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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aluminiumelement, insbesondere ein großes Aluminiumgussteil.
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Aluminiumgussteile werden in praktischen Gebieten angewendet, für das Ziel der Gewichtsreduktion. Ferner werden Aluminiumelemente, die durch Formguss hergestellt werden, weithin so bereitgestellt, dass sie eine feine Korngröße erzielen (siehe z. B.
JP 2541412 B1 ).
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JP 2541412 B1 gibt eine Aluminiumlegierung für den Formguss an, welche Magnesium (Mg), Silizium (Si), Eisen (Fe) und Mangan (Mn) innerhalb bestimmten Bereichen enthält. Die Legierung wird für das Material von elektronischen Vorrichtungen, wie etwa Computern, verwendet.
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Die in der
JP 2541412 B1 diskutierte Technik ist für kleine dünne Teile wie elektronische Vorrichtungen nutzbar. Für Teile mit großen Dickenunterschieden, wie etwa Fahrzeugteile, kommt es zu einer unterschiedlichen Abkühlrate zwischen einem dicken Abschnitt und einem dünnen Abschnitt.
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Aluminium-Mangan(Al-Mg)-Materialien haben allgemein eine geringe Fließfähigkeit und sind schwer zu gießen. Wenn ein solches Material mit geringer Fließfähigkeit für ein großes Teil mit großem Dickenunterschied verwendet wird, könnte ein Fehlfluss durch ungenügende Zufuhr von Materialschmelze während der Verfestigung Brüche verursachen.
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Um dieses Problem zu vermeiden, werden Aluminium-Silizium(Al-Si)-basierende Materialien verwendet, obwohl das Al-Si-basierende Material eine Wärmebehandlung erfordert, um Festigkeit zu erzielen, was in hohen Produktionskosten resultieren könnte.
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Da Gewichtsreduktion für Fahrzeuge und dergleichen erwünscht ist, ist es erforderlich, Teile mit geringen Kosten durch Aluminiumguss auch für ein großes Teil mit großem Dickenunterschied herzustellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Technik anzugeben, die die Produktion eines Aluminiumgussteils auch für ein großes Teil mit großem Dickenunterschied erlaubt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Aluminiumelement angegeben, zusammengesetzt aus Bestandteilen von, in Gewichtsprozent, 1,0% bis 3,0% Si, 4,0% bis 6,0% Mg, 1,0% oder weniger Fe, 1,0% oder weniger Mn, 0,5% oder weniger Cu, 0,5% oder weniger Zn, wobei 0,10% bis 0,20% Titan (Ti) und/oder 0,0015% bis 0,0030% Beryllium (Be) zugefügt sind, um eine feine Korngröße in einer Metallstruktur zu erlangen, und einen Rest von Al und unvermeidbaren Verunreinigungen. Das Aluminiumelement wird mittels einer Gussform und einem in der Gussform angeordneten Sandkern hergestellt, indem eine Metallschmelze, die aus den Bestandteilen zusammengesetzt ist, in einem Raum zwischen der Gussform und dem Sandkern gegossen wird.
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In der vorliegenden Erfindung ist im Aluminiumgussteil Si im Bereich von 1,0% bis 3,0% enthalten. Wenn das enthaltene Si weniger als 1,0% ist, werden die 0,2% Streckfestigkeit und die Zugfestigkeit reduziert, und wenn das enthaltene Si mehr als 3,0% beträgt, wird die Dehnung reduziert. Wenn das enthaltene Si innerhalb 1,0% bis 3,0% liegt, können vorbestimmte Grade von 0,2% Streckfestigkeit, Zugfestigkeit und Dehnung sichergestellt werden. Ferner kann die Fließfähigkeit von auf Al-Mg-basierenden Legierungen, die der negative Aspekt ist, durch Zufügen von Si verbessert werden.
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Obwohl, wenn das enthaltene Si innerhalb von 1,0% bis 3,0% beträgt, die geschmolzene Aluminiumlegierung eine nachteilige Fließfähigkeit hat, und wenn Hochdruckguss (Druckguss) für ein großes Teil mit einem großen Dickenunterschied angewendet wird, könnte ein Fehlfluss an einem Abschnitt, der in der Endstufe des Gießens zu füllen ist, oder ein Bruch an einem dicken Abschnitt und einem dünnen Abschnitt auftreten.
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Im Hinblick auf dieses Problem ist in der vorliegenden Erfindung ein Sandkern mit geringer Wärmeleitfähigkeit einer Form angeordnet, um das Abfallen der Temperatur einer Metallschmelze zu vermeiden und um auch den Dickenunterschied des Teils zu reduzieren.
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In der vorliegenden Erfindung kann die mittels des Sandkerns hergestellte Hohlstruktur eine dünne leichte Struktur mit hoher Steifigkeit ergeben.
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Somit sieht die vorliegende Erfindung eine Technik vor, die ein Aluminiumgussteil auch für ein großes Teil mit großem Dickenunterschied herstellen kann, d. h. ein Teil, das einen großen Dickenunterschied haben sollte, wenn bei Herstellung des Teils kein Kern verwendet wird.
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Das Aluminiumelement ist bevorzugt ein hohles Druckgusselement, das durch Hochdruckguss hergestellt wird. Somit kann ein dünnes Aluminiumelement hergestellt werden, und weil darüber hinaus Hochdruckguss angewendet wird, kann ein Aluminiumelement mit feiner Korngröße und hoher Festigkeit hergestellt werden.
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Das hohle Druckgusselement wird vorzugsweise für einen Hilfsrahmen für ein Fahrzeug verwendet. Das hohle Druckgusselement kann dünn hergestellt werden und hat eine überragende mechanische Eigenschaft ohne Behandlung, und ist daher bevorzugt für einen Hilfsrahmen, der Festigkeit und Zuverlässigkeit erfordert. Somit kann ein leichter und kostengünstiger Hilfsrahmen hergestellt werden. Der Hilfsrahmen, der eine Antriebsanlage, wie etwa Motoren, trägt, erhält Drehkräfte und Vibration, die von der Antriebsanlage erzeugt werden, und Last von einer Aufhängung, und erfordert daher eine hohe Festigkeit und hohe Steifigkeit.
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Bevorzugt sind eine Querelementeinheit und eine Aufhängungsträgereinheit in den Hilfsrahmen für ein Fahrzeug integriert, und beide Elemente haben eine Hohlstruktur.
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Der Hilfsrahmen für ein Fahrzeug enthält bevorzugt einen schrägen Abschnitt.
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1A und 1B stellen ein allgemeines Konzept der Druckgussvorrichtungen dar;
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2 ist eine Perspektivansicht, die eine Fahrzeugfrontstruktur darstellt;
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3 ist eine Unteransicht eines Hilfsrahmens;
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4 ist ein Schnittansicht eines Hilfsrahmens;
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5A bis 5C stellen eine Beziehung zwischen der zugefügten Si-Menge und der Zugfestigkeit, 0,2% Streckfestigkeit und Dehnung dar; und
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6 stellt eine Beziehung zwischen dem Vorhandensein eines Sandkerns und der Fließlänge dar.
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Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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AUSFÜHRUNG
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Eine herkömmliche Druckgussvorrichtung 100 wird als Vergleichsbeispiel in 1A beschrieben. Eine Metallschmelze 105 wird durch eine Hülse 104 in einen Hohlraum 103 eingespritzt, der durch eine feste Form 101 und eine bewegliche Form 102 gebildet ist. Der Hohlraum 103 ist groß gemacht, um ein großes dickes Teil herzustellen. Obwohl übrigens das allgemeine Konzept und der Hohlraum 103 mit konstanter Dicke in 1A dargestellt ist, kann ein reales Teil tatsächlich einen großen Dickenunterschied haben. In einem Fall, wo mit Metallschmelze 105 mit geringer Fließfähigkeit eingespritzt wird, könnte, wenn der Dickenunterschied groß ist, der Unterschied in der Kühlrate zwischen dem dicken Abschnitt und dem dünnen Abschnitt Gussfehler verursachen.
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Wie in 1B dargestellt, enthält eine Druckgussvorrichtung 10 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung z. B. eine Grundplatte 11, eine feste Platte 12, die an der Grundplatte 11 befestigt ist, eine feste Form 13, die an der festen Platte 22 angebracht ist, eine bewegliche Platte 14, die gegenüber der festen Platte 12 angeordnet ist, einen Formschließzylinder 15, der die bewegliche Platte 14 bewegt, eine bewegliche Form 16, die an der beweglichen Platte 14 angebracht ist, einen Sandkern 17, der zwischen der beweglichen Form 16 und der festen Form 13 angeordnet ist, eine zylindrische Hülse 18, die an der festen Platte 12 angebracht ist, und einen Kolben 19, der die Hülse 18 entlang der axialen Richtung bewegt.
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Ferner ist der Sandkern 17 mit einer Aluminiumoxid-Beschichtung beschichtet, welche durch Sintern eines Gemischs von Natursand und künstlichem Sand aufgebracht wird, so dass der Sandkern 17 für Hockdruckinjektion verwendet werden kann.
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Die feste Form 13 und die bewegliche Form 16 stellen eine Gussform 20 dar.
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Ein Angusskanal 22 und eine Mehrzahl von Eingusskanälen 23 sind in der festen Form 13 vorgesehen. Diese Eingusskanäle 23 öffnen sich in den Hohlraum 24, der zwischen dem Sandkern 17 und der festen Form 13 angeordnet ist. Durch das Vorsehen des Sandkerns 17 wird die Dicke T des Hohlraums 24 dünn gemacht.
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Geschmolzene Aluminiumlegierung (nachfolgend als Metallschmelze 26 abgekürzt) wird in die Hülse 18 durch einen Einlauf 25 eingespritzt, der an der Hülse 18 vorgesehen ist. Die Metallschmelze 26 wird in der Hülse 18 gehalten. Indem der Kolben 19 vorwärts bewegt wird, wird die Metallschmelze 26 im Angusskanal 22 mit hohem Druck eingespritzt, und dann wird Metallschmelze 26, durch eine Mehrzahl von Eingusskanälen 23, mit hohem Druck in den Hohlraum 24 eingespritzt.
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Während des Einspritzens wird die Außenoberfläche der Metallschmelze 26 durch die feste Form 13 und die bewegliche Form 16 abgekühlt, und die Innenoberfläche der Metallschmelze 26 wird durch den Sandkern 17 abgekühlt. Weil der Sandkern 17 als Kühlmittel sehr viel schlechter arbeitet als der Metallkern, wird die Metallschmelze 26 moderat abgekühlt. Da das Abkühlen moderat erfolgt, bleibt die Fließfähigkeit der Metallschmelze 26 für eine relativ lange Zeitdauer erhalten, was erlaubt, dass die Metallschmelze 26 das ferne Ende des Hohlraums 24 erreicht, ohne fest zu werden.
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Nachdem die Metallschmelze 26 fest geworden ist, bewegt der Formschließzylinder 15 die bewegliche Platte 14 und die bewegliche Form 16, um die Form zu öffnen. Der Aluminiumguss wird aus der geöffneten Gussform 20 entnommen.
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Der Sandkern 17 wird aus dem Aluminiumguss entnommen, und man erhält ein hohles Druckgusselement, das aus einem Aluminiumelement aufgebaut ist.
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Übrigens stellt 1B lediglich ein Beispiel dar. Die Gussform 20 kann auch um 90° gedreht werden, so dass der Sandkern 17 horizontal angeordnet werden kann. Ferner kann der Angusskanal 22 auch innerhalb der festen Form 13 vorgesehen sein.
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In den 2 und 3 bezeichnet der Pfeil Fr die Vorderseite und bezeichnet der Pfeil Rr die Rückseite.
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Wie in den 2 und 3 dargestellt, enthält die Fahrzeugfrontstruktur 30 rechte und linke Seitenrahmen 31R und 31L (das beigefügte R bezeichnet die rechte Seite und das beigefügte L bezeichnet die linke Seite, wie es nachfolgend auch ähnlich angewendet wird), die entlang der Vorne-Hinten-Richtung der Fahrzeugkarosserie angeordnet sind, einen Hilfsrahmen für ein Fahrzeug 40 (nachfolgend als Hilfsrahmen 40 bezeichnet), der unter den linken und rechten Seitenrahmen 31R und 31L angebracht ist, rechte und Zinke Aufhängungslenker 32R und 32L, die an den rechten und linken Endabschnitten des Hilfsrahmens 40 vorgesehen sind, und rechte und linke Aufhängungen 33R und 33L, die jeweils mit den rechten und linken Aufhängungslenkern 32R und 32L verbunden sind.
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Die Fahrzeugfrontstruktur 30 enthält ferner ein Lenkgetriebe 34, das am oberen Abschnitt des Hilfsrahmens 40 angebracht ist, und einen Drehmomentstab 36, der den Hilfsrahmen 40 mit der Antriebsanlage 35 verbindet.
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Ein Lenkrad 39 ist an der Lenkwelle 38 angebracht, die sich von dem Lenkgetriebe 34 weg erstreckt.
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Zum Beispiel wird die Antriebsanlage konfiguriert, indem ein Motor und ein Getriebe integriert werden, d. h. eine Motor-/Getriebeeinheit und wird entlang der Rechts-Links-Richtung zwischen den rechten und linken Seitenrahmen 33R und 33L angeordnet.
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Wie in 3 dargestellt, ist der Hilfsrahmen 40 konfiguriert mit linken und rechten Aufhängungsträgereinheiten 41R und 41L, die die Aufhängungslenker 32R und 32L tragen, sowie einer Querelementeinheit 42, die sich zwischen der Aufhängungsträgereinheit 41R und der Aufhängungsträgereinheit 41L erstreckt. Die Aufhängungsträgereinheiten 41R und 41L und die Querelementeinheit 42 sind integriert ausgebildet und haben jeweils eine hohle Struktur.
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Wie in 4 dargestellt, hat der Hilfsrahmen 40 einen schrägen Abschnitt 43, der von der Rückseite zur Vorderseite des Fahrzeugs hin abgeschrägt ist, um eine Störung mit der Antriebsanlage zu vermeiden (siehe Bezugszeichen 35 in 3). Da der schräge Abschnitt 43 die Form allmählich ändert, wird die Fließfähigkeit vorteilhaft beibehalten.
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Die Gesamtstruktur des Hilfsrahmens 40 ist als hohles Druckgusselement ausgebildet, das durch Hochdruckguss mittels des Sandkerns hergestellt wird (siehe Bezugszeichen 17 in 1B). Der Sandkern trägt zu einer moderaten Abkühlung bei, um eine dünne Struktur herzustellen. Das Bezugszeichen 45 bezeichnet einen großen Hohlraum, der durch den Sandkern gebildet wird.
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In 3 ist der Sandkern innerhalb jeder der Aufhängungsträgereinheiten 41R und 41L und der Querelementeinheit 42 angeordnet. Auf diese Weise kann ein größerer Anteil moderat abgekühlt werden, und hierdurch eine dünne Struktur hergestellt werden.
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Die Bestandteile der in 1B gezeigten Metallschmelze 26 sind, als Gewichtsprozent, 1,0% bis 3,0% Si, 4,0% bis 6,0% Mg, 1,0% oder weniger Fe, 1,0% oder weniger Mn, 0,5% oder weniger Cu, 0,5% oder weniger Zn, wobei 0,10% bis 0,20% Ti und/oder 0,0015% bis 0,0030% Be zugefügt werden, um in der Metallstruktur eine feine Korngröße zu erlangen, und ein Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen.
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Unter den oben erwähnten Bestandteilen folgt eine Beschreibung für Si.
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Wie in 5A dargestellt, ergibt der Si-Gehalt von 2,0% Gewichtsprozent die höchste Zugfestigkeit, und der Si-Gehalt von 3,0% ergibt die zweithöchste Zugfestigkeit, gefolgt vom Si-Gehalt von 1,0%.
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Wie in 5B dargestellt, erhöht sich die 0,2%-Streckfestigkeit proportional zur zugefügten Si-Menge.
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Wie in 5C dargestellt, ergibt der Si-Gehalt von 1,0% die höchste Dehnung und ergibt der Si-Gehalt von 2,0% die zweithöchste Dehnung, gefolgt vom Si-Gehalt von 3,0%.
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Das heißt, wenn der Si-Gehalt weniger als 1,0% beträgt, ist die Zugfestigkeit kleiner, und wenn der Si-Gehalt mehr als 3,0% beträgt, ist die Dehnung klein. Wenn der Si-Gehalt innerhalb von 1,0% bis 3,0% liegt, können vorbestimmte Grade an Zugfestigkeit, Streckfestigkeit und Dehnung eingehalten werden.
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Es folgt nun eine Beschreibung für den Sandkern.
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Die Fließlänge in der in 1A dargestellten Vorrichtung und die Fließlänge in der in 1B dargestellten Vorrichtung werden untersucht.
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Wenn, wie in 6 dargestellt, die Metallschmelze 5% Mg bis 2% Si ist, hat die den Sandkern verwendende Vorrichtung eine viel längere Fließlänge als die Vorrichtung, die den Sandkern nicht verwendet.
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Das Aluminiumelement gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist für beliebigen Hohlguss verwendbar und kann durch Druckguss, Sandformguss, Niederdruckguss oder andere Gießverfahren hergestellt werden.
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Obwohl die vorliegende Ausführung auf den Hilfsrahmen für ein Fahrzeug angewendet ist, ist die Ausführung auch auf andere Fahrzeugstrukturelemente anwendbar, wie etwa Aufhängungslenker, Rahmenelemente von Krafträdern und Komponenten von anderen Strukturen als jenen für Fahrzeuge.
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Es wird ein Aluminiumelement offenbart, das durch Gießen von Metallschmelze hergestellt wird, die aus vorbestimmten Bestandteilen zusammengesetzt ist. Das Aluminiumelement wird gegossen, indem die Metallschmelze einem Raum zwischen einer festen Form (13), einer beweglichen Form (16) und einem Sandkern (17) zugeführt wird, der zwischen der festen Form (13) und der beweglichen Form (16) angeordnet ist, und dann die Metallschmelze moderat gekühlt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2541412 B1 [0002, 0003, 0004]
