DE102017121770A1

DE102017121770A1 - Verfahren zur Herstellung eines Rotors für ein Flügelrad eines Verdichters

Info

Publication number: DE102017121770A1
Application number: DE102017121770.3A
Authority: DE
Inventors: Holger Weiss; Craig FERGUSON; Bernd Commandeur
Original assignee: Erbsloeh Aluminium GmbH
Current assignee: Granges Powder Metallurgy GmbH
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2019-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für ein Flügelrad eines Verdichters, wobei der Rotor aus einem warmfesten und verschleißfesten Aluminiumwerkstoff erzeugt wird, umfassend die Schritte
- Sprühkompaktieren einer Schmelze auf Aluminium-Silizium-Basis zu einem Rundbolzen,
- Strangpressen des Rundbolzens zu einem Profilstrang, welcher einen Außenumfang besitzt, der an den Außenumfang des zu erzielenden Rotors angepasst ist,
- Zerteilen des Profilstrangs in Profilstücke,
- mechanische Bearbeitung der Profilstücke zu der gewünschten Endform und dem gewünschten Endmaß des Rotors und
- ggf. Wärmebehandlung der bearbeiteten Profilstücke.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für ein Flügelrad eines Verdichters, wobei der hergestellte Rotor aus einem warmfesten und verschleißfesten Aluminium-Werkstoff besteht.
Es ist bekannt, Rotoren aus einem Aluminium-Gusswerkstoff für ein Flügelrad eines Verdichters zu verwenden. Ein solcher Rotor besitzt im Nabenbereich eine Bohrung und mehrere über den Umfangsbereich des Rotors abragende Flügel. Ein solches Flügelrad wird in einem zylinderförmigen Gehäuse eines Rotationskompressors aufgenommen. Ein solcher Verdichter ist beispielsweise ein Herzstück des Kältemittelkreislaufes von Klimaanlagen und dient zum kontinuierlichen Komprimieren von Gasen. Für die Verwendung des Rotors in solchen Verdichtern wird eine hohe Wärmefestigkeit benötigt.
Gemäß dem Dokument DE 10 2016 114 452 A1 wird ein Rotor auf verschiedene Weise hergestellt. Ein Herstellungsverfahren umfasst das Gießen eines Rohlings aus Aluminiummaterial. Segmente dieses Rohlings werden dann durch Schmieden umgeformt und nachfolgend wird der durch Schmieden erhaltene Vorformling einer mechanischen Bearbeitung zugeführt, um die endgültige Form des Rotors zu erzielen. Hier werden für die Herstellung des Rotors Aluminiumlegierungen der Serie 2000, 6000 und 7000 eingesetzt. Darüber hinaus wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein stranggegossener Rohling vor dem Schmieden extrudiert, von dem extrudiertem Material Segmente einer Länge von 40 mm abgetrennt und diese dann bei 400°C heiß geschmiedet werden. Die durch Schmieden erhaltenen Vorformlinge werden mechanisch bearbeitet und einer Wärmebehandlung zugeführt, um in dem geschmiedeten und bearbeiteten Material erzeugte Eigenspannungen und verschlechterte Festigkeiten, insbesondere Ermüdungsfestigkeiten, zu verhindern. Hierbei hat sich gezeigt, dass die Ermüdungsfestigkeit von Rotoren, die durch Extrusion und nachfolgendes Schmieden hergestellt werden, besser ist, als die Ermüdungsfestigkeit von Rotoren, die allein durch Extrusion oder Tiefziehen hergestellt werden. Dieser Nachweis ist jedoch nur für ein Beispiel, nämlich anhand eines Rotors aus einer 2618-Legierung, d.h. einer AlCuMg-Legierung, gezeigt worden.
Für Anwendungsfälle, wo Bauteile unter Wärmebelastung eine geringe thermische Ausdehnung aufweisen und eine hohe Verschleißbeständigkeit zeigen sollen, haben sich übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen bewährt. Beim Gießen eines Rohlings aus einer solchen Legierung erstarren zuerst Silizium-Primärkristalle und anschließend erstarrt die eutektische Restschmelze als Eutektikum. Die relativ großen Silizium-Primärkristalle führen bei einem gegossenen Rohling zu einem grobkörnigen Gefüge, das die mechanischen Eigenschaften eines aus diesem Rohling hergestellten Bauteils beeinflusst. Zur Verfeinerung des Gefüges können Kornfeinerungsmittel zugegeben werden, die jedoch die mechanischen Eigenschaften nicht in einem zufriedenstellenden Maße verbessern.
Hier setzt die Erfindung ein. Es soll ein Rotor aus Aluminium-Material zur Verfügung gestellt werden, der verbesserte mechanischen Eigenschaften zeigt und in einfacher Weise herstellbar ist.
Ein solcher verbesserter Rotor ist durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 herstellbar. Mit einem solchen Verfahren wird ein Rotor erzeugt, der vergleichbar gute mechanische Eigenschaften wie Härte, E-Modul und Bruchdehnung besitzt und darüber hinaus verbesserte Duktilitätswerte, insbesondere unter thermischer Belastung zeigt. Diese verbesserte Duktilität wird auf die homogenere und feinere Verteilung der Silizium-Primärkristalle im Gefüge zurückgeführt, wobei während des Herstellungsverfahrens des Rotors diese Duktilität erhalten bleibt.
Das neue Verfahren zur Herstellung eines Rotors für ein Flügelrad eines Verdichters umfasst die nachfolgend im Einzelnen beschriebenen Verfahrensschritte. Hierbei wird ein Rotor aus einem warmfesten und verschleißfesten Aluminium-Werkstoff, nämlich aus einem übereutektischen Alumininum-Silizium-Material hergestellt.
Im ersten Schritt wird ein Rundbolzen aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungsschmelze durch Sprühkompaktieren erzeugt. Beim Sprühkompaktieren wird diese Schmelze bei hohen Abkühlgeschwindigkeiten von 1000 bis 10 000 K/s versprüht. Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeiten erstarren die Aluminium-Schmelze-Tröpfchen des Sprühstrahls, wenn sie auf eine sich drehende Auffangfläche auftreffen und werden zu einem festen Körper kompaktiert. Durch einen Abzug der Auffangfläche nach unten weg wächst ein Rundbolzen auf der Auffangfläche. Bei der schnellen Erstarrung der Schmelzetröpfchen wird ein feinkörniges homogenes Gefüge im Rundbolzen erzeugt. Die Silizium-Primärteilchen sind in diesem Gefüge gleichmäßig verteilt und nicht größer als 20 µm. Bevorzugtes Material für den Rundbolzen ist ein übereutektisches Aluminium-Silizium-Material mit einem Gewichtsanteil von mehr als 13 Gew% Silizium, vorzugsweise von 15 bis 17 Gew%. Besonders bevorzugt ist eine Legierung der Zusammensetzung AlSi15Cu4Mg1.
Der erzeugte sprühkompaktierte Rundbolzen ist fest, hart und formstabil. Er hat aufgrund des Gewichtsanteils an Silizium im Bolzenmaterial eine ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit. Gegenüber dem gegossenen Rohling hat dieser Rundbolzen ein vergleichbares E-Modul, eine niedrigere thermische Ausdehnung, und bei Einsatztemperaturen von 200° eine wesentlich verbesserte Warmfestigkeit.
Dieser sprühkompaktierte Rundbolzen wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt durch Strangpressen zu einem Profilstrang umgeformt. Das Strangpressen erfolgt bei Temperaturen von 300 bis 550°C. Hierbei wird ein Profilstrang erhalten, der einen runden Außenumfang besitzt, der an den Außenumfang des zu erzielenden Rotors angepasst ist. So wird bei einem gewünschten Rotor mit einem Durchmesser von beispielsweise 50 mm beim Strangpressen ein Profilstrang mit einem Durchmesser von 50 mm zuzüglich einer Bearbeitungszugabe erzeugt. Der Querschnitt des Profilstrangs zeigt bereits die gewünschte Form des Rotors, besitzt nämlich bereits durch das Strangpressen erzeugte Nuten, welche bei der späteren Anwendung des Rotors dann zur formschlüssigen Aufnahme der einzelnen Flügel dienen. Durch das Strangpressen wird also bereits ein vorgeformter Profilstrang für den zu erzielenden Rotor erhalten.
Bei einer vorteilhaften Ausführung des Strangpressens wird zusätzlich auch eine mittige Bohrung, d.h. die spätere Nabenbohrung des Rotors, geformt. Für ein solches Strangpressen wird ein Brückenwerkzeug verwendet, welches einen Hohlkanal im Profilstrang erzeugt. Die Strangpressgeschwindigkeiten liegen bei etwa 0,5 bis 12 m/min.
Bei einer weiteren Ausführung des Strangpressverfahrensschritts wird kein axialer Hohlkanal im Profilstrang gebildet. Bei dieser Strangpressvariante wird ein Vorkammerwerkzeug verwendet und ein Vollprofilstrang extrudiert. Auch dieser Vollprofilstrang besitzt Längsnuten, die von der Außenumfangslinie nach innen verlaufen und beim späteren Rotor zum Halten der Flügel dienen. Die gewünschte axiale Bohrung im Nabenbereich des Rotors wird bei diesem Verfahren bei der späteren mechanischen Bearbeitung eingebracht.
Der durch das Strangpressen erzeugte Profilstrang, d.h. der Hohlprofilstrang oder der Vollprofilstrang, wird nachfolgend in Profilstücke zerteilt. Dies kann durch bekannte Trennverfahren, wie beispielsweise Sägen, erfolgen. Hierbei werden jeweils Profilstücke einer bestimmten Länge vom Profilstrang abgetrennt. Dies kann beispielsweise eine gut händelbare Länge sein, um die Profilstücke in einfacher Weise zu transportieren und der nachfolgenden mechanischen Bearbeitung zuzuführen. Andererseits ist auch ein Abtrennen von Profilstücken möglich, bei denen die abgetrennte Länge der Profilstücke der gewünschten Breite des zu erzielenden Rotors entspricht.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird ein Profilstück einer Länge von 1m bis 2m von dem stranggepressten Profilstrang abgetrennt und nachfolgend einem Drehautomaten zugeführt. Im Drehautomaten erfolgt eine mechanische Bearbeitung der Profilstücke. Diese Bearbeitung umfasst einerseits eine Zerteilung dieser Profilstücke in kleinere Profilstücke entsprechend einer gewünschten Enddicke für die Rotoren, also in Rotorstücke. Andererseits werden Fasen im Nabenbereich bzw. am Außenumfang erzeugt und ggf. das Bohren der axialen Nabenbohrung vorgenommen bzw. diese auf Endmaß gedreht. Ebenso werden die Nuten auf Endmaß gefräst und die Stirnseiten auf Endmaß gedreht. Zusätzlich kann ein Schleifen und Polieren der Oberflächen vorgenommen werden. In einem Drehautomaten können in vorteilhafter Weise mehrere Rotorstücke aus einem längeren Profilstück abgetrennt und zur Endform eines Rotors bearbeitet werden.
Um die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Rotorstücken zu verbessern, kann abschließend eine Wärmebehandlung jedes Rotorteils vorgenommen werden. Diese Wärmebehandlung umfasst eine Behandlung der Rotoren bei Temperaturen von 460 bis 540 °C über einen Zeitraum von 0,5 bis 10 Stunden.
Diese Wärmebehandlung dient der Warmaushärtung und Festigkeitssteigerung. Die auf diese Weise hergestellten Rotoren zeigen vergleichbare mechanische Eigenschaften zu Rotoren aus gegossenem Material bzw. gegossenem und geschmiedetem Material. Versuche zur Bruchdehnung haben jeweils Dehnungswerte As größer 2% ergeben. Das zeigt, dass die nach dem neuen Verfahren hergestellten Rotoren eine verbesserte Verformungsfähigkeit zeigen, die auf das homogenere Gefüge, welches durch das Sprühkompaktieren erzeugt wurde, zurückgeführt wird, insbesondere auf die in dem sprühkompaktierten Rundbolzen fein verteilten Silizium-Primärteilchen, die wesentlich kleiner als bei dem gegossenem Material sind, nämlich kleiner als 20 µm im Vergleich zu dem Silizium-Primärkristallen in einem gegossenen Material, die eine Größe von größer 50 µm zeigen. Darüber hinaus sind die kleineren Silizium-Primärkristalle auch weniger kantig und üben damit einen weniger störenden Einfluss im Gefüge aus.
Nachfolgend werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele eines nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rotors gezeigt. Die Zeichnung umfasst:

1: eine perspektivische Ansicht eines Rotors,
2: den Querschnitt des Rotors von 1,
3: ein Profilstück vor der mechanischen Bearbeitung,
4: einen Querschnitt des Profilstücks.

Die 1 zeigt einen Rotor 10 für ein Flügelrad eines Verdichters. Dieser Rotor 10 hat eine kreisförmige Umfangslinie 15 und im Nabenbereich 13 eine Nabenbohrung 14. Diese Nabenbohrung 14 verläuft in axialer Richtung A, d.h. von der Vorderseite zur Rückseite. Die Dicke des Rotors ist in diesem Fall 50 mm. Der Durchmesser des Rotors beträgt 50 mm. Der Rotor besitzt fünf Nuten 11, welche sich ausgehend von der Umfangslinie 15 nach innen erstrecken. Diese Nuten 11 sind jedoch nicht in Richtung Mittelachse A ausgerichtet, sondern erstrecken sind ausgehend von der kreisförmigen, äußeren Umfangslinie 15 so nach innen, dass sie entlang eines Abschnitts einer Sekante der kreisförmigen Umfangslinie 15 ausgerichtet sind. Die Nuten 11 verlaufen ausgehend von der Außenumfangslinie zuerst mit gleichbleibender Breite, d.h. die Nutflächen verlaufen parallel zueinander, bis zu einem Nutgrund 12. Dieser Nutgrund 12 ist verbreitert und ermöglicht eine formschlüssige Halterung der Flügel für das Flügelrad eines Verdichters. Diese Flügel können jeweils von vorn in die einzelnen Nuten eingeschoben werden und berühren im eingebauten Zustand des Flügelrades die Innenfläche zylinderförmigen Verdichtergehäuse, so dass sie beim Drehen des Rotors entsprechende Kammern für das zu verdichtende Gas bilden können. Da die Vorder- und Rückseite des Rotors 10 im eingebauten Zustand jeweils von einer Platte abgedeckt ist, ist eine zusätzliche Sicherung der Flügel in Axialrichtung A am Rotor 10 nicht notwendig.
Der in den 1 und 2 gezeigte Rotor 10 besteht aus einer AlSi15Cu4Mg1-Legierung mit einem sehr feinen Gefüge, so sind nämlich sämtliche Silizium-Primärteilchen nicht größer als 20 µm. Dies wird durch das Herstellungsverfahren bewirkt. Der Rotor 10 wurde auf folgende Weise erzeugt. Eine entsprechende übereutektische Aluminium-Silizium- Schmelze wurde beim Sprühkompaktieren versprüht und die Schmelzetröpfchen des Sprühstrahls auf einer Auffangfläche zum Erstarren gebracht. Da sich die rotierende Auffangfläche beim Sprühkompaktieren nach unten bewegt hat, wurde ein Rundbolzen erhalten. Dieser Rundbolzen wurde nachfolgend einer Strangpresse zugeführt, in diesem Fall einer Strangpresse mit einem Brückenwerkzeug zur Erzeugung eines Hohlprofilstrangs. Der Rundbolzen wurde bei Temperaturen von 300 bis 550 °C extrudiert. Der erhaltende Profilstrang hat einen Durchmesser von 51 mm. Durch das Brückenwerkzeug der Strangpresse wird ein Hohlprofilstrang mit einem in Strangpressrichtung verlaufenden axialen Hohlkanal erzeugt. Dieser entspricht im Durchmesser der späteren Nabenbohrung 14. Darüber hinaus entspricht der Querschnitt des Hohlprofilstrangs nach dem Strangpressen dem in 2 gezeigten Querschnitt, d.h. er besitzt eine kreisförmige Außenumfangslinie 15, die fünf Nuten 11 und die Nabenbohrung 14. Von diesem Hohlprofilstrang wurden Profilstücke in einer Länge von 1,6 m abgetrennt. Diese Länge entspricht einer gut händelbaren Länge für den Transport der Profilstücke. Des Weiteren entspricht die Länge einer gut zu bearbeitenden Länge in einem Drehautomaten. In diesem Drehautomaten erfolgte die mechanische Bearbeitung des Profilstrangs zur endgültigen Endform des Rotors 10, d.h. es erfolgte eine Zerteilung des 1,6m-Profilstücks in Profilstücke mit jeweils einer Dicke von 50 mm. Es erfolgt eine Bearbeitung der Kanten des Rotors 10. So werden am Nuteingang jeder Nut 11 Fasen vorgesehen. Des Weiteren werden am Eingang und Ausgang der Nabenbohrung 14 Fasen erzeugt. Des Weiteren wurden die Außenflächen auf Endmaß gedreht.
Bei einer Abwandlung des vorbeschriebenen Verfahrens wird der Rundbolzen beim Strangpressen zu einem Vollprofilstrang extrudiert. Hierzu wird eine Strangpresse mit einem Vorkammerwerkzeug verwendet. Dieser Vollprofilstrang besitzt im Nabenbereich 13 keine Bohrung 14. Nach dem Zerteilen eines solchen Vollprofilstrangs, beispielsweise ein Abtrennen von Profilstücken mit einer Dicke von 20 mm, ergibt sich das in 3 gezeigte Profilstück 10' ein Vorformling für den Rotor 10. Es muss neben der vorbeschriebenen mechanischen Behandlung beim Rotor gemäß 1 zusätzlich in das Profilstück 10' die Nabenbohrung 14 eingebracht werden, die im Querschnitt dieses Profilsstücks 10' in der 4 angedeutet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016114452 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rotors für ein Flügelrad eines Verdichters, wobei der Rotor aus einem warmfesten und verschleißfesten Aluminiumwerkstoff erzeugt wird, umfassend die Schritte - Sprühkompaktieren einer Schmelze auf Aluminium-Silizium-Basis zu einem Rundbolzen, - Strangpressen des Rundbolzens zu einem Profilstrang, welcher einen Außenumfang besitzt, der an den Außenumfang des zu erzielenden Rotors angepasst ist, - Zerteilen des Profilstrangs in Profilstücke, - mechanische Bearbeitung der Profilstücke zu der gewünschten Endform sowie dem gewünschten Endmaß des Rotors und - ggf. Wärmebehandlung der bearbeiteten Profilstücke.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rundbolzen aus einem übereutektischen AlSi-Material mit einem Gewichtsanteil von mehr als 13 Gew% Silizium besteht, vorzugsweise 15 bis 17 Gew% Silitzium enthält, besonders bevorzugt eine Zusammensetzung AlSi15Cu4Mg1 aufweist und wobei in dem erzeugten Rundbolzen die Silizium-Primärteilchen gleichmäßig verteilt und nicht größer als 20 µm sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Strangpressen mit einem Brückenwerkzeug ein Hohlprofilstrang erzeugt wird, wobei der Durchmesser des erzeugten axialen Profilkanals dem Durchmesser der gewünschten Nabenbohrung des Rotors entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Strangpressen mit einem Vorkammerwerkzeug ein Vollprofilstrang erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Strangpressen ein Profilstrang mit einem Querschnitt erzeugt wird, dessen Außenumfangslinie kreisförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Strangpressen ein Profilstrang mit mehreren Nuten erzeugt wird, wobei sich jede Nut ausgehend von der Außenumfangslinie nach innen erstreckt und zwar entlang eines Abschnitts einer Sekante des kreisförmigen Außenumfangs ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Strangpressen ein Profilstrang mit 5 Nuten erzeugt wird, wobei jede Nut zwei parallel ausgerichtete Nutflächen besitzt, die von der Außenumfangslinie bis zu einem Nutgrund verlaufen und dieser Nutgrund breiter ist als der Abstand der Nutflächen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zerteilen des Profilstrangs jeweils Profilstücke einer vorgewählten Länge vom Profilstrang abgetrennt werden, wobei diese vorgewählte Länge entweder der Dicke eines zu erzielenden Rotors oder einer für die weitere Bearbeitung gut händelbaren Länge entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitung der Profilstücke in einem Drehautomaten erfolgt, wobei vorzugsweise mehrere Profilstücke gleichzeitig bearbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei Temperaturen von 460 bis 540 °C über einen Zeitraum von 0,5 bis 10 Stunden erfolgt.
Rotor für ein Flügelrad eines Verdichters aus einem warmfesten und verschleißfesten übereutektischen Aluminium-Silizium-Material, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Gefüge des Rotors gleichmäßig verteilte feine Silizium-Primärteilchen aufweist und eine gute Duktilität besitzt, nämlich eine Dehnung A5 größer 2%.
Rotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor eine axial verlaufende Nabenbohrung und mehrere Nuten jeweils zur formschlüssigen Aufnahme eines Flügels besitzt und sich die Nuten ausgehend von der Außenumfangslinie nach innen erstrecken, vorzugsweise entlang eines Abschnitts einer Sekante des kreisförmigen Außenumfangs ausgerichtet sind.