DE19654893C2 - Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen aus einer Gußeisenlegierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen mit hoher Temperaturbelastung aus einer Gußeisenlegierung.

Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen bestehen überwiegend aus grauen Gußeisenlegierungen mit Anteilen an kugelförmigen bis lamellaren Graphitausscheidungen. Insbesondere die in der obersten, dem Verbrennungsraum benachbarten Kolbennut angeordneten Kolbenringe sind hohen Temperaturen ausgesetzt, so daß von ihnen mechanische Festigkeitswerte mit hoher Temperaturbeständigkeit verlangt werden. Nach beispielsweise der DE OS 36 28 157 verwendet man eine kugelgraphitische Gußeisenlegierung mit martensitischem Grundgefüge für auf hohe Temperaturen belastete Kolbenringe, welche 1 bis 15 Gewichtsprozent im Grundgefüge in Kugel- bis Tröpfchenform ausgeschiedenes Kupfer enthält, das auf Grund seiner hohen Wäremeleitfähigkeit für eine schnelle Wärmeableitung und damit für eine verminderte Temperaturbelastung des Kolbenringwerkstoffes sorgt.

Nach der DE OS 39 29 804 sind Gußeisenlegierungen mit ferritischem bis perlitischem Grundgefüge und kugelgraphitischen Ausscheidungen aus 3,0-3,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 1,5-3,0 Gewichtsprozent Silizium, 0,6-1,3 Gewichtsprozent Mangan, 0,6­ -1,0 Gewichtsprozent Kupfer, 0,4-0,8 Gewichtsprozent Chrom, 0,1-0,3 Gewichtsprozent Aluminium, 0,03-0,1 Gewichtsprozent Mangan und Eisen als Rest bekannt, die für verschleißbeanspruchte Maschinenteile wie offenen Verzahnungen in Mahlanlagen oder spanenden Werkzeugen eingesetzt werden. Diese Gußeisenlegierungen sind jedoch nicht für Verschleißteile in thermisch hochbelasteten Verbrennungskraftmaschinen vorgesehen. Insbesondere in modernen Verbrennungskraftmaschinen werden zur Verbesserung des Fahr-, Lauf und Geräuschkomforts bei gleichzeitig deutlicher Leistungssteigerung Kurz-huber mit Leichtbau-Kastenkolben eingesetzt, bei denen zur Erzielung eines vibrationsarmen Laufs die Kolbenringbestückungen extrem nach oben verlegt sind. Insbesondere der oberste Kolbenring und zum Teil auch der zweite sogenannte Abstreifring werden dadurch höheren Temperaturen ausgesetzt, so daß von ihrem Werkstoff mechanische Festigkeitswerte mit verbesserter Temperaturbeständigkeit verlangt werden. Die Warmfestigkeit der aus der DE OS 36 28 157 bekannten martensitischen Gußeisenlegierungen reicht für derartig hohe Beanspruchungen nicht aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für hohen Temperaturen ausgesetzte Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen aus einer Gußeisenlegierung herzustellen, die bei hohen Temperaturen beständige Festigkeitswerte aufweisen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Gußeisenlegierung mit perlitischer Grundstruktur und kugelförmigen oder vermikularförmigen Graphitausscheidungen gelöst, welche aus

3,78 Gewichtsprozent Kohlenstoff
2,98 Gewichtsprozent Silizium
0,86 Gewichtsprozent Mangan
0,09 Gewichtsprozent Phosphor
0,007 Gewichtsprozent Schwefel
2,04 Gewichtsprozent Chrom
0,01 Gewichtsprozent Vanadium
0,02 Gewichtsprozent Molybdän
0,05 Gewichtsprozent Nickel
2,38 Gewichtsprozent Kupfer
0,01 Gewichtsprozent Magnesium
0,01 Gewichtsprozent Titan
0,03 Gewichtsprozent Wolfram
0,02 Gewichtsprozent Niob

und Eisen als Rest besteht, und deren aus der Legierung gegossenen Kolbenringe ganzflächig oder an den Laufflächen und/oder den Flankenflächen nach einem der üblichen Verfahren einer Nitrierbehandlung unterzogen sind. Mit den erfindungsgemäßen Gußeisenlegierungen werden probeweise an den Laufflächen nitrierte Kolbenringe hergestellt, die zur Ermittlung über Warmfestigkeit Temperaturen zwischen 500-700°C durch Glühbehandlungen während 30 Minuten ausgesetzt wurden. Es wurde ein normaler Abfall der Härtewerte festgestellt, ohne daß die perlitische Grundstruktur der Gußeisenlegierung wesentlich verändert wurde. Die Festigkeitswerte wurden durch diese Temperaturbelastung nicht wesentlich verändert, so daß der Werkstoff die geforderte hohe Warmfestigkeit besitzt.

Zur weiteren Perlitisierung kann die Gußeisenlegierung bis zu 0,4 Gewichtsprozent Antimon enthalten, das der Legierung während des Schmelzens oder über das Impfmittel zugegeben sein kann. Die Gußeisenlegierung kann zusätzlich bis zu maximal 300 ppm mittels Fülldraht-Injektion eingebrachten Stickstoff enthalten. Zur verbesserten Bearbeitbarkeit können die Kolbenringe einer Glühbehandlung bei bis zu 750°C unterzogen werden. Die Kolbenringe können zur Verbesserung ihrer Verschleißfestigkeit ganzflächig oder an den Laufflächen und/oder den Flankenflächen nach einem der üblichen Verfahren wie Badnitrieren, Gasnitrieren, Plasmanitrieren oder Pulsplasmanitrieren einer Nitrierbehandlung unterzogen werden. Durch die Erfindung sind somit Kolbenringe geschaffen, die für hohe Temperaturbelastungen in Verbrennungskraftmaschinen geeignet sind. Die Gußeisenwerkstoffe zeigen ein gutes Warmsetzverhalten und ihr Gefüge zeigt auch bei längeren hohen Temperaturbelastungen keine wesentlichen Veränderungen. Die Gußeisenlegierungen können zur Herstellung von Kolbenringen aller Durchmesser von bis zu 1 m sowohl im Standguß als auch im Schleunderguß gleichermaßen gut verwendet werden.

Claims (4)

1. Kolbenringe für Verbrennungskraftmaschinen mit hoher Temperaturbelastung aus einer Gußeisenlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung eine perlitische Grundstruktur mit kugelförmigen oder vermikularförmigen Graphitausscheidungen besitzt, daß die aus der Legierung gegossenen Kolbenringe ganzflächig oder an den Laufflächen und/oder Flankenfächen einer Nitrierbehandlung nach einem der üblichen Verfahren unterzogen sind und, daß die Legierung aus
3,78 Gewichtsprozent Kohlenstoff
2,98 Gewichtsprozent Silizium
0,86 Gewichtsprozent Mangan
0,09 Gewichtsprozent Phosphor
0,007 Gewichtsprozent Schwefel
2,04 Gewichtsprozent Chrom
0,01 Gewichtsprozent Vanadium
0,02 Gewichtsprozent Molybdän
0,05 Gewichtsprozent Nickel
2,38 Gewichtsprozent Kupfer
0,01 Gewichtsprozent Magnesium
0,01 Gewichtsprozent Titan
0,03 Gewichtsprozent Wolfram
0,02 Gewichtsprozent Niobsowie Eisen als Rest besteht.

2. Kolbenring nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung bis zu 0,4 Gewichtsprozent Antimon enthält.

3. Kolbenring nach mindestens einem der Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußeisenlegierung mittels Fülldrahtinjektion in die Schmelze eingebrachten Stickstoff in einer Menge von maximal 300 ppm enthält.

4. Kolbenring nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenringe einer Glühbehandlung von bis zu 750°C unterzogen sind.