gewünschten Festigkeit angepaßt werden; die Zeitdauer muß länger sein bei größerem Querschnitt und zur Erzielung höherer Festigkeit. Ausführungsbeispiel i Es wurden gemischt: 9304 Eisenpulver, 1,50/0 Graphit mit einem Aschengehalt von 15041 4,5% Spezialbleipulver (mit Zusätzen).

Das gemischte Pulver hatte etwa folgende. Korngrößenverteilung

über o,2 mm ..................... 150/0

zwischen o,2 und o,i mm . . . . . . . . . . 260/0

zwischen o,i und o,o6 mm . . . . . . . . . 39%

unter o,o6 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200/0

Das Pressen erfolgte bei einem Druck von 4,9 t/cm2. Die Sinterung in neutraler -Ofenatmosphäre war.

2 Stunden bei einer Temperatur von etwa iioo°. Die gesinterten Rohlinge hatten einen Porengehalt von etwa 23 0/0, die Zerreißfestigkeit lag zwischen io und 12 kg/mm2. Diese Rohlinge wurden bei einem Druck von 7 t/cm' und einer Temperatur von iooo° verdichtet; ihre allmähliche Erwärmung erfolgte in Schutzgas.
Die Rohlinge hatten ein ausgesprochen feinlamel= lares perlitisches Gefüge. Sie hatten folgende technologischen Werte

Streckgrenze. . . . . . . . . . . . . . . . 57,5 kg/mm'

Zerreißfestigkeit. . . . . . . . . . . . . 76,5 kg/mm2

Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,5 0/0

Die Analyse der hergestellten Rohlinge ergab folgende Zusammensetzung: 0,48 0/0 C, 0,17 0/0 Si, o,i8 % Mn, 0,029 % P, 3,55 % Pb, 041% Sn, 0,45 % Cu, Rest Fe.
Ausführungsbeispiel 2 Die gleiche Mischung von Eisenpulver und Spezialbleipulver wurde in der gleichen Weise gepreßt und gesintert wie beim Ausführungsbeispiel i. .
Die Rohlinge wurden nunmehr kalt verdichtet, und zwar stufenweise bis zu einem Höchstdruck von 9,8 t/cm2. Darauf wurden die Rohlinge erwärmt und während i Stunde auf einer Temperatur von 85o° gehalten. (Die Wirkung dieser Erwärmung läßt sich auch in kürzerer Zeit unter Anwendung einer höheren, immer aber unter der Sintertemperatur erreichen). Nach Abschluß der Erwärmung wurden die Rohlinge in 01 abgeschreckt.
Die fertigen Rohlinge hatten ein ausgesprochen körnig perlitisches Gefüge. Ihre technologischen Werte waren folgende

Streckgrenze................ 62,6 kg/mm2

Zerreißfestigkeit. . . . . . . . . . . . . 74,5 kg/mm2

Dehnung etwa . . . . . . . . . . . . . 2 0/0 .

Die Analyse der Rohlinge. ergab folgende Zusammensetzung: 0,52 % C, o,16 0/0 Si, o,ig 0/0 Mn, 0,003 % P, 3,45 °/o Pb, 0,36 % Sn, o,52 % Cu, Rest Fe.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung von Kolbenringen auf Eisengrundlage mit Zusatz von Graphit und einem bis io % betragenden Zusatz von Blei, gegebenenfalls auch weiteren Schwermetallen für schnell laufende Brennkraftmaschinen auf pulvermetallurgischem Wege, dadurch gekennzeichnet, daß die pulverförmigen Ausgangsstoffe zu Rohlingen gepreßt, die Rohlinge gesintert und nachverdichtet werden und durch weitere Wärmebehandlungdasfür denbeabsichtigten VerwendungszWeck geeignete Gefüge erzielt wird.
2. Verfahren nach Anspruch i zur Herstellung von Kolbenringen fürschnell laufendeVerbrennungskraftmaschinen mit weniger hoher thermischer Beanspruchung, dadurch gekennzeichnet, daß den Kolbenringrohlingen nach dem Verdichten ein lamellarperlitisches Gefüge gegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch i zur Herstellung von Kolbenringen mit hoher thermischer Beanspruchung, dadurch gekennzeichnet, daß den Kolbenringen ein körnigperlitisches oder sorbitisches Gefüge gegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Pressen Rohlinge von einem spezifischen Gewicht von etwa 6,3 bis 6,5 hergestellt, darauf bei iooo bis i2oo° gesintert, bei einer Temperatur von goo bis iooo° mit einem Druck von etwa 6 bis 7 t/cm2 nachverdichtet und schließlich langsam abgekühlt werden.
5. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Pressen Rohlinge von einem spezifischen Gewicht von etwa 6,3 bis 6,5 hergestellt, darauf bei iooo bis i--oo° gesintert, bis zu einem Höchstdruck von io t/cm2 stufenweise kaltverdichtet, anschließend auf 85o bis goo° erwärmt und schließlich von dieser Temperatur langsam abgekühlt werden.
6. Verfahren nach Anspruch i und 3, dadurch gekennzeichnet, däß. durch Pressen Rohlinge von einem spezifischen Gewicht von etwa 6,3 bis 6,5 hergestellt, bei iooo bis i2oo° gesintert, bei einer Temperatur von goo bis iooo° mit einem Druck von etwa 6 bis 7 t/cm2 nachverdichtet, auf 8öo bis 85o° erwärmt und schließlich beispielsweise in Öl abgeschreckt werden.
7. Verfahren nach Anspruch i und 3, dadurch -gekennzeichnet, daß durch Pressen Rohlinge von einem spezifischen Gewicht von etwa 6,3 bis 6,5 hergestellt, bei iooo bis i2oo° gesintert, worauf mit einem Druck bis zu io t/cm2 zur Erreichung eines spezifischen . Gewichtes von 7;6 bis 7,7 stufenweise kaltverdichtet auf eine unter der Sinterungstemperatur liegende Temperatur erwärmt und schließlich schnell, beispielsweise in Öl, abgeschreckt werden. B. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltverdichtung bis zu Drücken von 15 t/cm2 gesteigert wird und auf das schnelle Abschrecken, beispielsweise in Öl, ein Anlassen auf eine Temperatur angeschlossen- wird, die unterhalb des Umwandlungspunktes (72ö°) liegt. g. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach der stufenweisen Kaltverdichtung eine etwa istündige Erwärmung auf 85o bis goo° mit schnellem Abschrecken, beispielsweise in Öl, . angeschlossen wird. zö. Verfahren zur Fertigbearbeitung der nach Anspruch i bis 9 hergestellten Kolbenringe, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Drehen und/ oder Schleifen und Einschlitzen bearbeitet werden.