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Die vorliegende Erfindung betrifft
Lagermaterialien mit Aluminiumlegierungen, die mit einem starken Stützmaterial
verbunden sind, und ein Radiallager mit einem solchen Material.
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Bei Verbrennungskraftmaschinen für hohe Geschwindigkeit
sind herkömmlich
Kurbelwellenlager mit entweder einer auf Kupfer basierenden Legierung
oder einer auf Aluminium basierenden Lagerlegierung verwendet worden,
die auf irgendeine Weise mit einem starken Stütz- oder Substratmaterial,
wie beispielsweise Stahl, verbunden ist. Die tatsächliche
Arbeitsfläche
der Lagerlegierung, d.h. die Oberfläche, die zur Motor- bzw. Verbrennungskraftmaschinen-Kurbelwellenlager-Zapfenoberfläche schaut,
ist auch mit einer so genannten Überlagerungsbeschichtung
bzw. mit einem so genannten Überzug
versehen worden, die bzw. der eine dünne Beschichtung aus einer
relativ weicheren Metalllegierung ist, wie beispielsweise Blei-Zinn, Blei-Zinn-Kupfer
oder Blei-Indium. Der Zweck des Überzugs
besteht im Bereitstellen von Formanpassungsvermögens- und Schmutzaufnahmefähigkeitseigenschaften
für das
Lager. Das Formanpassungsvermögen
ist die Eigenschaft eines Lagers, die zulässt, dass es geringfügige mechanische
Fehlausrichtungen zwischen dem Lager und Wellenoberflächen anpasst,
und ist eine Maß für die Fähigkeit
der Überlagerungslegierung,
die ausgeübte
Last zu verteilen. Die Schmutzaufnahmefähigkeit ist die Eigenschaft,
die zulässt,
dass Aufschüttungspartikel
bzw. Trümmerpartikel
im Schmieröl
in die weiche Überlagerungslegierung
eingebettet werden, ohne eine Beschädigung, wie beispielsweise
ein Kerben, der Welle zu verursachen. Während die technischen Vorteile
von mit einer Überlagerung
beschichteten Lagern nicht bestritten werden, haben sie den signifikanten Nachteil,
dass sie teuer in der Herstellung sind, weil die Überlagerung
allgemein durch ein Elektroplattieren abgelagert wird, was ein relativ
sehr arbeitsintensiver Prozess ist.
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Hersteller von Motorfahrzeugen fragen
häufiger
nach Lagern, die keine Überlagerungsbeschichtungen
haben, da sie billiger zu kaufen sind. Jedoch erlegen einige Motoren,
während
sie aufgrund ihres Aufbaus keine besonders hohe spezifische Ausgabe
besitzen, den Kurbelwellenlagern hohe Belastungen auf, oder sie besitzen
besonders dünne Ölfilme zwischen
dem Lager und einem Wellenlager-Zapfen und sind folglich anfällig für ein "Abnutzen" bzw. "Scheuern" der Lageroberfläche. Ein
Abnutzen bzw. Scheuern erfolgt dort, wo ein Metall-zu-Metall-Kontakt
zwischen der Kurbelwellenlager-Zapfenoberfläche und der Lageroberfläche auftritt, d.h.
wo der Ölfilm
an der Kontaktstelle aufbricht bzw. zerreißt, was einen Metallzu-Metall-Kontakt
zulässt.
Ein Abnutzen bzw. Scheuern bezieht sich auf einen momentanen Metall-zu-Metall-Kontakt
ohne ein aktuelles Verschleißen
bzw. Fressen und einen folglichen Ausfall des Lagers. Jedoch sind,
während
mit einer Überlagerung beschichtete
Lager besonders abnutzungsbeständig
sind, die meisten der herkömmlichen
auf Kupfer und auf Aluminium basierenden Legierungen relativ schlecht
bezüglich
einer Abnutzungsfestigkeit. Die Fähigkeit, einer Abnutzung zu
widerstehen, ist ein Maß des
Formanpassungsvermögens
der Legierung. Gegensätzlich
zu einem Abnutzen bzw. Scheuern bezieht sich ein Verschleißen bzw.
Fressen auf ein Fehlen an Kompatibilität der Legierung.
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Ein bekanntes Material mit 6 Gew.-%
Aluminium, 1 Gew.-% Zinn, 1 Gew.-% Kupfer und Nickel hat eine gute
Abnutzungsfestigkeit, hat aber eine relativ geringe Ermüdungsfestigkeit
und Widerstandsfähigkeit
bezüglich
des nicht mit einer Überlagerung
plattierten Zustands, was es ungeeignet für modernere Hochgeschwindigkeitsmotoren
macht. Die niedrige Ermüdungsfestigkeit
und die niedrige Widerstandsfähigkeit
sind eine Auswirkung der geringen Dehnbarkeit dieser Legierung.
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Zum Fertigwerden mit den durch moderne
Motoren auferlegten Belastungen ist eine Legierung mit signifikant
verbesserten mechanischen Eigenschaften, nämlich bezüglich der Zugfestigkeit (15%);
der Härte (15%);
und der Ermüdungsfestigkeit
(16%), gegenüber
der stärksten
bekannten Aluminiumlagerlegierungen erforderlich, die folgendes
aufweisen: Kupfer mit 12 Gew.-% Aluminium, 4 Gew.-% Zinn, 1 Gew.-%
Silizium, welches in einer wärmebehandelten
Lösungsform
ist. Während
die Festigkeit dieser Legierung durch Erhöhen des Kupfergehalts erhöht werden
könnte,
ist es schwierig und teuer, durch die gewöhnlichen Herstellungsverfahren
eines Gießens
von Blöcken
bzw. Barren und eines Rollens bzw. Walzens von ihnen zu einer Größe und eines
Roll- bzw. Walzdruckbondierens zu Stahl durchzuführen, und zwar aufgrund der
geringen Größenreduzierungen,
die bei jedem Roll- bzw.
Walzdurchlauf möglich
sind, bevor eine Wärmebehandlungs-Härtung erforderlich
ist.
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GB-A-2271779 beschreibt eine Aluminium/Zinn/Silizium-Lagerlegierung,
die weiterhin folgendes aufweisen kann: wenigstens eines der Elemente
Mn, Mg, V, Ni, Cr, Zr und/oder B mit zwischen 0,1 und 3,0 Gew.-%
pro Element. Zusätzlich
zu diesen Elementen enthält
die Legierung weiterhin 0,2 bis 5,0 Gew.-% Cu, 0,1 bis 3,0 Gew.-%
Pb, 0,1 bis 3,0 Gew.-% Sb und 0,01 bis 1,0 Gew.-% Ti als zusätzliche
Legierungsbildungselemente. Es ist erklärt, dass dann, wenn der Gehalt
an den optionalen Elementen Mn, Mg, V, Ni, Cr, Zr und B über 3,0
Gew.-% ansteigt, das Formanpassungsvermögen des Lagers sich verschlechtern
kann und eine Bearbeitbarkeit der Lagerlegierung verschlechtert
werden kann.
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GB-A-2266564 betrifft, ähnlich der
oben beschriebenen GB '779,
auch auf Aluminium basierende Lagerlegierungen. In diesem Fall enthält die Legierung
auch vorzugsweise wenigstens eines oder zwei weitere Elemente von
0,2 bis 5,0 Gew.-% Cu, von 0,1 bis 3,0 Gew.-% Pb, von 0,1 bis 3,0
Gew.-% Sb, Mn, Mg, V und Ni und 0,01 bis 1,0 Gew.-% Ti, wobei die
Gesamtmenge von Mn, Mg, V und Ni im Bereich von 0,01 bis 3,0 Gew.-%
ist.
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Jedoch sind Legierungen, die gemäß den Lehren
der obigen zwei Dokumente hergestellt sind, aufgrund eines Mangels
an Dehnbarkeit und einer Sprödigkeit
der Legierungen durch die normalen Herstellungsverfahren aus einem
Gießen
und einem Rollen bzw. Walzen, dem ein Roll- bzw. Walzdruckbondieren
folgt, virtuell nicht verarbeitbar bzw. bearbeitbar. Dies ist dann
der Fall, wenn die Gehalte an Legierungsbildungselementen ein geringer
Bruchteil von denjenigen sind, die angeführt wurden.
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W. HUFNAGEL in "Key to Aluminium Alloys", 4. Ed., 1992, Aluminium
Verlag Düsseldorf
offenbart auf Seite 264 Legierungen 851.0 und L3911/8280, die nicht
0,1 – 0,3
Gew.-% Vanadium enthalten und ein Grenzfall in Bezug auf den Mangan- und Nickelgehalt
sind.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Aluminiumlegierung zu schaffen, die eine größere Festigkeit
und Abnutzungsfestigkeit als bekannte Legierungen hat, während eine
einfache Herstellbarkeit beibehalten wird.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist eine Lagerlegierungszusammensetzung geschaffen, die
in Gew.-% folgendes aufweist: Zinn 5–1; Kupfer 0,7–1,3; Nickel
0,7–1,3;
Silizium 1,5–3,5;
Vanadium 0,1–0,3;
Mangan 0,1–0,3;
Aluminium zum Ausgleich, außer
unvermeidbarer Verunreinigungen.
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Vorzugsweise liegt der Zinngehalt
im Bereich von 5,5–7
Gew.-%.
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Ein Testen des Lagers hat überraschend
gezeigt, dass dann, wenn der Siliziumgehalt unter 1,5 Gew.-% abfällt, die
Häufigkeit
eines Fressens größer wird.
Wenn der Siliziumgehalt größer als
3,5 Gew.-% wird, dann neigt das Siliziumnetz dazu, gröber zu werden,
und die Häufigkeit
eines Zerbrechens während
einer Legierungsbearbeitung, wie beispielsweise durch Rollen bzw.
Walzen, erhöht
sich signifikant, was im Prozess zusätzlich Wärmebehandlungen und kleinere
Roll- bzw. Walzreduzierungen
pro Durchlauf nötig
macht, wodurch die Herstellungskosten größer werden. Vorzugsweise wird
der Siliziumgehalt innerhalb des Bereichs von 2–3 Gew.-% gehalten.
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Die Zusätze von Kupfer und Nickel sind
wohlbekannte Verfestigungszusätze
für Aluminiumlegierungs-Lagermaterialien.
Zusätze
unterhalb von 0,7 Gew.-% bringen nicht den erforderlichen Verfestigungseffekt
hervor, wohingegen Zusätze
oberhalb 1,3 Gew.-% eine Bearbeitung der Legierung schwierig werden
lassen. Bei höheren
Gehalten von Kupfer und Nickel sind nur relativ kleine Walzreduzierungen
mög lich,
bevor Wärmebehandlungen
für ein
Aushärten
erforderlich sind, was die Kosten des Materials erhöht.
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Vanadium hat den Effekt eines Erhöhens der
Festigkeit der Legierung. Unterhalb von 0,1 Gew.-% schwindet der
Effekt sehr schnell, während
es oberhalb von 0,3 Gew.-% einen Versprödungseffekt gibt. Vorzugsweise
wird der Vanadiumgehalt auf maximal 0,2 Gew.-% gehalten.
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Mangan ist, zusätzlich dazu, dass es ein chemischer
Legierungsverstärker
bzw. -verfestigen ist, ein wohlbekanntes Kornverfeinerungsmittel,
das kleinere Körner
und somit eine größere Festigkeit
erzeugt, als es der Fall ohne ihm wäre. Unterhalb von 0,1 Gew.-%
ist der Kornverfeinerungseffekt gering, während eine Legierungsverarbeitung
bzw. -bearbeitung oberhalb von 0,3 Gew.-% Mangan schwierig und teuer
wird, was reduzierte Walzreduzierungen pro Durchlauf und zusätzliche
Wärmebehandlungen
nötig macht.
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Wir haben herausgefunden, dass die
Kombination aus den zwei zusätzlichen
Elementen Vanadium und Mangan in kleinen Mengen innerhalb der oben
vorgeschriebenen Grenzen einen synergistischen Effekt hat, wobei
die Festigkeit der Legierung signifikant erhöht wird und, als wichtigstes,
das Formanpassungsvermögen
und die Kompatibilität
der Legierung nicht zu irgendeinem signifikanten Ausmaß nachteilig
beeinflusst werden. Tests haben gezeigt, dass die Legierung eine
verbesserte Ermüdungsfestigkeit
und Widerstandsfähigkeit
gegenüber
einem Abnutzen bzw. Scheuern bei vergleichbaren Belastungen gegenüber bekannten
starken Aluminiumlegierungen zeigt, während eine einfache Herstellbarkeit
und niedrige Verarbeitungskosten beibehalten werden.
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Jedoch ist es bei den Typen von Motoranwendungen,
für welche
diese Legierung beabsichtigt ist, die Kombination aus den erhöhten mechanischen
Festigkeitseigenschaften zusammen mit einer verbesserten Scheuerfestigkeit
und einer akzeptierbaren Fressfestigkeit, was der überraschende
Effekt der Legierungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung
ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist ein Radiallager geschalten, das ein starkes
Stützmaterial
aufweist und das daran eine Schicht aus einer Lagerlegierung hat,
die eine Zusammensetzung hat, die in Gew.-% folgen des aufweist:
Zinn 5–10;
Kupfer 0,7–1,3;
Nickel 0,7–1,3;
Silizium 1,5–3,5;
Vanadium 0,1–0,3;
Mangan 0,1–0,3;
Aluminium zum Ausgleich, außer
unvermeidbarer Verunreinigungen.
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Das Lager kann auch eine Zwischenschicht
aus relativ reinem Aluminium oder einem Aluminiumlegierungsmaterial
zwischen der Lagerlegierung und dem starken Stützmaterial enthalten.
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Das starke Stützmaterial kann beispielsweise
Stahl oder Bronze sein.
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Es ist herausgefunden worden, dass
die Dehnbarkeit der Legierung, die sowohl Vanadium als auch Mangan
enthält,
signifikant größer als
bei Legierungen ist, die nur einen dieser Zusätze enthalten. Es wird geglaubt,
dass dieses Merkmal für
die verbesserte Abnutzungsfestigkeit bzw. Scheuerfestigkeit des
Materials verantwort- lich ist.
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Während
das Material der vorliegenden Erfindung primär zur Verwendung bei relativ
stark belasteten Motoren beabsichtigt ist, die beispielsweise aufgrund
einer niedrigen Ölfilmdicke
unter schwierigen Arbeitsbedingungen einem Scheuern ausgesetzt sind,
wird es von Fachleuten auf dem Gebiet von Lagern erkannt werden,
dass dieses Material mit einer Überlagerungsbeschichtung
von dem hierin oben beschriebenen Typ perfekt zufrieden stellend
arbeiten würde.
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Dafür, dass die vorliegende Erfindung
vollständiger
verstanden werden kann, wird nun ein Beispiel anhand von nur einer
Darstellung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
werden, wobei:
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1 einen
Querschnitt durch einen Teil eines Lagers zeigt, das die Legierung
der vorliegenden Erfindung verwendet und die Bestandteilsschichten
zeigt;
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2 ein
Histogramm ist, das relative Ergebnisse für eine Scheuerfestigkeit für eine Legierung
gemäß der vorliegenden
Erfindung und für
drei Vergleichslegierungen zeigt;
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3 ein ähnliches
Histogramm wie dasjenige der 2 zeigt,
aber relative Ergebnisse für
ein Fressen für
dieselben Legierungen zeigt; und
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4A bis 4C einen Teilquerschnitt einer Testvorrichtung
zum Bestimmen von Scheuer- und Fressgrößen, und Kurven, die die Testbereiche
für ein
Testen auf eine Ermüdung
(4B) und auf ein Scheuern/Fressen (4C) anzeigen,
zeigen.
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1 zeigt
einen Querschnitt durch einen Teil der umfangsmäßigen Länge eines im Wesentlichen semizylindrischen
Halblagers durch eine Ebene normal zur Achse des Lagers. Das Lager 10 weist
eine Stahl-Stützschicht 12 mit
einer Schicht 14 aus der Lagerlegierung darauf mit einer
dünnen
Zwischenschicht 16 aus relativ reinem Aluminium dazwischen
auf. Das Herstellungsverfahren für
das Lager wird aus dem nachfolgend beschriebenen beispielhaften
Herstellungsplan verstanden.
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Lager, die aus dem oben beschriebenen
Material hergestellt sind, wurden in Halblager für ein Testen ausgebildet. Die
Lager hatten eine Wanddicke von 1,75 mm mit einer Stahldicke von
1,5 mm und einer Auskleidungsdicke von 0,25 mm.
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Andere Vergleichslegierungen mit
einer Zusammensetzung, wie sie in nachfolgender Tabelle 1 aufgezeigt
ist, wurden in Lager mit denselben Dimensionen hergestellt und unter
denselben Bedingungen getestet.
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Mechanische Eigenschaften der obigen
Legierungen sind in nachfolgender Tabelle 2 aufgezeigt.
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Tabelle
2 – Mechanische
Eigenschaften
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Es kann gesehen werden, dass die
erfinderische Legierung nicht nur stärker als die Vergleichslegierungen
ist, sondern keine Dehnbarkeit relativ zu den Legierungen 1 und
3 verloren hat, die auch Aluminium-Zinn-Silizium-Kupfer-Legierungen
sind.
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Die Lager wurden getestet, um ihre
Ermüdungsfestigkeit
zu bestimmen, nämlich
die Belastung, bei welcher ein Scheuern auftrat, und die ultimative
Last, bei welcher ein Fressen auftrat. Die Tests wurden in einer bekannten
Saphir-Vorrichtung ausgeführt,
wie sie in 4A gezeigt ist. Die Vorrichtung 20 weist
eine Testwelle 22 mit einem zentralen exzentrischen Abschnitt 24 auf,
der durch die Testlager 26, 28 gestützt ist,
wobei die äußeren Enden
der Welle in Nebenlagern 30, 32 gestützt sind.
Die Welle wird durch einen Antriebsmotor 36 gedreht und
eine Last wird durch einen Anschlussstab 40 auf die Testlager 26, 28 ausgeübt, auf
welche eine Kraft durch einen Kolben 42 ausgeübt wird,
der durch eine Hydraulikeinrichtung 46, 48 betätigt bzw.
aktiviert wird. Dehnungsmessgeräte 50 messen
die ausgeübte
Last bzw. Belastung. Die 4B und 4C zeigen typische Bereiche für ein Testen
auf eine Ermüdung
und auf ein Scheuern/ein Fressen. Die Ermüdungslastkapazität ist die
Last, die eine Ermüdung
bei einem Betrieb von 200 Stunden verursacht. In Betrieb legt die
in 4A gezeigte Vorrichtung eine Belastung
an die Testlager 26, 28 mittels des exzentrischen
Abschnitts 24 und den hydraulisch belasteten Kolben 22 an,
wodurch den Lagern eine sinusförmige
dynamische Last auferlegt wird. Über
ein Computersteuersystem (nicht gezeigt) wird eine progressive Lasterhöhung die
Basis der Messung von Oberflächeneigenschaften.
In diesem Mode eines Erhöhens
der Last reduziert sich die minimale Ölfilmdicke stetig, und der
Test misst über
die Temperaturerhöhung
die Last, bei welcher das Material gerieben oder gescheuert wird,
wenn es in Kontakt mit den geometrischen Ungenauigkeiten bezüglich der
Welle gelangt, und/oder die Last, bei welcher das Material sich
selbst an die Welle schweißt.
Eine Abnutzungs- bzw. Scheuerfestigkeit ist ein Maß eines
Material-Formanpassungsvermögens,
während
eine Verschleiß-
bzw. Fressfestigkeit ein Maß einer
Kompatibilität
ist.
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4B zeigt
eine illustrative schematische Kurve, die zeigt, dass sich dann,
wenn die Last an einem Lager größer wird,
die Anzahl von Zyklen, welche es vor einer Ermüdung aushalten kann, kleiner
wird. Die 4C stellt einen Testplan
für ein
Scheuern/Fressen dar. Eine größer werdende
Last wird an ein Testlager angelegt, bis ein Scheuern oder ein Fressen
erfolgt. Ein Scheuern oder ein Fressen wird allgemein durch eine Erhöhung bezüglich der
Temperatur an der Lageroberfläche
angezeigt. Ein Scheuern neigt dazu, ein momentaner Temperaturanstieg
zu sein, wohingegen ein Fressen ein verlängerter Temperaturanstieg ist,
der durch einen Abfall bezüglich
eines Öldrucks
begleitet wird.
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Die Testergebnisse sind nachfolgend
in einer Tabelle 3 gezeigt.
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Die relativen Lagereigenschaften,
die in der Tabelle 3 gezeigt sind, basieren auf 18 Tests für die erfinderische
Legierung und einem Minimum von 60 Tests für jede der Vergleichslegierungen.
In der Tabelle ist eine Al20Sn1Cu-Legierung (Vergleichslegierung 2)
ein Grundmaß von
1 zugeteilt, gegenüber
welchem alle anderen Legierungen, einschließlich der erfinderischen Legierungen,
gemessen sind. Somit ist die Ermüdungsfestigkeit
der erfinderischen Legierung um 34% größer als beispielsweise die
Vergleichslegierung 2.
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Wie es aus der Tabelle 3 gesehen
werden kann, ist die Ermüdungsfestigkeit
der Legierung gemäß der vorliegenden
Erfindung signifikant höher
als die der drei Vergleichslegierungen, und obwohl sie bezüglich einer aktuellen
Fressfestigkeit niedriger ist, hat sie auch eine verbesserte Scheuerfestigkeit
relativ zu den anderen bekannten Al/Sn/Si-Vergleichslegierungen 1 und 3.
Die in der Tabelle 3 gezeigten Ergebnisse sind in den 2 und 3 auch grafisch gezeigt.
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Im Wesentlichen hat das Material
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine signifikant größere Ermüdungsfestigkeit
als bekannte Legierungen, während
eine insgesamt adäquate
Festigkeit bezüglich
sowohl eines Scheuerns bzw. Abnutzens als auch eines Fressens bzw.
Verschleißens
beibehalten ist. Somit sind die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung
insbesondere nützlich
für solche
Maschinen bzw. Motoren, die eine höhere Ermüdungsfestigkeit und Scheuerfestigkeit
bzw. Abnutzungsfestigkeit erfordern, als bekannte Silizium enthaltende
Legierungen, die aber kein besonders hohes Fressfestigkeitsmaß erfordern.
