Hintergrund der Erfindung
Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
eines Klammerelements für eine Welle, umfassend eine erste
Hälfte und eine zweite Hälfte, welche jeweils Paßflächen an in
Umfangsrichtung entgegengesetzten Enden einer halbkreisförmigen
Aussparung aufweisen, wobei die erste Hälfte und die zweite
Hälfte durch eine Mehrzahl von Gewindeelementen in einem
Zustand aneinander befestigt werden, in dem die Paßflächen
beider Hälften zusammengefügt sind, um mit beiden
halbkreisförmigen Aussparungen ein wellenaufnehmendes Loch zu bilden.
Beschreibung des Standes der Technik
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Herkömmliche, bekannte Klammerelemente für eine Welle mit einem
ähnlich wie oben beschriebenen Aufbau umfassen eine
Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine, umfassend eine erste Hälfte
in Form eines Stangenelements mit kleinerem Endabschnitt an
einem Ende und einem halbringförmigen Abschnitt als einen
großen Endabschnitt am anderen Ende, und eine zweite Hälfte als
einen halbringförmigen Aufsatz, welcher durch Gewindeelemente,
beispielsweise Bolzen, an dem halbringförmigen Abschnitt des
Stangenelements befestigt ist, um die Pleuelstange zu bilden,
die an einem Kurbelzapfenabschnitt der Kurbelwelle der Maschine
angebracht oder von diesem abgenommen werden kann.
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Im allgemeinen wird die Pleuelstange fur eine
Brennkraftmaschine üblicherweise zur Erzielung eines festen mechanischen
Aufbaus aus einem Kohlenstoffstahl hergestellt.
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Als eine Gegenmaßnahme zur Anpassung an Umweltprobleme ist eine
Verringerung des Treibstoffverbrauchs in einer
Brennkraftmaschine für Fahrzeuge gefordert. Um dies zu erfüllen, ist eine
Verringerung des Gewichts eines Strukturelements, insbesondere
eines bewegten Teils, effektiv. Im vorliegenden Fall liefert
eine Verringerung des Gewichts der Pleuelstangen, welche
bewegte Teile sind, eine große Wirkung bei der Verringerung des
Treibstoffverbrauchs. Es ist wünschenswert, anstatt der
herkömmlichen aus Stahl hergestellten Pleuelstange eine leichte
und kostengünstige Pleuelstange zu entwickeln.
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Aus der Forderung nach Verringerung des Gewichts und der Kosten
wäre es somit wünschenswert, eine Pleuelstange aus einer
Aluminiumlegierung herzustellen, welches eine Leichtlegierung
ist.
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Allerdings wird eine Pleuelstange aus Aluminiumlegierung bei
relativ geringer Beanspruchung aufgrund der Tatsache elastisch
deformiert, daß eine Aluminiumlegierung eine geringere
Widerstandsfähigkeit als Stahl aufweist. Deshalb kann leicht
eine Fehlausrichtung in einer Richtung parallel zu den
Paßflächen des Stangenelements und des Aufsatzes erzeugt
werden. Dies führt zu einem Zustand, in dem die Belastung nur
durch das Stangenelement aufgenommen wird und somit die
Lebensdauer des Stangenelements beträchtlich verkürzt wird.
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Um den obigen Nachteil zu überwinden, ist es wirkungsvoll, die
Axialspannung des Bolzens zu vergrößern. Wenn eine solche
Maßnahme getroffen wird, entsteht jedoch insofern ein neues
Problem, als daß eine Sitzfläche des Bolzenkopfs eingedrückt
wird, weil die Aluminiumlegierung eine geringere
Widerstandsfähigkeit und eine geringere Verformungsfestigkeit als der
Stahlbolzen aufweist.
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Es wäre wünschenswert, ein Klammerelement für eine Welle der
oben beschriebenen Art zu schaffen, welches derart ausgelegt
ist, daß eine wie oben beschriebene Fehlausrichtung zwischen
den Paßflächen der ersten und der zweiten Hälfte aus einer
Leichtlegierung durch Einsatz vergleichsweise einfacher Mittel
zuverlässig verhindert wird.
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Die US 4,992,117 offenbart einige Daten über die
Zusammensetzung einer Al-Legierung mit Fe, Si und anderen Elementen und
schlägt die Verwendung eines derartigen Materials für
Pleuelstangen vor.
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Aus der EP 0 330 830 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer
Pleuelstange durch Herstellen eines einstückigen Vorformlings
aus einer Eisenlegierung bekannt, welcher dann gesintert,
geschmiedet und in einen Aufsatz- und einen Hauptabschnitt
zerbrochen wird.
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Die Anwendung eines derartigen Verfahrens erfordert zusätzliche
Maßnahmen zum Kontrollieren der Bruchebene.
Abriß der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Herstellungsverfahren zu schaffen, bei welchem ein Klammerelement für
eine Welle der oben beschriebenen Art in einer kostengünstigen
und effizienten Art und Weise hergestellt werden kann.
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Um das obige Ziel zu erreichen, ist erfindungsgemäß ein
Verfahren zur Herstellung eines Klammerelements für eine Welle
durch Schmieden eines Vorformlings vorgesehen, wobei das
Klammerelement für eine Welle eine erste Hälfte und eine zweite
Hälfte umfaßt, wobei die Hälften jeweils gegenüberliegende
Paßflächen an in Umfangsrichtung entgegengesetzten Enden einer
halbkreisförmigen Aussparung aufweisen, und wobei die erste
Hälfte und die zweite Hälfte durch eine Mehrzahl von
Gewindeelementen aneinander befestigt werden, und zwar in einem
Zustand, in dem die gegenüberliegenden Paßflächen beider
Hälften zusammengefügt sind, um durch die zwei halbringformigen
Aussparungen ein wellenaufnehmendes Loch zu definieren, wobei
das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:
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Bilden eines ersten und eines zweiten Vorformlings, welche
annähernd die Fgrmen der ersten bzw. zweiten Hälfte aufweisen,
aus einem Leichtlegierungsmaterial;
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Einzelnes Bilden der ersten und der zweiten Hälfte durch
gleichzeitiges Schmieden des ersten und des zweiten
Vorformlings in einem Hohlraum, welcher die Form des
Klammerelements für eine Welle aufweist; und
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Bilden der gegenüberliegenden Paßflächen der Hälften aus einem
Fließen des Leichtlegierungsmaterials während dem Schmieden,
derart, daß eine unbegrenzte Anzahl von zueinander in passender
Beziehung stehenden Vertiefungen und Vorsprüngen erhalten wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen
gegeben.
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Bei dem obigen Klammerelement für eine Welle sind die erste und
die zweite Hälfte leicht und weisen eine hohe Festigkeit auf,
weil sie aus der Leichtlegierung geformte Schmiedeteile sind.
Die Fehlausrichtung zwischen den gegenüberliegenden Paßflächen
der ersten und der zweiten Hälfte und in einer Richtung
parallel zu diesen ist durch die unbegrenzte Anzahl von
zueinander passenden Vertiefungen und Vorsprüngen zuverlässig
verhindert.
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Weil die Vertiefungen und Vorsprünge aus dem Fließen des
Materials gebildet werden, sind sie in diesem Fall extrem
unregelmäßig angeordnet und besitzen jeweils eine sehr kleine
Größe, welche möglicherweise nicht durch maschinelle
Bearbeitung erreicht werden kann. Jegliche zwischen den beiden
Paßflächen erzeugte Belastung kann deshalb verteilt werden, so
daß die Haltbarkeit der Vertiefungs-Vorsprungs-Paßstruktur der
Paßflächen vergrößert wird.
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Es ist somit möglich, ein Klammerelement für eine Welle zu
schaffen, welches leicht ist, eine hohe Festigkeit und eine
verlängerte Lebensdauer aufweist.
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Bei dem obigen Herstellungsverfahren ist eine maschinelle
Bearbeitung der Paßflächen der ersten und der zweiten Hälfte
nicht erfordert und somit können die Anzahl der
Herstellungsschritte und dementsprechend die Herstellungskosten reduziert
werden. Im Vergleich zu dem Fall, in dem ein
Pleuelstangenrohling aus einer ersten und einer zweiten Hälfte, welche
integral gebildet sind, durch Schneiden in zwei Teile geteilt
wird, wird außerdem der durch Bereitstellung eines
Schnittrandes verursachte Materialabfall vermieden und gleichzeitig
kann eine Verringerung der Anzahl von Herstellungsschritten
erreicht werden.
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Es ist somit möglich, ein Klammerelement für eine Welle in
einer kostengünstigen und effizienten Art und Weise
herzustellen.
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Die obigen und weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht einer
Pleuelstange;
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Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht des umrandeten Bereichs,
welcher in Fig. 1 durch den Pfeil 2 gekennzeichnet ist;
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Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines ersten
Pulvervorformlings;
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Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiten
Pulvervorformlings;
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Fig. 5 ist eine Draufsicht des ersten und zweiten
Pulvervorformlings im Querschnitt, welche in einer Schmiedeform
angeordnet sind;
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Fig. 6 ist eine Draufsicht eines Beispiels eines
Pulvervorformlings von integraler Art;
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Fig. 7 ist eine Ansicht, welche einen Simplex-Ermüdungsversuch
für eine Pleuelstange illustriert;
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Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, welche Ergebnisse des
Simplex-Ermüdungsversuchs für verschiedene Pleuelstangen
veranschaulicht;
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Fig. 9 ist eine Draufsicht eines weiteren Beispiels eines
Pulvervorformlings von integraler Art;
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Fig. 10 ist eine Draufsicht eines weiteren
Pleuelstangenrohlings; und
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Fig. 11 ist eine Vorderansicht eines Zugversuchsteils.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Eine Pleuelstange
C als Klammerelement für eine Welle für eine Brennkraftmaschine
ist aus einer Aluminiumlegierung gebildet, welche eine
Leichtlegierung ist. Die Pleuelstange C umfaßt ein
Stangenelement 3 aus Aluminiumlegierung als eine erste Hälfte und
einen halbringförmigen Aufsatz 6 aus einer Aluminiumlegierung
als eine zweite Hälfte. Das Stangenelement 3 umfaßt einen
kleineren Endabschnitt 1 an einem Ende und einen
halbringförmigen Abschnitt 2 an dem anderen Ende zur Bildung eines
großen Endabschnitts. Der halbringförmige Aufsatz 6 ist an dem
halbringförmigen Abschnitt 2 durch eine Mehrzahl,
beispielsweise zwei (in der dargestellten Ausführungsform), Stahlbolzen
4 als Gewindeelemente befestigt, um durch das Zusammenwirken
mit dem halbringförmigen Abschnitt 2 einen großen Endabschnitt
5 der Pleuelstange C zu bilden.
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Der halbringförmige Abschnitt 2 des Stangenelements 3 besitzt
Paßflächen 8 an in Umfangsrichtung entgegengesetzten Enden
einer halbkreisförmigen Aussparung 7, und der Aufsatz 6 besitzt
ebenso Paßflächen 10 an in Umfangsrichtung entgegengesetzten
Enden einer halbkreisförmigen Aussparung 9. Der halbringförmige
Abschnitt 2 und der Aufsatz 6 sind durch die zwei Bolzen 4
miteinander verbunden, wobei ihre gegenüberliegenden Paßflächen
8 und 10 zusammengefügt sind, um eine Kurbelzapfenbohrung 11
als eine wellenaufnehmende Bohrung durch die beiden
halbkreisförmigen Aussparungen 7 und 9 zu definieren.
Bolzeneinsatzbohrungen 12 sind in dem Aufsatz 6 gebildet derart, daß sie
durch die entgegengesetzten Paßflächen 10 des Aufsatzes 6
geöffnet sind, und Innengewindebohrungen 13 sind in dem
halbringförmigen Abschnitt 2 gebildet, derart, daß jede von
ihnen koaxial mit einer der entsprechenden
Bolzeneinsatzbohrungen 12 angeordnet ist. In Fig. 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 14 ein im kleineren Endabschnitt 1 gebildetes
Kolbenzapfenloch.
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Das Stangenelement 3 sowie der Aufsatz 6 sind Schmiedeteile&sub1;
welche gleichzeitig durch Schmieden in einem Hohlraum
hergestellt werden, welcher die gleiche Form wie die
Pleuelstange aufweist, wie im Detail unten beschrieben wird. Die
gegenüberliegenden Paßflächen 8 und 10 werden durch das Fließen
des Materials während dem Schmieden gebildet, um eine
unbegrenzte Anzahl von Vertiefungen a&sub1;, a&sub2; und Vorsprüngen b&sub1;, b&sub2; zu
erhalten, welche in einer zueinander gepaarten und passenden
Beziehung stehen, wie in Fig. 2 gezeigt.
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Somit sind das Stangenelement 3 und der Aufsatz 6 leicht und
von hoher Festigkeit, weil sie Schmiedeteile aus einer
Leichtlegierung sind. Eine Fehlausrichtung zwischen
gegenüberliegenden Paßflächen 8 und 10 des Stangenelements 3 und des
Aufsatzes 6 und in einer Richtung parallel zu diesen wird
zuverlässig durch die unbegrenzte Anzahl von Vertiefungen und
Vorsprüngen a&sub1;, a&sub2;, b&sub1;, b&sub2; verhindert, welche zueinander passen.
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Weil die Vertiefungen und Vorsprünge a&sub1;, a&sub2;, b&sub1;, b&sub2; durch das
Fließen des Materials gebildet sind, sind sie in diesem Fall
extrem unregelmäßig angeordnet und weisen alle eine sehr kleine
Größe auf, was möglicherweise nicht durch irgendeine
maschinelle Bearbeitung geschaffen werden kann. Es ist somit
möglich, eine zwischen den Paßflächen 8 und 10 erzeugte
Beanspruchung zuverlässig zu verteilen, um eine verbesserte
Haltbarkeit durch eine Vertiefungs-Vorsprungs-Anpaßstruktur in
den Paßflächen 8 und 10 zu schaffen.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange C dieser
Erfindung durch Anwendung einer Pulverschmiedetechnik wird nun
beschrieben.
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Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird ein Aluminiumlegierungspulver
einem Kaltpressen unterzogen, um einen ersten Pulvervorformling
herzustellen, welcher eine Form ähnlich der Form des
Stangenelements 3 aufweist. In diesem Fall werden keine
Innengewindebohrungen 13 in dem Abschnitt 16 gebildet, welcher
dem halbringförmigen Abschnitt 2 entspricht, und es wird kein
Kolbenzapfenloch 14 im Abschnitt 17 gebildet, welcher dem
kleineren Endabschnitt 1 entspricht.
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Wie in Fig. 4 gezeigt, wird ein Aluminiumlegierungspulver
kaltgepreßt, um einen zweiten Pulvervorformling 18
herzustellen, welcher eine Form ähnlich der Form des Aufsatzes
6 aufweist. In diesem Fall werden keine Bolzeneinsatzbohrungen
12 im zweiten Pulvervorformling gebildet.
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Beide Pulvervorformlinge 15 und 18 werden unter Verwendung
eines Hochfrequenz-Induktionsheizofens auf eine
Schmiedetemperatur geheizt.
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Wie in Fig. 5 gezeigt, werden der geheizte erste
Pulvervorformling und zweite Pulvervorformling 15 und 18 in einem
Hohlraum 21 angeordnet, welcher die gewünschte Form der
Pleuelstange in einer unteren Gesenkform oder Form 20 einer
Pulverschmiedeform definiert aufweist, derart, daß ihre den
Paßflächen 8 und 10 entsprechenden Flächen 22 und 23 einander
benachbart angeordnet sind und einander gegenüber liegen.
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Der erste und der zweite Pulvervorformling 15 und 18 werden
gleichzeitig einem Schmiedeschritt unterzogen, um ein
Stangenelement 3 sowie einen Aufsatz 6 herzustellen. Das
Stangenelement 3 und der Aufsatz 6 weisen eine unbegrenzte
Anzahl von Vertiefungen und Vorsprüngen a&sub1;, a&sub2;, b&sub1;, b&sub2; auf, die
in zueinander passender Beziehung durch das Fließen des
Materials gebildet sind, welches während dem Schmieden von
einer der Flächen 22 und 23 zur anderen Fläche und/oder
umgekehrt bewirkt wurde. Die Paßflächen 8 und 10 des
Stangenelements 3 und des Aufsatzes 6 sind nach dem Schmieden
zusammengesetzt, aber können nach Entfernung aus der Form 20
leicht getrennt werden.
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Das Stangenelement 3 wird maschinell bearbeitet, um ein
Kolbenzapfenloch 14, Innengewindebohrungen 13 und dgl. zu
bilden, und der Aufsatz 6 wird maschinell bearbeitet, um
Bolzeneinsatzbohrungen 12 zu bilden. Die Paßflächen 8 und 10
werden nicht maschinell bearbeitet.
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Die gegenüberliegenden Paßflächen 8 und 10 des Stangenelements
3 und des Aufsatzes 6 werden mit ihren zusammenpassenden
Vertiefungen und Vorsprüngen a&sub1;, a&sub2;, b&sub1;, b&sub2; zusammengesetzt. Der
Aufsatz 6 wird mittels Bolzen 4 an dem Stangenelement 3
befestigt.
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Die Innenumfangsfläche des durch die beiden halbkreisförmigen
Aussparungen 7 und 9 gebildeten Kurbelzapfenlochs 11 wird, im
zusammengebauten Zustand, maschinell bearbeitet, um die
Pleuelstange C fertigzustellen.
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Bei dem oben beschriebenen Verfahren ist eine maschinelle
Bearbeitung jeder der Paßflächen 8 und 10 des Stangenelements
3 und des Aufsatzes 6 nicht erforderlich und somit können die
Anzahl der Herstellungsschritte sowie die Herstellungskosten
dementsprechend reduziert werden. Verglichen mit dem Fall, in
dem eine Pleuelstange mit einem Stangenelement 3 und einem
Aufsatz 6, welche integral miteinander gebildet wurden, zum
Teilen in zwei Abschnitte geschnitten wird, ist zudem der
Materialabfall aufgrund des Vorsehens eines Schneiderands
vermieden und gleichzeitig wird eine Verringerung der Anzahl
von Herstellungsschritten erreicht.
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Typische Beispiele der Materialien, der Verfahren, der
Testverfahren und dgl. dieser Erfindung werden nun beschrieben.
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Ein geschmolzenes Metall mit einer
Aluminiumlegierungszusammensetzung von Al91,5 Fe5,5 Ti&sub1;, Si&sub2; (jede der Zahlen
repräsentiert Atom-%) wurde hergestellt und dann einem
Luftzerstäubungsverfahren unterzogen, um ein
Aluminiumlegierungspulver herzustellen. Danach wurde das
Aluminiumlegierungspulver zur Auswahl von Partikeln mit einer
Partikelgröße gleich oder kleiner als 149 µm klassifiziert,
wodurch ein erstes Aluminiumlegierungspulver hergestellt wurde.
Die Bestandteile in der Zusammensetzung dieses ersten
Aluminiumlegierungspulvers werden durch Gewichts-% dargestellt,
wie unten in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
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Ein zweites geschmolzenes Metall mit einer durch A2024 - 25 %
(Gewicht) Si repräsentierten Aluminiumlegierungszusammensetzung
wurde dann ebenfalls einem Luftzerstäubungsverfahren sowie
einer Klassifizierung zur Auswahl von Partikeln mit einer
Partikelgröße gleich oder kleiner als 149 µm unterzogen,
wodurch ein zweites Aluminiumlegierungspulver hergestellt
wurde.
Beispiel A
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Eine Pleuelstange C&sub1; wurde entsprechend der oben beschriebenen
Prozedur unter Verwendung des ersten Aluminiumlegierungspulvers
hergestellt.
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Beim Pressen des ersten Aluminiumlegierungspulvers zu einem
ersten Pulvervorformling 15 wurde der Preßdruck auf 5
Tonnen/cm² eingestellt und die relative Dichte des ersten
Pulvervorformlings 15 betrug etwa 80 %. Bei einem Pressen des
ersten Äluminiumlegierungspulvers zu einem zweiten
Pulvervorformling 18 wurde der Preßdruck auf 5 Tonnen/cm² eingestellt
und die relative Dichte des zweiten Pulvervorformlings 18
betrug etwa 80 %. In einem Hochfrequenz-Induktionsheizschritt
wurden die Pulvervorformlinge 15 und 18 für 4 Minuten auf 580ºC
(853 K) geheizt und bei einer derartigen Temperatur zum
Ausgasen für 10 Sekunden gehalten. In einem Schmiedeschritt
wurde die Temperatur der Form 20 auf 20000 (473 K) eingestellt,
und die Preßkraft wurde auf 8 Tonnen/cm² eingestellt. Nach dem
Heizen wurden die Pulvervorformlinge 15 und 18 unmittelbar
diesem Schmiedeschritt unterworfen. Die relative Dichte des
gebildeten Stangenelements 3 und des Aufsatzes 6 nach dem
Schmiedeschritt war etwa 99,8 % oder mehr. Paßflächen 8 und 10
des Stangenelements 3 und des Aufsatzes 6 wurden mit einer
unbegrenzten Anzahl von Vertiefungen und Vorsprüngen a&sub1;, a&sub2;, b&sub1;,
b&sub2; versehen. Das Gewicht der Pleuelstange C&sub1; nach der
maschinellen Bearbeitung betrug 320 g.
Beispiel B
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Eine Pleuelstange C&sub2; mit dem gleichen Aufbau wie in Beispiel A
wurde unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel A
hergestellt, außer daß das zweite Aluminiumlegierungspulver als
Material für den Aufsatz 6 verwendet wurde. Bei dieser
Pleuelstange C&sub2; wurden die gegenüberliegenden Paßflächen 8 und 10 des
Stangenelements 3 und des Aufsatzes 6 mit einer unbegrenzten
Anzahl von Vertiefungen und Vorsprüngen a&sub1;, a&sub2;, b&sub1;, b&sub2; versehen,
welche offensichtlich aufgrund der unterschiedlichen für die
zwei Komponenten verwendeten Materialien tiefer geformt oder
geschnitten waren als diejenigen im Beispiel A. Das Gewicht der
Pleuelstange C&sub2; nach der maschinellen Bearbeitung betrug 316 g.
Vergleichsbeispiel
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Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, wurde für ein Vergleichsbeispiel
das erste Aluminiumlegierungspulver kaltgepreßt, um einen
integralen Pulvervorformling 24 herzustellen, der eine Form
ähnlich zu der der kombinierten ersten und zweiten, miteinander
verbundenen Pulvervorformlinge 15 und 18 aufweist. Der
Preßdruck wurde auf 5 Tonnen/cm² eingestellt und die relative
Dichte des integralen Pulvervorformlings 24 betrug etwa 80 %.
Danach wurde der integrale Pulvervorformling 24 der Reihe nach
bei den gleichen Bedingungen wie in Beispiel A geheizt und
geschmiedet, um einen integralen Pleuelstangenrohling
herzustellen. Dann wurde der integrale Pleuelstangenrohling zur
Teilung in ein Stangenelement 3 und einen Aufsatz 6 einem
Schneideschritt unterzogen und dann einem maschinellen
Endbearbeitungsschritt unterzogen, um flache Paßflächen 8 und
10 zu bilden, wodurch eine Pleuelstange C&sub3; hergestellt wurde.
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Das Gewicht der Pleuelstange C&sub3; nach der maschinellen
Bearbeitung betrug 320 g.
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Wie in Fig. 7 gezeigt, wurde ein herkömmlicher Simplex-
Ermüdungsversuch für die Pleuelstangen C&sub1;, C&sub2; und C&sub3;
durchgeführt, welche in den Beispielen A bzw. B bzw. dem
Vergleichsbeispiel hergestellt wurden. Dieser Versuch wurde
durchgeführt, indem Stäbe 25 und 26 durch das Kolbenzapfenloch
14 und das Kurbelzapfenloch 11, beispielsweise in die
Pleuelstange C&sub1;, eingesetzt wurden, die entgegengesetzten Enden jeder
der Stäbe 25 und 26 an einer hydraulischen
Ermüdungstestmaschine abgestützt wurden und wiederholt eine Zugbelastung auf
die Pleuelstange C&sub1; ausgeübt wurde, und zwar bei einer
Temperatur von 150ºC (423 K) und bei R (= Minimalbelastung /
Maximalbelastung) mit einem Wert von 0,1.
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Fig. 8 veranschaulicht Ergebnisse des Simplex-Ermüdungsversuchs
für die Pleuelstangen C&sub1;, C&sub2; und C&sub3;. Bei dieser Art von
Ermüdungstest ist es im allgemeinen akzeptiert, daß bei den 10&sup7;
Malen oder Anwendungszyklen die Dauerbelastung für eine
praktisch verwendbare Pleuelstange mit wenigstens 3.500 kg
erfordert wird, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 8
gezeigt.
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Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß die Pleuelstangen C&sub1; und C&sub2; der
Beispiele A und B das oben beschriebene Erfordernis erfüllen.
Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß eine wie oben
beschriebene mögliche Fehlausrichtung zwischen den Paßflächen
8 und 10 des Stangenelements 3 und des Aufsatzes 6 durch die
Vertiefungen und Vorsprünge a&sub1;, a&sub2;, b&sub1;, b&sub2; verhindert wird und
somit sowohl das Stangenelement 3 als auch der Aufsatz 6 die
Belastung aufnehmen.
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Dagegen ist die 10&sup7; mal angewandte Dauerbelastung für die
Pleuelstange C&sub3; des Vergleichsbeispiels 3.200 kg und somit
erfüllt diese Pleuelstange nicht ein derartiges Erfordernis.
Bei der Pleuelstange C&sub3; trat ein beginnend an der Schulter S
(siehe Fig. 1) des großen Endes als Startpunkt ein Bruch auf.
Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß eine wie oben
beschriebene Fehlausrichtung zwischen den Paßflächen 8 und 10
des Stangenelements 3 und des Aufsatzes 6 im Laufe der Zeit
erzeugt wurde und in der Folge lediglich das Stangenelement 3
die Belastung aufgenommen hat.
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Was das Gewicht der Pleuelstangen betrifft, so ist das Gewicht
der Pleuelstange C&sub1; 320 g; das Gewicht der Pleuelstange C&sub2; ist
316 g; und das Gewicht einer Stahlpleuelstange mit dem gleichen
Volumen wie das der Stangen C&sub1; und C&sub2; ist 540 g. Deshalb wurde
bei den Pleuelstangen C&sub1; und C&sub2; verglichen mit der
Stahlpleuelstange eine Verringerung von etwa 40 % des Gewichts erzielt.
Diese Verringerung im Gewicht erlaubt es, die Maximalzahl von
Umdrehungen pro Minute einer Brennkraftmaschine um etwa 650 UpM
zu erhöhen. Außerdem können die Herstellungskosten durch die
Verringerung der Anzahl von Herstellungsschritten um etwa 3 %
verringert werden.
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Es gibt ein bekanntes Herstellungsverfahren nach dem Stand der
Technik für einen ähnlichen Zweck wie in der vorliegenden
Erfindung (siehe beispielsweise US-Patent Nr. 4,923,674),
welches ein Kaltpressen eines Stahlpulvers in einer Form
umfaßt, um einen Pulvervorformling 29 (siehe Fig. 9) zu formen,
welcher wie in dem oben beschriebenen Vergleichsbeispiel von
der Art eines integralen Vorformlings ist und welcher Kerben 28
an gegenüberliegenden Grenzen zwischen einem dem
halbringförmigen Abschnitt 2 entsprechenden Abschnitt 16 und einem dem
Aufsatz 6 entsprechenden Abschnitt 27 und in der
Innenumfangsfläche des Kurbelzapfenlochs 11 aufweist. Der Pulvervorformling
29 wird einem Schmiedeschritt unterzogen, um einen integralen
Pleuelstangenrohling zu schaffen und dann den integralen
Pleuelstangenrohling durch Auseinanderreißen an den Kerben 28
in ein Stangenelement 3 und einen Aufsatz 6 zu zerbrechen, um
Risse aufgrund der beiden Kerben 28 zu bewirken.
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Zum Zweck der Verwendung oder dem Testen dieser Technik wurde
eine integrale Pleuelstange 30 (siehe Fig. 10) unter Verwendung
des ersten Aluminiumlegierungspulvers hergestellt und durch
Ziehen zerbrochen. Als Folge schritten die Bruchlinien schräg
von den beiden Schlitzen 31 fort, welche vergleichbar den
Kerben 28 gebildet wurden und ein Abschnitt eines sich längs
der Bruchlinie 32 erstreckenden Bereichs wurde plastisch
deformiert, wodurch ein Zusammensetzen des
Stangenelementabschnitts 33 und des Aufsatzabschnitts 34 beim Versuch, die
Abschnitte wieder zusammenzubauen, fehlschlug.
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Wenn ein Aluminiumlegierungspulver mit einer geringen Zähigkeit
verwendet wird, schreitet die Bruchlinie im wesentlichen gerade
fort, allerdings ist eine derartige Legierung als eine
Aluminiumlegierung für eine Pleuelstange ungeeignet.
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Es wurde daher die Erfahrung gemacht, daß es unmöglich ist, das
oben beschriebene Stahlpulververfahren nach dem Stand der
Technik als ein Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange
aus einer Aluminiumlegierung anzuwenden.
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Bei der Herstellung einer Pleuelstange aus Aluminiumlegierung
durch Verwendung einer Pulverschmiedetechnik wurden, um die
Festigkeit und Zähigkeit der Pleuelstange zu erhöhen,
verschiedene Untersuchungen hinsichtlich der Zusammensetzung
des Aluminiumlegierungspulvers und des Verfahrens zur
Herstellung desselben angestellt, um ein Ergebnis zu erzielen,
welches unten beschrieben wird.
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Es gibt üblicherweise bekannte Aluminiumlegierungspulver zum
Pulverschmieden, wobei der Si-Gehalt in einem Bereich von Si ≥
4,0 Gewichts-% festgelegt ist, um eine erhöhte Festigkeit eines
Bauelements wie einer Pleuelstange zu erzielen (siehe
beispielsweise die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr.
78708/93 (5-78708)). Wenn der Si-Gehalt in dem Bereich von Si
≥ 4 Gewichts-% festgelegt ist, ist das
Aluminiumlegierungspulver jedoch von dem Problem begleitet, daß ein hergestelltes
Bauelement eine reduzierte Zähigkeit aufgrund der Tatsache
aufweist, daß ein Si-Kristall in dessen metallographischer
Struktur enthalten ist.
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Deshalb haben die Erfinder im vorliegenden Fall ein
Aluminiumlegierungspulver entwickelt, bei welchem das obige Problem
durch eine Zusammensetzung gelöst werden kann, welche umfaßt:
Fe in einem Gehalt von 7 Gewichts-% ≤ Fe ≤ 15 Gewichts-%, Si in
einem Gehalt von 1 Gewichts-% ≤ Si < 4 Gewichts-%, wenigstens
ein Legierungselement X, welches aus der Ti, Zr, Mn, Ni, Cr, V,
Mg und Mm (Mischmetall) umfassenden Gruppe gewählt ist, mit
einem Gehalt von 1 Gewichts-% ≤ X ≤ 3 Gewichts-% und den Rest
von Al (welches in manchen Fällen unvermeidbare
Verunreinigungen enthalten kann), und welches durch Verwendung eines
Luftzerstäubungsverfahrens hergestellt wird.
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Bei diesem Aluminiumlegierungspulver kann der Si-Kristall nicht
entstehen, weil der Si-Gehalt kleiner als 4 Gewichts-%
festgelegt ist, und das Erfordernis, die zähigkeit zu erhöhen,
ist erfüllt. Ein Mangel an Festigkeit durch eine Reduzierung
des Si-Gehaltes wird durch Fe und X kompensiert, indem der Fe-
Gehalt und der X-Gehalt in der obigen Weise spezifiziert ist.
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Wenn ein Luftzerstäubungsverfahren bei der Herstellung eines
Aluminiumlegierungspulvers verwendet wird, sind andererseits
die Partikel des resultierenden Aluminiumlegierungspulvers
nicht-sphärisch und unregelmäßig in ihrer Gestalt. Wenn ein aus
diesem Aluminiumlegierungspulver gebildeter Grünling mit einem
aus einem durch ein Gaszerstäubungsverfahren hergestellten und
eine im wesentlichen runde Gestalt aufweisenden
Aluminiumlegierungspulver gebildeten Grünling verglichen wird, so ist
eine Preßverformungsfähigkeit einzelner Partikel des ersteren
Aluminiumlegierungspulvers bei einem Pulverschmiedevorgang
größer als die des letzteren Aluminiumlegierungspulvers, was zu
einer besseren Bindungsfähigkeit von Partikeln untereinander
führt.
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Weil ein rasches Heizen für eine kurze Zeit beim Durchführen
des Pulverschmiedeverfahrens eingesetzt wird, werden die
metallographischen Strukturen des Aluminiumlegierungspulvers
der oben beschriebenen Zusammensetzung nicht gröber gemacht und
deshalb kann die Schmiedetemperatur Tf in einem großen
Temperaturbereich eingestellt werden, beispielsweise in einem
Bereich von 550ºC (823 K) < Tf < 650ºC (923 K). Deshalb kann
der Verformungswiderstand des Aluminiumlegierungspulvers
verringert werden, um dessen Kompatibilität zu steigern.
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Somit kann die Bindungskraft zwischen den
Aluminiumlegierungspulver-Partikeln gesteigert werden und die Vergröberung und das
Ungleichmäßigwerden der metallographischen Struktur unterdrückt
werden, und damit eine Pleuelstange aus Aluminiumlegierung
herstellen, welche eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit
aufweist.
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Allerdings bewirkt ein Fe-Gehalt von weniger als 7 Gewichts-%
eine reduzierte Festigkeit einer hergestellten Pleuelstange,
und andererseits hat ein Fe-Gehalt von mehr als 15 Gewichts-%
eine reduzierte Zähigkeit einer hergestellten Pleuelstange zur
Folge. Ein Si-Gehalt von weniger als 1 Gewichts-% liefert eine
reduzierte Zähigkeit einer hergestellten Pleuelstange, weil ein
AlX-basierter intermetallischer Verbund kristallisiert oder
ausgeschieden wird; andererseits liefert ein Si-Gehalt gleich
oder größer als 4 Gewichts-% ebenfalls eine reduzierte
Zähigkeit einer hergestellten Pleuelstange, und zwar als eine
Folge der Ausscheidung eines Si-Kristalls. Mit einem X-Gehalt
von weniger als 1 Gewichts-% weist eine hergestellte
Pleuelstange eine reduzierte Zähigkeit auf, weil ein AlFeSi-basierter
intermetallischer Verbund sowie ein AlFe-basierter
intermetallischer Verbund nadelförmig kristallisieren. Mit einem X-
Gehalt von mehr als 3 Gewichts-% weist eine hergestellte
Pleuelstange andererseits ebenfalls eine reduzierte Zähigkeit
auf, weil ein AlX-basierter intermetallischer Verbund sowie ein
AlXSi-basierter intermetallischer Verbund kristallisieren oder
in zusammenhängender Weise ausgeschieden werden.
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Nun wird die Festigkeit, die Zähigkeit und dgl. der unter
Verwendung des oben beschriebenen Aluminiumlegierungspulvers
hergestellten Schmiedeteile betrachtet.
Beispiel 1
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(A) Es wurden geschmolzene Metalle mit verschiedenen
Aluminiumlegierungszusammensetzungen hergestellt, und zwar mit
variierenden Gehalten von Fe, Si, Ti und Mg, und dann einem
Luftzerstäubungsverfahren unterzogen, um verschiedene
Aluminiumlegierungspulver mit unterschiedlichen
Zusammensetzungen herzustellen. Danach wurde jedes der
Aluminiumlegierungspulver einer Klassifizierung unterzogen, um
Aluminiumlegierungspulverpartikel mit einer Partikelgröße
(longitudinale Länge) gleich oder kleiner als 150 µm
auszuwählen.
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Jede der 13 unterschiedlichen Aluminiumlegierungspulver, welche
Partikel mit einer Partikelgröße gleich oder geringer als 150
µm aufweisen, wurde bei einem Preßdruck von 4 Tonnen/cm²
kaltgepreßt, um einen scheibenartigen Pulvervorformling mit
einem Durchmesser von 75 mm und einer Dicke von 27 mm
bereitzustellen.
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Jeder Pulvervorformling wurde einzeln in einen Hochfrequenz-
Induktionsheizofen gebracht, in dem er für etwa 5 Minuten auf
eine Schmiedetemperatur Tf, beispielsweise 570ºC, geheizt
wurde, und auf dieser Temperatur zum Ausgasen für 10 Sekunden
gehalten wurde. Dann wurde jeder Pulvervorformling in eine auf
200ºC geheizte Form in einer Pulverschmiedemaschine
eingebracht, wo er bei einer Schmiedetemperatur Tf von 570ºC und
einem Preßdruck von 7 Tonnen/cm² einem Pulverschmieden
unterzogen wurde, um ein scheibenartiges Schmiedeteil mit einem
Durchmesser von 78 mm und einer Dicke von 20 mm zu bilden. Dann
wurde das Schmiedeteil sofort mit Wasser gekühlt.
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Ein wie in Fig. 11 gezeigtes Zugversuchstück wurde aus jedem
der Schmiedeteile hergestellt. Bei dem in Fig. 11 gezeigten
Zugversuchsstück gilt: Länge a&sub1; = 52 mm; Länge a&sub2; des
Gewindeabschnitts = 14 mm; Länge a&sub3; zwischen den beiden
Gewindeabschnitten = 24 mm; Durchmesser a&sub4; des Abschnitts mit
kleinerem Durchmesser = 4,8 mm; Radius r eines Abschnitts
zwischen dem Abschnitt mit kleinerem Durchmesser und dem
Gewindeabschnitt = 10 mm; nominelles Gewindemaß M12, Steigung
= 1,25. Diese Versuchsstücke wurden bei Raumtemperatur einem
Zugversuch unterzogen. Es wurden auch Stücke für einen
Kerbschlagbiegeversuch (englisch: charpy impact test) mit
Abmessungen von 5 mm x 5 mm x 55 mm und ohne Kerbe hergestellt
und einem Kerbschlagbiegeversuch unterzogen.
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Tabelle 2 zeigt die Zusammensetzungen der Schmiedestücke (1)
bis (13) und die Ergebnisse der Versuche. In Tabelle 2 können
unvermeidbare Verunreinigungen im Rest bei der Spalte von Al
enthalten sein.
Tabelle 2
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Acht weitere, geschmiedete Aluminiumlegierungsversuchsstücke
mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wurden als
Vergleichsbeispiele in der gleichen Art und Weise wie oben beschrieben
hergestellt. Tabelle 3 zeigt die Zusammensetzungen dieser
Schmiedeteile (1a) bis (8a) als Vergleichsbeispiele und die
Ergebnisse der Versuche. In Tabelle 3 können unvermeidbare
Verunreinigungen in dem Rest bei der Spalte von Al enthalten
sein.
Tabelle 3
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Wie es aus dem Vergleich der Tabellen 2 und 3 ersichtlich ist,
hat jedes der Schmiedeteile (1) bis (13) - weil deren
Zusammensetzung in den oben beschriebenen Bereich fällt - eine
relativ hohe Festigkeit und prozentuale Bruchdehnung, und ein
Kerbschlagbiegewert ist verglichen mit denen der Schmiedeteile
(1a) bis (3a) und (5a) bis (8a) beträchtlich erhöht und weist
somit eine hohe Zähigkeit auf. Das Schmiedeteil (4a) der
Vergleichsbeispiele besitzt eine akzeptable Zähigkeit, weist
jedoch eine geringe Festigkeit auf.
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Um sicherzustellen, daß das Schmiedeteil eine hohe Zähigkeit
besitzt, ist ein Kerbschlagbiegewert erforderlich, der gleich
oder größer als 0,20 J/mm² ist. Ein Kerbschlagbiegewert von
weniger als 0,20 J/mm² führt bei einer Belastung, welche
niedriger als die intrinsische Festigkeit ist, zu einem Bruch,
wobei dieser in einem frühen Stadium von einem kerbenartigen
Abschnitt, beispielsweise einem Tal einer Innengewindebohrung,
fortschreitet, wenn die Zähigkeit des Schmiedeteils reduziert
wird.
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(B) Um die bevorzugte Schmiedetemperatur Tf zu bestätigen,
wurden verschiedene Schmiedeteile (9&sub1;) bis (9&sub4;) in der gleichen
Weise hergestellt, und zwar unter Verwendung des
Aluminiumlegierungspulvers, welches bei der Herstellung des in Tabelle
2 gezeigten Schmiedeteils (9) verwendet wurde und eine
Zusammensetzung mit 10 Gewichts-% von Fe, 2 Gewichts-% von Si,
1 Gewichts-% von Ti und dem Rest von Al aufweist, wobei jedoch
die Schmiedetemperatur Tf variiert wurde.
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Zugversuchsstücke, welche den oben beschriebenen ähnlich sind,
wurden aus den Schmiedeteilen (9&sub1;) bis (9&sub4;) hergestellt und
einem Zugversuch bei Raumtemperatur unterzogen.
Kerbschlagbiegeversuchsstücke, welche den oben beschriebenen
ähnlich sind, wurden ebenfalls hergestellt und einem
Kerbschlagbiegeversuch unterzogen.
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Tabelle 4 zeigt die Schmiedetemperatur und Versuchsergebnisse
für die Schmiedeteile (9) aus Tabelle 2 sowie (9&sub1;) bis (9&sub4;).
Tabelle 4
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Wie es aus Tabelle 4 ersichtlich ist, ist es möglich,
Steigerungen in der Festigkeit und Zähigkeit des Schmiedeteils
zu erzielen, indem die Schmiedetemperatur Tf in einem Bereich
von 550ºC < Tf < 650ºC eingestellt wird. Falls die
Schmiedetemperatur Tf oder kleiner als 550ºC ist, so wird eine
Steigerung in der Festigkeit eines hergestellten Schmiedeteils
erzielt, allerdings weist das Schmiedeteil eine geringere
Zähigkeit auf, und zwar aufgrund einer unzureichenden
Bindungskraft zwischen den Aluminiumlegierungspulverpartikeln.
Wenn die Schmiedetemperatur Tf andererseits gleich oder größer
als 650ºC ist, so wird eine Steigerung in der Zähigkeit bei
einem hergestellten Schmiedeteil erzielt, allerdings weist das
Schmiedeteil eine geringere Festigkeit auf, und zwar aufgrund
einer zusammengewachsenen metallographischen Struktur des
Aluminiumlegierungspulvers.
Beispiel 2
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Es wurde ein geschmolzenes Metall einer Legierung mit einer
zusammensetzung mit 10 Gewichts-% von Fe, 2 Gewichts-% von Si,
2 Gewichts-% von X und dem Rest von Al (enthaltend
unvermeidbare Verunreinigungen) hergestellt (wobei X ein
Legierungselement ist, welches aus der Zr, Mn, Ni, Cr, V, Mg
und Mm (Mischmetall) umfassenden Gruppe gewählt ist). Dann
wurden verschiedene Schmiedeteile (14) bis (20) in der gleichen
Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt.
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Zugversuchsstücke, welche ähnlich den oben beschriebenen sind,
wurden aus dem Schmiedeteil hergestellt und einem Zugversuch
bei Raumtemperatur unterzogen. Kerbschlagbiegeversuchsstücke,
welche ähnlich den oben beschriebenen sind, wurden ebenfalls
hergestellt und einem Kerbschlagbiegeversuch unterzogen.
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Tabelle 5 zeigt die Art des Legierungselements X und die
Ergebnisse der Versuche für die Schmiedeteile (14) bis (20).
Tabelle 5
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Aus Tabelle 5 ist ersichtlich, daß jedes der Schmiedeteile eine
hohe Festigkeit und eine hohe zähigkeit aufweist, und zwar
vergleichbar mit den in Tabelle 2 gezeigten Schmiedeteilen (1)
bis (13) des Beispiels 1.
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Um die Überlegenheit der Schmiedeteile (1) bis (20) zu
bestatigen, wurden Vergleichsbeispiel 1 bis 4 durchgeführt.
Vergleichsbeispiel 1
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Es wurde ein geschmolzenes Metall mit einer Al-Si-basierten, in
Tabelle 6 gezeigten Legierungszusammensetzung hergestellt.
Tabelle 6
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Dann wurde das geschmolzene Metall einem
Luftzerstäubungsverf ahren unterzogen, um ein Aluminiumlegierungspulver
herzustellen. Danach wurde das Aluminiumlegierungspulver einer
Klassifizierung unterzogen, um
Aluminiumlegierungspulverpartikel mit einer Partikelgröße (longitudinale Länge)
gleich oder kleiner als 150 µm auszuwählen. Das
Aluminiumlegierungspulver mit den Partikeln mit einer Partikelgröße
gleich oder kleiner als 150 µm wurde bei einem Preßdruck von 4
Tonnen/cm² einem Kaltpressen unterzogen, um einen
scheibenartigen Pulvervorformling mit einem Durchmesser von 75 mm und
einer Dicke von 27 mm bereitzustellen.
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Der Pulvervorformling wurde in einen
Hochfrequenz-Induktionsheizofen eingebracht, wo er für etwa 5 Minuten auf 570ºC
aufgeheizt wurde und auf dieser Temperatur zum Ausgasen für 10
Sekunden gehalten wurde. Dann wurde der Pulvervorformling in
eine auf 200ºC geheizte Form in einer Pulverschmiedemaschine
eingebracht, wo er einem Pulverschmieden bei einer
Schmiedetemperatur Tf von 570ºC und einem Preßdruck von 7
Tonnen/cm² unterzogen wurde, um ein scheibenartiges
Schmiedeteil mit einem Durchmesser von 78 mm und einer Dicke
von 20 mm zu bilden. Dann wurde das Schmiedeteil sofort mit
Wasser gekühlt. Nachdem es mit Wasser gekühlt wurde, wurde das
Schmiedeteil unter Bedingungen von 170ºC und 10 Stunden einer
Alterungsbehandlung unterzogen.
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Ein Zugversuchsstück, welches ähnlich den oben beschriebenen
ist, wurde aus dem Schmiedeteil hergestellt und einem
Zugversuch bei Raumtemperatur unterzogen. Ein
Kerbschlagbiegeversuchsstück wurde ebenfalls hergestellt und einem
Kerbschlagbiegeversuch unterzogen.
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Als ein Ergebnis wurde die Erfahrung gemacht, daß das
Schmiedeteil eine hohe Zugfestigkeit von 500 MPa bei Raumtemperatur
aufwies, jedoch eine Bruchdehnung von 0 % und einen
Kerbschlagbiegewert von 0,05 J/mm² aufwies und somit eine extrem
geringe Zähigkeit hatte. Dies ist dem extrem hohen Si-Gehalt in
der Al-Si-basierten Legierung zuzuschreiben.
Vergleichsbeispiel 2
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Es wurden verschiedene geschmolzene Metalle hergestellt, welche
eine Al-Fe-Si-X-basierte Legierungszusammensetzung aufwiesen,
in welcher die Fe-, Si- und X-Gehalte in jeweils spezifizierte
Bereiche fielen. Dann wurden die geschmolzenen Metalle einem
Ar-Gas-Zerstäubungsverfahren unterzogen, um verschiedene
Aluminiumlegierungspulver herzustellen, welche im wesentlichen
sphärische Partikel aufweisen. Danach wurden unter Verwendung
der Aluminiumlegierungspulver verschiedene Schmiedeteile (9a)
bis (16a) in der gleichen Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt.
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Aus den Schmiedeteilen (9a) bis (16a) wurden Zugversuchsstücke
hergestellt, welche ähnlich den oben beschriebenen sind, und
einem Zugfestigkeitsversuch bei Raumtemperatur unterzogen.
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Kerbschlagbiegeversuchsstücke ähnlich den oben beschriebenen
wurden ebenfalls hergestellt und einem Kerbschlagbiegeversuch
unterzogen.
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Tabelle 7 zeigt die Zusammensetzungen der Schmiedeteile (9a)
bis (16a) und die entsprechenden Ergebnisse der Versuche. In
Tabelle 7 können unvermeidbare Verunreinigungen in dem Rest bei
der Spalte von Al enthalten sein.
Tabelle 7
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Wie es aus dem Vergleich der Tabellen 7 und 2 ersichtlich ist,
besitzt jedes der Schmiedeteile (9a) bis (16a) in Tabelle 7
verglichen mit den Schmiedeteilen (1) bis (13) in Tabelle 2
eine geringe Festigkeit und eine geringe Zähigkeit. Bei den
Schmiedeteilen (9a) bis (16a) in Tabelle 7 sind diese Mängel
einer geringen Preßverformbarkeit und einer mäßigen
Bindungsfähigkeit der einzelnen
Aluminiumlegierungspulverpartikel, welche einen Pulvervorformling bei einem
Pulverschmiedevorgang bilden, zuzuschreiben, und zwar aufgrund
der Verwendung des Aluminiumlegierungspulvers mit den im
wesentlichen sphärischen Partikeln, welche durch das Ar-Gas-
Zerstäubungsverfahren hergestellt wurden.
Vergleichsbeispiel 3
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Unter Verwendung der beim Vergleichsbeispiel 2 beschriebenen
Aluminiumlegierungspulver, welche durch das Ar-Gas-
Zerstäubungsverfahren hergestellt wurden und Partikel mit einer
Partikelgrößer gleich oder kleiner als 150 µm aufweisen, wurden
verschiedene, kurze säulenförmige Blöcke (Pulvervorformlinge)
mit einem Durchmesser von 80 mm und einer Länge von 80 mm durch
eine Kaltpressung bei einem Preßdruck von 4 Tonnen/cm²
hergestellt. Jeder der Blöcke wurde in einen Aluminiumbehälter
eingebracht und einer Vakuum-Ausgasbehandlung bei 300ºC
ausgesetzt und dann wurde ein Belüftungsloch des Behälters
geschlossen. Jeder in dem Behälter umschlossene Block wurde
einer Warmextrusion bei einer Extrusionstemperatur von 300ºC
und einem Extrusionsverhältnis von etwa 7 zu 1 unterzogen,
wodurch acht stabartige Extrudate (17a) bis (24a) hergestellt
wurden.
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Zugversuchsstücke ähnlich den oben beschriebenen wurden aus den
Extrudaten (17a) bis (24a) hergestellt und einem Dauerversuch
bei Raumtemperatur unterzogen. Kerbschlagbiegeversuchsstücke
ähnlich den oben beschriebenen wurden ebenfalls hergestellt und
einem Kerbschlagbiegeversuch unterzogen.
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Tabelle 8 zeigt die Zusammensetzungen der Extrudate (17a) bis
24(a) und die entsprechenden Ergebnisse der Versuche. In
Tabelle 8 können unvermeidbare Verunreinigungen in dem Rest bei
der Spalte von Al enthalten sein.
Tabelle 8
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Aus Tabelle 8 ist ersichtlich, daß jedes der Extrudate (17a)
bis (24a) eine hohe Festigkeit besitzt, jedoch eine geringe
Zähigkeit aufweist.
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Dies beruht auf dem folgenden Grund. Weil die Bindung von
Aluminiumlegierungspulverpartikeln aneinander beim
Extrusionsvorgang erfolgt, ist die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur jedes
der Extrudate (17a) bis (24a) gesteigert, aber der
Verformungswiderstand des Blocks ist aufgrund der niedrigen
Extrusionstemperatur hoch, und die metallographische Struktur ist
aufgrund der Extrusion selbst ungleichmäßig. Aus diesem Grund
sind die Bruchdehnung und der Kerbschlagbiegewert jedes der
Extrudate (17a) bis (24a) reduziert, was eine Verringerung in
der Zähigkeit bewirkt.
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Daher hat man sich vorgestellt, durch Steigern der
Extrusionstemperatur den Verformungswiderstand des Blocks zu verringern.
Allerdings bleibt bei der Extrusion ein Teil des Blocks nach
Beendigung der Extrusion im Behälter. Der verbleibende Teil
wird von der Extrusion abgeschnitten und ein Vorderteil des
Extrudats in Extrusionsrichtung betrachtet wird abgeschnitten.
Deshalb muß ein Block mit einem verglichen mit dem Extrudat
beträchtlich großen Volumen verwendet werden. Daher ist eine
lange Zeitdauer erforderlich, um einen solchen größeren Block
auf eine hohe Temperatur, z.B. 500ºC oder mehr, zu heizen, um
die Extrusionstemperatur zu steigern. Dies bewirkt eine
Koaleszenz der metallographischen Struktur, was eine
Reduzierung der Festigkeit einer hergestellten Pleuelstange
bewirkt.
Vergleichsbeispiel 4
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Es wurden verschiedene Extrudate (25a) bis (29a) in der
gleichen Weise wie beim Vergleichsbeispiel 3 hergestellt, und
zwar unter Verwendung von Aluminiumlegierungspulvern mit
Partikeln mit einer Partikelgröße gleich oder größer als 150
µm, welche durch das Zerstäubungsverfahren bei der gleichen
Zusammensetzung wie bei den Aluminiumlegierungspulvern
hergestellt wurden, welche bei der Herstellung der in Tabelle
2 gezeigten Schmiedeteile (1), (2), (9) und (10) des Beispiels
1 und des Aluminiumlegierungspulvers verwendet wurden, welches
bei der Herstellung des in Tabelle 7 gezeigten Schmiedeteils
(lsa) des Vergleichsbeispiels 2 verwendet wurde.
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Zugversuchsstücke ähnlich den oben beschriebenen wurden aus den
Extrudaten (25a) bis (29a) hergestellt und einem Zugversuch bei
Raumtemperatur unterzogen. Kerbschlagbiegeversuchsstücke
ähnlich den oben beschriebenen wurden ebenfalls hergestellt und
einem Kerbschlagbiegeversuch unterzogen.
-
Tabelle 9 zeigt die Zusammensetzungen der Extrudate (25a) bis
(29a) und die entsprechenden Ergebnisse. In Tabelle 9 können
unvermeidbare Verunreinigungen in dem Rest bei der Spalte von
Al enthalten sein.
Tabelle 9
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Aus Tabelle 9 ist ersichtlich, daß jedes der Extrudate (25a)
bis (29a) eine hohe Festigkeit aufweist, jedoch eine geringe
Zähigkeit besitzt. Dies hat den gleichen Grund wie den bei dem
Vergleichsbeispiel 3 beschriebenen Grund.