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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verbundgussteil, bei dem eine poröse Substanz
auf Eisenbasis von einer Leichtmetalllegierung umhüllt ist,
auf eine in dem Verbundgussteil verwendete poröse Substanz auf Eisenbasis,
auf ein mit dem Verbundgussteil ausgestattetes Druckgehäuse, auf
Herstellungsverfahren dafür,
auf einen Bestandteil von Verdichtern als ein Beispiel für das Verbundgussteil
oder Druckgehäuse
und auf die Verdichter.
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Im
Hinblick auf eine Gewichtseinsparung, die Abgabe einer höheren Leistung
und die Wiederverwertung werden bei verschiedenen Bauteilen als Ausgangsmaterialen
statt Materialen auf Eisenbasis wie Eisen, Stähle und Gussstähle Leichtmetallmaterialien
wie Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen verwendet. Wenn
solche Leichtmetallmaterialen jedoch das gesamte Bauteil ersetzen,
lassen sich nur schwer Festigkeit, Steifigkeit, Gleitvermögen, Verschleißbeständigkeit
und Haltbarkeit sicherstellen. Es werden dementsprechend Verbundgusserzeugnisse
eingesetzt, die beispielsweise durch Umgießen von Verbundmaterialen mit
Leichtmetalllegierungsschmelzen oder durch Anordnen von Bauteilen
auf Eisenbasis an lediglich den Teilen, die ein hohes Gleitvermögen erfordern,
hergestellt werden. Dabei ist zu beachten, dass der hierbei verwendete
Begriff "Verbundgussteil" solche Verbundgusserzeugnisse
einschließt.
Die Verbundmaterialen umfassen aus Leichtmetallen bestehende Wirtsmaterialen
und in den Wirtsmaterialen verteilte Verstärkungselemente wie Keramikfasern
oder Keramikteilchen.
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Als
tatsächliche
Anwendungen lassen sich die Zylinderblöcke von Motoren und insbesondere die
Zylinder auskleidungen nennen. Wenn die angesprochenen Verbundmaterialen
als Zylinderauskleidungen verwendet werden oder Hülsen aus
Gussstahl mit den Verbundmaterialen umgossen werden, wird bei den
Zylinderblöcken
durch die Verwendung von Aluminimumgussteilen für die Körper Gewicht eingespart und
gleichzeitig die erforderliche Verschleiß- und Festfressbeständigkeit
sichergestellt.
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Allerdings
lässt sich
nicht unbedingt sagen, dass bei den Zylinderblöcken die volle Gewichtsersparnis
erreicht wird, wenn Hülsen
aus Gussstahl mit Leichtmetallmaterialen umgossen werden. Darüber hinaus
ist in diesem Fall die Haftung an der Grenzfläche zwischen den Gussstahlhülsen und
den Umgussteilen schlecht, die beispielsweise aus einem Leichtmetallmaterial
wie Aluminiumlegierungen bestehen, weswegen sich die Gussstahlhülsen und
die Umgussteile während
des Einsatzes als Zylinderblöcke
an der Grenzfläche
trennen können.
Damit gleichzeitig die Erfordernisse nach Gewichtseinsparung und
Haftung erfüllt
werden, werden bei Aluminiumlegierungsgusserzeugnissen poröse Substanzen auf
Eisenbasis eingesetzt beziehungsweise poröse Substanzen auf Eisenbasis
umgossen. Die JP 7-124738 A, die JP 9-24456 A, die JP 2003-181620 A
und die JP 2003-181622 A befassen sich mit solchen Technologien.
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Als
Anwendungen solcher Verbundmaterialen nennt die JP 63-40943 B Zylinderauskleidungen und
die JP 11-293364 A Taumelscheiben von Taumelscheibenverdichtern.
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Bei
Verbundgussteilen, in denen poröse Substanzen
auf Eisenbasis mit aus Leichtlegierungen bestehenden Umgussmaterialien
umgossen sind, wird davon ausgegangen, dass die porösen Substanzen
auf Eisenbasis die Festigkeit der Verbundgussteile steigern. Ist
die Porosität
der porösen Substanzen
auf Eisenbasis hoch beziehungsweise der Volumenanteil von Eisen
(Vf) gering, können solche porösen Substanzen
auf Eisenbasis naturgemäß für eine ausreichende
Verstärkungswirkung
sorgen. Ist jedoch die Porosität
der porösen
Substanzen auf Eisenbasis gering beziehungsweise der Volumenanteil
an Eisen (Vf) hoch, wird zwar die Festigkeit
der Verbundgussteile gesteigert, aber es ist weniger wahrscheinlich,
dass die Umgussmaterialien in die porösen Substanzen auf Eisenbasis
eindringen. Dementsprechend nimmt wahrscheinlich die Haftung zwischen
den porösen
Substanzen auf Eisenbasis und den Umgussteilen ab. Wenn es zu einer
Trennung zwischen den porösen
Substanzen auf Eisenbasis und den Umgussteilen kommt oder wenn sich der
eine Bestandteil vom anderen löst,
sind für
die Festigkeit im Wesentlichen nur die porösen Substanzen auf Eisenbasis
verantwortlich. Daher sollte nicht erwartet werden, dass die Verbundgussteile
insgesamt gestärkt
werden.
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Die
JP 7-124738 A und die JP 9-24456 A schlagen vor, eine geeignete
Menge Beryllium (Be) in die Metallschmelzen zu geben, um die Haftung
zu verbessern. Allerdings ist es nicht wünschenswert, gesundheitsschädigendes
Be zuzugeben. Die JP 2003-181620 A und die JP 2003-181622 A beschreiben
Verbundgussteile, bei denen aus Edelstählen bestehende poröse Substanzen
mit Aluminiumlegierungen umgossen sind. Allerdings beträgt der Wert (Vf) für
die porösen
Substanzen nur 10 bis 30 Vol.-%. Demzufolge können die sich ergebenden Verbundgussteile
zwar als Zylinderauskleidungen die Verschleißbeständigkeit sicherstellen, doch
kann von diesen porösen
Substanzen kaum erwartet werden, dass sie die Verstärkungswirkung
erzeugen, die von Verbundgussteilen insgesamt erwartet wird.
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Da
Keramikfasern, die Verstärkungselemente,
teuer sind, ist die Verwendung von Verbundmaterialien nicht für massengefertigte
Erzeugnisse geeignet, die zu geringen Kosten hergestellt werden
müssen.
Da Keramikfasern sehr hart sind, haben Bauteile, die Verbundmaterialien
verwenden, zudem eine schlechte Bearbeitbarkeit.
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Angesichts
der obigen Umstände
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verbundgussteil zur
Verfügung
zur stellen, bei dem eine poröse Substanz
auf Eisenbasis die volle Verstärkungswirkung
zeigt, während
eine feste Haftung zwischen der porösen Substanz auf Eisenbasis
und einem Umgussteil sichergestellt wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine in Verbundgussteilen
verwendete poröse
Substanz auf Eisenbasis und ein mit einem Verbundgussteil ausgestattetes
Druckgehäuse
zur Verfügung zu
stellen. Außerdem
ist es Aufgabe der Erfindung, entsprechende Herstellungsverfahren
sowie als Beispiel für
die Druckgehäuse
einen Bestandteil von Verdichtern und die Verdichter zur Verfügung zu
stellen.
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Die
Erfinder führten
eingehende Untersuchungen durch, um die Probleme zu lösen, und
probierten verschiedene Dinge aus. Schließlich dachten sie daran, die
Porosität
von porösen
Substanzen auf Eisenbasis, die von Umgussteilen umgossen sind, in bestimmten
Teilen zu ändern.
Auf Grundlage dieser Idee gelangten sie zu der vorliegenden Erfindung.
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(Verbundgussteil)
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So
enthält
ein erfindungsgemäßes Verbundgussteil
beispielsweise Folgendes:
eine poröse Substanz auf Eisenbasis,
die Eisen (Fe) enthält
und eine große
Anzahl Poren hat; und
ein Umgussteil, das ein Metall enthält, dessen
Hauptbestandteil mindestens einem Bestandteil der aus Aluminium
(Al) und Magnesium (Mg) bestehenden Gruppe entspricht und mit dem
zumindest ein Teil der porösen
Substanz auf Eisenbasis umgossen ist,
wobei die poröse Substanz
auf Eisenbasis außerdem ein
Verbindungsstück,
das neben einer Grenze zwischen der porösen Substanz auf Eisenbasis
und dem Umgussteil liegt und eine vorbestimmte Porosität aufweist,
und ein hochfestes Verstärkungsstück enthält, das
frei von dem Verbindungsstück
in der porösen
Substanz auf Eisenbasis angeordnet ist und eine geringere Porosität als das
Verbindungsstück
aufweist, und
das Verbindungsstück mit dem Umgussteil getränkt und
damit erstarrt ist, wodurch die poröse Substanz auf Eisenbasis
und das Umgussteil fest verbunden sind.
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Dabei
ist zu beachten, dass der Begriff "Metall" für
Reinmetalle und Legierungen steht. Darüber hinaus hängen die
Zusammensetzungen der porösen
Substanz auf Eisenbasis und des Umgussteils von den tatsächlichen
Anwendungen ab.
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Zum
einen hat die poröse
Substanz auf Eisenbasis an dem Verbindungsstück, das die Grenze zwischen
der porösen
Substanz auf Eisenbasis und dem Umgussteil bildet, erfindungsgemäß eine hohe Porosität. Wenn
die poröse
Substanz auf Eisenbasis tatsächlich
von dem Umgussteil umgossen wird, wird das Verbindungsstück mit einer
großen
Menge der Metallschmelze des Umgussteils getränkt und erstarrt damit. Dadurch
entsteht zumindest zwischen dem Umgussteil und dem Verbindungsstück der porösen Substanz
auf Eisenbasis eine starke Verankerungswirkung, so dass zwischen
der porösen
Substanz auf Eisenbasis und dem Umgussteil eine feste mechanische
Verbindung geschaffen wird. Natürlich ist
es nicht ausgeschlossen, dass zwischen diesen Teilen möglicherweise
auch eine chemische Verbindung geschaffen wird. Jedenfalls werden
die poröse Substanz
auf Eisenbasis und das Umgussteil an der Grenze der porösen Substanz
auf Eisenbasis, die das Umgussteil direkt berührt, fest verbunden. Folglich
wird vollauf verhindert, dass es zwischen den porösen Substanzen
auf Eisenbasis und den Umgussteilen zur Trennung kommt oder dass
sich ein Bestandteil vom anderen löst.
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Zum
anderen enthält
die poröse
Substanz auf Eisenbasis neben dem Verbindungsstück erfindungsgemäß das Verstärkungsstück. Da das
Verstärkungsstück eine
geringere Porosität
und höhere Dichte
hat beziehungsweise der Wert Vf des Verstärkungsstücks hoch
ist, hat es eine hohe Festigkeit. Daher kann die das Verstärkungsstück enthaltende poröse Substanz
auf Eisenbasis das Umgussmaterial mit verhältnismäßig geringer Festigkeit vollauf
versteifen. Dabei ist zu beachten, dass das Verstärkungsstück in der
porösen
Substanz auf Eisenbasis frei von dem Verbindungsstück angeordnet
ist, dass aber nicht unbedingt die gesamte von dem Verbindungsstück freie
poröse
Substanz auf Eisenbasis das Verstärkungsstück bilden muss. Solange abhängig von
der jeweiligen Anwendung die für
die Verbundgussteile erforderliche Festigkeit sichergestellt werden
kann, spielt die Lage oder der Anteil des Verstärkungsstücks keine Rolle. Wenn zum Beispiel
die gesamte Oberfläche
der porösen
Substanz auf Eisenbasis vollständig
mit dem Umgussteil umgossen ist, kann sich das Verbindungsstück auf der
gesamten Außenumfangsfläche der
porösen
Substanz auf Eisenbasis befinden und kann sich das Verstärkungsstück im Zentrum
oder in der Mitte der porösen Substanz
auf Eisenbasis befinden. Wenn nur eine der gegenüberliegenden Ober flächen der
porösen Substanz
auf Eisenbasis mit dem Umgussteil umgossen ist, kann sich das Verbindungsstück auf dieser
einen Oberfläche
der porösen
Substanz auf Eisenbasis befinden und kann sich das Verstärkungsstück auf der
anderen der sich gegenüberliegenden
Oberflächen
der porösen
Substanz auf Eisenbasis befinden.
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Das
beschriebene Verbundgussteil gewährleistet
also vollauf die Haftung zwischen der porösen Substanz auf Eisenbasis
und dem Umgussteil. Da die poröse
Substanz auf Eisenbasis das hochfeste Verstärkungsstück enthält, sorgt die poröse Substanz
auf Eisenbasis gleichzeitig stabil und sicher für die Verstärkungswirkung.
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(Herstellungsverfahren
für das
Verbundgussteil)
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Die
Erfindung lässt
sich nicht nur als das oben beschriebene Verbundgussteil begreifen,
sondern auch als ein Herstellungsverfahren dafür. So kann die Erfindung als
ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundgussteils umgesetzt werden,
dass folgende Schritte enthält:
Tränken einer
porösen
Substanz auf Eisenbasis mit einer ein Umgussteil ergebenden Metallschmelze durch
Eingießen
der Metallschmelze in einen Hohlraum einer Form, in dem sich die
poröse
Substanz auf Eisenbasis befindet, wobei die poröse Substanz auf Eisenbasis
ein Verbindungsstück,
dessen Hauptbestandteil Fe ist und das eine große Anzahl Poren hat und eine
vorbestimmte Porosität
aufweist, und ein hochfestes Verstärkungsstück enthält, das eine geringere Porosität als das
Verbindungsstück
aufweist, und die Metallschmelze ein Metall enthält, dessen Hauptbestandteil
mindestens einem Bestandteil der aus Al und Mg bestehenden Gruppe
entspricht, wodurch die poröse
Substanz auf Eisenbasis vom Verbindungsstück aus einwärts in die poröse Substanz auf
Eisenbasis hinein mit der Metallschmelze getränkt wird; und
nach dem
Tränkschritt
Erstarren der Metallschmelze durch Kühlen,
wodurch ein Verbundgussteil
hergestellt wird, in dem die poröse
Substanz auf Eisenbasis am Verbindungsstück fest mit dem Umgussteil
verbunden ist und mit dem Umgussteil umgossen ist.
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(Poröse Substanz auf Eisenbasis
für Verbundgussteil)
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Die
Erfindung lässt
sich nicht nur als das oben beschriebene Verbundgussteil begreifen,
sondern auch als eine in diesem verwendete poröse Substanz auf Eisenbasis.
So kann die Erfindung als eine poröse Substanz auf Eisenbasis
umgesetzt werden, die Fe enthält,
eine große
Anzahl Poren hat und mit einem Umgussteil umgossen wird, das ein
Metall enthält,
dessen Hauptbestandteil mindestens einem Bestandteil der aus Al
und Mg bestehenden Gruppe entspricht, und die außerdem Folgendes enthält:
ein
Verbindungsstück,
das neben einer möglichen Grenze
zwischen der porösen
Substanz auf Eisenbasis und dem Umgussteil liegt und eine vorbestimmte Porosität aufweist;
und
ein hochfestes Verstärkungsstück, das
frei von dem Verbindungsstück
in der poröse
Substanz auf Eisenbasis angeordnet ist und eine geringere Porosität als das
Verbindungsstück
aufweist.
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(Herstellungsverfahren
für die
poröse
Substanz auf Eisenbasis für
Verbundgussteile)
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Die
Erfindung lässt
sich nicht nur als die oben beschriebene poröse Substanz auf Eisenbasis für Verbund gussteile
begreifen, sondern auch als ein Herstellungsverfahren dafür.
- (1) So kann die Erfindung beispielsweise als
ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Substanz auf Eisenbasis
für Verbundgussteile
umgesetzt werden, das folgende Schritte enthält:
Aufschichten eines
ersten Pulverpresskörpers, der
eine vorbestimmte Porosität
aufweist und durch Pressen eines eisenhaltigen Pulvers gebildet
wurde, dessen Hauptbestandteil Fe ist, auf einem zweiten Pulverpresskörper, der
eine geringere Porosität
als der erste Pulverpresskörper
aufweist und durch Pressen des eisenhaltigen Pulvers gebildet wurde,
wodurch sich ein mehrschichtiger Pulverpresskörper ergibt; und
Sintern
des mehrschichtigen Pulverpresskörpers, wodurch
eine poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis hergestellt wird, die ein Verbindungsstück, das aus
dem ersten Pulverpresskörper
gebildet ist und eine vorbestimmte Porosität aufweist, und ein hochfestes
Verstärkungsstück enthält, das
aus dem zweiten Pulverpresskörper
gebildet ist und eine geringere Porosität als das Verbindungsstück aufweist.
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Bei
diesem Herstellungsverfahren werden die Pulverpresskörper, deren
Porositäten
voneinander verschieden sind, unabhängig voneinander ausgebildet.
Dadurch erhöht
sich der Freiheitsgrad bei der Steuerung der Porositäten oder
bei der Auswahl der zu verwendenden Ausgangsmaterialen. Dadurch lassen
sich die Porositäten
oder Festigkeiten leicht abhängig
von den jeweiligen Teilen der sich ergebenden porösen Sintersubstanz
auf Eisenbasis einstellen und ist es infolgedessen leicht, eine
poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis mit optimierter Porosität oder Festigkeit
herzustellen. Dabei ist zu beachten, dass der nach dem Aufschichtungsschritt
erzeugte mehrschichtige Pulverpresskörper und die poröse Sintersubstanz
auf Eisenbasis mindestens zwei Schichten enthalten, aber natürlich auch
drei Schichten oder mehr enthalten können.
- (2)
Darüber
hinaus kann die Erfindung als ein Verfahren zur Herstellung einer
porösen
Substanz auf Eisenbasis für
Verbundgussteile umgesetzt werden, das folgende Schritte enthält:
Herstellen
eines Pulverpresskörpers
durch Pressen eines ersten pulverförmigen Abschnitts, der ein
Pulvergemisch aus einem eisenhaltigen Pulver, dessen Hauptbestandteil
Fe ist, und einem Poren erzeugenden Material enthält, das,
wenn es auf Temperaturen von kleiner oder gleich der Sintertemperatur
des eisenhaltigen Pulvers erhitzt wird, durch sein Verschwinden
Poren bildet, und eines zweiten pulverförmigen Abschnitts, der mehr
eisenhaltiges Pulver als der erste pulverförmige Abschnitt und weniger
Poren erzeugendes Material als der erste pulverförmige Abschnitt enthält; und
Sintern
des Pulverpresskörpers,
wodurch eine poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis erzeugt wird, in der sich der erste
pulverförmige
Abschnitt in ein Verbindungsstück
verwandelt hat, das eine vorbestimmte Porosität aufweist, und sich der zweite pulverförmige Abschnitt
in ein hochfestes Verstärkungsstück verwandelt
hat, das eine geringere Porosität
als das Verbindungsstück
aufweist.
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Bei
diesem Herstellungsverfahren wird in den Abschnitt (d.h. den ersten
pulverförmigen
Abschnitt), der sich in dem Pulverpresskörper in das Verbindungsstück verwandelt,
reichlich Poren erzeugendes Material eingemischt, so dass dieser
Abschnitt nach dem Sintern das Verbindungsstück bildet, dessen Porosität größer ist.
Mit diesem Herstellungsverfahren lässt sich bereitwillig die Porosität der sich
nach dem Sintern ergebenden porösen
Sintersubstanz einstellen, indem das Mischungsverhältnis des
Poren erzeugenden Materials geändert
wird. Darüber
hinaus lässt
sich nicht nur die Porosität
der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis leicht einstellen, sondern auch die
Festigkeit der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis in ihren jeweiligen Teilen. Außerdem ist
dieses Herstellungsverfahren sehr effizient, da der Bildungsschritt
auf die folgende Weise in einem Schritt vorgenommen werden kann.
Und zwar werden das eisenhaltige Pulver und das Poren erzeugende
Material, deren Mischungsverhältnisse sich
in den jeweiligen Teilen der sich ergebenden porösen Sintersubstanz auf Eisenbasis ändern, dadurch
ausgebildet, dass sie einfach unmittelbar, nachdem sie in den Hohlraum
der Formen eingefüllt wurden,
gepresst werden.
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Dabei
ist zu beachten, dass auch bei diesem Herstellungsverfahren das
Mischungsverhältnis
des eisenhaltigen Pulvers und des Poren erzeugenden Materials nicht
nur schrittweise in zwei Stufen, sondern auch in drei Stufen oder
mehr geändert
werden kann. Darüber
hinaus können
die Mischungsanteile auch als Gradient vom ersten pulverförmigen Abschnitt
zum zweiten pulverförmigen
Abschnitt geändert
werden. Außerdem
kann der zweite pulverförmige
Abschnitt nur einen Spurenanteil des Poren erzeugenden Materials
oder überhaupt
kein Poren erzeugendes Material enthalten.
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Das
Poren erzeugende Material kann hierbei Metallpulvern entsprechen,
deren Schmelzpunkte niedriger als die Sintertemperatur des eisenhaltigen Pulvers
liegen oder die in Hochtemperaturbereichen (z.B. ungefähr bei der
Sintertemperatur des eisenhaltigen Pulvers) verbrennen und sich
verflüchtigen,
so dass sie durch Emission entfernt werden können. Die erstgenannten Metallpulver
können
beispielsweise mindestens einem Bestandteil der aus Cu-, Sn-, Pb-, Zn-,
Ag-, Mg-, Ca-, Sr- und Al-Pulvern bestehenden Gruppe entsprechen
und die letztgenannten Pulver mindestens einem Bestandteil der aus
Bindemitteln, Schmierstoffen und Harzpulvern bestehenden Gruppe.
Dabei ist zu beachten, dass der Ausdruck "das Poren erzeugende Material verschwindet" nicht nur bedeutet,
dass die Bestandteile des Poren erzeugenden Materials vollständig aus
der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis entfernt werden, sondern auch, dass
das Poren erzeugende Material schmilzt und auf der Teilchenoberfläche des
eisenhaltigen Pulvers anhaftet oder in das Fe diffundiert, davon
aufgenommen wird oder mit diesem schließlich eine Legierung bildet.
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(Druckgehäuse)
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Die
Erfindung kann auch als ein Druckgehäuse begriffen werden, das eine
Anwendung des oben beschriebenen Verbundgussteils darstellt. So enthält bei einem
erfindungsgemäßen Druckgehäuse zumindest
ein Teil dieses Druckgehäuses
ein Verbundgussteil mit:
einer porösen Substanz auf Eisenbasis,
die Fe enthält
und eine große
Anzahl Poren hat; und
einem Umgussteil, das ein Metall enthält, dessen Hauptbestandteil
mindestens einem Bestandteil der aus Al und Mg bestehenden Gruppe
entspricht und mit dem zumindest ein Teil der porösen Substanz
auf Eisenbasis umgossen ist,
wobei die poröse Substanz auf Eisenbasis
außerdem ein
Verbindungsstück,
das neben einer Grenze zwischen der porösen Substanz auf Eisenbasis
und dem Umgussteil liegt und eine vorbestimmte Porosität aufweist,
und ein hoch festes Verstärkungsstück enthält, das
frei von dem Verbindungsstück
in der porösen
Substanz auf Eisenbasis angeordnet ist und eine geringere Porosität als das
Verbindungsstück
aufweist, und
das Verbindungsstück mit dem Umgussteil getränkt und
damit erstarrt ist, wodurch die poröse Substanz auf Eisenbasis
und das Umgussteil fest verbunden sind.
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Dieses
Druckgehäuse
sorgt auf die gleiche Weise wie bei dem oben beschriebenen Verbundgussteil
vollauf für
die Haftung zwischen der porösen Substanz
auf Eisenbasis und dem Umgussteil. Gleichzeitig zeigt die poröse Substanz
auf Eisenbasis stabil und sicher die Verstärkungswirkung, da die poröse Substanz
auf Eisenbasis das hochfeste Verstärkungsstück enthält. Das Druckgehäuse bringt
daher nicht nur den Vorteil einer Gewichtsersparnis, sondern auch
ausreichende Festigkeit mit sich.
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Die
erfindungsgemäßen Druckgehäuse können Druckgefäße wie Tanks
und Bomben, die hochverdichtete Fluide (z.B. Gase und Flüssigkeiten)
halten, oder Zylinder für
Motoren und Verdichter oder Rohre für Rohrleitungen sein. Das Druckgehäuse bildet
insgesamt einen umschlossenen Raum, da in ihm hochverdichtete Fluide
untergebracht sind. Allerdings ist es nicht erforderlich, dass das
gesamte Druckgehäuse
ein einzelnes Bauteil umfasst. So kann das Druckgehäuse beispielsweise
wie Zylinder oder Gehäuse
für Motoren
und Verdichter ein zylinderförmiges
Bauteil (z.B. eine Zylinderbohrung), einen Kolben, einen Zylinderkopf
oder eine Ventilplatte umfassen, um den umschlossenen Raum zu bilden. Dabei
ist zu beachten, dass jeder dieser Bestandteile das besprochene
Druckgehäuse
bilden kann.
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Ein
typisches Beispiel für
dieses Druckgehäuse
sind jedoch die Zylinder selbst oder zylinderförmige Bauteile wie Zylinderblöcke und
-gehäuse, die
die Zylinder umgeben. In diesem Fall bildet die poröse Substanz
auf Eisenbasis oder eben dieses Druckgehäuse die zylinderförmigen Bauteile.
Dabei ist zu beachten, dass von der Innenumfangsseite des Druckgehäuses aus
ein Innendruck nach außen
wirkt und dass dementsprechend die Innenumfangsfläche in solchen
zylinderförmigen
Bauteilen wahrscheinlich der größten Belastung
ausgesetzt ist. Infolgedessen wird vorzugsweise die Innenumfangsfläche wirksam durch
das Verstärkungsstück der porösen Substanz auf
Eisenbasis verstärkt.
Es ist daher angemessen, wenn die poröse Substanz auf Eisenbasis
des Druckgehäuses
das Verbindungsstück
an der Außenumfangsseite
und das Verstärkungsstück an der
Innenumfangsseite angeordnet hat und das Verbundgussteil die poröse Substanz
auf Eisenbasis enthält
und das Verbindungsstück
der porösen
Substanz auf Eisenbasis von dem Umgussteil umgossen ist.
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(Herstellungsverfahren
für Druckgehäuse)
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Ohne
Beschränkung
auf das oben beschriebene Druckgehäuse ist es möglich, die
Erfindung als ein Herstellungsverfahren dafür zu begreifen. So kann die
Erfindung beispielsweise als ein Verfahren zur Herstellung eines
Druckgehäuses
umgesetzt werden, das folgende Schritte enthält:
Tränken einer porösen Substanz
auf Eisenbasis mit einer ein Umgussteil ergebenden Metallschmelze durch
Eingießen
der Metallschmelze in einen Hohlraum einer Form, in dem sich die
poröse
Substanz auf Eisenbasis befindet, wobei die poröse Substanz auf Eisenbasis
ein Verbindungsstück,
dessen Hauptbestandteil Fe ist und das eine große Anzahl Poren hat und eine
vorbestimmte Porosität
aufweist, und ein hochfestes Verstärkungsstück enthält, das eine geringere Porosität als das Verbindungsstück aufweist,
und die Metallschmelze ein Metall enthält, dessen Hauptbestandteil
mindestens einem Bestandteil der aus Al und Mg bestehenden Gruppe
entspricht, wodurch die poröse
Substanz auf Eisenbasis vom Verbindungsstück aus einwärts in die poröse Substanz
auf Eisenbasis hinein mit der Metallschmelze getränkt wird;
und
nach dem Tränkschritt
Erstarren der Metallschmelze durch Kühlen,
wodurch ein Druckgehäuse hergestellt
wird, das teilweise mit einem Verbundgussteil ausgestattet ist,
in dem die poröse
Substanz auf Eisenbasis am Verbindungsstück fest mit dem Umgussteil
verbunden ist und mit dem Umgussteil umgossen ist.
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(Verdichterbauteil)
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Ein
typisches Beispiel für
das oben beschriebene Druckgehäuse
sind Verdichter und ihre Bestandteile. Ohne Beschränkung auf
das das angesprochene Verbundgussteil verwendende Druckgehäuse kann
die Erfindung daher als ein das Verbundgussteil verwendender Bestandteil
von Verdichtern begriffen werden.
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So
kann die Erfindung beispielsweise als Bestandteil von Verdichtern
umgesetzt werden, die ein eingelassenes Arbeitsfluid verdichten
und das Arbeitsfluid hochverdichtet abgeben, wobei zumindest ein
Teil des Bestandteils ein Verbundgussteil enthält mit:
einer porösen Substanz
auf Eisenbasis, die Fe enthält
und eine große
Anzahl Poren hat; und
einem Umgussteil, das ein Metall enthält, dessen Hauptbestandteil
mindestens einem Bestandteil der aus Al und Mg bestehenden Gruppe
entspricht und mit dem zumindest ein Teil der porösen Substanz
auf Eisenbasis umgossen ist,
wobei die poröse Substanz auf Eisenbasis
außerdem ein
Verbindungsstück,
das neben einer Grenze zwischen der porösen Substanz auf Eisenbasis
und dem Umgussteil liegt und eine vorbestimmte Porosität aufweist,
und ein hochfestes Verstärkungsstück enthält, das
frei von dem Verbindungsstück
in der porösen
Substanz auf Eisenbasis angeordnet ist und eine geringere Porosität als das
Verbindungsstück
aufweist, und das Verbindungsstück
mit dem Umgussteil getränkt
und damit erstarrt ist, wodurch die poröse Substanz auf Eisenbasis
und das Umgussteil in dem Verbundgussteil fest verbunden sind.
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(Verdichter)
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Ohne
Beschränkung
auf den oben beschriebenen Bestandteil von Verdichtern, lässt sich
die Erfindung auch als ein den Bestandteil enthaltender Verdichter
begreifen. So kann die Erfindung beispielsweise als ein Verdichter
umgesetzt werden, der ein eingelassenen Arbeitsfluid verdichtet
und das Arbeitsfluid hochverdichtet abgibt, wobei zumindest ein Teil
des Bestandteils ein Verbundgussteil enthält mit:
einer porösen Substanz
auf Eisenbasis, die Eisen (Fe) enthält und eine große Anzahl
Poren hat; und
einem Umgussteil, das ein Metall enthält, dessen Hauptbestandteil
mindestens einem Bestandteil der aus Al und Mg bestehenden Gruppe
entspricht und mit dem zumindest ein Teil der porösen Substanz
auf Eisenbasis umgossen ist,
wobei die poröse Substanz auf Eisenbasis
außerdem ein
Verbindungsstück,
das neben einer Grenze zwischen der porösen Substanz auf Eisenbasis
und dem Umgussteil liegt und eine vorbestimmte Porosität aufweist,
und ein hoch festes Verstärkungsstück enthält, das
frei von dem Verbindungsstück
in der porösen
Substanz auf Eisenbasis angeordnet ist und eine geringere Porosität als das
Verbindungsstück
aufweist, und das Verbindungsstück
mit dem Umgussteil getränkt
und damit erstarrt ist, wodurch die poröse Substanz auf Eisenbasis
und das Umgussteil in dem Verbundgussteil fest verbunden sind.
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Es
ist zu beachten, dass das Ausmaß der Porosität und die
Größenordnung
der Festigkeit erfindungsgemäß den relativen
Zusammenhängen zwischen
dem Verbindungsstück
und dem Verstärkungsstück der porösen Substanz
auf Eisenbasis entsprechen.
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Ein
besseres Verständnis
der Erfindung und vieler ihrer Vorteile erschließt sich aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen,
die allesamt einen Teil der Offenbarung bilden.
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1 veranschaulicht
in Perspektivansicht den Aufriss eines Gehäuses eines Verdichters gemäß Beispiel
Nr. 1 der Erfindung.
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2 zeigt
vergrößert das
in 1 mit "2" bezeichnete Gehäuse.
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3 veranschaulicht
schematisch eine poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis gemäß Beispiel Nr. 1 der Erfindung,
wobei 3(a) eine Perspektivansicht
und 3(b) ein Querschnitt durch die
poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis entlang ihrer Zentralachse ist.
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4 ist
ein metallografisches Gefügebild eines
Verbundgussteils gemäß Beispiel
Nr. 1 der Erfindung und zeigt einen Abschnitt neben einem Verbindungsstück der porösen Substanz
auf Eisenbasis.
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5 zeigt
in Seitenansicht den Aufriss eines Verdichtergehäuses gemäß Beispiel Nr. 2 der Erfindung.
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6 zeigt
in Vorderansicht den Aufriss eines Verdichtergehäuses gemäß Beispiel Nr. 3 der Erfindung.
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Nach
der allgemeinen Beschreibung der Erfindung wird nun zum besseren
Verständnis
auf bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele
Bezug genommen, die jedoch lediglich der Darstellung dienen und
nicht den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränken sollen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden ausführlich unter
Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele
beschrieben. Dabei ist jedoch zu beachten, dass unabhängig von
der folgenden Beschreibung der bestimmten Ausführungsbeispiele, die Beschreibung
als solche nicht nur auf das erfindungsgemäße Verbundgussteil zutrifft,
sondern auch erfindungsgemäß auf die
poröse
Substanz auf Eisenbasis, das Druckgehäuse und die Verfahren zu ihrer
Herstellung sowie erfindungsgemäß auf den
Verdichter und dessen Bestandteile. Außerdem ist zu beachten, dass die
Tatsache, welches der folgenden bestimmten Ausführungsbeispiele optimal ist,
von den Aufgaben und Leistungsanforderungen abhängt.
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(1) Poröse Substanz
auf Eisenbasis
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Die
Formgebungen und Herstellungsverfahren für die poröse Substanz auf Eisenbasis
spielen für
die Verbundgussteile solange keine Rolle, wie die poröse Substanz
auf Eisenbasis das Verbindungsstück
und das Verstärkungsstück enthält. Ein
typisches Beispiel für
eine solche poröse
Substanz auf Eisenbasis sind poröse
Sintersubstanzen auf Eisenbasis. Eine solche poröse Sintersubstanz auf Eisenbasis
wird im Folgenden ausführlicher
beschrieben.
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Die
poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis wird erzeugt, indem ein Pulverpresskörper gesintert wird,
der ein eisenhaltiges Pulver enthält. Der Pulverpresskörper wird
hergestellt, indem ein eisenhaltiges Pulver, das in einen Formhohlraum
eingefüllt
wurde, verpresst wird. Die Zusammensetzung des hierbei verwendeten
eisenhaltigen Pulvers kann abhängig von
der Festigkeit und den Einsatzbedingungen der porösen Sintersubstanz
auf Eisenbasis geeignet gewählt
werden. Wenn beispielsweise beabsichtigt ist, die Festigkeit durch
Wärmebehandlungen
zu steigern, ist es ratsam, eisenhaltige Pulver mit den Zusammensetzungen
verschiedener Legierungsstähle zu
verwenden. Wenn beabsichtigt ist, die Korrosionsbeständigkeit
zu steigern, ist es ratsam, eisenhaltige Pulver mit den Zusammensetzungen
von Edelstählen
zu verwenden. Abgesehen davon kann das eisenhaltige Pulver Reineisenpulvern
oder eisenhaltigen Pulver mit den Zusammensetzungen von Kohlenstoffstählen entsprechen.
Es ist zu beachten, dass das eisenhaltige Pulver ein eigenständiges Einzelpulver
oder ein Pulvergemisch sein kann, in dem mehrere Pulver gemischt
sind.
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Das
hierbei verwendete Pulver kann entweder ein elementares Pulver oder
ein Legierungspulver sein. Das Pulver kann entweder als zerstäubtes Pulver
oder reduziertes Pulver verwendet werden. Die Teilchenformen der
verwendeten Pulver spielen keine Rolle. Darüber hinaus können die
Zusammensetzungen oder Arten des eisenhaltigen Pulvers abhängig von
den jeweiligen Teilen der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis geändert
werden.
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Insbesondere
dann, wenn die Porosität
gesteigert werden soll, ist es nicht vorzuziehen, feine Pulver mit äußerst kleinen
Teilchendurchmessern zu verwenden, sondern ist ein eisenhaltiges
Pulver vorzuziehen, dessen mittlerer Teilchendurchmesser in einen
Bereich von ungefähr
50 bis 150 μm
fällt.
Dabei ist zu beachten, dass der Teilchendurchmesser der darin enthaltenen
Teilchen leicht durch Analysieren zweidimensionaler Bilder bestimmt
werden kann, aber auch leicht mit Hilfe von Siebverfahren.
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Das
eisenhaltige Pulver ist nicht auf Metallpulver beschränkt, sondern
kann auch Pulvergemischen entsprechen, die neben Schmierstoffen
und Zusatzstoffen das oben beschriebene Poren erzeugende Material
enthalten. Darüber
hinaus kann das eisenhaltige Pulver auch Verbundpulver enthalten, etwa
Pulver mit Keramikteilchen, die als Verstärkungsteilchen dienen.
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Dabei
ist zu beachten, dass die Porosität der porösen Sintersubstanz auf Eisenbasis
unter Verwendung der scheinbaren Dichte ρ0 der
enthaltenen Materialien mit Hilfe der folgenden Gleichung ermittelt
werden kann: Porosität = {1 – (ρ/ρ0)} × 100(%)
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Die
rechte Seite der Gleichung, {1 – (ρ/ρ0)} × 100(%),
gibt den Volumenanteil der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis (Vf) an.
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Es
ist angemessen, wenn die Porosität
beim Verbindungsstück
in einen Bereich von 20 bis 50 Vol.-% und besser noch von 35 bis
45 Vol.-% fällt. Wenn
die Porosität
zu gering ist, wird keine ausreichende Haftung erzielt, da das Bindungsvermögen der
porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis mit dem Umgussteil schlecht ist. Poröse Sintersubstanzen
auf Eisenbasis, deren Porosität
zu hoch ist, lassen sich nur schwer herstellen, wobei es weniger
wahrscheinlich ist, das die Festigkeit für die Funktion als Verbindungsstück gewährleistet
ist. Dagegen ist es angemessen, wenn die Porosität des Verstärkungsstücks in einen Bereich von 5-25
Vol.-% und besser noch 5-15 Vol.-% fällt. Wenn die Porosität des Verstärkungsstücks zu hoch
ist, nimmt die Festigkeit der porösen Sintersubstanzen auf Eisenbasis
ab, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass das Verstärkungsstück die Verstärkungswirkung
zeigt. Darüber hinaus
ist es nicht effizient, die Porosität des Verstärkungsstücks zu klein zu machen, da
dies bedeuten würde,
dass das Ausgangsmaterialpulver mit hohen Drücken verpresst werden muss.
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(Herstellungsverfahren
für die
poröse
Substanz auf Eisenbasis)
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Es
spielt keine Rolle, mit welchem Herstellungsverfahren die poröse Substanz
auf Eisenbasis hergestellt wird. So kann die poröse Substanz auf Eisenbasis
durch die folgenden Herstellungsverfahren hergestellt werden.
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Beispielsweise
ist es möglich,
ein Verfahren zur Herstellung einer zu umgießenden porösen Substanz auf Eisenbasis
zu verwenden, das folgende Schritte enthält:
Aufschichten eines
ersten Pulverpresskörpers,
der eine vorbestimmte Porosität
aufweist und durch Pressen eines eisenhaltigen Pulvers gebildet
wurde, dessen Hauptbestandteil Fe ist, auf einem zweiten Pulverpresskörper, der
eine geringere Porosität
als der erste Pulverpresskörper
aufweist und durch Pressen des eisenhaltigen Pulvers gebildet wurde, wodurch
sich ein mehrschichtiger Pulverpresskörper ergibt; und
Sintern
des mehrschichtigen Pulverpresskörpers, wodurch
eine poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis hergestellt wird, die ein Verbindungsstück, das
aus dem ersten Pulverpresskörper
gebildet ist und eine vorbestimmte Porosität aufweist, und ein hochfestes Verstärkungsstück enthält, das
aus dem zweiten Pulverpresskörper
gebildet ist und eine geringere Porosität als das Verbindungsstück aufweist.
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Bei
diesem Herstellungsverfahren werden die Pulverpresskörper, deren
Porositäten
voneinander verschieden sind, unabhängig voneinander ausgebildet.
Dementsprechend vergrößert sich
der Freiheitsgrad bei der Einstellung der Porositäten oder
bei der Wahl der zu verwendenden Ausgangsmaterialien. Dadurch können die
Porositäten
oder Festigkeiten leicht abhängig
von den jeweiligen Teilen der sich ergebenden Sintersubstanz auf
Eisenbasis eingestellt werden, und ist es dementsprechend leicht, eine
poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis herzustellen, deren Porosität oder Festigkeit
optimiert ist. Dabei ist zu beachten, dass der nach dem Aufschichtungsschritt
erzeugte mehrlagige Pulverpresskörper und
die poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis zwar mindestens zwei Schichten enthalten,
aber natürlich auch
drei Schichten oder mehr enthalten können.
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Darüber hinaus
ist es auch möglich,
ein anderes Verfahren zur Herstellung einer zu umgießenden porösen Substanz
auf Eisenbasis zu verwenden. Beispielsweise kann das Herstellungsverfahren
folgende Schritte enthalten:
Herstellen eines Pulverpresskörpers durch
Pressen eines ersten pulverförmigen
Abschnitts, der ein Pulvergemisch aus einem eisenhaltigen Pulver,
dessen Hauptbestandteil Fe ist, und einem Poren erzeugenden Material
enthält,
das, wenn es auf Temperaturen von kleiner oder gleich der Sintertemperatur
des eisenhaltigen Pulvers erhitzt wird, durch sein Verschwinden
Poren bildet, und eines zweiten pulverförmigen Abschnitts, der mehr
eisenhaltiges Pulver als der erste pulverförmige Abschnitt und weniger
Poren erzeugendes Material als der erste pulverförmige Abschnitt enthält; und
Sintern
des Pulverpresskörpers,
wodurch eine poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis erzeugt wird, in der sich der erste
pulverförmige
Abschnitt in ein Verbindungsstück
verwandelt hat, das eine vorbestimmte Porosität aufweist, und sich der zweite
pulverförmige Abschnitt
in ein hochfestes Verstärkungsstück verwandelt
hat, das eine geringere Porosität
als das Verbindungsstück
aufweist.
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Bei
diesem Herstellungsverfahren wird in dem Abschnitt (d.h. dem ersten
pulverförmigen
Abschnitt), der sich in dem Pulverpresskörper in das Verbindungsstück verwandelt,
reichlich Poren erzeugendes Material eingemischt, so dass dieser
Abschnitt nach dem Sintern das Verbindungsstück bildet, dessen Porosität höher ist.
Mit diesem Herstellungsverfahren lässt sich bereitwillig die Porosität der sich
nach dem Sintern ergebenden porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis einzustellen, indem das Mischungsverhältnis des
Poren erzeugenden Materials geändert
wird. Darüber
hinaus lässt
sich nicht nur die Porosität
der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis leicht einstellen, sondern auch die
Festigkeit der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis in ihren jeweiligen Teilen. Außerdem ist
dieses Herstellungsverfahren sehr effizient, da der Bildungsschritt
auf die folgende Weise in einem Schritt vorgenommen werden kann.
Und zwar werden das eisenhaltige Pulver und das Poren erzeugende
Material, deren Mischungsverhältnisse
sich in den jeweiligen Teilen der sich ergebenden porösen Sintersubstanz
auf Eisenbasis ändern,
dadurch ausgebildet, dass sie einfach unmittelbar, nachdem sie in
den Hohlraum der Formen eingefüllt
wurden, gepresst werden.
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Dabei
ist zu beachten, dass auch bei diesem Herstellungsverfahren das
Mischungsverhältnis
des eisenhaltigen Pulvers und des Poren erzeugenden Materials nicht
nur schrittweise in zwei Stufen, sondern auch in drei Stufen oder
mehr geändert
werden kann. Darüber
hinaus können
die Mischungsanteile auch als Gradient vom ersten pulverförmigen Abschnitt
zum zweiten pulverförmigen
Abschnitt geändert
werden. Außerdem
kann der zweite pulverförmige
Abschnitt nur einen Spurenanteil des Poren erzeugenden Materials
oder überhaupt
kein Poren erzeugendes Material enthalten.
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Das
Poren erzeugende Material kann hierbei Metallpulvern entsprechen,
deren Schmelzpunkte niedriger als die Sintertemperatur des eisenhaltigen Pulvers
liegen oder die in Hochtemperaturbereichen (z.B. ungefähr bei der
Sintertemperatur des eisenhaltigen Pulvers) verbrennen und sich
verflüchtigen,
so dass sie durch Emission entfernt werden können. Die erstgenannten Metallpulver
können
beispielsweise mindestens einem Bestandteil der aus Cu-, Sn-, Pb-, Zn-,
Ag-, Mg-, Ca-, Sr- und Al-Pulvern bestehenden Gruppe entsprechen
und die letztgenannten Pulver mindestens einem Bestandteil der aus
Bindemitteln, Schmierstoffen und Harzpulvern bestehenden Gruppe.
Dabei ist zu beachten, dass der Ausdruck "das Poren erzeugende Material verschwindet" nicht nur bedeutet,
dass die Bestandteile des Poren erzeugenden Materials vollständig aus
der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis entfernt werden, sondern auch, dass
das Poren erzeugende Material schmilzt und auf der Teilchenoberfläche des
eisenhaltigen Pulvers anhaftet oder in das Fe diffundiert, davon aufgenommen
wird oder mit diesem schließlich
eine Legierung bildet.
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(2) Umgussteil
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Das
Umgussteil enthält
mindestens einen Bestandteil der aus reinem Al, Al-Legierungen,
reinem Mg und Mg-Legierungen
bestehenden Gruppe. Die Zusammensetzungen der Legierungen spielen keine
Rolle, doch können
verschiedene Knetlegierungen verwendet werden, wie sie im Japanischen Industriestandard
(JIS) festgelegt sind. Geeignete Legierungen können abhängig von den Spezifikationen
der Verbundgussteile, Druckgehäuse
und Verdichter gewählt
werden. Die folgenden Verfahren stehen fürs Gießen zur Verfügung: z.B.
Standguss, Druckguss, Sandguss und Spritzguss. Allerdings ist es
vorzuziehen, unter Verwendung einer Form Druckguss und insbesondere
sogenanntes "Liquid Forging" durchzuführen, um
bei der Erzeugung des Umgussteils die porösen Substanzen auf Eisenbasis sicher
mit Legierungsschmelze zu tränken.
Im Hinblick auf die Eignung zur Massenfertigung kann jedoch auch
Spritzgießen
verwendet werden. Der folgende Erstarrungsschritt kann unter natürlicher
Abkühlung
erfolgen. Mit Kühlverfahren,
etwa einer Wasserkühlung,
deren Abkühlgeschwindigkeiten
schnell sind, lässt
sich jedoch die Gussstruktur des Umgussteils feinen, so dass sich
insgesamt die Festigkeit des sich ergebenden Verbundgussteils steigern
lässt.
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(3) Anwendungen
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Das
besprochene Verbundgussteil kann in verschiedenen Bauteilen und
Vorrichtungen verwendet werden. Das Verbundgussteil ist insbesondere für Bauteile
geeignet, die eine höhere
Festigkeit erfordern als Gusserzeugnisse, die das Umgussteil allein
umfassen, da das besprochene Verbundgussteil durch die poröse Substanz
auf Eisenbasis verstärkt wird.
Solche Bauteile können
beispielsweise Zylinderblöcke,
verschiedene Verdichtergehäuse,
Knochenstrukturbauteile, Innenhüllen
oder Außenhüllen von
Druckgefäßen und
Rohre für
Rohrleitungen sein.
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Dabei
ist zu beachten, dass dann, wenn das Verbundgussteil Bauteile bildet,
die zylinderförmig sind
und wie beispielsweise Trennwände
von Druckgefäßen Innendrücken ausgesetzt
sind, die poröse Substanz
auf Eisenbasis passend in eine Zylinderform gebracht werden kann,
in der sich das Verbindungsstück
auf der Außenumfangsseite
und das Verstärkungsstück auf der
Innenumfangsseite befindet. Der Grund dafür ist der, dass die maximale
Belastung auf der Innenumfangsseite des Verbundgussteils oder der
porösen
Substanz auf Eisenbasis auftritt.
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Das
angesprochene Druckgehäuse
kann neben verschiedenen Druckgefäßen auch Zylinderhülsen, Zylinderblöcke und
Gehäuse
bilden, die in Pumpen, Verdichtern oder Motoren verwendet werden, sowie
Trennwände
und Rohre für
Rohrleitungen. Dabei ist zu beachten, dass der besprochene Verdichter und
seine Bestandteile bestimmte Ausführungsbeispiele des besprochenen
Druckgehäuses
darstellen.
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(Beispiel Nr. 1)
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(Aufriss)
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Die 1 und 2 veranschaulichen
als Beispiel Nr. 1 der Erfindung ein zylinderförmiges Gehäuse 1 für Verdichter.
Dabei ist zu beachten, dass das zylinderförmige Gehäuse 1 zu dem angesprochenen
Verbundgussteil, den Bestandteilen von Verdichtern oder dem Druckgehäuse zählt. 2 zeigt vergrößert eine
der zueinander entgegensetzten Stirnflächen des in 1 mit "2" bezeichneten zylinderförmigen Gehäuses 1.
Wie sich aus 1 ergibt, wird davon ausgegangen,
dass bei dem zylinderförmigen
Gehäuse 1 ein
von einem Arbeitsfluid stammender Innendruck "P" von
der Innenumfangsseite aus nach außen wirkt.
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Das
Gehäuse 1 ist
ein Verbundgussteil, das eine zylinderförmige poröse Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 und
ein Umgussteil 12 enthält.
Das Umgussteil 12 wurde erzeugt, indem die Außenumfangsfläche der
porösen
Sintersubstanz 11 auf Eisenbasis mit einer Aluminiumgusslegierung
umgossen wurde. Wie in 2 dargestellt ist, enthält die poröse Sintersubstanz
auf Eisenbasis 11 ein Verstärkungsstück 11a und ein Verbindungsstück 11b.
Das Verstärkungsstück 11a befindet
sich auf der Innenumfangsseite der porösen Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 und
weist eine geringere Porosität
beziehungsweise einen größeren Wert
Vf auf. Das Verbindungsstück 11b befindet
sich auf der Außenumfangsseite
der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 und weist eine höhere Porosität beziehungsweise
einen kleineren Wert Vf auf. Darüber hinaus sind
die Poren der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 mit der das Umgussteil 12 bildenden
Metallschmelze getränkt
und damit erstarrt. In den in dem Verbindungsstück 11b gelegenen Poren
ist das Umgussteil 12 daher nach der Tränkung fest erstarrt. Die poröse Sintersubstanz
auf Eisenbasis 11 und das Umgussteil 12 sind somit
fest durch eine Ankerwirkung verbunden.
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(Herstellung der porösen Sintersubstanz
auf Eisenbasis)
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Die
oben beschriebene zylinderförmige
poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 wurde wie folgt hergestellt.
Als Ausgangsmaterialpulver wurden die folgenden Pulver angesetzt:
ein als das eisenhaltige Pulver dienendes reduziertes Eisenpulver,
Graphit (C), Stearinsäure,
ein pulvermetallurgischer Schmierstoff und Kupferpulver. Das reduzierte
Eisenpulver enthielt reines Eisen, entsprach dem Produkt "KIP240M" von KAWASAKI SEITETSU
Co., Ltd., und hatte einen mittleren Teilchendurchmesser von 75 μm. Die Stearinsäure hatte
einen Schmelzpunkt von 60°C.
Der Schmierstoff entsprach dem Produkt "W-02" von
DAIWA WAX Co., Ltd. Das Kupferpulver entsprach dem Produkt "CE-5" von FUKUDA KINZOKU
Co., Ltd. und hatte einen mittleren Teilchendurchmesser von 80 μm. Diese
Ausgangsmaterialpulver wurden verwendet, um ein erstes Pulvergemisch
und ein zweites Pulvergemisch anzufertigen (Mischschritt). Das erste
Pulvergemisch enthielt dabei 74 Gew.-% Fe, 0,8 Gew.-% C und 3 Gew.-%
Stearinsäure.
Das zweite Pulvergemisch enthielt 87 Gew.-% Fe, 0,8 Gew.-% C, 2
Gew.-% Cu und 3 Gew.-% Stearinsäure.
Das erste Pulvergemisch und das zweite Pulvergemisch wurden jeweils
eine Stunde lang unter Verwendung einer Mahlvorrichtung gemischt.
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Das
erste Pulvergemisch wurde in einen zylinderförmigen Hohlraum einer ersten
Form gefüllt (Füllschritt)
und dann durch Pressen geformt (Formschritt). Auf diese Weise wurde
ein erster Pulverpresskörper
hergestellt, dessen Innendurchmesser ϕ 90 mm betrug, dessen
Außendurchmesser ϕ 100 mm
betrug und dessen Länge
50 mm betrug.
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Das
zweite Pulvergemisch wurde in einen zylinderförmigen Hohlraum einer zweiten
Form gefüllt
(Füllschritt)
und dann durch Pressen geformt (Formschritt). Auf diese Weise wurde
ein zweiter Pulverpresskörper
hergestellt, der in den ersten Pulverpresskörper passte und dessen Innendurchmesser ϕ 80
mm betrug, dessen Außendurchmesser ϕ 90
mm betrug und dessen Länge
50 mm betrug. Der sich ergebende erste Pulverpresskörper (Außenhülle) und zweite Pulverpresskörper (Innenhülle) wurden
aufeinander geschichtet, indem der zweite Pulverpresskörper in
den ersten Pulverpresskörper
gepasst wurde, wodurch sich ein Pulverpresskörper mit Doppelaufbau ergab
(Aufschichtungsschritt).
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Der
sich ergebende Pulverpresskörper
wurde in einen Elektroofen gesetzt und durch 30-minütiges Erhitzen
in einer Inert- oder Vakuumatmosphäre gesintert (Sinterschritt).
Auf diese Weise wurde die poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 hergestellt, deren Innendurchmesser ϕ 80
mm betrug, deren Außendurchmesser ϕ 100
mm betrug und deren Länge 50
mm betrug. Die Außenumfangsseite
der porösen Sintersubstanz
auf Eisenbasis 11 enthielt den gesinterten ersten Pulverpresskörper und
wies eine Porosität
von etwa 27 Vol.-% auf. Dabei ist zu beachten, dass das erfindungsgemäße Verbindungsstück 11b die
Außenumfangsseite
der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 einschloss. Die Innenumfangsseite der
porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 enthielt den gesinterten
zweiten Pulverpresskörper
und wies eine Porosität
von etwa 13 Vol.-% auf. Dabei ist zu beachten, dass das erfindungsgemäße Verstärkungsstück 11a die
Innenumfangsseite der porösen Sintersubstanz
auf Eisenbasis 11 einschloss. 3 veranschaulicht
schematisch das Erscheinungsbild der porösen Sintersubstanz auf Eisenbasis 11.
Dabei zeigt 3(a) die gesamte porösen Sintersubstanz auf
Eisenbasis 11 in Perspektivansicht und 3(b) einen
Querschnitt durch die poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 entlang der Zentralachse.
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(Herstellung des Verbundgussteils)
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Die
poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 wurde mit einer Aluminiumlegierung
gemäß Japanischem
Industrie standard JIS 2024 umgossen, die zu dem Umgussteil 12 wurde.
Auf diese Weise wurde ein zylinderförmiges Verbundgussteil beziehungsweise
das Gehäuse 1 hergestellt.
Die Metallschmelze der Aluminiumlegierung wurde von der Außenumfangsseite
der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 beziehungsweise von der
Seite des Verbindungsstücks 11b aus
nach innen gegossen. Dabei waren die Gießbedingungen so eingestellt,
dass die Temperatur der Metallschmelze 750°C betrug, die Temperatur der
Form 200°C
betrug, die poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 auf 300°C vorgeheizt war
und sich die Metallschmelze unter einen Druck von 100 MPa befand.
Auf diese Weise wurde die poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 von dem Verbindungsstück 11b aus
einwärts
zum Verstärkungsstück 11a hin
mit der Metallschmelze der Aluminiumlegierung durchtränkt. Danach
wurde die Form wassergekühlt,
um die Metallschmelze erstarren zu lassen, wodurch das zylinderförmige Verbundgussteil fertig
gestellt wurde.
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4 zeigt
ein metallografisches Gefügebild des
Verbundgussteils, wie es sich unter einem optischen Mikroskop ergab,
nachdem das Verbundgussteil nahe dem Verbindungsstück 11b durchschnitten und
der durchschnittene Querschnitt der Metallstruktur 15 Sekunden
lang mit 3% alkoholischer Salpetersäure (oder Nital) geätzt worden
war. Aus dem metallografischen Gefügebild ergibt sich, dass die
Poren dem Verbindungsstück 11b dicht
mit der Metallschmelze der Aluminiumlegierung durchtränkt und mit
dieser erstarrt sind und dass die Verbindung zwischen der porösen Sintersubstanz
auf Eisenbasis 11 und dem Umgussteil 12 beziehungsweise
der Matrix fest war.
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Darüber hinaus
wird davon ausgegangen, dass das Cu-Pulver beziehungsweise das Poren
erzeugende Material, das in den zweiten Pulverpresskörper eingemischt
wurde, beim Sintern durch die Hitze aufgeschmolzen ist und in dem
Verbindungsstück 11b zur
Porenbildung beitrug. Darüber
hinaus versteht sich, dass das Cu-Pulver selbst beim Sintern aufschmilzt,
in die beim Sintern des Fe-Pulvers entstehenden Lücken fließt und die
Lücken
füllt.
Dabei ist zu beachten, dass das Verbundgussteil eine Zugfestigkeit
von 535 bis 564 MPa zeigte. Die Zugfestigkeit betrug durchschnittlich
546 MPa bei dreimaliger Messung.
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(Beispiel Nr. 2)
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5 veranschaulicht
als Beispiel Nr. 2 der Erfindung ein zylinderförmiges Gehäuse 2 für Verdichter.
Es ist zu beachten, dass das zylinderförmige Gehäuse 2 zu den besprochenen
Bestandteilen von Verdichtern oder dem Druckgehäuse zu zählen ist. Das Gehäuse 2 wurde
dadurch erzeugt, dass die Form der porösen Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 in
Beispiel Nr. 1 zu einer wannenförmigen
porösen Sintersubstanz
auf Eisenbasis 21 geändert
wurde, deren Querschnitt einem Halbkreis entsprach, und der Außenumfang
der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis 21 mit einem Umgussteil 22 umgossen wurde.
Im Beispiel Nr. 2 bildet die Innenumfangsseite der porösen Sintersubstanz
auf Eisenbasis 21 das Verstärkungsstück und ihre Außenumfangsseite
das Verbindungsstück.
Beispiel Nr. 2 ist dann wirksam, wenn in der Zeichnung allein an
der Oberseite der Innenumfangsseite des Gehäuses 2 eine hohe Festigkeit
erforderlich ist.
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(Beispiel Nr. 3)
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6 veranschaulicht
als Beispiel Nr. 3 der Erfindung ein zylinderförmiges Gehäuse 3 für Verdichter.
Es ist zu beachten, dass das zylinderförmige Gehäuse 3 zu den besprochenen
Bestandteilen von Verdichtern oder dem Druckgehäuse zu zählen ist. Das Gehäuse 3 wurde
erzeugt, indem die Form der porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis 11 in Beispiel Nr. 1 zu einer
wannenförmigen
porösen
Sintersubstanz auf Eisenbasis 31 geändert wurde, deren Querschnitt
einem Halbkreis entsprach, und der Innenumfang der porösen Sintersubstanz
auf Eisenbasis 31 mit einem Umgussteil 32 umgossen
wurde. In Beispiel Nr. 3 bildet die Außenumfangsseite der porösen Sintersubstanz
auf Eisenbasis 31 das Verstärkungsstück und ihre Innenumfangsseite
das Verbindungsstück.
Bei Beispiel Nr. 3 ist außerdem
zu beachten, dass sich die poröse
Sintersubstanz auf Eisenbasis 31 nicht über die gesamte Länge des
Gehäuses 3 erstreckt,
sondern sich lediglich in der Mitte des Gehäuses 3 befindet. Beispiel
Nr. 3 ist dann wirksam, wenn in der Zeichnung allein an der Oberseite
der Außenumfangsseite
des Gehäuses 2 und
in ihrer Mitte eine hohe Festigkeit erforderlich ist.
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Ohne
Beschränkung
auf die oben beschriebenen Beispiele sind abhängig von den Bauarten und Spezifikationen
der Verdichter und den Anwendungen und Formen der Druckgehäuse eine
Reihe weiterer Beispiele denkbar.
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Nachdem
die Erfindung nun vollständig
beschrieben wurde, wird dem Fachmann ersichtlich sein, dass weitere Änderungen
und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von dem Prinzip
und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie es sich aus den
beigefügten
Ansprüchen
ergibt.