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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft den Druckguss von kriechbeständigen Magnesiumlegierungen.
Insbesondere betrifft die Erfindung Magnesiumlegierungen, die erfolgreich
als Flüssigkeiten
in Druckgießformen
oder Formen aus Metall gegossen werden können und Gussteile bereitstellen,
die eine Kriechbeständigkeit
für Anwendungen
bei relativ hohen Temperaturen aufweisen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Verwendung von Magnesium zur Gewichtsreduktion bei Kraftfahrzeugen
hat seit den frühen 1990er
Jahren jährlich
um ca. 20% zugenommen. Der Großteil
dieser Zunahme erfolgte bei den Anwendungen für Innenbauteile, und derzeit
sind die einzigen, hergestellten Kraftübertragungskomponenten nicht
tragend und für
Anwendungen bei relativ niedrigen Temperaturen. Volkswagen hat in
den 1970er Jahren die Magnesiumlegierungen AS41A und AS21 (Mg-4%
Al, 1% Si bzw. Mg-2% Al 1% Si) verwendet, um luftgekühlte Motorblöcke zu gießen. Die
Verwendung dieser Legierungen endete, als die Betriebstemperaturen
des Motors anstiegen und sich die Kosten für Magnesium erhöhten. Wenn
die Vorteile des Magnesiums z. B. auf heutige Motoren und Komponenten
von automatischen Getrieben ausgeweitet werden sollen, müssen verschiedene,
bestehende Probleme überwunden
werden.
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Die
vier Problemkreise bei der Verwendung von Dauerformen oder Druckgussteilen
aus Magnesiumlegierungen für
Kraftübertragungskomponenten sind:
(1) Kriechen (d. h., fortgesetztes Verformen unter Belastung); (2)
die Kosten; (3) die Gießbarkeit,
und (4) die Korrosion. Beispielsweise sind die derzeit bei Kraftfahrzeugen
verwendeten, handelsüblichen
Druckgussteile aus Magnesiumlegierungen (AZ91D, das Aluminium, Zink
und Mangan enthält;
AM60 und AM50, die beide Aluminium und Mangan enthalten) auf raumtemperaturnahe
Anwendungen begrenzt, da ihre mechanischen Eigenschaften bei höheren Temperaturen
abnehmen, und sie dazu neigen, bei Betriebstemperaturen von Kraftübertragungen
zu kriechen. AE42 ist eine Seltenerdmetalle enthaltende Druckgussmagnesiumlegierung
(E bezeichnet ein Mischmetall), die eine für die Betriebstemperatur eines
Automatikgetriebes (bis zu 150°C)
ausreichende Kriechbeständigkeit
aufweist, nicht jedoch für
Motortemperaturen (über
150°C).
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Einige
zum Sand- oder Dauerformgießen
bereitete Magnesiumlegierungen sorgen für gute Hochtemperatur-Eigenschaften
und werden in der Raumfahrt und in Kernreaktoren verwendet. Die
hohen Kosten für die
in diesen Legierungen verwendeten, exotischen Elemente (Ag, Y, Zr
und seltene Erden) verhindern deren Verwendung bei Kraftfahrzeugen.
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Die
Kosten sind auch ein größeres Hindernis
bei der Überlegung,
Magnesium für
Kraftübertragungskomponenten
zu verwenden. Der Kostenunterschied zwischen Magnesiumlegierungen
und Aluminium oder Eisen ist jedoch nicht so groß wie angenommen, wenn die
Kosten auf der Basis gleicher Volumina verglichen werden. Auf einer
Basis je Pfund ist Magnesium wesentlich kostspieliger als Eisen
und Aluminium. Berücksichtigt
man jedoch die Dichte der Metalle und gleicht man die Kosten auf
eine Basis pro Volumeneinheit an, so ist der Kostenunterschied viel
geringer. Darüber
hinaus wird bei Verwendung der manchmal geplanten Kosten von Magnesiumlegierungen
der Unterschied je Pfund zwischen Magnesium und Aluminium sogar
noch geringer sein als der Unterschied zwi schen Aluminium und Eisen.
Unglücklicherweise
ist die AE42 mit ihrem Anteil an seltenen Erden kostspieliger als
die Niedertemperatur-Magnesiumlegierungen,
wodurch die Kosten von hochtemperaturbeständigen Magnesiumlegierungen
ein Problem bleiben.
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Die
Gießbarkeit
war ein Vorteil der derzeitigen Niedertemperatur-Magnesiumlegierungen. Diese Legierungen
sind flüssig
und fließen
leicht in dünne
Formabschnitte hinein, um diese zu füllen. In vielen der Nicht-Kraftübertragungs-Anwendungen
hat die Umstellung auf Mg eine Kostenreduktion durch Teilezusammenführung gebracht:
Gießen
komplexer Teile anstatt Zusammensetzen vieler einfacherer Teile.
Die ausgezeichnete Gießbarkeit
dieser Niedertemperatur-Magnesiumlegierungen hat auch die Flexibilität im Aufbau
und die Verwendung dünnerer
Wände erhöht, wobei
diese beiden Eigenschaften bei Kraftübertragungskomponenten von
Vorteil sein werden, wenn die kriechbeständige Legierung dieselbe, gute
Gießbarkeit
aufweist. Unglücklicherweise
weisen die AE42 und andere vorgeschlagene, kriechbeständige Legierungen
nicht dieselbe gute Gießbarkeit
auf wie AZ91D, AM60 und AM50. Beispielsweise neigen einige ansonsten
kriechbeständige Legierungen
dazu, mit einer Metallform zu verschweißen oder darin hängen zu
bleiben, oder ihre Gussteile bilden Risse und müssen ausgeschieden werden.
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Ein
viertes, größeres Problem
bei Magnesiumkomponenten ist deren Korrosionsverhalten. Dies ist deshalb
der Fall, da die Kraftübertragungskomponenten
den Straßenverhältnissen
und Salzsprühnebeln
ausgesetzt sein werden. Korrosion wurde bei den Niedertemperaturlegierungen überwunden,
da deren Reinheit sorgfältig
gesteuert ist, und Befestigungstechniken, die eine galvanische Kopplung
verhindern, eingeführt
wurden. Jegliche Legierung für
Kraftübertragungen
wird denselben Grad an Korrosionsbeständigkeit benötigen.
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Demzufolge
kann man Kriechbeständigkeit,
Kosten, Gießbarkeit
und Korrosionsbeständigkeit
als Schlüsselfaktoren
für eine
Mg-Legierung, die für
einen Verbrennungsmotorblock oder -zylinderkopf oder für ein Getriebegehäuse geeignet
ist, ansehen, und die Anforderungen an die Legierung, die verwendet
werden soll, festsetzen, z.B.:
- – Kriechfestigkeit – 20% höher als
AE42 bei 150°C;
- – Kosten,
Gießbarkeit
und Korrosionsbeständigkeit – gleich
wie AZ91D.
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Es
bleibt ein Bedarf an einer Magnesiumlegierung, die als Flüssigkeit
in eine Form gezwungen oder in eine Dauerform gegossen werden und
erstarren kann, um einen Gussteil zu ergeben, der Kriechfestigkeit
und Korrosionsbeständigkeit
bereitstellt.
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Die
EP 0 799 901 A1 offenbart
ein hitzebeständiges
Element aus einer Magnesiumlegierung mit 2–6% Aluminium, bezogen auf
das Gewicht und 0,5 bis 4% Calcium, bezogen auf das Gewicht, und
ein Verfahren zum Herstellen des hitzebeständigen Elements aus einer Magnesiumlegierung
durch einen halbfesten Spritzguss.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt eine Familie von Mg-Al-Ca-X-Legierungen (infolgedessen
als ACX-Legierungen bezeichnet), die zum Druckguss oder Dauerformguss
geeignet sind. Die Gussprodukte erfüllen die Ansprüche an tragende
Teile, die bei Temperaturen von 150°C und mehr arbeiten, z. B. Kraftübertragungskomponenten von
Kraftfahrzeugen. Die Legierungen der Erfindung stellen eine Kombination
der nützlichen
und vorteilhaften Eigenschaften der Gießbarkeit mit moderaten Kosten
dar. Gussteile, die aus den Legierungen hergestellt werden, zeigen
Kriech- und Korrosionsbe ständigkeit über eine
anhaltende Zeitdauer, in der sie solchen Temperaturen und Umgebungsbedingungen,
wie sie typischerweise für
Kraftübertragungskomponenten
erforderlich sind, ausgesetzt sind.
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Wie
angeführt,
sind die gegenständlichen
Legierungen im Allgemeinen für
die Verwendung bei Gussverfahren geeignet, ob sie bei niedrigen
Drücken,
wie beim Dauerformguss oder bei hohen Drücken, wie beim Druckguss, durchgeführt werden.
Die Legierungen sind aber besonders für die Verwendung beim Druckguss oder ähnlichen
Gussverfahren, bei denen eine geschmolzene Magnesiumlegierung bei
Temperaturen weit über
ihrer Liquidus-Temperatur in eine Metallform (Hohlform) eingebracht
und abgekühlt
wird, und während
die Schmelze erstarrt einem Pressen oder Druck unterzogen wird,
geeignet. Solche Druck- oder Pressgussverfahren werden verwendet,
um Gussteile von komplexer Form herzustellen, oft mit dünnen Wandabschnitten,
wie z.B. Auto- und Lastwagenmotorblöcke und -köpfe sowie Getriebegehäuse.
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Für einige
solcher Gussteilanwendungen umfassen geeignete Legierungen, bezogen
auf das Gewicht, etwa 3% bis 6% Aluminium, etwa 1,7% bis 3,3% Calcium,
zufällige
Anteile (z.B. bis zu 0,35%) Mangan zum Steuern des Eisengehaltes,
minimale Anteile an üblicherweise
vorhandenen Fremdstoffen, wie Eisen (< 0,004%), Nickel (< 0,001%) und Kupfer (< 0,08%), und der
Rest ist Magnesium. Jeder Bestandteil kann innerhalb seines angegebenen
Bereiches unabhängig
von dem Gehalt der anderen Bestandteile variiert werden. Geringe
Anteile an Silicium, z.B. bis zu etwa 0,35%, bezogen auf das Gewicht,
können
geeigneterweise ebenfalls verwendet werden. Diese Familie aus Magnesium-,
Aluminium- und Calciumlegierungen erfüllt die Anforderungen an die
Gießbarkeit,
die Kriechbeständigkeit,
Korrosionsbeständigkeit
und die Kosten für
viele Anwendungen von tragenden Hochtemperatur-Gussteilen. Die metallurgische
Mikrostruktur ist durch das Vorhandensein einer magnesiumreichen
Matrixphase mit einer eingebundenen oder Korngrenzphase von (Mg,
Al)2Ca gekennzeichnet. Jedoch sorgt die
Zugabe von Strontium in relativ kleinen Mengen, geeigneterweise
etwa 0,01% bis 0,2%, bezogen auf das Gewicht und vorzugsweise 0,05%
bis 0,15%, für
eine deutliche Verbesserung der Kriechbeständigkeitseigenschaften der
Legierungen, insbesondere bei Anwendungstemperaturen von 150°C bis 175°C und mehr.
Diese Eigenschaft der gegenständlichen
Mg-Al-Ca-Sr-Legierungen erlaubt, Gussteile, die aus diesen Zusammensetzungen
bestehen, hunderte von Stunden solchen Temperaturen auszusetzen
und ihren Nutzwert zu erhalten.
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Weitere
Ziele und Vorteile der gegenständlichen
Erfindung werden aus der unten stehenden, detaillierten Beschreibung
ersichtlich. Es wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, die in
folgendem Abschnitt beschrieben sind.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine grafische Darstellung
von Kriechdehnungskurven für
Magnesium-Aluminium (5%)-Calcium (2%)-Legierungen bei konstanten
Temperaturen von 150°C,
175°C bzw.
200°C unter
konstanten Belastungen von 82,8 N/mm2 (12
ksi); 69 N/mm2 (10 ksi) bzw. 55,2 N/mm2 (8 ksi).
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2 ist eine grafische Darstellung
der Druckspannungsbeibehaltung einer handelsüblichen Druckguss-Aluminiumlegierung
380, der handelsüblichen
Magnesiumlegierungen AE42 und AZ91D, und verschiedener ACX-Legierungen
der Erfindung bei 150°C, über eine
Zeit von bis zu 750 Stunden.
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3 ist eine grafische Darstellung
der Druckspannungsbeibehaltung einer handelsüblichen Druckguss-Aluminiumlegierung
380, der handelsüblichen
Magnesiumlegierungen AE42 und AZ91D, und von verschiedenen ACX-Legierungen
der Erfindung bei 175°C, über eine
Zeit von bis zu 750 Stunden.
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4 ist ein Blockdiagramm
der Druckspannungsbeibehaltung verschiedener ACX-Gusslegierungen bei
150°C und
175°C über 750
Stunden.
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5 ist ein Blockdiagramm
der Gießbarkeitsbewertungen
(in Bezug auf Fehlguss, Kaltschweißstellen und Fleckenbildung)
für AM50,
eine handelsübliche
Magnesiumlegierung, die sehr gute Gießeigenschaften haben soll,
für eine
AC51-Legierung, und für
verschiedene ACX-Legierungen.
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6 ist ein Blockdiagramm
der Gießbarkeitsbewertungen
(in Bezug auf Schrumpfung und Rissbildung) für eine AM50-Legierung, eine
AC51-Legierung und verschiedene ACX-Legierungen.
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7 ist ein Blockdiagramm
der Gießbarkeitsbewertungen
(in Bezug auf Festkleben und Verlöten) für eine AM50-Legierung, eine
AC51-Legierung und
verschiedene ACX-Legierungen.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Wie
vorstehend beschrieben wurde, weist die handelsübliche Druckguss-Magnesiumlegierung
AE42, die etwa 4% Aluminium und 2% Mischmetall enthält, eine
geeignete Kriechbeständigkeit
für Anwendungen
bei Automatikgetrieben auf. Da für
Anwendungen bei Motorblöcken
und dergleichen eine bessere Kriechbeständigkeit erforderlich ist,
wurde in Druckspannungsbeibehaltungstests (CSR-Tests) eine Studie über die
Metallurgie von AE42 bei erhöhten
Temperaturen durchgeführt.
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Kriechbeständigkeit,
ob Zug- oder Druckspannung, ist ein wichtiges Erfordernis für die Verwendung von
Mg-Legierungen bei Kraftübertragungskomponenten.
Kriechbeständigkeit
unter Druckbelastung ist erforderlich, um Schrauben-Anzugsmoment
und Formbeständigkeit
von Gusskörpern
während
eines Betriebes eines Kraftfahrzeuges aufrecht zu erhalten. Vom
Einreicher der Erfindung wurde ein Funktionskriechtest entwickelt,
der die Klemmbelastung simuliert, die ein Magnesiumflansch in einer
verschraubten Baugruppe erfährt. Sieracke,
E.G., Velazquez, J.J. und Kabri, K., "Compressive Stress Retention Characteristics
of High Pressure Die Casting Magnesium Alloys" (Druckspannungsbeibehaltungseigenschaften
von Hochdruckgussteilen aus Magnesiumlegierungen), SAE Technical
Publication Nr. 960421 (1996). Ein Muster eines quadratischen CSR-Blocks
aus einer Magnesiumlegierung wird zwischen Unterlegscheiben und
Muttern auf einer Gewindestahlstange angeordnet, die durch eine
gegossene Öffnung
in dem Mg-Musterblock eingepasst ist. Durch Festziehen der Muttern
an den Enden der Schrauben wird Belastung auf das Muster aufgebracht.
Die Klemmbelastung (Druckspannung) kann durch Messen der Längenzunahme
der Stahlstange bestimmt werden. Das Muster wird bis zu der gewünschten
Druckspannung belastet und bis zu 750 bis 1000 Stunden in einem
Bad mit konstanter Temperatur platziert. Selbstverständlich verkürzt sich
die Stahlstange, wenn das Muster unter der Belastung fließt (d.h.,
kriecht).
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Die
Feinstrukturuntersuchung von Druckguss-CSR-Prüfkörpern aus AE42 ergab eine Korrelation
zwischen der Kriechbeständigkeit
bei der Druckspannungsbeibehaltung und der Feinstruktur nach den
Tests. Die Feinstruktur von Druckguss-Prüfkörpern bestand im Wesentlichen
aus Magnesium-Dendriten mit einer lamellaren Phase aus Al11E3 zwischen den
Dendriten. Die lamellare Phase aus Al11E3 dominierte die Feinstruktur der CSR-Muster.
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Oberhalb
von 150°C
verschlechterte sich die Kriechbeständigkeit.
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Es
wurde gezeigt, dass der Zusammenbruch der Kriechbeständigkeit
von AE42 oberhalb von 150°C von
einer Phasenumwandlung in der Feinstruktur dieser Legierung begleitet
ist; insbesondere die Zersetzung von Al11E3 und die Bildung von Al2E
und Mg17Al12. Mg17Al12 ist eine leicht
schmelzende Phase, die in den handelsüblichen Legierungen AZ91D,
AM60 und AM50 vorhanden ist, und diese wird für das schlechte Kriechverhalten
dieser Legierungen verantwortlich gemacht. Die Ergebnisse legten
nahe, dass ein Erhöhen
der thermischen Stabilität
von Al11E3 ein Mittel
sein könnte,
um die Kriechbeständigkeit
von AE42 auf über
150°C auszudehnen.
Sie legten auch die Möglichkeit
nahe, kostengünstigere,
kriechbeständige
Legierungen zu entwickeln, indem die seltene Erde in AE42 durch
ein kostengünstigeres
Element ersetzt wird, das ebenfalls eine Verstärkungsphase vom Al11E3-Typ bildet.
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Es
wurde über
Phasen vom Al11E3-Typ
in Al-Erdalkali (Ca, Sr und Ba)-Verbindungen
berichtet. Von den drei Erdalkalien ist Calcium auf einer Kosten-je-Pfund-Basis
das kostengünstigste.
Es weist auch die geringste Dichte und das geringste Atomgewicht
auf, so dass die "Kosten
je Ca-Atom" deutlich niedriger
sind als jene von Sr oder Ba. Aus diesen Gründen wurde für diese
Studie Ca ausgewählt.
Die Studie umfasste Strontium und Silicium als mögliche Zugaben eines vierten
Elementes, um Niederschläge
zu modifizieren und die Legierung weiter zu verbessern.
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Vorhergehende
Arbeiten haben berichtet, dass Calcium Mg-Al-Legierungen Kriechbeständigkeit
verleiht; es wurde jedoch auch berichtet, dass die resultierenden
Legierungen schwierig zu gießen
sind, da die Gussteile an der Druckgießform kleben und zu Heißrissbildung
neigen. Einige Forscher haben das Festkleben an der Druckgießform und
Heißrisse
durch Begrenzen des Ca-Gehaltes auf unter 0,5% verhindert. Die Gießprobleme
wurden auch durch die Zugabe von Zink verringert, aber die resultierende
Legierung erzielte die zufriedenstellende Kriechbeständigkeit
nur bis zu 150°C.
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Um
die Mängel
von Legierungen nach dem Stand der Technik zu überwinden, wurde eine Gruppe
von Legierungen auf Magnesium-Aluminium-Calcium-Basis hergestellt.
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VERSUCHSVERFAHREN
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Zusammensetzungsbereiche
und Schmelzenherstellung
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Die
Legierungen wurden Kaltkammerdruckgegossen. Die Zusammensetzungen
sind in Tabelle 1 dargestellt. Die beim Legieren verwendeten Metalle
waren AM50, Mg, Al, Ca, Sr (als Sr10-Al) und Si (als AS41-Legierung
mit etwa 1%Si). Die Rückverformung
lag über
95%. Obwohl in der Tabelle nicht dargestellt, enthielt eine jede
Legierung, bezogen auf das Gewicht, auch bis zu etwa 0,3% Mangan
und sehr geringe Mengen an Eisen, Nickel und Kupfer: Tabelle
1A Zusammensetzungen
der Magnesiumlegierung (Gewichtsprozent)
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Das
Schmelzen und Legieren erfolgte mit SF6 als
Schutzgas.
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Konstruktion der Druckgießform und
Druckgussbedingungen
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Der
erste Gesenkeinsatz für
diese neuen und zuvor nicht gegossenen Legierungen enthielt vier
Werkzeughohlräume:
einen Zugstab mit 12 mm Durchmesser; einen Zugstab mit 6 mm Durchmesser,
und zwei quadratische 12 mm bzw. 6 mm starke Druckspannungsbeibehaltungs(CSR)-Abschnitte mit 38
mm. Zu Beginn war es schwierig, die Form zu füllen. Beide Werkzeughohlräume der
Zugstäbe
zeigten Porosität
und Fehlgüsse.
Es wurden Änderungen
am Einlaufsystem vorgenommen, aber die Befül lung verbesserte sich nicht.
Nur die CSR-Abschnitte und eine geringe Anzahl von Zugstäben mit
6 mm waren zum Testen geeignet. Zusätzlich führten die Gießverfahren
zu großen
Einschlüssen
in den Mustern.
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Vor
der zweiten Serie von Druckgussversuchen wurde der Gesenkeinsatz
modifiziert. Insbesondere wurden die Zugstäbe am Ende des Einlaufs angeordnet,
und der 6 mm starke CSR-Abschnitt wurde aus dem System ausgespart.
Diese Änderungen
wurden vorgenommen, um die Beschaffenheit der Gussteile zu verbessern.
Eine unterschiedliche Druckgusseinheit (eine 700-Tonnen-Lester-Maschine),
die besser instrumentiert war (QPC-Prince-Druckgießform-Temperatursteuerung)
und eine bessere Steuerung der Gießbedingungen ermöglichte,
wurde verwendet. Die Schmelztemperatur wurde auf 677°C (1250°F) plus/minus
5°C (5°F) gesteuert,
und die Oberflächentemperatur
wurde bei etwa 350°C
(660°F)
gehalten. Die Änderungen
des Gesenkeinsatzaufbaus, der Gießbedingungen und der Verfahren
resultierten in guten Gussteilen. Die in dieser Arbeit berichteten
Eigenschaften wurden an einer zweiten Gruppe von Gussteilmustern
gemessen.
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Bei
der dritten Serie von Gießversuchen
wurde ein Notebook-Computergehäuse
gegossen, wobei die unten stehend gezeigten Magnesiumlegierungen
verwendet wurden: Tabelle
1B Zusammensetzungen
der Magnesiumlegierungen (Gewichtsprozent), die in der Gießbarkeitsstudie
verwendet wurden
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Diese
Zusammensetzungen (die Legierungen sind mit * gekennzeichnet, um
sie von den Legierungen in Tabelle 1A zu unterscheiden) wurden in
der Schmelze legiert wie zuvor. Das Notebook-Computergehäuse wurde
für Aluminium
entworfen, aber etwas abgewandelt, um AZ91D zu gießen. Ohne
die Konstruktion der Teile oder die des Einlass- und Zulaufsystems
in der Druckgießform
weiter zu verändern,
wurden Gehäuse
aus Legierungen bei einer Schmelztemperatur zwischen 677°C (1250°F) und 699°C (1290°F) gegossen.
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Analyse der
Prüfkörper
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Die
chemische Zusammensetzung der Muster wurde für jede Gussteilzusammensetzung
unter Verwendung der induktiv gekoppelten Plasma/Atomemissionsspektrometrie
(ICP/AES) gemessen. Die Röntgenbeugungsanalyse
(XRD) wurde verwendet, um Phasen in der Feinstruktur zu erkennen.
Die Gitterparameter und Gewichtsprozent von α-Magnesium wurden unter Verwendung
der Rietveld-Methode berechnet. Eine zusätzliche Analyse der Feinstruktur
wurde unter Verwendung der analytischen Elektronenmikroskopie mit
energiedispersiver Spektrometrie und Elektronenbeugung (AEM) durchgeführt. Die
AEM-Proben wurden durch Ionenätzen
hergestellt.
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Kriechtests
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Die
Kriechfestigkeit ist die Spannung, die erforderlich ist, um ein
gewisses Ausmaß an
Kriechen zu einer bestimmten Zeit und bei einer gegebenen Temperatur
zu erzeugen. Sie ist ein Kriechparameter, der von Konstrukteuren
oft benötigt
wird, um das Kraftaufnahmevermögen
eines Materials für
eine begrenzte Kriechverformung über
anhaltende Zeitperioden abzuschätzen.
Es ist allgemeine Praxis, die Kriechfestigkeit als die Spannung
zu bezeichnen, die bei einer gegebenen Temperatur über 100
Stunden eine gesamte Kriechdehnung von 0,1% erzeugt. Über diese
und weitere Kriechdaten für
Magnesiumlegierungen des Gegenstandes der Erfindung wird unten stehend
berichtet.
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Die
Zugkriechtests wurden bei 150°C,
175°C und
200°C durchgeführt. Die
Muster wurden auf Basis der Gussteilqualität, wie sie mit der Röntgenuntersuchung
bestimmt wurde, ausgewählt.
In die Einspannbereiche der Zugstäbe mit 6 mm Durchmesser wurden
Gewinde geschnitten, so dass sie in den Versuchsspannvorrichtungen
gehalten werden konnten. Die Zugkriechtests wurden unter konstanten
Belastungs- und konstanten Temperaturbedingungen durchgeführt. Die
gesamte Kriechdehnung in 100 Stunden bei der Testtemperatur sowie
die Primär-
und Sekundärbereiche
der Kriechkurven wurden aufgezeichnet.
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Das
Kriechen unter Druck wurde durch Messungen der Druckspannungsbeibehaltung
(CSR) bei 150°C
und 175°C
charakterisiert. Die CSR simuliert das Schraubenbelastungshaltevermögen der
Legierung und ist ein kritischer Funktionstest für eine Kraftübertragungskomponente
im Hinblick auf die Ganzheit der Teile, die mit der Komponente verschraubt
sind.
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Korrosionsverhalten
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Die
CSR-Muster wurden mittels eines beschleunigten Korrosions-Labortests unter
Verwendung einer Kombination von zyklischen Bedingungen (Salzlösung, verschiedene
Temperaturen, Feuchtigkeit und Umgebung) überprüft, um das Äquivalent einer Exposition
gegenüber
Korrosion über
zehn Jahre zu simulieren (General Motors Test GM 9540P). Es wurde
der Schluss gezogen, dass dieser Test als Basis zum Vergleichen
des Korrosionsverhaltens der ACX-Legierungen mit AZ91D dienen würde.
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Gießbarkeitsbewertung
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Die
Gussteile wurden sichtgeprüft
und mittels Röntgenstrahlen
untersucht. Einige Teile wurden zerteilt, um die Art des Fehlers
zu bestätigen,
z.B. Heißrissbildung
vs. Kaltrissbildung. Jedem vorliegenden Fehler wurde ein Schweregrad
im Bereich von 0 (am schwerwiegendsten) und 5 (kein Fehler vorhanden)
zugewiesen.
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ERGEBNISSE
UND DISKUSSION
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Zugkriechverhalten
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1 ist eine typische Kurve
für Kriechformveränderung
vs. Zeit, die aus dem Test mit konstanter Belastung und konstanter
Temperatur für
die Legierung AC52 erhalten wurde. Wie in
1 dargestellt, misst die gesamte Kriechdehnung
(ε
1) die gesamte, zeitabhängige Dehnung (Kriechdehnung)
eines Materials unter konstanter Belastung bei einer gegebenen Temperatur über eine
bestimmte Zeit, und sie ist der in der Literatur am häufigsten
verwendete Parameter, um die Kriecheigenschaften von Magnesiumlegierungen
darzustellen.
1 zeigt
auch, dass die AC52-Legierung
so wie die meisten anderen Metalle und Legierungen zwei Kriechstadien
aufweist, d. h., ein primäres
oder transientes und ein sekundäres
oder stationäres
Kriechen. Die primären
und sekundären
Kriechverformungen (ε
1 bzw. ε
2) für
die gegenständlichen
Legierungen können
durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden:
ε1 = αtb, ε2 =
c + dt,wobei t die Zeit und a, b, c und d Konstanten sind.
Unter diesen vier Konstanten stellt d die sekundäre Kriechrate dar und ist der
wichtigste aus der Kriechkurve abgeleitete Konstruktionsparameter.
Die Daten für ε
1 wie auch
für d sind
für die
gegenständlichen
Legierungen in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt. Tabelle
3 stellt die Zugkriechfestigkeit bei 175°C dar. Tabelle
2 Daten
gesamte Kriechdehnung und sekundäre
Kriechrate
Tabelle
3 Kriechfestigkeit
bei 175°C
(Spannung, die 0,1% Kriechdehnung in 100 Stunden erzeugt)
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Wie
aus den beiden oben stehenden Tabellen ersichtlich ist, sorgte jede
ACX-Legierung für
eine erhöhte
Zugkriechfestigkeit im Vergleich mit AE42 und den AS-Legierungen.
Jede neue Legierung wies bei 150°C
eine um mindestens 20% höhere
Kriechfestigkeit als AE42 auf. Die 0,1% Kriechfestigkeit von AE42
betragen bei dieser Temperatur 9,4 ksi; d.h., die Gesamtkriechdehnung
von AE42 bei einer Belastung von 9,4 ksi und bei 150°C wird in
100 Stunden unter 0,1% liegen. Bei 12 ksi (um 28% höhere Belastung)
beträgt
die Kriechdehnung der ACX-Legierungen im Durchschnitt um 0,05% weniger
als die Hälfte
jener der AE42-Prüfkörper. Bei
175°C sind
die ACX-Legierungen um beinahe 50% besser als AE42. Aus den Kriechdaten
sind Anzeichen dafür
erkennbar, dass Mikrolegieren mit mehr als etwa 0,15% Sr die Kriechbeständigkeit
weiter verbessert, aber der Effekt ist sehr gering. Die begrenzten
Daten, die für
Si erhalten wurden, zeigen keine signifikanten Effekte.
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Druckkriechverhalten
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Wie
festgestellt, ist die Druckkriechbeständigkeit ein wichtiges Kriterium
für das
Blockmaterial, da sie ein Maß dafür ist, wie
fest die Schrauben in dem zusammengesetzten Motor bleiben. Wie durch
die Druckspannungsbeibehaltung (CSR) gemessen, sind die ACX-Legierungen
viel besser als AE42 (siehe 2 und 3). In diesen Abbildungen
ist die CSR als Prozent Belastung (Spannung), die in den verschraubten
Mustern noch vorhanden ist, als eine Funktion der Expositionszeit
von bis zu 750 Stunden bei der angezeigten Temperatur dargestellt.
Zu Vergleichszwecken umfassen die Abbildungen das zuvor veröffentlichte
CSR-Verhalten von AZ91D und A380.
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Bei
150°C und
750 Stunden hielt AE42 58% der anfänglichen Belastung stand, während ACX-Legierungen
im Bereich von 68% bis 82% lagen, alle besser als AE42. Bei 175°C fiel das
CSR von AE42 beträchtlich bis
auf 40% ab. Dies geschieht wegen der Zersetzung von Al11E3 mit der nachfolgenden Bildung von Mg17Al12. Die ACX-Legierungen
zeigen nicht die gleiche Verschlechterung mit steigender Temperatur.
Sie halten beinahe so viel Belastung wie bei 150°C, 65% vs. 72%. Wie bei den
Ergebnissen der Zugkriechtests zeigt sich, dass die Zugabe von Sr
die Kriechbeständigkeit
weiter erhöht,
aber der Effekt ist bei den CSR-Ergebnissen viel deutlicher. Tatsächlich waren
die Sr-mikrolegierten AC53-Muster von beinahe derselben Güte wie die
handelsübliche
Aluminiumgusslegierung A380.
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4 fasst die CSR-Testergebnisse über 750
Stunden für
eine Sandguss- und
eine Druckguss-AC53-Legierung zusammen. Auch die CSR-Daten für eine in
einer Dauerform gegossene AC53 + 0,5-Si-Legierung wie auch für eine in
einer Dauerform gegossene AC53 + 0,3-Si + 0,1-Sr-Legierung sind
zusammengefasst. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die durch Sandguss-
oder Dauerformgussverfahren hergestellten ACX-Legierungen eine ähnliche
Kriechbeständigkeit
aufweisen wie jene von Druckgusslegierungen.
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Korrosionsverhalten
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Die
ACX-Legierungen besitzen eine ausgezeichnete Kriechbeständigkeit
für den
Einsatz bei Anwendungen für
Motoren und Kraftübertragungen.
Ein weiteres, wichtiges Gütemerkmal
ist ihr Korrosionsverhalten. Die gegenständlichen ACX-Legierungen werden
hierin in einem zehn Jahre äquivalenten,
beschleunigten Korrosionstest mit AZ91 als Maßstab verglichen. Die Daten
sind in der nachfolgenden Tabelle 4 zusammengefasst: Tabelle
4 Prozent
Gewichtsverlust von Magnesium-Testabschnitten in einem zyklischen
Salzsprühkorrosionstest
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Tabelle
4 zeigt, dass die mit Sr mikrolegierten ACX-Legierungen die gleiche
Güte aufweisen
wie AZ91D. Über
zwei unabhängige
Testreihen betrug der durchschnittliche Gewichtsverlust für AZ91D
0,5%. AM50 war beinahe so gut wie AZ91D. Die ACX-Legierungen mit
X im Bereich von 0,05% bis 0,1% Sr erreichten ebenfalls diesen Grad
an Korrosionsbeständigkeit.
Die Daten zeigen, dass steigende Sr-Anteile die Korrosionsbeständigkeit
verbesserten, und Si erwies sich als nachteilig. Der Effekt von
2% Ca vs. 3% Ca ist nicht deutlich, da die Streuung bei den einzelnen
Ergebnissen größer war.
Jeder dargestellte Wert in jeder Reihe war im Allgemeinen der Durchschnitt
von drei Mustern.
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Weitere
Daten der Korrosionstests bestätigen
neuerlich eine Lektion, die über
die Wirkung des Eisengehalts auf die Korrosionsgeschwindigkeit von
Mg gelernt werden muss. Eisen erhöht ebenso wie Ni und Cu wesentlich
die Korrosionsgeschwindigkeit von AZ- und AM-Legierungen. Ein Schlüssel zum
Minimieren der Korrosion von Magnesium besteht darin, das Vorhandensein
von Eisen, Nickel und Kupfer zu minimieren.
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Charakterisierung
der Feinstruktur und der Gussteile
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In
einer frühen
Phase dieser Studie wurde die Mg-Al-Ca-Dreistofflegierung durch
Abziehen von Musterstiften aus einer Mg-4%-Al-Schmelze nach aufeinander
folgenden Zugaben von Ca zur Schmelze auf feinstrukturelle Eigenschaften überprüft. Die
Musterstifte wurden durch Vakuumsaugen aus der Schmelze in ein Glasrohr
mit 5 mm Durchmesser gewonnen. Unter 1% Ca wurde im XRD-Muster nur α-Magnesium
identifiziert. Bei und über
1% Ca wurde auch eine zweite Phase, Mg2Ca,
identifiziert, deren Anteil mit zunehmendem Ca-Gehalt in der Schmelze
anstieg. Die beobachteten Gitterverschiebungsparameter stimmen mit
der Substitution von Al an Mg-Stellen (Mg, Al)2Ca
in dieser Phase überein.
Mit zunehmendem Ca-Gehalt
in der Schmelze verschoben sich die Gitterparameter in Richtung
geringerer Substitution, d.h., weniger Al in der Phase. Zugleich
stieg jedoch der Anteil dieser Phase von Null auf beinahe 20% an.
Dies würde
in einer Verschiebung von Al von dem Primärmagnesium zu der Mg-Al-Ca-Dreistofflegierung
resultieren.
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Dementsprechend
erfuhr die Mg-Phase, während
der Ca-Gehalt anstieg und der Anteil an α-Mg von 100% auf 80% abnahm,
ebenso eine Änderung
ihrer Gitterparameter, die der Entfernung von Al aus der Lösung in
der Phase entsprach.
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Die
neue, intermetallische Phase (Mg, Al)2Ca
besitzt einen relativ hohen Schmelzpunkt (715°C), was eine gute, thermische
Stabilität
anzeigt. Sie besitzt die gleiche Kristallstruktur (hexagonal) wie
die Magnesiummatrix mit einer kleinen Gitterabweichung (3% bis 7%)
an der Mg/(Mg, Al)2Ca-Phasengrenzfläche, was zu einer kohärenten Phasengrenzfläche führt. Sowohl
die thermische Stabilität
wie auch die Phasengrenzflächen-Kohärenz von
(Mg, Al)2Ca sorgen für die Haftwirkung an der Magnesiumkorngrenze,
wodurch die Kriechbeständigkeit
der Legierungen verbessert wird.
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Es
wurden keine weiteren Phasen identifiziert, und es konnte kein Beweis
für das
Vorhandensein von Al4Ca oder Mg17Al12 festgestellt werden. Diese Ergebnisse
beruhten jedoch auf den Analysen von Musterstiften, die, wie oben
stehend angemerkt, nur verwendet wurden, um Druckgusserstarrungsgeschwindigkeiten
zu simulieren. Nachfolgende AEM-Analysen des Druckgusses AC53 zeigten
deutlich das Dreistoff-Gitter in den eutektischen Bereichen der
Legierungen. Diese Gitter wiesen die hexagonale Mg2Ca-Phasenstruktur
auf, wobei annähernd
die Hälfte
der Mg-Atome durch Al ersetzt waren. Somit wurde weder Al4Ca noch Mg17Al12 nachgewiesen. Dies und das Nichtvorhandensein
von Al-Mischkristallen in α-Mg
weist darauf hin, dass Ca noch immer seine Rolle erfüllt, funktionsgemäß Al aus
der Legierung zu entfernen und die Bildung von Mg17Al12 zu verhindern, wodurch es für die verbesserte
Kriechbeständigkeit
verantwortlich ist.
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Gießbarkeit
und Gussteilqualität
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Die
ACX-Legierungen der Erfindung weisen ausgezeichnete Kriechbeständigkeit,
Korrosionsbeständigkeit
und Zugeigenschaften auf. Da sie keine Seltenerdmetalle benötigen, schätzt man,
dass diese Legierungen weniger kostspielig sind als AZ91D. Die Gießbarkeit
ist ein zusätzliches
Erfordernis.
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Nach
den bisherigen Erfahrungen beim Gießen der ACX-Legierungen haben
diese eine ausgezeichnete Gießbarkeit
gezeigt. Obwohl die Arbeit auf das Gießen kleiner, einfacher Teile,
z.B. Zugstäbe
und Druckspannungsbeibehaltungsmuster, beschränkt war, erlauben diese Gussteile
das Abschätzen
solcher Gießbarkeits-Parameter,
wie Festkleben an der Druckgießform,
Heißrissbildung
und Formfüllvermögen (ein
Maß für die Fähigkeit,
dünne Abschnitte
der Druckgießform
zu füllen).
Das Kleben an der Druckgießform
beschränkte sich
auf Legierungszusammensetzungen mit wenig Ca und trat nicht bei
Ca-Anteilen von über
2% auf. Selbst bei kleinen Mustern könnte die Heißrissbildung
durch den Oberflächenzustand
der Teile angezeigt werden. Alle Muster zeigten glatte Oberflächen und
keine Anzeichen auf Rissbildung. Gelegentlich wurde bei Zugstäben eine
Mittellinienporosität
beobachtet; diese wurde jedoch durch Erhöhen der Temperatur der Druckgussform
beseitigt. Ansonsten waren die Gussteile im Allgemeinen von guter
Beschaffenheit.
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Im
Hinblick auf die Gießbarkeit
der Legierung in der Druckgussform für das Computergehäuse wurden verschiedene
Arten von Fehlern identifi ziert. Während viele der Fehler durch Änderungen
der Teilekonstruktion, der Form des Einlaufsystems und des Zulaufsystems
oder der Gießparameter
beseitigt würden,
wurden diese Faktoren alle konstant gehalten, um nur den Effekt
der Legierungszusammensetzung auf die Gießbarkeit zu beurteilen. Die 5–7 zeigen,
dass die Schwere der Fehler im Allgemeinen empfindlich gegenüber der Zusammensetzung
ist. Insbesondere werden Kaltschweißstellen, die Fleckenbildung
an der Gussteiloberfläche,
die Heißrissbildung,
das Festkleben an der Druckgießform
und das Verlöten
des Gussteiles mit der Druckgießform
schwer wiegender, wenn der AM50 1% Ca zugefügt ist. Selbstverständlich ist
AM50 eine Legierung, die als eine gute Legierung für Druckgussteile
oder Dauerformgussteile anerkannt ist. Wenn aber der Ca-Anteil auf
2% erhöht
wird, verringern sich die Fehler. Diese Ergebnisse stimmten mit
vorhergehenden Gießversuchen überein,
bei denen nur Zug- und Kriechprobekörper gegossen wurden. In den
Fällen
von Fehlgüssen
und Schrumpfungen zeigt das Legieren mit Ca (mit oder ohne Sr) weniger
Wirkung. Der optimale Ca-Anteil beträgt ca. 2%. Dieser Anteil ist
auch optimal für
die Kriech- und Korrosionsbeständigkeit.
Während
es sich gezeigt hat, dass Sr vorteilhaft für die Kriech- und Korrosionsbeständigkeit
ist, ist seine Wirkung auf Gussteilfehler vernachlässigbar.
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Auf
der Grundlage dieser Versuche wurde der Schluss gezogen, dass die
Gießbarkeit
dieser Legierungen für
kleine Teile ausgezeichnet ist, mindestens so gut wie jene der AZ91D,
und dass für
den dünnwandigen
Teil, das Notebook-Computergehäuse,
die Gießbarkeit
der Legierungen etwa die selbe war wie jene der AM50. Bei den Notebook-Gießversuchen
wurde keine AZ91D verwendet, obwohl der Lieferant bereits Erfahrungswerte
besitzt, die darauf hinweisen, dass das Gehäuse mit AZ91D mit Erfolg gegossen
werden könnte.
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Während die
Erfindung im Hinblick auf einige spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde,
wird einzusehen sein, dass vom Fachmann weitere Formen einfach adaptiert
werden können.
Demgemäß ist der Schutzbereich
der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche begrenzt.