DE102013000746A1

DE102013000746A1 - Verfahren zum Herstellen von Gussteilen für elektrische Anwendungen

Info

Publication number: DE102013000746A1
Application number: DE102013000746.1A
Authority: DE
Inventors: Steffen Bauer; Csaba Walczer; András Bárdos
Original assignee: Kienle and Spiess GmbH
Current assignee: Kienle and Spiess GmbH
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2014-07-17
Also published as: ES2853579T3; US20140196862A1; EP2756898B1; JP2014136258A; EP2756898A3; HUE053299T2; EP2756898A2; JP6488072B2; MX2014000520A

Abstract

Bei dem Verfahren werden aushärtbare Aluminiumlegierungen verwendet, die geschmolzen und in eine Druckgussform eingebracht werden. Um die Gussteile in kostengünstiger Weise mit geringem Zeitaufwand herstellen zu können, besteht die Druckgussform aus einem Material, das eine solche Wärmeleitfähigkeit hat, dass die Legierungsschmelze in der Druckgussform mit einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa ≥ 5 × 102 K/s abgekühlt wird. Durch diese hohe Abschreckgeschwindigkeit wird ein übersättigter Mischkristall gebildet, der keiner zusätzlichen Wärmebehandlung mehr bedarf. Auf diese Weise wird eine hochfeste aushärtbare Aluminiumlegierung gebildet, die sich hervorragend zur Herstellung von Gussteilen für elektrische Anwendungen eignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gussteilen für elektrische Anwendungen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es ist bekannt, Druckgussteile für elektrische Anwendungen herzustellen, beispielsweise für elektrische Leiter, Hochspannungsschalter, Rotoren oder Statoren in elektrischen Motoren und dergleichen. Hierfür werden unter anderem Aluminiumlegierungen eingesetzt, die aushärtbar sind. Solche Aluminiumlegierungen sind beispielsweise Al-Cu, Al-Mn-Si, Al-Zn-Mg, Al-Si-Cu oder Al-Si-Mg. Die aushärtbaren Legierungen haben eine elektrische Leitfähigkeit, die üblicherweise mehr als etwa 28 MS/m beträgt. Um die mechanischen Eigenschaften der unterschiedlichen Aluminiumlegierungen zu erhöhen, ist es bekannt, im Gefüge dieser Legierungen sogenannte Guinier-Preston-Zonen vorzusehen. Es handelt sich hierbei um kohärente Ausscheidungen, durch welche die Festigkeit der Aluminiumlegierungen erhöht wird. Anhand von 1 wird ein bekanntes Verfahren beschrieben, um solche aushärtbare Aluminiumlegierungen mit hohen Zugfestigkeiten zu erhalten. Hierfür sind aufwändige Verfahrensschritte notwendig. Zunächst wird die Aluminiumlegierung einem Lösungsglüh-Vorgang unterzogen. Während des Lösungsglühens wird die Legierung langsam erhitzt. Gemäß 1, die ein Temperatur-Zeit-Diagramm für eine A356-Legierung zeigt, erfolgt diese Aufheizphase über einen Zeitraum von 100 Minuten. Die Aluminiumlegierung wird bis auf etwa 80% ihres Schmelzpunktes erwärmt, beim Ausführungsbeispiel auf 530°C. Bei Aluminiumlegierungen liegt diese Erwärmungstemperatur zwischen 470°C und 540°C. Das Werkstück muss bei dieser Temperatur so lange gehalten werden, bis eine ausreichende Menge an Mischkristallen gebildet ist. Im Ausführungsbeispiel beträgt dieser Zeitraum 140 min. Anschließend wird in einem zweiten Prozess dieser gebildete Mischkristall abgeschreckt, so dass die Mischkristalle auch bei niedrigen Temperaturen, in der Regel bei Raumtemperatur, erhalten bleiben. Anschließend wird ein Altern durchgeführt, bei dem die Aluminiumlegierung über etwa 50 min auf 210°C erwärmt und dort für weitere 70 min gehalten wird. Während dieses Prozessschrittes bilden sich die Guinier-Preston-Zonen, die zu einer hohen Festigkeit der Aluminiumlegierung führen.
Dieses Verfahren in drei Prozessschritten ist aufwändig und sehr zeitintensiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren so auszubilden, dass die Gussteile in kostengünstiger Weise mit geringem Zeitaufwand hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Gussteil in einer Druckgussform hergestellt, deren Material eine so hohe Wärmeleitfähigkeit hat, dass die Legierungsschmelze während des Druckgießvorganges mit einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa ≥ 5 × 10² K/s abgekühlt wird. Vorzugsweise ist die Abkühlgeschwindigkeit nicht geringer als etwa ≥ 10³ K/s. Durch diese hohe Abschreckgeschwindigkeit wird ein übersättigter Mischkristall gebildet, der keiner zusätzlichen Wärmebehandlung mehr bedarf. Auf diese Weise wird eine hochfeste aushärtbare Aluminiumlegierung gebildet, die hervorragend zur Herstellung von Gussteilen für elektrische Anwendungen geeignet ist. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist kein hoher verfahrenstechnischer Aufwand erforderlich. Zudem benötigt das erfindungsgemäße Verfahren weniger Zeit als die beschriebenen bekannten Verfahren.
Vorteilhaft wird die Legierungsschmelze in einer ersten Phase mit geringer Geschwindigkeit in einer Füllkammer verschoben, in die die Legierungsschmelze zunächst eingebracht und dann dem entsprechenden Hohlraum der Druckgussform zugeführt wird. Aufgrund der geringen Verschiebegeschwindigkeit kann die in der Legierungsschmelze enthaltene Luft gut entweichen. Außerdem wird dadurch sichergestellt, dass sich die Legierungsschmelze nur wenig bewegt und dementsprechend keine oder nur sehr wenige Wellen bildet, so dass die Gefahr des Lufteinschlusses vermieden wird.
Die Verschiebegeschwindigkeit der Legierungsschmelze liegt in einem Bereich kleiner etwa 0,5 m/s.
Die Legierungsschmelze wird vorteilhaft in einer zweiten Phase aus der Füllkammer in die nachgeschaltete Druckgussform mit hoher Geschwindigkeit gepresst. Dadurch wird der entsprechende Hohlraum in der Druckgussform vollständig mit der Legierungsschmelze gefüllt.
Die Geschwindigkeit, mit der die Legierungsschmelze in dieser zweiten Phase in die Druckgussform gepresst wird, liegt vorteilhaft in einem Bereich zwischen etwa 1 m/s und etwa 3 m/s.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Legierungsschmelze in der Druckgussform noch mit einem hohen Nachdruck beaufschlagt, um das Defizit der geringeren Dichte der Legierungsschmelze gegenüber dem festen Zustand der Legierung auszugleichen und auf diese Weise Lunker im Gussteil zu vermeiden.
Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
1 in einem Temperatur-Zeit-Diagramm eine Wärmebehandlung einer Aluminiumlegierung nach dem Stand der Technik,
2 bis 4 in schematischer Darstellung einen Druckgießvorgang nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren ist es möglich, eine härtbare Aluminiumlegierung herzustellen, bei dem zumindest der Schritt des Lösungsglühens, vorzugsweise auch des Abschreckens, nicht erforderlich ist. Die Legierung lässt sich dadurch einfach, kostengünstig und innerhalb kurzer Zeit herstellen. Das Verfahren zeichnet sich durch eine einfache Prozessführung aus.
Das Verfahren ist für aushärtbare Aluminiumlegierungen geeignet, die außer Aluminium noch wenigstens zwei Komponenten enthalten. Beispielsweise eignet sich das Verfahren für Al-Mn-Si-, Al-Zn-Mg-, Al-Si-Cu- oder Al-Si-Mg-Legierun-gen. Eine besonders vorteilhafte Aluminiumlegierung ist 6101. Die Aluminiumlegierungen haben eine hohe elektrische Leitfähigkeit, die höher als etwa 28 MS/m liegt.
Anhand der 2 bis 4 wird das Verfahren näher erläutert. Die geschmolzene Legierung 1 befindet sich in einer Füllkammer 2, in der die geschmolzene Legierung mittels eines Kolbens 3 in Richtung auf eine Druckgussform 4 verdrängt wird. Sie hat eine Angussformplatte 5 und eine Auswerferformplatte 6, zwischen denen sich eine Zylinderplatte 7 befindet. Die Zylinderplatte 7 nimmt ein Werkstück 8 auf, das im Ausführungsbeispiel ein Lamellenpaket ist, das zur Herstellung beispielsweise von Rotoren oder Statoren von Elektromotoren verwendet wird. An beide Stirnseiten des Werkstückes 8 werden Kurzschlussringe 9, 10 angegossen. Hierfür ist die Druckgussform 4 mit entsprechenden Hohlräumen 11, 12 versehen, die in der Angussformplatte 5 und in der Auswerferformplatte 6 vorgesehen sind. Die Kurzschlussringe 9, 10 verbinden die (nicht dargestellten) Leiterstäbe im Lamellenpaket 8 in bekannter Weise.
Die geschmolzene Legierung 1 wird zunächst in die Füllkammer 2 verbracht. In der ersten Phase gemäß 2 beginnt der Kolben 3, die Schmelze langsam in Richtung auf einen Gießkanal 13 zu schieben. Die Geschwindigkeit des Kolbens 3 in dieser ersten Phase ist vorteilhaft kleiner als etwa 0,5 m/s. Aufgrund der geringen Schiebegeschwindigkeit kann die in der Schmelze enthaltene Luft gut entweichen. Außerdem ist die Wellenbildung in der Schmelze, die sich beim Bewegen der Schmelze bildet, gering, so dass auch keine Überschwappbewegung in der Schmelze auftritt, durch die Luft eingeschlossen würde. Zum Entweichen der Luft ist die Füllkammer 2 mit entsprechenden Luftaustrittsöffnungen im oberen Bereich versehen. Die flüssige Legierung 1 gelangt über wenigstens eine Füllöffnung 14 in die Füllkammer 2. In der Ausgangsstellung gemäß 2 befindet sich der Kolben 3 noch vor der Füllöffnung 14. Er wird so lange mit geringer Geschwindigkeit in Richtung auf die Druckgussform 4 verschoben, bis er sich hinter der Füllöffnung 14 befindet (3).
In der zweiten Phase (3) wird die flüssige Legierung 1 mit dem Kolben 3 mit hoher Geschwindigkeit in die Druckgussform 4 gepresst. Die flüssige Legierung 1 füllt die Hohlräume 11, 12 sowie den Gießkanal 13 vollständig aus (4). Die Geschwindigkeit des Kolbens 3 in der zweiten Phase ist produkt- bzw. geometrieabhängig. Abhängig von der Geometrie kann die maximale bzw. optimale Füllungszeit berechnet werden, wozu ein entsprechender Volumenstrom gehört. Der gleiche Volumenstrom kann mit einem kleinen Durchmesser und einer hohen Geschwindigkeit oder mit einem großen Durchmesser und einer geringen Geschwindigkeit erreicht werden. Bei üblichen Rotoren liegt die Geschwindigkeit zwischen etwa 1 m/s und etwa 3 m/s.
Der Kolben 3 beaufschlagt die flüssige Legierung 1 noch mit einem hohen Nachdruck. Dadurch wird berücksichtigt, dass die flüssige Legierung 1 eine geringere Dichte als im festen Zustand hat. Durch den hohen Nachdruck wird dieser Unterschied ausgeglichen, wodurch Lunker in den Kurzschlussringen 9, 10 vermieden werden. Die Höhe des Druckes ist produkt/geometrieabhängig und liegt zwischen etwa 80 und 600 bar.
Sobald die Legierung 1 abgekühlt und verfestigt ist, wird die Druckgussform 4 geöffnet, so dass das Werkstück 8 mit den stirnseitigen Kurzschlussringen 9, 10 entnommen werden kann. Der durch das Material im Gießkanal 13 gebildete Anguss wird vom Kurzschlussring 9 in bekannter Weise entfernt.
Das Material der Druckgussform 4 ist so gewählt, dass mit ihm eine sehr hohe Abkühlrate erreicht werden kann, die nicht geringer als etwa 5 × 10² K/s, vorzugsweise nicht geringer als etwa 10³ K/s, beträgt. Eine solch hohe Abkühlrate zulassendes Material ist beispielsweise Stahl, der die rasche Abkühlung der Legierungsschmelze ermöglicht. Es eignet sich jedes Material, das eine so hohe Wärmeleitfähigkeit hat, dass die hohe Abkühlgeschwindigkeit erreicht wird. Der Abschreckprozess wird durch die Gussform 4 während des Gießverfahrens erreicht, so dass auf den Prozess des Lösungsglühens verzichtet werden kann. Das Druckgießverfahren benötigt darum nur wenig Zeit.
Mit dem beschriebenen Verfahren lässt sich eine übersättigte feste Lösungsstruktur im Druckgussteil 9, 10 erzeugen, wobei die Druckgussform 4 beim Druckgießvorgang optimal gefüllt wird. Für das beschriebene Verfahren können alle Aluminiumlegierungen eingesetzt werden, die aushärtbar sind.
Die Druckgussteile 9, 10 müssen nicht wärmebehandelt werden, da infolge der extrem raschen Abkühlung durch die Druckgussform während des Druckgießvorganges die Druckgussteile eine übersättigte Mischkristall-Struktur erhalten, die keiner Wärmebehandlung mehr bedarf.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Gussteilen für elektrische Anwendungen, bei dem aushärtbare Aluminiumlegierungen verwendet werden, die geschmolzen und in eine Druckgussform eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckgussform (4) aus einem Material besteht, das eine solche Wärmeleitfähigkeit hat, dass die Legierungsschmelze (1) in der Druckgussform (4) mit einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa ≥ 5 × 10² K/s abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlgeschwindigkeit etwa ≥ 10³ K/s beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsschmelze (1) in einer ersten Phase mit geringer Geschwindigkeit in einer Füllkammer (2) verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit in der ersten Phase kleiner als etwa 0,5 m/s ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsschmelze (1) in einer zweiten Phase aus der Füllkammer (2) in die Druckgussform (4) mit hoher Geschwindigkeit verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit in der zweiten Phase zwischen etwa 1 m/s und etwa 3 m/s liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungsschmelze (1) nach dem vollständigen Füllen der Druckgussform (4) unter Überdruck gesetzt wird.