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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aluminiumlegierungslager mit Verschleißbeständigkeit und herausragender Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen und ein Aluminiumlegierungslager, das für Motorenlager in Brennkraftmaschinenanwendungen geeignet ist.
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Hintergrund
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Verschleißbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen sind in Motorlagern, die in Brennkraftmaschinen verwendet werden, erforderlich. Ein Aluminiumlegierungslager, das aus einer Metallverstärkung, einer Aluminiumlagerlegierungsschicht und einer zwischen ihnen bereitgestellten Zwischenschicht aufgebaut ist, wird verwendet, um derartige Anforderungen zu erfüllen. Ein Beispiel für eine derartige Aluminiumlegierungsschicht wird in dem Patentdokument 1 vorgeschlagen, das eine Aluminiumlegierungsschicht (Al-Sn-Si-Lagerlegierung) lehrt, die Si-Partikel enthält, so dass kleine Si-Partikel und große Si-Partikel in einem geeigneten Verhältnis gemischt werden, um eine Verbesserung sowohl in der Verschleißbeständigkeit als auch in der Ermüdungsbeständigkeit zu erreichen.
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Verwandte Technik
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Patentdokument
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- Patentdokument 1: JP-A-2003-119530 A
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Zusammenfassung der Erfindung
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Problem, das durch die Erfindung gelöst werden soll
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Das Patentdokument 1 lehrt die Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit und der Verschleißbeständigkeit durch die Größe von Si-Partikeln. In heutigen harten Nutzungsumgebungen leiden Lager häufig unter einer Verformung, die typischerweise aus Montagefehlausrichtungen und verschlechterter Gehäusefestigkeit entsteht, die sich aus Versuchen ergeben, leichtere und kompaktere Gehäuse herzustellen. Verformte Lager werden einem häufigeren Kontakt mit der Gegenwelle ausgesetzt und erzeugen folglich mehr Wärme. Die Wärme kann die Festigkeit des Lagermaterials verschlechtern, was zur Abrissbildung und folglich Ölfilmrissen führen kann, was wiederum Festfressen verursachen kann.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf dem vorstehend beschriebenen Hintergrund, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Aluminiumlegierungslager mit guter Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen bereitzustellen, indem Ölfilmabrisse verhindert werden, die aus Rissen entstehen, die durch eine verschlechterte Materialfestigkeit gebildet werden.
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Mittel, das Problem zu lösen
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In der Erfindung gemäß Anspruch 1 weist eine Aluminiumlegierungsschicht verteilte Si-Partikel auf, die 1,0 bis 10,0 Gewichts-% des Si ausmachen, wobei eine relative Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel größer der gleich 0,6 ist, um die vorstehend beschriebenen Aufgaben zu lösen.
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In der Erfindung gemäß Anspruch 2 umfasst das in Anspruch 1 angeführte Aluminiumlegierungslager ferner eine Lageroberfläche und einen Lagerinnenabschnitt, der sich an einem Abschnitt tiefer in einer Dickenrichtung als die Lageroberfläche befindet, wobei das Verhältnis Dr einer Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel in der Lageroberfläche zu einer Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel in dem Lagerinnenabschnitt 0,8 ≤ Dr ≤ 1,2 beträgt.
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In der Erfindung gemäß Anspruch 3 umfasst das in Anspruch 1 oder 2 angeführte Aluminiumlegierungslager ein oder mehrere der folgenden:
- (a) ein oder mehrere Elemente, die aus der Gruppe von Cu, Zn und Mg ausgewählt sind, die insgesamt 0,1 bis 7,0 Gesichts-% ausmachen,
- (b) ein oder mehrere von Mn, V, Mo, Cr, Co, Fe, Ni und W, die insgesamt 0,01 bis 3,0 Gewichts-% ausmachen, und
- (c) ein oder mehrere Elemente, die aus der Gruppe aus B, Ti und Zr ausgewählt werden, die insgesamt 0,01 bis 2,0 Gewichts-% ausmachen.
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Ergebnis der Erfindung
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Gemäß der Erfindung von Anspruch 1 wurde eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen erhalten, indem die relative Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel, die die Kristallorientierung der Si-Partikel in Miller-Indizes darstellt, mit 0,6 oder größer aufgebaut wurde. Eine Lösung, um Festfressen zu verhindern, während Verschleißbeständigkeit erreicht wird, ist, Ölfilmabrisse, die durch Risse verursacht werden, welche durch die Verschlechterung der Materialfestigkeit ausgebildet werden, zu vermeiden. Die Verschlechterung der Materialfestigkeit kann durch einen verringerten Reibungskoeffizienten und folglich verringerte Reibungswärme verhindert werden. Folglich wurde die Kristallorientierung der Si-Partikel optimiert, insbesondere wurde die relative Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel erhöht, um den Reibungskoeffizienten und folglich die durch die Reibung, die durch den Kontakt zwischen den Si-Partikeln und der Gegenwelle verursacht wird, erzeugte Wärme zu verringern. Als ein Ergebnis wird die Rissbildung, die aus der verschlechterten Materialfestigkeit entsteht, verhindert, um Ölfilmabrisse zu verhindern, die wiederum die Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen verbessern.
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Die relative Beugungsintensität der (111)-Ebene von Si-Partikeln ist gegeben durch: Relative Beugungsintensität der (111)-Ebene = P1/(P1 + P2 + P3 + P4) wobei
- P1
- = Spitzen-Röntgenstrahlbeugungsintensität der (111)-Oberfläche bzw. Ebene;
- P2
- = Spitzen-Röntgenstrahlbeugungsintensität der (220)-Ebene;
- P3
- = Spitzen-Röntgenstrahlbeugungsintensität der (311)-Ebene; und
- P4
- = Spitzen-Röntgenstrahlbeugungsintensität der (331)-Ebene.
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Andere Spitzenintensitäten, wie etwa der (400)-Oberfläche, der (511)-Oberfläche und der (440)-Oberfäche, zeigen niedrige Intensitäten, die mit dem Hintergrund überlappen und folglich nicht berücksichtigt werden, da sie große Fehlertoleranzen enthalten.
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Wenn die Aluminiumlegierung, die verteilte Si-Partikel enthält, gewalzt wird, wird auf die in der Al-Matrix verteilten Si-Partikel eine Spannung angewendet. Die Erfinder nutzten diese Tatsache, um zu dem Herstellungsverfahrensfluss zu gelangen, der später beschrieben wird. Zum Beispiel haben die Erfinder ein Verfahren konzipiert, um die relative Beugungsintensität der (111)-Ebene des Si-Partikels auf 0,6 oder größer festzulegen, indem durch Stranggießen ein Anfangswalzblock hergestellt wird, in dem die Größe der Kristallkörner der Al-Matrix im Bereich zwischen 30 und 50 μm liegt und der Walzblock derart gewalzt wird, dass die Kristallkörner zerstört werden. Alle anderen Verfahren außer das Stranggießen können verwendet werden, solange die Größe der Kristallkörper, die von 30 bis 50 μm reicht, erhalten werden kann. Die Zerstörung der Kristallkörner ist als ein Zustand definiert, in dem die Kristallkorngrenzen übermäßig dicht sind und folglich in der Querschnittprobe der durch Ätzen erhaltenen Microstruktur nicht voneinander unterschieden werden können.
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Die Si-Partikel haben eine Trennfläche bzw. -seite auf ihrer (111)-Oberfläche bzw. Ebene. Wenn folglich durch Walzen Spannung auf die Si-Partikel angewendet wird, wird angenommen, dass die (111)-Ebene von Si effizient zunimmt. Da die Si-Partikel an sich sehr hart sind und eine Härte von etwa 1000 HV aufweisen und die Rauigkeit der Trennseite im Vergleich zu der Oberflächenrauigheit des fertigen Produkts ausreichend glatt ist, wird der Reibungskoeffizient verringert, um folglich die Reibungswärme zu verringern, wodurch die Rissbildung verhindert wird, die aus der verschlechterten Materialfestigkeit entsteht, die wiederum Ölfilmabrisse verhindert.
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Wenn die relative Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel weniger als 0,6 ist, ist der Verringerungsbetrag der Reibungswärme wirklich sehr klein, obwohl das Läppen der Gegenwelle und die Verbesserung der Verschleißbeständigkeit, die durch die Aluminiumlagerlegierung, die Si-Partikel enthält, die in dem Patentdokument 1 gelehrt wird, erreicht werden kann.
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Ferner ist gemäß der Erfindung von Anspruch 2 das Verhältnis Dr der Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel in der Lageroberfläche zu der Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel in dem Lagerinnenabschnitt in einem Bereich zwischen 0,8 ≤ Dr ≤ 1,2 konfiguriert.
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Das Aluminiumlegierungslager wird durch beständigen Gebrauch wiederholt verformt. Bei Vorhandensein einer großen Differenz von inneren Spannungen zwischen der Lageroberfläche und dem Lagerinnenabschnitt wird eine große relative innere Spannung zwischen den beiden erzeugt, was eine Konzentration von Belastungsenergie bewirkt. Wenn zusätzliche Belastungsenergie, die durch die Verformung erzeugt wird, weiter hinzukommt, so dass die zulässige Grenze des Aluminiumlegierungslagers überschritten wird, kann dies die Bildung von Rissen in dem Aluminiumlegierungslager bewirken. Im Gegensatz dazu kann durch Walzen des Aluminiumlegierungslagers derart, dass die Änderung in der Länge entlang der Richtung orthogonal zu der Dickenrichtung genommen, minimiert wird, die Differenz in der inneren Spannung zwischen der Lageroberfläche und dem Lagerinnenabschnitt verringert werden.
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Das heißt, die Rissbildung kann vermieden werden, um die Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen durch Walzen des Aluminiumlegierungslagers derart zu verbessern, dass die Differenz in der Größe der Abmessungsabweichung zwischen der Lageroberfläche und dem Lagerinnenabschnitt minimiert wird. Aus der Perspektive der Lagerleistung befindet sich der Lagerinnenabschnitt vorzugsweise relativ näher an der Gleitfläche, die das Gegenelement kontaktiert, als an der Mitte des Aluminiumlegierungslagers in der Dickenrichtung, so dass die Abmessungsabweichung zwischen der Lageroberfläche und dem Lagerinnenabschnitt insbesondere in dem Abschnitt, der relativ näher an der Gleitfläche ist, minimiert wird. Der Lagerinnenabschnitt kann im Wesentlichen in der Mitte in der Dickenrichtung des Aluminiumlegierungslagers angeordnet sein. Wenn er in einen Zustand gewalzt wird, der die minimale Abmessungsabweichung zeigt, nähert sich das Verhältnis Dr der Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel in der Lageroberfläche zu der Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel in dem Lagerinnenabschnitt 1 an. Wenn das Verhältnis Dr der Beugungsintensitäten im Bereich zwischen 0,8 ≤ Dr ≤ 1,2 liegt, ist dies ein Hinweis, dass die Aluminiumlegierungsschicht in einen Zustand gewalzt wurde, der eine kleine Abmessungsabweichung zeigt, was bedeutet, dass die Differenz der internen Spannung zwischen der Lageroberfläche und dem Lagerinnenabschnitt minimiert wird. Folglich kann die Toleranz gegen Festfressen, mit anderen Worten die Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen verbessert werden, indem das Verhältnis Dr der Beugungsintensitäten verbessert wird.
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Auf die Aluminiumlegierungslagerschicht kann eine Stahlverstärkung und in manchen Fällen andere Elemente laminiert werden, um eine hohe Lagerleistung auszuüben. Wenn die Aluminiumlegierungsschicht aus einem derartigen zusammengesetzten Material besteht, ist das später beschriebene Herstellungsverfahren besonders effektiv.
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Um das Verhältnis Dr der Beugungsintensitäten zu steuern, kann Walzen mit differentieller Geschwindigkeit verwendet werden, in dem die obere Arbeitswalze und die untere Arbeitswalze mit verschiedenen Drehzahlen gedreht werden. Der Reibungskoeffizient kann bei dem Walzen durch Einstellungen der Oberflächenrauigkeit des Lagermaterials oder der Arbeitswalzen gesteuert werden. Innere Spannungen, die auf das Aluminiumlegierungslager angewendet werden, können durch die Steuerung der Abmessungsabweichung gesteuert werden, die zum Beispiel durch Walzen mit differentieller Geschwindigkeit und durch Einstellungen in der Oberflächenrauigkeit ausgeführt wird. Folglich erlaubt das Walzen nicht nur, dass eine geeignete Spannung auf die Si-Partikel angewendet wird, sondern lässt auch zu, dass die Differenz der inneren Spannungen zwischen der Lageroberfläche und dem Lagerinnenabschnitt des Aluminiumlegierungslagers minimiert wird.
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Ferner können die Festigkeit und die Wärmebeständigkeit der Al-Matrix verbessert werden, indem die verschiedenen Arten von metallischen Elementen eingearbeitet werden, die in Anspruch 3 vorgetragen werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Diagramm, das die Verschleißprüfungsbedingungen angibt.
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2 ist ein Diagramm, das die Festfressprüfbedingungen angibt.
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3 ist Diagramm, das die Prüfergebnisse der Beispiele und des Vergleichsbeispiels angibt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das Aluminiumlegierungslager 1 der vorliegenden Erfindung wird wie folgt hergestellt. Zuerst wird durch eine Stranggusseinrichtung ein Anfangswalzblock hergestellt, so dass die Größe der Kristallkörner in der Al-Matrix 30 bis 50 μm misst. Dann wird der Walzblock wiederholt auf eine vorgegebene Dicke mit einer 2- 8-fachen Ausdehnung gewalzt und die Kristallkörner werden wenigstens einmal zerstört, um eine Aluminiumlagerlegierungsschicht zu erhalten. In dem Walzschritt werden die oberen und die unteren Arbeitswalzen mit unterschiedlichen Drehzahlen gedreht, so dass die untere Arbeitswalze im Vergleich zu der oberen Arbeitswalze um 2% schneller gedreht wird. Alternativ oder zusätzlich wird die Oberfläche des Ausgangsmaterials vergröbert, um den Reibungskoeffizienten während des Walzens zu erhöhen, um die Differenz der inneren Spannung zwischen der Materialoberfläche und der vorgegebenen Stelle des Materialinneren zu verringern, während die auf die Aluminiumlagerlegierungsschicht angewendete Spannung erhöht wird. Als ein Ergebnis kann der Aluminiumlagerlegierungsschicht eine größere Menge an innerer Belastung gegeben werden, um die Kristallkörner mit größerem Wirkungsgrad zu zerstören. Während des Walzens kann ein Ausglühen ausgeführt werden, um Belastungen zu beseitigen, um einen Bruch zu unterdrücken.
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Dann wird die auf eine vorgegebene Dicke gewalzte Aluminiumlegierungslagerschicht 1 auf mit einer Stahlverstärkung walzverbunden, um ein Bimetall zu erhalten. Ein Aluminiumblech, das als eine Verbindungsschicht dient, kann während des Walzverbindens zwischen der Aluminiumlegierungslagerschicht und der Stahlverstärkung eingefügt werden. Dann wird nach dem Walzverbinden ein Glühen für die Verbindungsverbesserung und die Beseitigung von Spannungen ausgeführt. Falls erforderlich, können Wärmebehandlungen, wie etwa eine Lösungswärmebehandlung ausgeführt werden, um die Aluminiumlagerlegierungsschicht zu stärken. Das Bimetall kann weiter gewalzt werden. Dann wird das erhaltene Bimetall maschinell in eine halbzylindrische Form verarbeitet, um ein halbzylindrisches Lager zu erhalten.
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Das hergestellte halbzylindrische Lager wird durch Röntgenstrahlenbeugung auf seine Spitzenfestigkeit von Si-Partikeln gemessen. Das halbzylindrische Lager wurde ferner durch Verschleiß und Festfressprüfungen überprüft. Die in der Verschleißprüfung verwendeten Bedingungen sind in 1 angegeben, und die in der Festfressprüfung verwendeten Bedingungen sind in 2 angegeben. Die Verschleißprüfung führt den Start- und Stoppzyklus aus, um einen häufigen Kontakt mit der Gegenwelle anzusteuern und eine Messung der Verschleißmenge (μm) zur Auswertung der Verschleißbeständigkeit zu erhalten. Die Festfressprüfung wendet eine Last auf die innere Oberfläche des Lagers an, und die maximale Last (MPa), die zulässig ist, ohne innerhalb der vorgegebenen Prüfungsdauer festzufressen, wird für die Auswertung der Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen erhalten.
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Als das Ergebnis der vorstehend beschriebenen Verschleißprüfung und der Festfressprüfung, die von dem Anmelder ausgeführt wurden, wurde verifiziert, dass ein halbzylindrisches Gleitlager, in dem die relative Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel größer oder gleich 0,6 war, eine hinreichend zufriedenstellende Verschleißbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen besaß. Es wurde ferner verifiziert, dass das halbzylindrische Gleitlager, das das in Anspruch 2 definierte Verhältnis Dr erfüllt, auch eine hinreichend zufriedenstellende Verschleißbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen besaß. Es wurde auch verifiziert, dass ein halbzylindrisches Gleitlager, das die in Anspruch 3 definierten metallischen Elemente enthielt, eine hinreichend zufriedenstellende Verschleißbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen besaß.
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Im Gegensatz dazu wurde verifiziert, dass unter den halbzylindrischen Gleitlagern, in denen die relative Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel weniger als 0,6 war, einige eine zufriedenstellende Verschleißbeständigkeit, aber eine schlechtere Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen besaßen. Die Ergebnisse der Auswertung werden basierend auf 3 erklärt.
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Die Beispiele 1 bis 7 wurden wie vorstehend beschrieben vorbereitet. Das Vergleichsbeispiel 1 wurde in einer ähnlichen Weise mit der Ausnahme, aber nicht begrenzt darauf, eines herkömmlichen Walzschritts, der die Kristallkörner nicht zerstört, vorbereitet.
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Zuerst wird das Beispiel 7 mit dem Vergleichsbeispiel 1 verglichen, um den Einfluss der relativen Beugungsintensität der (111)-Oberfläche der Si-Partikel auf die Verschleißbeständigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen zu betrachten. In dem Beispiel 7 war die relative Beugungsintensität der (111)-Oberfläche der Si-Partikel 0,62. Das Beispiel 7 zeigte ferner eine Verschleißmenge von 14 μm, und die maximale spezifische Last ohne Festfressen war 90 MPa. Im Gegensatz dazu war in dem Vergleichsbeispiel 1 die relative Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel 0,53. Die relative Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel einer gewöhnlichen Probe ist 0,51 und ist näher an der relativen Beugungsintensität des Vergleichsbeispiels 1. Das Vergleichsbeispiel 1 zeigte ferner eine Verschleißmenge von 18 μm, und die maximale spezifische Last ohne Festfressen war 70 MPa. Es versteht sich aus dem Vergleich des Beispiels 7 und des Vergleichsbeispiels 1, dass, wenn die relative Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel unter Berücksichtigung von Fehlern größer oder gleich 0,6 war, die Verschleißbeständigkeit ebenso wie die Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen verbessert sind. Wie vorstehend beschrieben, wurde verifiziert, dass die Beispiele 1 bis 7, in denen die relative Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel größer oder gleich 0,6 ist, im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel 1 eine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen zeigten.
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Es wurde ferner verifiziert, dass die relative Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel, die größer oder gleich 0,7 ist, insbesondere zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit bevorzugt ist.
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Als nächstes wurden die Beispiele 6 und 7 verglichen, um den Einfluss des Verhältnisses Dr der Beugungsintensitäten auf die Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen zu betrachten. In dem Beispiel 6 war ein Verhältnis Dr einer Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel in der Lageroberfläche zu einer Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel in dem Lagerinnenabschnitt Dr = 1,19. In dem Beispiel 6 war die maximale spezifische Last ohne Festfressen 100 MPa. Im Gegensatz dazu war in dem Beispiel 7 das Verhältnis Dr einer Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel in der Lageroberfläche zu einer Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel in dem Lagerinnenabschnitt Dr = 1,21. In dem Beispiel 7 war die maximale spezifische Last ohne Festfressen 90 MPa. Es ist aus dem Vergleich des Beispiels 6 und des Beispiels 7 verständlich, dass die Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen verbessert wird, wenn das Verhältnis Dr kleiner oder gleich 1,2 ist.
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In 3 wird das Verhältnis Dr der Beugungsintensität durch Dr = Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel in der Lageroberfläche/Beugungsintensität der (111)-Ebene der Si-Partikel in dem Lagerinnenabschnitt berechnet.
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Es wurde somit verifiziert, dass durch Definieren des Verhältnisses Dr der Beugungsintensitäten auf einen Bereich zwischen 0,8 ≤ Dr ≤ 1,2 die Widerstandsfähigkeit gegen Festfressen verbessert wurde. Es kann ferner aus 3 verifiziert werden, dass Dr vorzugsweise größer oder gleich 1,00 und kleiner oder gleich 1,19 ist.
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Ferner können die Festigkeit und die Wärmebeständigkeit der Al-Matrix verbessert werden, indem verschiedene Arten von metallischen Elementen eingearbeitet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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