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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Eisenlegierungen, und insbesondere Sphärogusslegierungen, die eine gewünschte Festigkeit aufweisen, so dass sie schweißbar und maschinell bearbeitbar sind, ebenso wie daraus hergestellte Komponenten, wie etwa Differential- und Antriebsachsenkomponenten.
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EINLEITUNG
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Geschweißte Vorderradantriebs-Differentialkörbe verringern sowohl Gewicht als auch Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Bolzenverbindungsstrukturen. Allerdings lassen sich traditionelle hochfeste duktile Eisensorten, wie beispielsweise SAE D5506 und D7003 nur schlecht mit Stahl verschweißen und schlecht maschinell bearbeiten, da sie einen hohen Prozentanteil an Perlit in der Matrix aufweisen (z.B. etwa 70-100 %). Eine hohe Perlit-Konzentration führt im Allgemeinen zu einer schlechten Schweißbarkeit, einer schlechten maschinellen Bearbeitbarkeit und einer geringen Bruchzähigkeit. Andererseits ist die Festigkeit bei duktilen Eisen umso höher, je größer der Anteil der Perlit-Phase ist. In vielen Automobilkomponenten ist im Allgemeinen eine hohe Festigkeit erwünscht.
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Eine geringe Zähigkeit der schweißungsbedingten Wärmeeinflusszone (HAZ) in duktilem Eisen macht die Schweißnaht sehr anfällig für eine Schweißrissbildung. Zum Beispiel ist wegen eines hohen Perlitvolumens in D7003 ein Schweißen ohne aufwendige Schweißverfahren, wie etwa solche, die eine Vorwärmung und eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen beinhalten, sehr schwierig.
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KURZDARSTELLUNG
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Diese Offenbarung stellt eine neue hochfeste Sphärogusslegierung bereit, die eine wünschenswerte Schweißbarkeit und maschinelle Bearbeitbarkeit aufweist. Die neue Sphärogusslegierung kann zum Beispiel eine Reißfestigkeit von mindestens 620 MPa und eine Dehnung von mindestens 6 % aufweisen. Die hochfeste duktile Sphärogusslegierung kann eine Ferrit/Perlit-Matrix aufweisen, wobei die Perlit-Phase nicht mehr als 35 % ausmacht. Zähigkeit und Dauerfestigkeit der schweißungsbedingten Wärmeeinflusszone (HAZ) sind verbessert, und Bearbeitungsaufwand bzw. -kosten können durch die Verwendung dieser neuen duktilen Eisenlegierung gesenkt werden.
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In einem Beispiel, das mit den anderen hierin angegebenen Beispielen und Merkmalen kombiniert werden oder von diesen getrennt sein kann, wird eine Sphärogusslegierung angegeben die Folgendes enthält: Eisen, zu etwa 3,1 bis etwa 3,3 Gewichtsprozent Kohlenstoff, zu etwa 2,7 bis etwa 4,3 Gewichtsprozent Silicium und zu etwa 0,15 bis etwa 0,40 Gewichtsprozent Mangan.
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In einem anderen Beispiel, das mit den anderen hierin angegebenen Beispielen kombiniert werden oder von diesen getrennt sein kann, wird eine Sphärogusslegierung bereitgestellt, die im Wesentlichen aus Folgendem besteht: zu etwa 3,1 bis etwa 3,3 Gewichtsprozent Kohlenstoff, zu etwa 2,7 bis zu etwa 4,3 Gewichtsprozent Silicium, zu etwa 0,15 bis etwa 0,40 Gewichtsprozent Mangan, zu 0 bis etwa 0,10 Gewichtsprozent Magnesium, zu 0 bis etwa 0,2 Gewichtsprozent Nickel, zu 0 bis etwa 0,4 Gewichtsprozent Kupfer, zu 0 bis etwa 0,30 Gewichtsprozent Chrom, zu 0 bis etwa 0,03 Gewichtsprozent Phosphor, zu 0 bis etwa 0,02 Gewichtsprozent Schwefel und zu übrigen Teilen Eisen.
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Weitere Merkmale können optional bereitgestellt sein, unter anderem einschließlich der folgenden: wobei das Silicium in einer Menge von zu etwa 3,5 bis etwa 4,1 Gewichtsprozent bereitgestellt ist; wobei das Eisen in einer Menge von mindestens zu 86,55 Gewichtsprozent bereitgestellt ist, wobei die Sphärogusslegierung ferner Magnesium in einer Menge von nicht mehr als zu 0,10 Gewichtsprozent umfasst; wobei die Sphärogusslegierung ferner Nickel in einer Menge von nicht mehr als zu 0,2 Gewichtsprozent umfasst; wobei die Sphärogusslegierung ferner Kupfer in einer Menge von nicht mehr als zu 0,4 Gewichtsprozent umfasst; wobei die Sphärogusslegierung ferner Chrom in einer Menge von nicht mehr als zu 0,30 Gewichtsprozent umfasst; wobei die Sphärogusslegierung ferner Schwefel in einer Menge von nicht mehr als zu 0,02 Gewichtsprozent umfasst; wobei die Sphärogusslegierung ferner Phosphor in einer Menge von nicht mehr als zu 0,03 Gewichtsprozent umfasst; wobei die Sphärogusslegierung nach dem Gießen eine Reißfestigkeit von mehr als 620 MPa aufweist; wobei die Sphärogusslegierung eine Dehnung von mehr als 6 % aufweist; wobei die Sphärogusslegierung im Wesentlichen frei von Kobalt und Molybdän ist; wobei das Eisen in einer Menge von 65-85 % in einer Ferrit-Mikrostruktur und in einer Menge von 15-35 % in einer Perlit-Mikrostruktur vorliegt; und wobei das Eisen eine Vielzahl von Graphitsphären umgibt.
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Weitere zusätzliche Merkmale können enthalten sein, einschließlich ohne Einschränkung die folgenden: dass eine Kraftfahrzeugkomponente aus irgendeiner Variation der Sphärogusslegierung erzeugt wird; und dass die Kraftfahrzeugkomponente eine Differentialkomponente oder eine Antriebsachskomponente ist.
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Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der zahlreichen Aspekte der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich werden.
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Figurenliste
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Die Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung und sollen diese Offenbarung oder die beigefügten Ansprüche nicht einschränken.
- 1 ist eine vergrößerte Ansicht einer Sphärogusslegierung gemäß den Grundlagen der vorliegenden Offenbarung und zeigt deren Mikrostruktur; und
- 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Differentialbaugruppe, die Komponenten aufweist, die aus einer Sphärogusslegierung gemäß den Grundlagen der vorliegenden Offenbarung gebildet ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es werden Sphärogusslegierungen bereitgestellt, die eine gewünschte Festigkeit, Schweißbarkeit und maschinelle Bearbeitbarkeit aufweisen. Diese Sphärogusslegierungen sind besonders nützlich für gegossene Kraftfahrzeugkomponenten, die hohen Lasten, starker Ermüdung und einer erheblichen Anzahl von Bearbeitungsschritten unterworfen werden und die außerdem an eine andere Komponente geschweißt werden. Die Kraftfahrzeugkomponenten können als Guss implementiert werden, was zusätzliche Schritte und Kosten einspart. Beispielsweise können Komponenten, die aus der offenbarten Sphärogusslegierung gebildet sind, ohne Vorwärmen oder Wärmebehandlung nach dem Schweißen mit Laser an Stahl geschweißt werden. Die Härte/Brüchigkeit der Wärmeeinflusszone kann niedriger sein als die von herkömmlichen Eisenlegierungen, was zu einer Verbesserung der Bruchzähigkeits- und Ermüdungseigenschaften der Schweißzone führt.
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Die hier offenbarten Sphärogusslegierungen enthalten Eisen, Kohlenstoff, Silicium, Mangan, und die Sphärogusslegierungen können auch Phosphor, Schwefel, Nickel, Kupfer, Chrom und Magnesium enthalten.
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Die hierin offenbarten Sphärogusslegierungen können Eisen und gewichtsbezogen zu etwa 3,1 bis etwa 3,3 Gewichtsprozent (oder exakt 3,1-3,3 Gew.-%) Kohlenstoff, gewichtsbezogen zu 3,5 bis etwa 4,1 Gewichtsprozent (oder exakt 3,5-4,1 Gew.-%) Silicium, gewichtsbezogen zu 0,15 bis etwa 0,40 Gewichtsprozent (oder exakt 0,15-0,40 Gew.-%) Mangan enthalten. In einigen Fällen kann das Silicium in Mengen bereitgestellt werden, die so niedrig wie etwa 2,7 Gewichtsprozent oder so hoch wie etwa 4,3 Gewichtsprozent sind, und es wird ein Kohlenstoffäquivalent von etwa 4,2 bis etwa 4,4 Gewichtsprozent aufrechterhalten.
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Das Eisen kann in einer Menge von mindestens zu 86,55 Gewichtsprozent bereitgestellt werden. Die Sphärogusslegierungen können auch ein oder mehrere der Folgenden enthalten: Magnesium in einer Menge von nicht mehr als zu 0,10 Gew.-%, Nickel in einer Menge von nicht mehr als zu 0,2 Gew.-%, Kupfer in einer Menge von nicht mehr als zu 0,4 Gew.-%, Chrom in einer Menge von nicht mehr als zu 0,30 Gew.-%, Phosphor in einer Menge von nicht mehr als zu 0,03 Gew.-% und Schwefel in einer Menge von nicht mehr als zu 0,02 Gew.-%. Beispielsweise zeigt Tabelle 1 ein erstes Beispiel der Sphärogusslegierung, die Eisen, Kohlenstoff, Silicium, Mangan enthält und die auch Phosphor, Schwefel, Magnesium, Nickel, Kupfer und Chrom enthalten kann. Das Eisen kann in einer Menge von mindestens zu 86,55 Gewichtsprozent bereitgestellt werden.
Tabelle 1. Erstes Beispiel einer neuen Sphärogusslegierung
| C (Gew.%) | Si (Gew.%) | Mn (Gew.-%) | P (Gew.-%) | S (Gew.-%) | Cu (Gew.-%) | Ni (Gew.-%) | Cr (Gew.-%) | Mg (Gew.-%) | Kohlenstoffäquivalent CE (Gew.- %) | Fe |
| 3,1-3,3 | 2,7-4,3 | 0,15-0,40 | 0-0,03 | 0-0,02 | 0-0,4 | 0-0,2 | 0-0,30 | 0-0,10 | 4,2-4,4 | Rest |
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Für ein anderes Beispiel zeigt Tabelle 2 ein Beispiel der Sphärogusslegierung, die Eisen, Kohlenstoff, Silicium, Mangan enthält und die auch Phosphor, Schwefel, Magnesium, Nickel, Kupfer und Chrom enthalten kann. In diesem zweiten Beispiel liegen die Siliciummengen, in Gewichtsprozent, in einem kleineren Bereich. Wie zuvor kann das Eisen in einer Menge von mindestens zu 86,55 Gew.-% bereitgestellt werden.
Tabelle 2. Zweites Beispiel einer neuen Sphärogusslegierung
| C (Gew.-%) | Si (Gew.-%) | Mn (Gew.-%) | P (Gew.-%) | S (Gew.-%) | Cu (Gew.-%) | Ni (Gew.-%) | Cr (Gew.-%) | Mg (Gew.-%) | Kohlenstoffäquivalent CE (Gew.- %) | Fe |
| 3,1-3,3 | 3,5-4,1 | 0,15-0,40 | 0-0,03 | 0-0,02 | 0-0,4 | 0-0,2 | 0-0,30 | 0-0,10 | 4,2-4,4 | Rest |
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Wie bei Tabelle 1 sei klargestellt, dass die neue Sphärogusslegierung eine beliebige Kombination der oben in der Tabelle 2 aufgeführten Elemente aufweisen kann, aber nicht alle von ihnen einschließen muss.
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Nun Bezug nehmend auf 1 wird eine Sphärogusslegierung 10 veranschaulicht, die eine Mikrostruktur aufweisen kann, die aus einer Zusammensetzung wie der von Tabelle 1 entwickelt worden ist. Es ist eine Vielzahl von Graphitsphären 12 vorhanden, und Eisen 14 umgibt die Graphitsphären 12. Von dem Eisen 14, das die Graphitsphären umgibt, weisen 65-85 % des Eisens eine Ferrit-Mikrostruktur 16 auf, und nur 15-35 % weisen eine Perlit-Mikrostruktur 18 auf. In einem Beispiel kann das Eisen 14 so bereitgestellt werden, dass es zu etwa 20 % Perlit ist und zu etwa 80 % Ferrit ist. Im Allgemeinen umgibt die Perlit-Mikrostruktur 18 die Ferrit-Mikrostruktur 16, und die Ferrit-Mikrostruktur 16 ist direkt benachbart zu den Sphären 12 angeordnet. Die Ferrit-Mikrostruktur 16 erscheint heller als die Perlit-Mikrostruktur 18 in 1, nach einem üblichen Ätzverfahren zur metallographischen Charakterisierung.
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Die Sphärogusslegierung 10 kann nach dem Gießen eine Reißfestigkeit von zum Beispiel mindestens 620 MPa aufweisen. In einigen Beispielen kann die Reißfestigkeit der Sphärogusslegierung nach dem Gießen im Bereich von etwa 620 bis etwa 700 MPa liegen. Dementsprechend weist die Sphärogusslegierung 10 eine ausreichende Festigkeit zur Verwendung in Hochlast-Kraftfahrzeugkomponenten auf, wie etwa Differential- und Antriebsachsenkomponenten, ist aber auch maschinell bearbeitbar und schweißbar. Die Sphärogusslegierung 10 kann zum Beispiel eine Dehnung von mindestens 6 % aufweisen.
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Die hierin beschriebenen Sphärogusslegierungen können verwendet werden, um eine Kraftfahrzeugkomponente herzustellen, bei der es sich in einigen Fällen um eine gegossene Komponente eines Kraftfahrzeugantriebssystems handeln kann. Die Erfinder gehen daher davon aus, dass sich die Offenbarung auf Kraftfahrzeugkomponenten erstrecken kann, unter anderem auf Differentialkomponenten, Antriebsachsenkomponenten für sowohl Vorder- als auch Hinterachsen, Achswellen und dergleichen. Als Beispiel wird Bezug genommen auf 2, wo eine Differentialbaugruppe 200 dargestellt ist, die Komponenten aufweisen kann, die aus einer beliebigen Variante der hierin beschriebenen Sphärogusslegierung hergestellt sind und die gegossen sein können. Zum Beispiel weist die Differentialbaugruppe 200 einen Differentialkorb 202 auf, der aus einer Variation der hierin beschriebenen Sphärogusslegierung gebildet werden kann. Somit kann der Differentialkorb 202 über Schweißverbindungen 204, 206 effektiv an benachbarte Komponenten geschweißt werden. Genauer gesagt kann der Differentialkorb 202 über eine axiale Schweißnaht 204 an ein externes Hohlrad 208 geschweißt werden, um weiter mit einer Getriebebaugruppe verbunden zu werden. Als Alternative könnten die Komponenten derart angeordnet werden, dass die Schweißverbindung 204 eine radiale Schweißnaht sein könnte. Ferner kann der Differentialkorb 202 durch eine radiale Schweißnaht 206 mit einer anderen Komponente verschweißt werden, beispielsweise mit der Abdeckung 210. In diesem Beispiel sind das externe Hohlrad 208 und die Abdeckung 210 aus Stahl gebildet, und der Differentialkorb 202, der aus der hierin offenbarten Sphärogusslegierung gebildet ist, bildet eine gute Schweißstelle mit diesen Stahlkomponenten.
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Der Differentialkorb 202 kann Achswellenräder 212, 214, die mit Halbwellen 216, 218 verbunden sind, und Differentialritzel 220, 222, die mit der Welle 224 verbunden sind, aufnehmen. Jede der Komponenten der Differentialbaugruppe 200 kann aus einer beliebigen Variation der hierin offenbarten Sphärogusslegierung gebildet sein. Dementsprechend sind die Komponenten der Differentialbaugruppe 200, wie beispielsweise der Differentialkorb 202, maschinell bearbeitbar, schweißbar und von ausreichender Festigkeit, um in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet zu werden. Die vorliegenden Eisenlegierungen können auch in Komponenten für die Gas- und Ölindustrie und allgemeinen in Industriekomponenten nützlich sein.
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Des Weiteren, obwohl die obigen Beispiele einzeln beschrieben werden, wird ein Fachmann auf dem Gebiet mithilfe dieser Offenbarung verstehen, dass die Mengen von hierin beschriebenen Elementen aus den verschiedenen Beispielen innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche gemischt und angepasst werden können. Es versteht sich ferner, dass jedes der oben beschriebenen Konzepte allein oder in Kombination mit beliebigen oder allen der anderen oben beschriebenen Konzepte verwendet werden kann.
