AT528295A4 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils aus einem Kupferwerkstoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils aus einem Kupferwerkstoff, wozu aus dem Kupferwerkstoff ein Vorformling (1) hergestellt wird und der Vorformling (1) spanend bearbeitet wird. Der Vorformling wird nach einem Sinterverfahren mit einer Porosität zwischen 0,1 % und 1,5 % hergestellt.

Description

x bes AT 528 295 A4 2025-12-15

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils aus einem Kupferwerkstoff, wozu aus dem Kupferwerkstoff ein Vorformling hergestellt wird und der Vorformling spanend bearbeitet wird.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein metallisches Bauteil aus einem Kupferwerkstoff mit zumindest einer spanend bearbeiteten Oberfläche.

[0003] Das Spanen (auch als Zerspanen bezeichenbar) ist ein wohlbekanntes und weit verbreitetes Fertigungsverfahren. Der Begriff an sich ist ein Sammelbegriff für eine Gruppe von Fertigungsverfahren, mit denen Werkstücken eine bestimmte geometrische Form gegeben wird. Dazu wird von einem Vorformling überschüssiges Material auf mechanischem Weg in Form von Spänen abgetrennt.

[0004] Die spanende Bearbeitung ist auch für Bauteile aus Kupferwerkstoffen bekannt. Beispielsweise werden beim Drehen mit einem Schneidwerkzeug Späne erzeugt, die von dem Vorformling abgetrennt werden. Die Späne sind oftmals sehr lang, worunter die spanende Bearbeitung an sich leidet. Dies offenbart sich nicht nur in einer schlechten Wärmeabfuhr, sondern dadurch bedingt auch in der verkürzten Standzeit des Schneidwerkzeugs. In der Regel wird dies durch den Einsatz von Kühlschmiermitteln kompensiert. Darüber hinaus leidet durch diese Spanbildung aber auch die Oberflächengüte der gedrehten Oberfläche.

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die spanende Bearbeitung von metallischen Bauteilen aus einem Kupferwerkstoff zu verbessern sowie ein entsprechendes Bauteil bereitzustellen.

[0006] Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, wonach vorgesehen ist, dass der Vorformling nach einem Sinterverfahren mit einer Porosität zwischen 0,1 % und 1,5 % hergestellt wird.

[0007] Weiter wird die Aufgabe mit dem voranstehend genannten Bauteil gelöst, das ein Sinterbauteil aus einem Sinterwerkstoff als Kupferwerkstoff ist und bei dem die spanend bearbeitete Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz nach DIN EN ISO 21920-2:2022-12 zwischen 1,5 um und 10 um aufweist.

[0008] Von Vorteil ist dabei, dass durch die Verwendung eines gesinterten Vorformlings anstelle eines Gussbauteils die anfallenden Späne deutlich verkürzt werden können. Gussbauteile aus Kupfer neigen dazu, sehr lange Späne zu bilden. Dies wiederum führt zu einer verminderten Wärmeabfuhr beim Spanen. Die relativ hohe Temperaturentwicklung wiederum ist verantwortlich für eine schlechte Werkzeugstandzeit. Zum Unterschied dazu wirkt die Porosität im angegebenen Bereich als spanbrechend, wodurch der Werkstoff kurzspanend ausgebildet werden kann. Dies wiederum ermöglicht eine verbesserte Wärmeabfuhr und eine längere Werkzeugstandzeit. Darüber hinaus kann damit auch die Oberflächengüte, d.h. die Qualität der Oberfläche, verbessert werden. Die spanend bearbeitete Oberfläche "verschmiert" und schließt sich.

[0009] Zur Verbesserung der Spanbarkeit der Kupferwerkstoffes kann nach einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass ein Kupferwerkstoff eingesetzt wird, der neben Kupfer zumindest ein weiteres Element aus einer Gruppe umfassend Phosphor, Chrom, Zirkonium, Schwefel, Blei, Lithium, Magnesium, Tellur, Silicium und Bismut, sowie Mischungen daraus, enthält. Insbesondere diese Elemente können die Spanläge weiter reduzieren.

[0010] Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Kupferwerkstoff ein Werkstoff eingesetzt wird, der einen Kupferanteil von zumindest 98 Gew.-% aufweist. Insbesondere bei derart hohen Kupferanteilen ist der Einsatz eines pulvermetallurgisch hergestellten Vorformlings von Vorteil, da diese Werkstoffe relativ „weich“ sind, womit der Spanbruch, d.h. die Ausbildung von kurzen Spänen aufgrund der Duktilität des Werkstoffes an sich reduziert ist.

[0011] Die oben genannte Porosität des Vorformlings als Spanbrecher kommt bei derartigen Werkstoffen deutlicher zum Tragen.

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[0012] Von Vorteil ist es nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung in Hinblick auf die Oberflächengüte und die Kurzspanigkeit auch, wenn die spanende Bearbeitung des Vorformlings mit einer Schnittgeschwindigkeit vc zwischen 180 m/min und 350 m/min durchgeführt wird. Darüber hinaus kann damit auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbessert werden.

[0013] Die verbesserte Wärmeabfuhr durch die abfallenden Metallspäne ermöglicht zudem eine Ausführungsvariante des Verfahrens wonach die spanende Bearbeitung in Abwesenheit eines Kühlschmiermittels als Trockenbearbeitung durchgeführt wird. Dies wiederum hat den Vorteil, dass das bearbeitete Bauteil einer geringeren Verschmutzung unterliegt, womit nachfolgende Reinigungsschritte reduziert oder einfacher gestaltet werden können. Dabei wird mit dieser Verfahrensweise auch die Einlagerung von Kühlschmiermitteln in die Poren des Werkstoffes vermieden.

[0014] Vorzugsweise erfolgt die die spannende Bearbeitung durch Drehen, da insbesondere dabei die Kurzspanigkeit von Vorteil ist.

[0015] Zur weiteren Verbesserung der Ausbildung von kurzen Metallspänen kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass der Formformling aus Kupferwerkstoff in Pulverform mit einem Druck zwischen 6 t/cm? und 10 t/cm? gepresst und danach bei einer Temperatur zwischen 900 °C und 1150 °C für eine Zeit zwischen 60 min und 240 min gesintert wird.

[0016] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0017] Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung: [0018] Fig. 1 die spanende Bearbeitung eines Gussbauteils;

[0019] Fig. 2 die spanende Bearbeitung eines gesinterten Vorformlings; [0020] Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Vorformling.

[0021] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0022] In Fig. 1 ist ein Vorformling 1 für ein metallisches Bauteil dargestellt, das durch Drehen mit einem Schneidwerkzeug 2 spanend bearbeitet wird. Der Vorformling besteht aus einem gegossenen Kupferwerkstoff mit zumindest 98 Gew.-% Kupfer. Deutlich zu sehen ist, dass in Folge der spanenden Bearbeitung lange metallische Späne 3 erzeugt werden.

[0023] Zum Unterschied dazu zeigt die Fig. 2 die spanende Bearbeitung durch Drehen eines Vorformlings 1, der einem Kupferwerkstoff nach einem pulvermetallurgischem Verfahren hergestellt worden ist. Deutlich zu sehen ist, dass die beim Spanen erzeugten Späne 3 wesentlich kürzer sind, als jene, die in Fig. 1 dargestellt sind, d.h. beim Spanen des gegossenen Kupferwerkstoffes anfallen.

[0024] Aus dem Vorformling 1 wird ein metallisches Bauteil hergestellt. Dieses Bauteil kann beispielsweise ein (hochstromleitender) Leistungs-Kontakt, z.B. für die Ladeinfrastruktur für die EMobility oder eines reinen Elektrofahrzeugs bzw. eines Hybridfahrzeugs, sein. Das Bauteil kann auch eine Basisplatte für eine GPU- und CPU-Kühlung oder ähnliches sein.

[0025] Insbesondere kann das Bauteil eine zylindrische Form aufweisen, z.B. mit einem Durchmesser von zumindest 8 mm, insbesondere zwischen 8 mm und 100 mm, und/oder mit einer Höhe von bis zu 150 mm, z.B. zwischen 10 mm und 150 mm. Es sind auch quaderförmige Platten mit einer Deckfläche von bis zu 200 cm?, z.B. zwischen 10 cm? und 200 cm2.

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[0026] Die spanende Bearbeitung erfolgt vorzugsweise durch Drehen. Die spanende Bearbeitung des Vorformlings 1 kann aber auch durch Bohren, insbesondere von kleinen Löchern, Fräsen, insbesondere von 3D Strukturen, etc. erfolgen.

[0027] Die Herstellung des Vorformlings erfolgt nach einem pulvermetallurgischem Verfahren. Dazu wird aus einem metallischen Pulver, das gegebenenfalls vorlegiert sein kann, oder aus einer Pulvermischung, die gegebenenfalls auch zumindest eine Vorlegierung enthalten kann, durch Pressen in einer Pressform, beispielsweise einer Matrize, ein Grünling hergestellt. Für das Pressen des Pulvers zum Grünling können dem Pulver sogenannte Presshilfsmittel zugesetzt werden. Dabei hat sich herausgestellt, dass für Kupfer oder eine Kupferlegierung der Einsatz von einer Lithiumseife als Presshilfsmittel, z.B. Lithiumstearat, positive Auswirkungen auf die Bearbeitbarkeit des Vorformlings hat. Im Vergleich dazu zeigt ein Vorformling, dessen Grünling mit einem anderen Presshilfsmittel, z.B. mit einem Aramidwachs, hergestellt wurde, eine deutliche schlechtere Spanbarkeit. Das Presshilfsmittel, insbesondere die Lithiumseife, kann in einem Volumenanteil zwischen 0,2 Vol.-% und 1,0 Vol.-% dem Pulver bzw. der Pulvermischung zur Grünlingserzeugung zugesetzt werden.

[0028] Der Kupferwerkstoff, aus dem der Vorformling 1, und damit auch das Bauteil, hergestellt wird, kann ein Werkstoff sein, in dem Kupfer den Hauptbestandteil (verglichen mit den weiteren Bestandteilen) bildet. Neben Kupfer kann der eingesetzte Kupferwerkstoff auch noch zumindest ein weiteres Element, insbesondere metallisches Element, enthalten, das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Phosphor, Chrom, Zirkonium, Schwefel, Blei, Lithium, Magnesium, Tellur, Silicium und Bismut sowie Mischungen von zumindest zwei dieser Elemente. Der Summenanteil der weiteren Elemente an dem Kupferwerkstoff kann zwischen 0,5 Gew.-% und 15 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,5 Gew.-% und 7,5 Gew.-%, beispielsweise zwischen 0,5 Gew.-% und 2 Gew.-%, betragen. Den Rest auf 100 Gew.-% bildet Kupfer.

[0029] In der bevorzugten Ausführungsvariante enthält der Kupferwerkstoff Kupfer in einem Anteil von zumindest 98 Gew.-%, insbesondere zumindest 99,5 Gew.-%. Der Kupferwerkstoff kann auch aus Reinkupfer mit den üblichen, aus der Herstellung des Reinkupfers stammenden Verunreinigungen bestehen.

[0030] Insbesondere kann der Kupferwerkstoff Reinkupfer (>99,9% Cu), eine Cu-Mg Legierungen, eine CuNiP Legierung, eine CuP Legierung sein.

[0031] Generell sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich alle Bestandteile des Kupferwerkstoffes zu 100 Gew.-% addieren, sodass für alle Zusammensetzungen also 100 % die oberste Grenze ist.

[0032] Das/die für die Herstellung des Grünlings eingesetzte(n) Pulver können Partikel mit einer Partikelgröße zwischen 40 um und 250 um, insbesondere zwischen 50 um und 200 um, aufweisen.

[0033] Das Pulver bzw. die Pulvermischung kann mit einem Druck zwischen 6 t/cm? und 10 t/cm? zum Grünling gepresst werden.

[0034] Der Grünling kann in weiterer Folge entwachst werden. Dazu kann der Grünling einer Temperatur zwischen 300 °C und 700 °C ausgesetzt werden.

[0035] Aus dem Grünling wird Sintern der Vorformling 1 hergestellt. Das Sintern kann bei einer Temperatur zwischen 900 °C und 1150 °C und/oder für eine Zeit zwischen 60 min und 240 min durchgeführt, werden, gegebenenfalls unter Inertgasatmosphäre.

[0036] Der Vorformling 1 wird mit einer Porosität zwischen 0,1 % und 1,5 % hergestellt. Um dies zu erreichen, kann das Bauteil in einem weiteren Prozessschritt nachverdichtet werden kann.

[0037] Die Porosität wird nach dem Archimedischen Prinzip gemessen. Da diese Porositätsmessung an sich bekannt ist, erübrigen sich weitere Ausführungen dazu. Es sei nur so viel erwähnt, dass das Prinzip darauf beruht, dass ein poröser Körper eine Massenzunahme erfährt, wenn seine von außen zugängliche Poren mit Flüssigkeit gefüllt werden. Ebenso ändert sich der Auftrieb bezogen auf die theoretische Dichte des Materials, wenn geschlossene Poren vorhanden

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sind. Aus diesen Veränderungen kann in der Folge auf die Porosität geschlossen werden.

[0038] Der Vorformling 1 kann eine Dichte von zwischen 98 % bis 99,8 % der theoretischen Dichte (d.h. des Werkstoffes gleicher Zusammensetzung und ohne Poren) aufweisen. Weiter kann der Vorformling 1 eine elektrische Leitfähigkeit nach IACS (International Annealed Copper Standard) zwischen 90% und 99 % aufweisen.

[0039] In Fig. 3 ist ein Ausschnitt aus einem Vorformling 1 zu sehen. Dieser weist aufgrund der Porosität des Werkstoffes Poren 4 auf. Die Poren 4 können einen maximalen Porendurchmesser 5 zwischen 20 um und 250 um aufweisen. Der maximale Porendurchmesser ist dabei der größte Durchmesser den die jeweilige Pore 4 aufweist. Der Porendurchmesser 5 wird durch lichtmikroskopische Vermessung eines Schliffes (Schliffbildes) gemessen. Der Porendurchmesser wird als arithmetischer Mittelwert von zehn Einzelmessungen bestimmt.

[0040] Es besteht weiter die Möglichkeit, dass nach einer Ausführungsvariante die Poren 4 mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des Vorformlings 1 einen größer werdenden maximalen Porendurchmesser 5 aufweisen.

[0041] Der Vorformling 1 wird nach dem Sintern einer spanenden Oberflächenbearbeitung, bevorzugt durch Drehen, unterzogen. Dabei kann nach einer bevorzugten Ausführungsvariante die Schnittgeschwindigkeit vc zwischen 180 m/min und 350 m/min gewählt werden. Die untere Grenze der Schnittgeschwindigkeit ist dabei in Hinblick auf die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens gewählt, wobei angemerkt sei, dass trotz dieser relativ hohen Mindestschnittgeschwindigkeit aufgrund der erfindungsgemäßen Ausprägung des Vorformlings 1 die Standzeit des Schneidwerkzeuges 2 nicht reduziert wird. Die obere Grenze der Schnittgeschwindigkeiten hat sich in Hinblick auf die Schneidengeometrie als vorteilhaft für gegenständliche Erfindung herausgestellt.

[0042] Neben der spanbrechenden Wirkung der Poren 4 kann durch die Anwendung einer Schnittgeschwindigkeit aus dem bevorzugten Bereich eine weitere Reduktion der Spanlänge erreicht werden.

[0043] Obwohl der Einsatz eines Kühlschmiermittels während der spanenden Bearbeitung des Vorformlings 1 möglich ist, kann entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass die spanende Bearbeitung in Abwesenheit eines Kühlschmiermittels als Trockenbearbeitung durchgeführt wird.

[0044] Nach der spanenden Bearbeitung weist die spanend bearbeitete Oberfläche des Vorformlings 1 eine gemittelte Rautiefe Rz nach DIN EN ISO 21920-2:2022-12 zwischen 1,5 um und 10 um, insbesondere zwischen 1,5 um und 7 um, auf.

[0045] Zum Unterschied dazu weist der Vorformling 1 aus dem Gusswerkstoff nach der spanenden Bearbeitung wie sie in Fig. 1 dargestellt ist bei gleicher Werkstoffzusammensetzung und gleicher Schnittgeschwindigkeit eine gemittelte Rautiefe Rz nach DIN EN ISO 21920-2:2022-12 zwischen 3,2 um und 6,3 um auf. Die Werte wurden als gemittelte Rauhtiefe nach verschiedenen Versuchen mit unterschiedlichsten Werkzeugen und Schnittdaten bestimmt.

[0046] Nach der spanenden Bearbeitung des Vorformlings 1 kann das damit hergestellte Bauteil fertig sein. Es können aber auch nachfolgende Prozesse an dem Bauteil durchgeführt werden, wie z.B. eine Reinigung oder eine zumindest partielle Beschichtung, das Verlöten von zwei oder mehreren Bauteilen, das Laserschweißen von zwei oder mehreren Bauteilen (Gusswerkstoff an Sinterwerkstoff oder Sinterwerkstoff an Sinterwerkstoff).

[0047] Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.

[0048] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis in den Figuren Elemente nicht zwingenderweise maßstäblich dargestellt wurden.

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BEZUGSZEICHENLISTE

1 Vorformling

2 Schneidwerkzeug 3 Span

4 Pore

5 Porendurchmesser

Claims (10)

x bes AT 528 295 A4 2025-12-15 Ss N Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils aus einem Kupferwerkstoff, wozu aus dem Kupferwerkstoff ein Vorformling (1) hergestellt wird und der Vorformling (1) spanend bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling nach einem Sinterverfahren mit einer Porosität zwischen 0,1 % und 1,5 % hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kupferwerkstoff eingesetzt wird, der neben Kupfer zumindest ein weiteres Element aus einer Gruppe umfassend Phosphor, Chrom, Zirkonium, Schwefel, Blei, Lithium, Magnesium, Tellur, Silicium und Bismut, sowie Mischungen daraus, enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kupferwerkstoff ein Werkstoff eingesetzt wird, der einen Kupferanteil von zumindest 98 Gew.-% aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spanende Bearbeitung des Vorformlings (1) mit einer Schnittgeschwindigkeit vc zwischen 180 m/min und 350 m/min durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spanende Bearbeitung in Abwesenheit eines Kühlschmiermittels als Trockenbearbeitung durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die spanende Bearbeitung durch Drehen erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling (1) aus Kupferwerkstoff in Pulverform mit einem Druck zwischen 6 t/cm? und 10 t/cm? gepresst und danach bei einer Temperatur zwischen 900 °C und 1150 °C für eine Zeit zwischen 60 min und 240 min gesintert wird.

8. Metallisches Bauteil aus einem Kupferwerkstoff mit zumindest einer spanend bearbeiteten Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Sinterbauteil aus einem Sinterwerkstoff als Kupferwerkstoff ist und dass die spanend bearbeitete Oberfläche eine gemittelte Rautiefe Rz nach DIN EN ISO 21920- 2:2022-12 zwischen 1,5 um und 10 um aufweist.

9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupferwerkstoff neben Kupfer zumindest ein weiteres Element aus einer Gruppe umfassend Phosphor, Chrom, Zirkonium, Schwefel, Blei, Lithium, Magnesium, Tellur, Silicium und Bismut, sowie Mischungen daraus, enthält.

10. Bauteil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupferwerkstoff einen Kupferanteil von zumindest 98 Gew.-% aufweist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen