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Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Aluminiumlegierung oder
ein Aluminiumlegierungsmaterial mit guter Schneidbarkeit (maschinelle
Zerspanbarkeit).
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen
eines geschmiedeten Gegenstands unter Verwendung der Legierung oder
des Legierungsmaterials.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf einen geschmiedeten
Gegenstand, der durch das obige Verfahren erhalten wird.
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Hintergrund
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Üblicherweise
sind auf Aluminium basierende Legierungen, die durch Zugeben von
Pb hergestellt werden, wie zum Beispiel die Legierung gemäß JIS 2011
und die Legierung gemäß JIS 6262,
als Aluminiumlegierungen mit guter Schneidbarkeit verwendet worden.
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Jedoch
hat es angesichts von Umweltproblemen in den letzten Jahren einen
Bedarf an Aluminiumlegierungen gegeben, die eine gute Schneidbarkeit
haben, ohne dass Pb zugegeben wird. Derartige Legierungen sind zum
Beispiel aus
JP 2001 107169 und
US 6113850 bekannt.
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Während auf
Aluminium basierende Legierungen, die durch Zugeben von Sn und Bi
hergestellt werden, als Austauschwerkstoffe für die Legierung gemäß JIS 2011
(hergestellt durch Zugeben von Pb und Bi) vorgeschlagen worden sind,
ist ihre Spanzerteilbarkeit oft minderwertig gegenüber den
Legierungen, die durch Zugeben von Pb und Bi hergestellt werden.
Zusätzlich
ist die Spanzerteilbarkeit im Vergleich mit den üblich hergestellten Legierungen
unzureichend, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Materials herabgesetzt
wird oder die Vortriebgeschwindigkeit der Klinge verlangsamt wird,
um die Anforderung, die Rauheit der Oberfläche der Gegenstände zu verringern,
zu erfüllen.
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Wenn
weiter das Legierungsmaterial, das durch Zugabe von Sn hergestellt
wird, einem heißen Schmieden
unterzogen wird, sind in einigen Fällen beim Abschrecken mit Wasser
nach einer Wärmebehandlung
mit einer Lösung,
die nach dem Schmieden durchgeführt
wird, Risse aufgetreten, die nicht bei den üblichen Legierungen, die durch
Zugeben von Pb und Bi hergestellt werden, gefunden werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Aluminiumlegierung mit guter Schneidbarkeit,
welche 3 bis 6 Massen-% Cu, 0,2 bis 1,2 Massen-% Sn, 0,3 bis 1,5
Massen-% Bi, und 0,5 bis 1,0 Massen-% Zn umfasst, wobei der Ausgleich
Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen sind.
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Weiter
ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines
geschmiedeten Gegenstands, welches den Schritt umfasst: Schmieden
der obigen Aluminiumlegierung bei einer Schmiedetemperatur eines zu
schmiedenden Materials von 320 bis 450°C.
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Weiter
ist die vorliegende Erfindung ein geschmiedeter Gegenstand, der
durch das obige Herstellungsverfahren erhalten wird.
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Andere
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden sich vollständiger aus
der folgenden Beschreibung ergeben.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die folgenden Mittel bereitgestellt:
- (1) Eine Aluminiumlegierung mit guter Schneidbarkeit, umfassend
3 bis 6 Massen-% Cu, 0,2 bis 1,2 Massen-% Sn, 0,3 bis 1,5 Massen-%
Bi, und 0,5 bis 1,0 Massen-% Zn, wobei der Ausgleich Aluminium und unvermeidbare
Verunreinigungen sind;
- (2) Ein Verfahren zum Herstellen eines geschmiedeten Gegenstands,
das den Schritt umfasst: Schmieden der Aluminiumlegierung gemäß Punkt
(1) bei einer Schmiedetemperatur eines zu schmiedenden Materials von
320 bis 450°C;
und
- (3) Ein geschmiedeter Gegenstand, der durch das Verfahren gemäß Punkt
(2) erhalten wird.
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Der
Ausdruck "Pb wird
nicht zugegeben (nicht ergänzt
mit)", wie er hier
verwendet wird, bedeutet, dass kein Pb in dem Barren zugegeben wird,
und genauer bedeutet er einen Gehalt an Pb von 0,05 Massen-% oder weniger
in der resultierenden Aluminiumlegierung.
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Die
vorliegende Erfindung wird im folgenden detailliert beschrieben
werden.
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Cu
trägt dazu
bei, die mechanische Festigkeit der Aluminiumlegierung der vorliegenden
Erfindung zu verbessern, indem eine Verbindung, wie zum Beispiel
CuAl2, gebildet wird. Der Effekt ist in
dem Bereich unter dem unteren Grenzwert des Gehalts an Cu klein,
und die Qualität
der Oberfläche
des Barrens nimmt in dem Bereich über dem oberen Grenzwert des
Gehalts an Cu ab. Der bevorzugte Gehalt an Cu beträgt 4,5 bis
5,5 Massen-%.
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Elemente
mit niedrigem Schmelzpunkt, wie zum Beispiel Sn und Bi, verbessern
die Spanzerteilbarkeit. Da Sn und Bi fast keine feste Lösung mit
Aluminium bilden, liegen sie als Verbindungen vor. Es wird angenommen,
dass die Spanzerteilbarkeit verbessert wird, weil die Verbindungen
an der Spitze einer Schneid- oder Bohrklinge aufgrund von Wärme bei
der Bearbeitung schmelzen, um Kerben auf den Spänen zu erzeugen. Dieser Effekt
ist unter den unteren Grenzwerten der Gehalte an Sn und Bi unzureichend,
und die Widerstandsfähigkeit
gegen Korrosion nimmt über
dem oberen Grenzwert der Gehalte aufgrund des Auftretens von Korrosion
an den Korngrenzen ab. Da der Schmelzpunkt der Sn-Bi-Verbindung im Gegensatz
zu den Schmelzpunkten von reinem Sn bei 232°C und von reinem Bi bei 271°C auf 139°C abnimmt,
wird der Effekt des Schmelzens der Verbindung offensichtlich. Entsprechend
ist das Zugeben von sowohl Sn, als auch Bi bevorzugt, und sie werden
vorzugsweise mit einem Massenverhältnis von Sn zu Bi von etwa
43:57 enthalten, welches eine eutektische Zusammensetzung hervorruft.
Der Gehalt an Sn beträgt
vorzugsweise 0,2 bis 0,8 Massen-%. Der Gehalt an Bi beträgt vorzugsweise
0,3 bis 1,0 Massen-%.
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Bis
jetzt ist die Spanzerteilbarkeit des auf Aluminium basierenden Legierungsmaterials,
das durch Zugeben von Sn und Bi hergestellt wird, gegenüber der
des Materials, das durch Zugeben von Pb und Bi in einigen Fällen hergestellt
wurde, unterlegen gewesen. Die gegenwärtigen Erfinder haben als Ergebnis
von intensiven Studien herausgefunden, dass der Grund dafür wie folgt
ist. Da die Sn-Bi-Verbindung eine kleinere Größe als die Pb-Bi-Verbindung
hat, können
in einigen Fällen
von spezifischen Schneidebedingungen Kerben, die eine Größe haben,
die ausreicht, um die Späne
zu zerspalten, nicht gebildet werden.
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Entsprechend
haben die gegenwärtigen
Erfinder gefunden, dass Zn zugegeben werden soll, mit einer Zugabe
von Bi in einem Gehalt von 0,3 Massen-% oder mehr, um die Größe der Verbindung
zu vergrößern. Das
heißt,
es ist gefunden worden, dass die Größe der Sn-Bi-Verbindung vergrößert wird,
indem Zn in die Sn-Bi-Verbindung eingeführt wird. Zum Beispiel wurde
in dem später
beschriebenen Beispiel der durchschnittliche Korndurchmesser der
Sn-Bi-Verbindung so gross wie 8 μm
in Probe 2 gemäß der vorliegenden
Erfindung, im Gegensatz zu dem durchschnittlichen Korndurchmesser
von 5 μm
der Sn-Bi-Verbindung
in Probe 9 eines Vergleichbeispiels. Dies zeigt, dass die Größe der Sn-Bi-Verbindung
in der Probe gemäß der vorliegenden
Erfindung fast gleich zu der der Pb-Bi-Verbindung in der Legierung gemäß JIS 2011
als ein übliches
Beispiel war. Folglich werden Kerben gebildet, die eine ausreichende
Größe haben,
um die Spanzerteilbarkeit zu verbessern. Der durchschnittliche Korndurchmesser
der Sn-Bi- Verbindung
beträgt
vorzugsweise 8 μm
oder darüber, weiter
bevorzugt 10 μm
oder darüber.
Der obige Effekt ist bei einem Gehalt an Zn von unter dem unteren Grenzwert
unzureichend, und die Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion wird
bei einem Gehalt über
dem oberen Grenzwert verschlechtert. Der Gehalt an Zn beträgt vorzugsweise
0,5 bis 0,8 Massen-%.
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Andere
Elemente werden in der Legierung der vorliegenden Erfindung nicht
besonders eingeschränkt. Elemente
wie Si, Fe, Mn, Mg, Ti, Ni, Cr, Zr, und In können in Bereichen enthalten
sein, die nicht die verschiedenen Eigenschaften der Legierung der
vorliegenden Erfindung beeinträchtigen,
wie zum Beispiel mechanische Festigkeit, Formbarkeit, Schneidbarkeit,
und Widerstandsfähigkeit
gegen Korrosion.
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Die
Herstellungsbedingungen und das Härten der Legierung der vorliegenden
Erfindung werden auch nicht besonders eingeschränkt. Härten, das für die Anwendung geeignet ist,
kann unter den gewöhnlichen
Herstellungsbedingungen ausgewählt
werden. Zum Beispiel kann die Legierung ein Härtegrad T1 durch einen heißen Verarbeitungsabschluss
sein; ein Härtegrad
T6 durch Anwenden einer Wärmebehandlung
mit einer Lösung
und von künstlichem
Altern; oder ein Härtegrad
T8 durch Anwenden einer Wärmebehandlung
mit einer Lösung,
kaltes Verarbeiten, und künstliches
Altern. Weiter sind Härtegrade
wie T3, T8, T6, und T9, in welchen die Legierung einem kalten Verarbeiten
oder künstlichem
Altern nach einer Wärmebehandlung
mit einer Lösung
unterzogen wird, auch bevorzugt, da die Spanzerteilbarkeit besser
wird, wenn die mechanische Festigkeit größer ist.
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In
der vorliegenden Erfindung beträgt
die Temperatur des Materials für
das Schmieden vorzugsweise 320 bis 450°C und weiter bevorzugt 350 bis
420°C, wenn
das Legierungsmaterial durch Schmieden verarbeitet wird.
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Risse,
die nicht in den üblichen
Legierungen, die durch Zugeben von Pb und Bi hergestellt werden, gefunden
werden, sind in einigen Fällen
beim Abschrecken mit Wasser nach einer Wärmebehandlung mit einer Lösung, die
nach dem Schmieden durchgeführt
wird, aufgetreten, wenn das Legierungsmaterial, das durch Zugeben
von Sn hergestellt wird, einem heißen Schmieden unterzogen wird.
Die gegenwärtigen
Erfinder haben durch intensive Studien gefunden, dass der Grund
dafür wie
folgt ist. Wenn die Legierung bei einer hohen Temperatur, die 450°C übersteigt,
geschmiedet wird, werden riesige wiederkristallisierte kristalline
Körner
gebildet, und eine grosse Spannung wird durch das Abschrecken mit
Wasser, das nach der Wärmebehandlung mit
einer Lösung
angewendet wird, auf die Grenzflächen
der wiederkristallisierten kristallinen Körner angelegt. Die Gesamtfläche der
Korngrenzflächen
in dem Material, das die riesigen kristallinen Körner aus Wiederkristallisation
enthält,
ist so klein, dass die Spannung, die auf eine Einheitsfläche der
Korngrenzflächen
angelegt wird, vergrößert wird,
um leicht Risse zu verursachen. Obwohl die Risse in dem üblichen
auf Aluminium basierenden Material, das durch Zugeben von Pb und
Bi hergestellt wird, aufgetreten sind, wenn die weiteren riesigen
wiederkristallisierten kristallinen Körner gebildet werden, ist das
Auftreten von Rissen nicht so gross wie in dem auf Aluminium basierenden
Legierungsmaterial, das durch Zugeben von Sn hergestellt wird, wie
zum Beispiel das Legierungsmaterial der vorliegenden Erfindung.
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Andererseits
nimmt die Widerstandsfähigkeit
gegen Deformation des Materials zu, wenn die Temperatur des Materials
während des
Schmiedens erniedrigt wird. Es kann geschlossen werden, dass die
Schmiedebelastung die Fähigkeit
einer Pressmaschine durch die Zunahme der Widerstandsfähigkeit
gegen Deformation übersteigt.
Da jedoch die Widerstandsfähigkeit
gegen Deformation in der Legierung der vorliegenden Erfindung im
Vergleich mit dem üblichen
Aluminiumlegierungsmaterial, das durch Zugeben von Pb und Bi hergestellt
wird, klein ist, ist ein Schmieden bei niedriger Temperatur möglich. Die
Schmiedebelastung kann bei einer Temperatur, die niedriger als 320°C ist, in
Abhängigkeit
von der Form des Gegenstands, der durch Schmieden erhalten werden
soll, erhöht
werden. Ein Senken der Temperatur des Materials während des Schmiedens
ist vorteilhaft bezüglich
der Energiekosten.
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Die
Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung kann, zum Beispiel,
für Glieder
oder Teile, die einer maschinellen Bearbeitung, wie zum Beispiel
Schneiden und Bohren, unterzogen werden, verwendet werden.
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Die
Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung hat eine gute Schneidbarkeit,
die gleich oder überlegen
gegenüber
der Legierung ist, die durch Zugeben von Pb zu den Legierungen der
Al-Cu-Serien hergestellt wird, indem die vorgeschriebene Menge an
Sn und Bi zugegeben wird, und Zn zugegeben wird, selbst wenn Pb
nicht zugegeben wird.
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Gemäß des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung zum Herstellen eines geschmiedeten Gegenstands
ist Schmieden bei einer niedrigeren Temperatur mit einer kleineren
Belastung möglich,
um ein Energie sparendes Schmieden zu ermöglichen, während gleichzeitig verhindert
wird, dass Risse in dem Schmiedeverfahren auftreten (zum Beispiel
beim Abschrecken mit Wasser nach einer Wärmebehandlung mit einer Lösung nach
dem Schmieden).
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Die
vorliegende Erfindung wird ausführlicher
auf der Basis von den unten gegebenen Beispielen beschrieben werden,
aber damit ist nicht gemeint, dass die Erfindung durch diese Beispiele
beschränkt
werden soll.
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BEISPIEL
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Beispiel 1
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Die
Legierungen mit den Zusammensetzungen, wie in Tabelle 1 gezeigt,
wurden geschmolzen und Barren mit einem Durchmesser von 220 mm wurden
aus den jeweiligen geschmolzenen Legierungen erhalten. Diese Barren
wurden zur Homogenisierung für
6 Stunden bei 480°C
erhitzt. Dann wurden die Stäbe
nach einer Wärmebehandlung
mit einer Lösung
für 2 Stunden
bei 500°C
sofort mit Wasser abgeschreckt.
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Diese
Stäbe wurden
einem Schneidetest durch externes Schneiden unterzogen. Die Schneidebedingungen
waren eine Rotationsgeschwindigkeit von 3000 U/min [rpm], einer
Schneidetiefe von 2 mm, und einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,1
mm/Umdrehung [mm/rev]. Die Spanzerteilbarkeit wurde durch die Masse der
Späne (Abfall)
pro 100 Bruchstücke
von Spänen
bewertet. Die Bewertungskriterien sind: eine Masse von 2 g oder
weniger wurde als A bewertet; eine Masse von mehr als 2 g und 4
g oder weniger wurde als B bewertet; eine Masse von mehr als 4 g
und 6 g oder weniger wurde als C bewertet, und eine Masse von größer als 6
g wurde als D bewertet. Die Schneidbarkeit (Spanzerteilbarkeit)
wird als besser beurteilt, wenn die Masse der Späne kleiner ist.
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Wie
aus den Ergebnissen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, ersichtlich
ist, waren die Proben 9 bis 12 der Vergleichsbeispiele und Probe
13 (Legierung gemäß JIS 2017)
eines üblichen
Beispiels schlecht bezüglich
der Schneidbarkeit, weil sie nicht Pb enthalten. Im Gegensatz dazu
hatten die Proben 1 bis 8 gemäß der vorliegenden
Erfindung, zu welchen kein Pb zugegeben worden war, einen ähnlichen
Grad an oder eine überlegene Schneidbarkeit
(Spanzerteilbarbeit) gegenüber
der Legierung, die mit Pb ergänzt
worden ist, die ein übliches Beispiel
ist (Probe 14, Legierung gemäß JIS 2011).
Entsprechend kann verstanden werden, dass die Legierungen gemäß der vorliegenden
Erfindung, die gleichzeitig mit Cu, Sn, Bi, und Zn ergänzt worden
sind, besonders ausgezeichnet bezüglich der Spanzerteilbarkeit
sind.
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Beispiel 2
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Barren
mit dem Durchmesser von 340 mm wurden unter Verwendung von zwei
Arten von Legierungen erhalten, das heisst, eine Legierung der vorliegenden
Erfindung und eine übliche
Legierung gemäß JIS 2011, wie
in Tabelle 2 gezeigt ist. Diese Barren wurden zur Homogenisierung
für 6 Stunden
bei 480°C
erhitzt. Die Barren wurden durch Strangpressen bei 400°C in Strangpressstäbe mit einem
Durchmesser von 35 mm verarbeitet. Diese Stäbe wurden als Schmiedeklötze in Längen von
35 mm geschnitten, und die Klötze
wurden mit einem Stauchungsverhältnis
von 80% bei den in Tabelle 2 gezeigten Temperaturen gestaucht. Tabelle
2 zeigt die minimale Schmiedebelastung (Tonne), die für das Verarbeiten
bei jeder Schmiedetemperatur benötigt wird.
Dann wurden die Proben sofort mit Wasser abgeschreckt, nachdem sie
für 2 Stunden
einer Wärmebehandlung
mit einer Lösung
bei 500°C
unterzogen wurden. Die Proben wurden bewertet bezüglich: (1)
der Größe der Schmiedebelastung
bei jeder Schmiedetemperatur; und (2) ob Risse auftraten oder nicht,
durch Betrachten mittels Kontrollierens der Färbung (sichtbare Farbe) nach
dem Abschrecken mit Wasser.
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Ein
Testverfahren bezüglich
der Farbkontrolle (sichtbarer Farbstoff; siehe zum Beispiel MIL-STD-6866)
wird unten beschrieben. Ein Durchdringungsmittel (rote Farbe) wurde
auf jede der oben erhaltenen Proben eines geschmiedeten Gegenstands
gesprüht,
und dann wurden die besprühten
Proben eines geschmiedeten Gegenstands für etwa 15 Minuten stehengelassen.
Nachdem das Durchdringungsmittel von der Oberfläche der Proben eines geschmiedeten
Gegenstands abgewischt worden war, wurde eine Entwicklungslösung (weiße Farbe)
auf die Proben eines geschmiedeten Gegenstands gesprüht. Falls
es irgendwelche Risse auf den Proben eines geschmiedeten Gegenstands
gibt, strömt
das Durchdringungsmittel (rote Farbe) aus dem gerissenen Teil aus,
nachdem die Entwicklungslösung
auf den geschmiedeten Gegenstand gesprüht worden ist, da das Durchdringungsmittel
in den gerissenen Teil getränkt
worden ist. Die Proben wurden betrachtet, ob die rot gefärbte Lösung aus
den Rissen ausströmte
oder nicht, und es wird bewertet, dass es keine Risse gab, wenn
die ausströmende
rot gefärbte
Lösung
nicht beobachtet wurde, und dass es Risse gab, wenn die ausströmende rot
gefärbte
Lösung
beobachtet wurde.
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Wie
aus den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen ersichtlich ist, war
die Schmiedebelastung der üblichen
Legierung gemäß JIS 2011
deutlich größer als
die der Legierung A bei der gleichen Schmiedetemperatur. Im Gegensatz
dazu war die Schmiedebelastung auffallend niedrig, ohne Risse auf
den geschmiedeten Gegenständen,
wenn die Legierung A, die die Definition in der vorliegenden Erfindung
erfüllt,
bei einer vorgeschriebenen Schmiedetemperatur (320 bis 450°C) verarbeitet
wurde. Jedoch traten Risse bei höheren
Schmiedetemperaturen auf, und eine grosse Schmiedebelastung wurde
bei niedrigeren Temperaturen benötigt,
selbst wenn die Legierung A, die die Definition in der vorliegenden
Erfindung erfüllt,
verwendet wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass es bevorzugt ist,
die Temperatur des Materials auf eine vorgeschriebene Schmiedetemperatur
einzustellen, wenn die Legierung der vorliegenden Erfindung durch
Schmieden verarbeitet wird.
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- Bemerkung: Legierung A: Cu 5,24 Massen-%, Sn 0,58 Massen-%,
Bi 0,67 Massen-%, Zn 0,52 Massen-%, Ausgleich Al
- Legierung gemäß JIS 2011:
Cu 5,18 Massen-%, Pb 0,51 Massen-%, Bi 0,54 Massen-%, Ausgleich
Al
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Nachdem
wir unsere Erfindung unter Bezugnahme auf die vorliegenden Ausführungsformen
beschrieben haben, ist es unsere Intention, dass die Erfindung nicht
durch irgendein Detail der Beschreibung beschränkt werden soll, solange es
nicht anders angegeben wird, sondern weit innerhalb ihres Geistes
und Umfangs, wie in den begleitenden Ansprüchen bestimmt, verstanden werden
soll.
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Referenzmaterial
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Die
folgenden sind zwei Mikrophotographien von (a) Probe 2 der vorliegenden
Erfindung und (b) Probe 9 der Vergleichsbeispiele in der vorliegenden
Beschreibung, welche die Mikrostrukturen von Legierungen unter einem
Mikroskop bei 400-facher Vergrößerung zeigen.
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