-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Metallelementen und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes, das einen Aufbau hat, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehende Elemente verbunden sind.
-
Technischer Hintergrund
-
Ein Metallelement, das einen Aufbau hat, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehende Elemente aneinander befestigt sind, kann als ein Maschinenbauteil eingesetzt werden. Beispielsweise ist ein Kolbenschuh einer Hydraulikpumpe oder eines Hydraulikmotors bekannt, der einen aus Stahl bestehenden Träger-Teilabschnitt hat, an dem ein aus Kupferlegierung bestehender Gleit-Teilabschnitt befestigt ist. Als ein Kolbenschuh dieses Typs kann ein Kolbenschuh eingesetzt werden, bei dem der Gleit-Teilabschnitt mittels Verstemmen an dem Träger-Teilabschnitt befestigt wird.
-
Zum Befestigen des Gleit-Teilabschnitts an dem Träger-Teilabschnitt mittels Verstemmen muss der Gleit-Teilabschnitt auf eine vorgegebene Form bearbeitet werden, die das Verstemmen ermöglicht, bevor er an dem Träger-Teilabschnitt angebracht wird. Dadurch erhöhen sich die Herstellungskosten für das gleitende Bauteil aufgrund des für das Bearbeiten des Gleit-Teilabschnitts erforderlichen Aufwandes. Darüber hinaus ist ein Kolbenschuh vorgeschlagen worden, bei dem der Gleit-Teilabschnitt an dem Träger-Teilabschnitt befestigt wird, indem der Gleit-Teilabschnitt so an den Träger-Teilabschnitt gepresst wird, dass der Gleit-Teilabschnitt verformt und dadurch mit dem Träger-Teilabschnitt in Eingriff gebracht wird (siehe beispielsweise die
japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H10-89241 (Patentdokument 1)).
-
Liste der Anführungen
-
Patentdokumente
-
- Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H10-89241
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Technisches Problem
-
Bei dem Aufbau des in dem oben aufgeführten Patentdokument 1 beschriebenen Kolbenschuhs wird der Gleit-Teilabschnitt lediglich mittels Eingriff an dem Träger-Teilabschnitt befestigt. Wenn der Kolbenschuh einen Stoß erhält, kann der Zustand der Befestigung des Gleit-Teilabschnitts an dem Träger-Teilabschnitt instabil werden.
-
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes zu schaffen, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehende Elemente direkt fest miteinander verbunden sind.
-
Lösung des Problems
-
Ein Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der vorliegenden Erfindung schließt die Schritte ein, in denen ein erstes Element, das aus einem ersten Metall besteht, und ein zweites Element gefertigt werden, das aus einem zweiten Metall besteht, das einen schwächeren Verformungswiderstand aufweist als das erste Metall, das zweite Element in einem in einer Form ausgebildeten Hohlraum angeordnet wird, wobei der Hohlraum durch eine Bodenwand und eine Seitenwand begrenzt wird, die sich von der Bodenwand in einer Richtung erstreckt, die die Bodenwand kreuzt, das erste Element und das zweite Element erhitzt werden, indem das erste Element relativ in Bezug auf das zweite Element um eine Drehachse herum gedreht wird und dabei das erste Element gleichzeitig an das in dem Hohlraum angeordnete zweite Element gepresst wird, ohne eine Positionsbeziehung des ersten Elementes relativ zu dem zweiten Element zu ändern, und das erste Element und das zweite Element verbunden werden, indem das erste Element und das zweite Element, die erhitzt wurden, abgekühlt werden, während sich die Elemente in Kontakt miteinander befinden. In dem Schritt des Anordnens des zweiten Elementes wird das zweite Element so angeordnet, dass eine Kontaktfläche des zweiten Elementes als eine Fläche des zweiten Elementes, die mit dem ersten Element in Kontakt kommt, von der Seitenwand umschlossen ist, die den Hohlraum begrenzt.
-
Bei dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes der vorliegenden Erfindung wird, wenn das erste Element in Kontakt mit dem in der Form angeordneten zweiten Element ist, dass erste Element relativ um die Drehachse herum gedreht, ohne seine Positionsbeziehung relativ zu dem zweiten Element zu ändern, so dass das erste Element und das zweite Element erhitzt werden. Dabei wird, da der Verformungswiderstand des zweiten Elementes schwächer ist als der des ersten Elementes, das zweite Element verformt und kommt in Kontakt mit der Seitenwand, die den Hohlraum der Form begrenzt. Dadurch wird Drehung des zweiten Elementes zusammen mit dem ersten Element beschränkt und auch weitere Verformung des zweiten Elementes beschränkt. Die Reibung zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element erzeugt weitere Wärme, und es wird verhindert, dass die erzeugte Wärme aus dem Inneren des Hohlraums freigesetzt wird. Das erste Element und das zweite Element, die so erhitzt wurden, werden abgekühlt und dabei in dem Zustand gehalten, in dem sie in Kontakt miteinander sind, so dass das erste Element und das zweite Element direkt verbunden werden.
-
Mit dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes der vorliegenden Erfindung ist es damit möglich, das Metallelement herzustellen, das einen Aufbau hat, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehenden Elemente direkt fest miteinander verbunden sind.
-
Das oben beschrieben Verfahren kann des Weiteren den Schritt einschließen, in dem ein aufgrund von Verformung des zweiten Elementes in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes ausgebildeter Grat entfernt wird. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, das Metallelement zu schaffen, von dem der Grat entfernt ist, der beim Verbinden des ersten Elementes und des zweiten Elementes entstanden ist.
-
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes kann in dem Schritt des Erhitzens des ersten Elementes und des zweiten Elementes das zweite Metall in einem Zustand erhöhter Temperatur einen Verformungswiderstand aufweisen, der um 10% oder mehr schwächer ist als ein Verformungswiderstand des ersten Metalls in einem Zustand erhöhter Temperatur. Dadurch wird Verbinden des ersten Elementes mit dem zweiten Element erleichtert.
-
Effekte der Erfindung
-
Wie aus der oben stehenden Beschreibung deutlich wird, ist es mit dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes in der vorliegenden Erfindung möglich, das Metallelement herzustellen, das einen Aufbau hat, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehende Elemente direkt fest miteinander verbunden sind.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau eines Metallelementes zeigt;
-
2 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes darstellt;
-
3 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes zeigt;
-
4 ist eine schematische Schnittansicht, die die Funktion der Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes zeigt;
-
5 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau einer Form zeigt;
-
6 ist eine Fotografie, die ein Beispiel eines Metallelementes zeigt, das ein aus Stahl bestehendes erstes Element und ein aus Messing bestehendes zweites Element aufweist, die miteinander verbunden sind;
-
7 ist eine weitere Fotografie, die das Beispiel des Metallelementes zeigt, das das aus Stahl bestehende erste Element und das aus Messing bestehende zweite Element aufweist, die miteinander verbunden sind;
-
8 ist eine Fotografie, die ein Beispiel eines Metallelementes zeigt, das ein aus Stahl bestehendes erstes Element und ein aus Aluminiumlegierung bestehendes zweites Element aufweist, die miteinander verbunden sind;
-
9 ist eine weitere Fotografie, die das Beispiel eines Metallelementes zeigt, das das aus Stahl bestehende erste Element und das aus Aluminiumlegierung bestehende zweite Element aufweist, die miteinander verbunden sind;
-
10 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Fotografie, die den Zustand an der Grenzfläche zwischen dem aus Stahl bestehenden ersten Element und dem aus Aluminiumlegierung bestehenden zweiten Element und um sie herum zeigt;
-
11 ist eine Fotografie, die den Zustand eines Musters zeigt, das entsteht, wenn versucht wird, ein aus Messing bestehendes erstes Element und ein aus Stahl bestehendes zweites Element zu verbinden; und
-
12 ist eine weitere Fotografie, die den Zustand eines Musters zeigt, das entsteht, wenn versucht wird, das aus Messing bestehende erste Element und das aus Stahl bestehende zweite Element zu verbinden.
-
Beschreibung der Ausführungsform
-
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den folgenden Zeichnungen werden die gleichen oder entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
-
1 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau eines Metallelementes (Maschinenbauteil) zeigt, das mit dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellt werden kann. Das Metallelement 1 hat, wie unter Bezugnahme auf 1 zu sehen ist, einen Aufbau, bei dem ein aus einem ersten Metall bestehendes erstes Element 2 und ein aus einem zweiten Metall bestehendes zweites Element 3 miteinander verbunden sind.
-
Das erste Element 2 hat eine zylindrische Form. Eine Endfläche 2A des ersten Elementes 2 dient als eine Fläche zur Verbindung mit dem zweiten Element 3. Das zweite Element 3 hat eine Scheibenform. Eine Endfläche 3A des zweiten Elementes 3 dient als eine Fläche zur Verbindung mit dem ersten Element 2. Das zweite Metall, das das zweite Element 3 bildet, weist einen schwächeren Verformungswiderstand als den des ersten Metalls auf, das das erste Element 2 bildet. Dieses Metallelement 1 kann mit dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes in der vorliegenden Ausführungsform wie im Folgenden beschrieben hergestellt werden.
-
2 ist ein Flussdiagramm, das schematisch das Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes darstellt. 3 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes zeigt. 4 ist eine schematische Schnittansicht, die die Funktion der Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes zeigt. 5 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau einer Form zeigt, die in der Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes enthalten ist.
-
Bei dem Verfahren zum Herstellen des Metallelementes 1 in der vorliegenden Ausführungsform wird zunächst, wie unter Bezugnahme auf 2 zu sehen ist, als ein Schritt S10 ein Schritt zum Fertigen geformter Elemente ausgeführt. In diesem Schritt S10 werden, wie unter Bezugnahme auf 1 zu sehen ist, beispielsweise ein aus thermisch vergütetem Legierungsstahl für den Einsatz im Maschinenbau bestehendes zylindrisches erstes Element 2 sowie aus hochfestem Messing bestehendes scheibenförmiges zweites Element 3 gefertigt. Eine Endfläche 2A des ersten Elementes 2 dient als eine Kontaktfläche des ersten Elementes, die eine plane Fläche ist, die mit dem zweiten Element 3 verbunden wird. Eine Endfläche 3A des zweiten Elementes 3 dient als eine Kontaktfläche des zweiten Elementes, die eine plane Fläche ist, die mit dem ersten Element 2 verbunden wird.
-
Anschließend wird als ein Schritt S20 ein Reinigungs-Schritt ausgeführt. In diesem Schritt S20 werden das erste Element 2 und das zweite Element 3, die in dem Schritt S10 gefertigt wurden, gereinigt. Das erste Element 2 und das zweite Element 3 werden unter Verwendung von Methanol, Ethanol, Aceton oder anderer Flüssigkeit gereinigt. Damit werden etwaige Fremdkörper entfernt, die nach dem Schneiden, Bearbeiten oder anderen Prozessen zum Fertigen des ersten Elementes 2 und des zweiten Elementes 3 und des dritten Elementes 30 an dem ersten Element 2 oder dem zweiten Element 3 haften. Bei dem Verfahren zum Herstellen des Metallelementes 1 in der vorliegenden Ausführungsform kann Feinstbearbeitung an der einen Endfläche 3A des zweiten Elementes 3 weggelassen werden, das heißt, die eine Endfläche 3A des zweiten Elementes 3 kann wie geschnitten belassen werden.
-
Anschließend wird, wie unter Bezugnahme auf 2 zu sehen ist, ein Schritt zum Kammer-Reibschweißen ausgeführt. Dieser Schritt zum Kammer-Reibschweißen schließt einen Schritt zur Vorbereitung zum Verbinden, einen Reib-Schritt und einen Abkühl-Schritt ein. Im Folgenden wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes beschrieben, mit der das Metallelement 1 mittels Durchführen von Kammer-Reibschweißen hergestellt wird.
-
Eine Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung 9, die die Vorrichtung zum Herstellen eines Metallelementes ist, enthält eine Spindel 95, die um eine Achse α herum gedreht werden kann, einen Trägerabschnitt 98, der von der Spindel 95 in der Richtung der Achse α beabstandet ist, einen Antriebsabschnitt 97, der den Abstand zwischen der Spindel 95 und dem Trägerabschnitt 98 einstellt, indem er die Spindel 95 in den Richtungen der Achse α antreibt, sowie ein Gestell 90, das die Spindel 95 und den Trägerabschnitt 98 trägt.
-
Im Inneren des Gestells 90 ist, wie unter Bezugnahme auf 3 zu sehen ist, eine Welle 90A so angeordnet, dass sie sich parallel zu der Achse α erstreckt. Diese Welle 90A trägt einen Spindel-Trageabschnitt 90C, der die Spindel 95 trägt, so, dass sich der Spindel-Trageabschnitt 90C in den Richtungen bewegen kann, in denen sich die Welle 90A erstreckt.
-
Ein Spindel-Bewegungsmotor 90B, mit dem die Welle 90A angetrieben wird, ist mit der Welle 90A verbunden. Wenn die Welle 90A von dem Spindel-Bewegungsmotor 90B angetrieben wird, bewegt sich die von dem Spindel-Trageabschnitt 90C getragene Spindel 95 in den Richtungen der Achse α. Dadurch kann der Abstand zwischen der Spindel 95 und dem Trägerabschnitt 98 eingestellt werden. Die Welle 90A, der Spindel-Trageabschnitt 90C und der Spindel-Bewegungsmotor 90B bilden den Antriebsabschnitt 97.
-
Ein Spannkopf 94 und eine Form 93 sind so angeordnet, dass in einem Zustand (in 4 gezeigt), in dem das erste Element 2 und das zweite Element 3 aufgrund des durch den Antriebsabschnitt 97 eingestellten Abstandes zwischen der Spindel 95 und dem Trägerabschnitt 98 miteinander in Kontakt gebracht werden, eine Seitenwand 12, die einen Hohlraum 10 begrenzt, den Außenumfang der einen Endfläche 3A umschließt, die die Fläche des zweiten Elementes 3 ist, die mit dem ersten Element 2 in Kontakt kommt. Die Seitenwand 12 hat eine Höhe in der Richtung der Achse α, die größer ist als die Dicke des zweiten Elementes 3.
-
Die Spindel 95 enthält, wie unter Bezugnahme auf 3 zu sehen ist, den Spannkopf 94, der ein erster Halteabschnitt ist, mit dem das erste Element 2 so gehalten wird, dass es dem Trägerabschnitt 98 gegenüberliegt. Mit der Spindel 95 ist ein Spindelmotor 95B verbunden, der die Spindel 95 drehend um die Achse α herum antreibt. An der Spindel 95 ist des Weiteren ein Lastsensor 96 angebracht, der eine Kontaktlast zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 3 erfasst. Der Lastsensor 96 erfasst die Kontaktlast zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 3 anhand der Stärke der Kontakt-Reaktionskraft zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 3, die auf den Spannkopf 94 ausgeübt wird. Obwohl der Lastsensor 96 keine zwingend erforderliche Komponente für die Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung 9 ist, erleichtert der Sensor, wenn er vorhanden ist, Einstellen der Kontaktlast zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 3 auf einen geeigneten Bereich.
-
An dem Trägerabschnitt 98 ist die Form 93 angeordnet, die ein zweiter Halteabschnitt ist, mit dem das zweite Element 3 so gehalten wird, dass es dem Spannkopf 94 gegenüberliegt. Der Trägerabschnitt 98 enthält, wie unter Bezugnahme auf 3 und 4 zu sehen ist, einen Träger-Körper 91, einen Form-Halter 92 und die Form 93. Der Träger-Körper 91 ist an dem Gestell 90 angeordnet. Der Form-Halter 92 ist an dem Träger-Körper 91 befestigt. Die Form 93 ist in einen Form-Halteabschnitt 92A eingesetzt, der ein in dem Form-Halter 92 ausgebildeter vertiefter Abschnitt ist, und darin befestigt. Die Form 93 kann, wie in 5 gezeigt, in zwei Teile 99, 99 getrennt werden.
-
Die Form 93 enthält, wie unter Bezugnahme auf 4 und 5 zu sehen ist, eine Bodenwand 11, die eine plane Fläche ist, sowie eine Seitenwand 12, die sich von der Bodenwand 11 einer Richtung erstreckt, die die Bodenwand 11 kreuzt (Richtung senkrecht dazu). Die Bodenwand 11 und die Seitenwand 12 begrenzen den Hohlraum 10. Die Seitenwand 12, die mit dem Außenumfang der Bodenwand 11 in einer Kreisform verbunden ist, hat die Form einer zylindrischen Fläche, die den gleichen Durchmesser hat wie die Bodenwand 11.
-
Im Folgenden wird ein Ablauf des Schrittes zum Kammer-Reibschweißen im Einzelnen beschrieben. In dem Schritt zur Vorbereitung zum Verbinden, der als ein Schritt S30 ausgeführt wird, wird, wie unter Bezugnahme auf 3 und 4 zu sehen ist, das erste Element 2 durch den Spannkopf 94 an der Außenumfangsfläche gehalten, und wird das zweite Element 3 in den Hohlraum 10 der Form 93 eingesetzt. Dabei sind das erste Element 2 und das zweite Element 3 so angeordnet, dass die eine Endfläche 2A des ersten Elementes 2 und die eine Endfläche 3A des zweiten Elementes 3 einander gegenüberliegen und dass die Mittelachsen des ersten Elementes 2 und des zweiten Elementes 30 mit der Drehachse α des Spannkopfes 94 übereinstimmen.
-
Ein Trennmittel wird in den Hohlraum 10 eingeleitet. So werden in einem weiter unten beschriebenen Schritt S40 das erste Element 2 und das zweite Element 3 beim Vorhandensein des Trennmittels in dem Hohlraum 10 erhitzt. Obwohl Einleitung des Trennmittels kein zwingend notwendiger Vorgang ist, erleichtert das Trennmittel, wenn es eingeleitet wird, Entnahme eines strukturellen Körpers, der durch das erste Element 2 und das zweite Element 3 gebildet wird, die verbunden sind, aus der Form 93 in einem weiter unten beschriebenen Schritt S50. Das Trennmittel kann flüssig oder pulverförmig sein.
-
Anschließend wird als ein Schritt S40 der Reib-Schritt ausgeführt. In diesem Schritt S40 wird die Spindel 95 von dem Spindelmotor 95B so angetrieben, dass sie sich um die Achse α herum dreht, und wird auch durch den Spindel-Bewegungsmotor 90B so angetrieben, dass sie sich dem Trägerabschnitt 98 nähert. Daher nähert sich der Spannkopf 94 der Form 93 und dreht sich dabei um die Achse α.
-
Das dreht sich erste Element 2 und wird dabei gleichzeitig mit einer vorgegebenen Last an das zweite Element 3 gepresst, ohne seine Positionsbeziehung relativ zu dem zweiten Element 3 zu ändern. Dadurch erhöhen sich die Temperaturen an den Kontaktabschnitten (Verbindungsabschnitte) des ersten Elementes 2 und des zweiten Elementes 3 aufgrund der Reibungswärme. Die Temperatur des zweiten Elementes 3 steigt beispielsweise auf eine Temperatur, die nicht unter dem Erweichungspunkt und unter dem Schmelzpunkt des zweiten Metalls liegt, das das zweite Element 3 bildet.
-
Das zweite Element 3 weist, wie oben erläutert, einen Verformungswiderstand auf, der schwächer ist als der des ersten Elementes 2. Das erhitzte zweite Element 3 erweicht und verformt sich und kommt in Kontakt mit der Seitenwand 12 der Form 93. Dadurch wird Drehung des zweiten Elementes 3 zusammen mit dem ersten Element 2 eingeschränkt und wird auch weitere Verformung des zweiten Elementes 3 eingeschränkt. Die Reibung zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 3 erzeugt weitere Wärme, und es wird verhindert, dass die erzeugte Wärme aus dem Inneren des Hohlraums 10 freigesetzt wird.
-
Anschließend wird als ein Schritt S50 der Abkühl-Schritt ausgeführt. In diesem Schritt S50 wird zunächst die Drehgeschwindigkeit der Spindel 95 verringert und wird die Drehung angehalten. Danach wird die durch den Lastsensor 96 erfasste Presslast verringert. Dabei werden die Kontaktabschnitte des ersten Elementes 2, und des zweiten Elementes 3 abgekühlt, wobei das erste Element 2 und das zweite Element 3 den Zustand aufrechterhalten, in dem sie aneinandergepresst werden. Dementsprechend werden das erste Element 2 und das zweite Element 3 verbunden. Anschließend wird die Presslast auf Null eingestellt und wird das Metallelement 1, das der strukturelle Körper ist, der durch das erste Element 2 und das zweite Element 3 gebildet wird, die miteinander verbunden sind, aus der Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung 9 entnommen. Mit dem oben dargestellten Vorgang wird der Schritt zum Kammer-Reibschweißen abgeschlossen.
-
Anschließend wird als ein Schritt S60 ein Bearbeitungs-Schritt ausgeführt. In diesem Schritt S60 wird das in dem Schritt S50 geschaffene Metallelement 1 Bearbeitung unterzogen. In dem Schritt S60 wird beispielsweise der aufgrund von Verformung des zweiten Elementes 3 in dem Schritt S40 ausgebildete Grat entfernt. Danach werden Wärmebehandlung, Fertigbearbeitung usw. entsprechend durchgeführt, so dass das Metallelement 1 fertiggestellt wird.
-
Mit dem Verfahren zum Herstellen des Metallelementes 1 unter Verwendung der Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung 9 in der vorliegenden Ausführungsform ist es, wie oben beschrieben, möglich, das Metallelement 1 herzustellen, das einen Aufbau hat, bei dem das aus dem ersten Metall bestehende erste Element 2 und das zweite Element 3, das aus dem zweiten Metall besteht, das einen schwächeren Verformungswiderstand hat als das erste Metall direkt fest miteinander verbunden sind. Es wird das Metallelement 1 hergestellt, das den Aufbau hat, bei dem Elemente, die aus unterschiedlichen Metallen bestehen, direkt fest miteinander verbunden sind.
-
In dem Schritt S40 ist der Verformungswiderstand des zweiten Elementes 3 (zweites Metall) in dem Zustand erhöhter Temperatur vorzugsweise um 10% oder mehr schwächer als der Verformungswiderstand des ersten Elementes 2 (erstes Metall) in dem Zustand erhöhter Temperatur. Das erste Element 2 und das zweite Element 3 können, wie oben erläutert, wie in der vorliegenden Ausführungsform verbunden werden, wenn das zweite Element 3 (zweites Metall) schwächeren Verformungswiderstand aufweist als das erste Element 2 (erstes Metall). Wenn der Unterschied zwischen dem Verformungswiderstand des ersten Elementes 2 und des zweiten Elementes 3 jedoch gering ist, wird in dem Schritt S40 möglicherweise nicht nur das zweite Element 3, sondern auch das erste Element 2 verformt und kommt mit der Seitenwand 12 der Form 93 in Kontakt.
-
In diesem Fall wäre es schwierig, das erste Element 2 und das zweite Element 3 zufriedenstellend zu verbinden, so dass die Temperaturen des ersten Elementes 2 und des zweiten Elementes 3 in dem Schritt S40 genauestens reguliert werden müssten. Wenn der Verformungswiderstand des zweiten Metalls in dem Zustand erhöhter Temperatur um 10% oder mehr schwächer festgelegt wird als der des ersten Metalls, erleichtert dies Herstellung guter Verbindung. Wenn der Verformungswiderstand des zweiten Metalls in dem Zustand erhöhter Temperatur um 50% oder mehr oder sogar 80% oder mehr schwächer festgelegt wird, kann dadurch Herstellung guter Verbindung weiter erleichtert werden.
-
Beispiele
-
Es wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem ein erstes Element
2 und ein zweites Element
3 mittels eines ähnlichen Verfahrens wie in der oben dargestellten Ausführungsform verbunden wurden, um ein Muster des Metallelementes
1 herzustellen. Als das Metall (erstes Metall), das das erste Element
2 bildet, wurde Stahl (Legierungsstahl für den Einsatz im Maschinenbau) eingesetzt. Als das Metall (zweites Metall), das das zweite Element
3 bildet, wurden hochfestes Messing (Beispiel A) und Aluminiumlegierung der 6000er Serie (Legierung auf Basis von Al-Mg-Si) (Beispiel B) eingesetzt. Des Weiteren wurde zu Vergleichszwecken versucht, ein Muster eines Metallelementes mittels eines ähnlichen Verfahrens unter Einsatz von hochfestem Messing als dem Metall, das das erste Element
2 bildet, und Stahl als das Metall, das das zweite Element
3 bildet, herzustellen. Die Kombinationen der in dem Experiment eingesetzten Metalle sind in der folgenden Tab. 1 dargestellt. Die Fotografien der entstandenen Proben sind in
6 bis
12 dargestellt. Tabelle 1
| | Erstes Element | Zweites Element |
| Beispiel A | Stahl | Hochfestes Messing |
| Beispiel B | Stahl | Aluminiumlegierung |
| Vergleichsbeispiel A | Hochfestes Messing | Stahl |
-
Wie unter Bezugnahme auf Tab. 1 zu sehen ist, ist bei den Kombinationen der Metalle in den Beispielen A und B der Verformungswiderstand des zweiten Elementes 3 schwächer als der des ersten Elementes 2. Bei der Kombination der Metalle in Vergleichsbeispiel A ist der Verformungswiderstand des zweiten Elementes 3 stärker als der des ersten Elementes 2.
-
6 und 7 sind Fotografien des mittels der Kombination der Metalle in Beispiel A hergestellten Musters. Wie unter Bezugnahme auf 6 und 7 zu sehen ist, ist mit der Kombination von Beispiel A ein Metallelement hergestellt worden, bei dem das erste Element 2 und das zweite Element 3 vorteilhaft verbunden sind.
-
8 und 9 sind Fotografien des mittels der Kombination der Metalle in Beispiel B hergestellten Musters. Wie unter Bezugnahme auf 6 und 7 zu sehen ist, ist auch mit der Kombination von Beispiel B ein Metallelement hergestellt worden, bei dem das erste Element 2 und das zweite Element 3 vorteilhaft verbunden sind.
-
10 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Fotografie des in Beispiel B entstandenen Metallelementes, die den Zustand an der Grenzfläche zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 3 und um sie herum zeigt. Aus 10 ist zu ersehen, dass eine Reaktionsschicht 8 an der Grenzfläche zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 3 ausgebildet worden ist. Als Ergebnis von Analyse erwies sich die Reaktionsschicht 8 als eine intermetallische Verbindung aus Eisen und Aluminium. Durch Ausbildung einer derartigen Reaktionsschicht 8 sind das erste Element 2 und das zweite Element 3 direkt fest miteinander verbunden.
-
11 und 12 sind Fotografien des mittels der Kombination der Metalle in Vergleichsbeispiel A hergestellten Musters. Wie unter Bezugnahme auf 11 und 12 zu sehen ist, wurde mit der Kombination von Vergleichsbeispiel A keine gute Verbindung zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 3 erzielt.
-
Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass das aus hochfeste Messing bestehende erste Element 2 in dem Schritt S40 als dem Reib-Schritt erheblich verformt wurde und sich das erste Element 2 drehte und dabei mit der Seitenwand 12 der Form 93 in Kontakt war. Der aufgrund von Verformung des ersten Elementes 2 ausgebildete Grat ist ausgeprägt. Des Weiteren ist ein Bereich des ersten Elementes 2, der mit dem zweiten Element 3 verbunden werden sollte, stark ausgehöhlt, so dass eine Rille 2D zurückblieb.
-
Die oben aufgeführten Versuchsergebnisse zeigen, dass mit dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der vorliegenden Erfindung das Metallelement hergestellt werden kann, das einen Aufbau hat, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehende Elemente direkt fest miteinander verbunden sind.
-
Obwohl in der Ausführungsform und den Beispielen, die oben beschrieben werden, als Beispiel der Fall angeführt ist, in dem Stahl als das Metall (erstes Metall), das das erste Element bildet, und Messing oder Aluminiumlegierung als das Metall (zweites Metall), das das zweite Element bildet, eingesetzt wurden, sind die in der vorliegenden Erfindung einzusetzenden Metalle nicht darauf beschränkt. Beispiele für Kombinationen von Metallen, die eingesetzt werden können, sind in der folgenden Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2
| Erstes Element | Zweites Element |
| Stahl | Messing |
| Stahl | Aluminiumlegierung |
| Stahl | Legierung auf Basis von Nickel |
| Sinterhartmetall | Stahl |
-
Bei dem Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes der vorliegenden Erfindung können, wie in Tabelle 2 gezeigt, verschiedene Kombinationen aus dem aus einem ersten Metall bestehenden ersten Element und dem zweiten Element eingesetzt werden, das aus einem zweiten Metall mit einem schwächeren Verformungswiderstand als dem des ersten Metalls besteht.
-
Es versteht sich, dass die Ausführungsformen und Beispiele, die hier offenbart werden, in jeder Hinsicht veranschaulichend und nicht einschränkend sind. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird nicht durch die oben stehende Beschreibung, sondern durch die Vorgaben der Ansprüche definiert und soll etwaige Abwandlungen und Verbesserungen innerhalb des Schutzumfangs und der Bedeutung äquivalent zu den Vorgaben der Ansprüche einschließen.
-
Industrielle Einsatzmöglichkeiten
-
Das Verfahren zum Herstellen eines Metallelementes gemäß der vorliegenden Erfindung kann besonders vorteilhaft bei der Herstellung eines Metallelementes eingesetzt werden, das einen Aufbau hat, bei dem aus unterschiedlichen Metallen bestehende Elemente über eine Verbindungsschicht miteinander verbunden sind.
-
Beschreibung der Bezugszeichen
-
1: Metallelement; 2: erstes Element; 2A: Endfläche; 2D: Rille; 3: zweites Element; 3A: Endfläche; 8: Reaktionsschicht; 9: Kammer-Reibschweiß-Vorrichtung; 10: Hohlraum; 11: Bodenwand; 12: Seitenwand; 90: Gestell; 90A: Welle; 90B: Spindel-Bewegungsmotor; 90C: Spindel-Trageabschnitt; 91: Träger-Körper; 92: Form-Halter; 92A: Form-Halteabschnitt; 93: Form; 94: Spannkopf; 95: Spindel; 95B: Spindel-Motor; 96: Lastsensor; 97: Antriebsabschnitt; 98: Trägerabschnitt; und 99: Teil.
