Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kolbenringe.
Kolbenringe dichten in einem Verbrennungskraftmotor den zwischen Kolbenkopf und Zylinderwand vorhandenen Spalt gegenüber dem Brennraum ab. Bei der Auf- und Abbewegung des Kolbens gleitet der Kolbenring einerseits mit seiner äußeren Umfangsfläche in ständiger federnder Anlage gegen die Zylinderwand, andererseits gleitet der Kolbenring, bedingt durch die Kippbewegungen des Kolbens, oszillierend in seiner Kolbenringnut, wobei seine Flanken wechselnd an der oberen oder unteren Nutenflanke der Kolbenringnut anliegen. Bei den jeweils gegeneinander laufenden Gleitpartnern tritt in Abhängigkeit des Materials ein mehr oder weniger starker Verschleiß auf, der bei einem Trockenlauf zu so genannten Fressern, Riefenbildung und schließlich zu einer Zerstörung des Motors führen kann. Um das Gleit- und Verschleißverhalten von Kolbenringen gegenüber der Zylinderwand zu verbessern, wurden diese an deren Umfangsfläche mit Beschichtungen aus unterschiedlichen Materialien versehen.
Zur Herstellung hoch beanspruchter Teile von Verbrennungskraftmotoren, wie beispielsweise Kolbenringen, werden meist Gusseisenwerkstoffe bzw. Gusseisenlegierungen verwendet. Kolbenringe, insbesondere Kompressionsringe, unterliegen in hochbeanspruchten Motoren einer zunehmenden Belastung, unter anderem Kompressionsspitzendruck, Verbrennungstemperatur, EGR und Schmierfilmreduzierung, die deren Funktionseigenschaften, wie Verschleiß, Brandspurbeständigkeit, Microwelding und Korrosionsbeständigkeit, maßgeblich beeinflussen.
Gusseisenwerkstoffe gemäß dem Stand der Technik weisen jedoch ein hohes Bruchrisiko auf, so dass es bei der Verwendung bisheriger Werkstoffe häufig zu Ringbrüchen kommt. Gestiegene mechanisch-dynamische Belastungen führen zu kürzeren Lebensdauern von Kolbenringen oder Zylinderlaufbuchsen. Ebenso kommt es zu starkem Verschleiß und Korrosion an Lauffläche und Flanke.
Aufgrund der höheren mechanischen und dynamischen Beanspruchungen von Kolbenringen fordern immer mehr Motorenhersteller Kolbenringe aus hochwertigem Stahl (vergütet und hochlegiert, wie beispielsweise Werkstoff 1.4112). Hierbei bezeichnet man Eisenwerkstoffe mit weniger als 2,08 Gew.-% Kohlenstoff als Stahl. Liegt der Kohlenstoffgehalt höher, so redet man von Gusseisen. Stahlwerkstoffe besitzen gegenüber Gusseisen bessere Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften, da keine Störung durch freien Graphit im Grundgefüge vorhanden ist.
Meist werden hochchromlegierte martensitische Stähle für die Herstellung von Stahlkolbenringen eingesetzt. Stahlkolbenringe werden aus Profildraht hergestellt. Der Profildraht wird rund gewickelt, aufgeschnitten und über einen "Unrund"-Dorn gezogen. Auf diesem Dorn erhält der Kolbenring durch einen Glühprozess seine erwünschte unrunde Form, wodurch die geforderten Tangentialkräfte eingestellt werden. Ein weiterer Nachteil der Herstellung von Kolbenringen aus Stahl ist, dass ab einem gewissen Durchmesser die Ringherstellung (Wickeln) aus Stahldraht nicht mehr möglich. Kolbenringe aus Gusseisen werden dagegen bereits unrund gegossen, so dass sie von Anfang an eine ideale Form aufweisen.
Gusseisen besitzt eine wesentlich niedrigere Schmelztemperatur als Stahl. Der Unterschied kann je nach chemischer Zusammensetzung bis zu 350°C betragen. Gusseisen ist daher einfacher zu schmelzen und zu gießen, da eine niedrigere Schmelztemperatur eine niedrigere Gießtemperatur und damit eine kleinere abkühlungsbedingte Schwindung bedeutet, wodurch der gegossene Werkstoff weniger Lunker bzw. Warm- und Kaltrisse aufweist. Eine niedrigere Gießtemperatur führt weiterhin zu einer geringeren Belastung des Formstoff (Erosion, Gasporositäten, Sandeinschlüsse) und des Ofens sowie zu geringeren Schmelzkosten.
Die Schmelztemperatur des Eisenwerkstoffs hängt nicht nur von seinem Kohlenstoffgehalt, sondern auch von dem "Sättigungsgrad" ab. Es gilt die vereinfachte Formel:
Je näher der Sättigungsgrad an 1 liegt, desto niedriger ist die Schmelztemperatur. Bei Gusseisen wird zumeist ein Sättigungsgrad von 1,0 angestrebt, wobei das Gusseisen eine Schmelztemperatur von 1150°C aufweist. Der Sättigungsgrad von Stahl beträgt, abhängig von der chemischen Zusammensetzung, ungefähr 0,18. Eutektischer Stahl weist eine Schmelztemperatur von 1500°C auf.
Der Sättigungsgrad kann durch den Si- oder P-Gehalt deutlich beeinflusst werden. Zum Beispiel wird sich ein um 3 Gew.-% höherer Gehalt an Silizium ähnlich wie ein 1 Gew.-% höherer C-Gehalt aus. Es ist somit möglich, einen Stahlwerkstoff mit einem C-Gehalt von 1 Gew.-% und 9,78 Gew.-% Silizium herzustellen, der die gleiche Schmelztemperatur wie Gusseisen mit einem Sättigungsgrad von 1,0 (C: 3,26 Gew.-%, Si: 3,0 Gew.-%) aufweist.
Durch eine drastische Erhöhung des Si-Gehalts kann der Sättigungsgrad des Stahlwerkstoffs erhöht werden und die Schmelztemperatur auf das Niveau von Gusseisen abgesenkt werden. Somit ist es möglich, Stahl mit Hilfe derjenigen Technik herzustellen, die auch für die Herstellung von Gusseisen, beispielsweise GOE 44, verwendet wird.
Kolbenringe aus hochsiliziumhaltigem Stahlgusswerkstoff sind im Stand der Technik bekannt. Allerdings beeinflusst das in höheren Mengen vorhandene Silizium die Härtbarkeit des Werkstoffs negativ, da dessen Austenitumwandlungstemperatur "Ac3" erhöht wird. Aus der
Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung Kolbenringen bereitzustellen, die als Grundkörper eine Stahlwerkstoffzusammensetzung aufweisen, und welche eine verbesserte Verschleißbeständigkeit aufweisen. Die Stahlwerkstoffzusammensetzung soll durch die Herstellung im Schwerkraftguss die Eigenschaften von vergütetem Gusseisen mit Kugelgraphit in mindestens einem der folgenden Punkte übertreffen:
- Mechanische Eigenschaften wie E-Modul, Biegefestigkeit
- Widerstandsfähigkeit gegenüber Brüchen
- Gestaltfestigkeit
- Flankenverschleiß
- Laufflächenverschleiß
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Kolberninge gelöst, die als Grundkörper eine Stahlwerkstoffzusammensetzung aufweisen, welche die folgenden Elemente im angegebenen Anteil enthält:
Die erhöhte Verschleißbeständigkeit wird erfindungsgemäß durch die Carbidbildner Niob, Titan, Vanadium und Wolfram erreicht. Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass ein Anteil von 2,0 - 7,0 Gew.-% dieser Carbidbildner zu einer guten Verschleißfestigkeit führt, ohne dass sich die Bearbeitbarkeit des erhaltenen Werkstoffs so verschlechtern würde, dass sich dadurch die Herstellungskosten unverhältnismäßig erhöhen würden.
In Tabelle 1 findet sich eine Aufstellung der Härte von Carbiden der Elemente Niob, Titan, Vanadium und Wolfram:
Die erfindungsgemäßen Kolbenringe haben eine reduzierte Neigung, unter starker Hitze ihre Form zu verändern und haben somit ein dauerhaft hohes Leistungsvermögen und vermindern darüber hinaus den Ölverbrauch.
Die erfindungsgemäßen Stahlkolbenringe weisen weiterhin den Vorteil auf, dass ihre Herstellung mit den zur Herstellung von Gusseisen-Werkstücken notwendigen Maschinen und Technologien ermöglicht wird. Zudem entsprechen die Herstellungskosten denen von Gusseisen-Kolbenringen, was dem Hersteller einen Kostenvorteil und eine bessere Wertschöpfung bietet. Ebenso können Werkstoffparameter frei vom Zulieferer eingestellt werden.
Erfindungsgemäße Kolberinge werden in einem Verfahren hergestellt, welches die folgenden Schritte umfasst:
- a. Herstellen einer Schmelze der Ausgangsmaterialien, und
- b. Abgießen der Schmelze in eine vorgefertigte Form.
Als Ausgangsmaterialien können beispielsweise Stahlschrott, Kreislaufmaterial und Legierungsstoffe verwendet werden. Der Schmelzprozess erfolgt in einem Ofen, vorzugsweise einem Kupolofen. Anschließend wird ein Rohling unter Erstarrung der Schmelze hergestellt. Der Kolbenring kann dabei mit im Stand der Technik bekannte Methoden gegossen werden, wie beispielsweise Schleuderguss, Strangguss, Stempel-Pressverfahren, Croning oder bevorzugt Grünsandformen.
Nach Erkalten des Kolbenrings wird die Form ausgelehrt und der erhaltene Rohling geputzt.
Gegebenenfalls kann der Kolbenring anschließend vergütet werden. Diese erfolgt durch die folgenden Schritte:
- c. Austenitisieren des Kolberings oberhalb seiner Ac3-Temperartur,
- d. Abschrecken des Kolbenrings in einem geeigneten Abschreckmedium, und
- e. Anlassen des Kolbenrings bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 700°C in einem Schutzgasofen.
Als Abschreckmedium wird bevorzugt Öl verwendet.
Zur weiteren Härtung des erfindungsgemäßen Kolbenrings kann im Anschluss an die zuvor erwähnten Verfahrensschritte ein Nitrieren des erhaltenen Kolbenrings erfolgen. Dies kann beispielsweise durch Gasnitrieren, Plasmanitrieren oder Drucknitrieren erfolgen.