DE10327082B4

DE10327082B4 - Rotationssymmetrischer Hohlkörper aus einer verformbaren dauermagnetischen Legierung sowie dessen Verwendung und Herstellverfahren

Info

Publication number: DE10327082B4
Application number: DE10327082A
Authority: DE
Inventors: Ottmar Roth; Hartwin Dr. Weber; Lutz Hinrich; Jens Diehl
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2023-06-14
Also published as: US7942981B2; DE10327082A1; US20050051239A1; JP2005045219A; FR2856190A1; US20080160335A1; FR2856190B1

Abstract

Nahtloser, spanlos umgeformter rotationssymmetrischer Hohlkörper aus einer verformbaren dauermagnetischen Legierung bestehend im Wesentlichen aus 5,0 bis 20,0 Gewichtsprozent Kobalt, 20,0 bis 35,0 Gewichtsprozent Chrom, Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingten und/oder zufälligen Verunreinigungen.

Description

Die Erfindung betrifft rotationssymmetrische Hohlkörper aus verformbaren dauermagnetischen Legierungen, insbesondere becherförmige Hohlkörper, die auch L-Ringe genannt werden, und ringförmige Hohlkörper, die auch I-Ringe genannt werden.

Es ist bisher bekannt, solche I-Ringe bzw. L-Ringe über Sinterverfahren herzustellen. Beispielsweise werden dazu Ringe aus Aluminium-Nickel-Kobalt-Legierungen, so genannte AlNiCo-Ringe über pulvermetallurgisches Sintern hergestellt. Ein solches Verfahren und solche Ringe sind beispielsweise aus der US 4, 818, 305 A bekannt. Die gesinterten Ringe weisen jedoch den großen Nachteil auf, dass sie zum einen sehr spröde sind, d. h. dazu neigen, im Einsatz zu zerbrechen. Die dafür geeigneten Grundmaterialien, insbesondere AlNiCo, weisen zum anderen nur suboptimale magnetische Eigenschaften auf, so dass keine Ringe hergestellt werden können, die sowohl hervorragende magnetische als auch hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen.

Des Weiteren ist es bekannt, I-Ringe herzustellen, bei denen zuerst ein Band zu einem I-Ring gebogen wird und an seinen Enden zusammengeschweißt wird. Dieser Fertigungsweg bereitet größere magnetische und mechanische Probleme. Im Bereich der Schweißnaht treten sowohl magnetische als auch mechanische Fehler auf. Insbesondere ist die Rundheit der hergestellten I-Ringe sehr schlecht. Die Fertigungstoleranzen sind für etliche Anwendungsgebiete zu hoch. Im Bereich der Schweißnaht müssen in der Regel umfangreiche Nachbesserungsarbeiten durchgeführt werden. I-Ringe, die nach diesem Herstellverfahren hergestellt worden sind, sind beispielsweise aus der DE 199 36 681 A1 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, nahtlose rotationssymmetrische Hohlkörper aus dauermagnetischen Legierungen, die sehr niedrige Fertigungstoleranzen bzgl. der Rundheit aufweisen, bereitanstellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen nahtlosen, spanlos umgeformten rotationssymmetrischen Hohlkörper aus einer verformbaren dauermagnetischen Legierung gelöst, die im Wesentlichen aus 5,0 bis 20,0 Gewichtsprozent Kobalt, 20,0 bis 35,0 Gewichtsprozent Chrom, Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingten und/oder zufälligen Verunreinigungen besteht.

Unter dem Begriff „besteht im Wesentlichen aus" wird hier und im Folgenden verstanden, dass die erfindungsgemäße Legierungsauswahl neben den angegebenen Hauptbestandteilen an Kobalt, Chrom und Eisen lediglich geringe Zusätze an weiteren Metallen, die zur Feineinstellung der mechanischen und magnetischen Eigenschaften dienen, aufweist.

Die Legierung kann demnach zusätzlich eines oder mehrere der Elemente Zr, Ti, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Mn, Si, Al, Ni, Sn, Cu, Zn, Ge, B sowie Seltene Erden in einem Gesamtanteil von weniger als 5 Gewichtsprozent der Legierung aufweisen.

Aus der Vielzahl der bekannten verformbaren dauermagnetischen Legierungen hat sich das oben aufgeführte Legierungssystem als für spanlose Umformungsverfahren geeignet erwiesen, welche prinzipell aus der DE 38 24 075 A1 bekannt sind. Das erfindungsgemäße Legierungssystem weist eine ausgesprochen hohe Duktilität auf und kann zu einem sehr feinkristallinen Gefüge gegossen und gewalzt werden. Das erfindungsgemäße Legierungssystem weist demnach eine Knetbarkeit auf, die für die spanlosen Umformungsverfahren geeignet ist.

Unter spanlosen Umformungsverfahren werden hier und im Folgenden u.a. das Axialgesenkwalzen, das Bohrungsdrücken, das Profilwalzen und insbesondere das Drückwalzen verstanden.

Unter Drückwalzen wird ein Verfahren zur spanlosen Formgebung rotationssymmetrischer Hohlkörper verstanden. Dabei wird eine Vorform zwischen Drückfutter und Reitstock fixiert und in Rotation versetzt. Die Vorform wird üblicherweise Ronde genannt. Ein besonderes Kennzeichen ist dabei, dass die Umformung partiell durch Druckspannung erfolgt, die durch radial geführte Drückwalzen ins Material eingebracht werden. Das Material fließt und nimmt in einem Walzenüberlauf die Kontur des innen liegenden Drückfutters an. Je nachdem, wie die Gestalt des Drückfutters ist, lassen sich dabei topfförmige Hohlkörper bzw. kegelförmige Hohlkörper herstellen.

Die Fertigungsgenauigkeit entspricht der einer spanenden Feinbearbeitung. Ein ununterbrochener Faserverlauf des Werkstoffs und die vom Umformungsgrad abhängige Steigerung der Festigkeit zeichnen sich für den Einsatz des Drückwalzens aus. Mit dem Drückwalzen können knetbare Legierungen verarbeitet werden. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, verschiedene rostfreie Stähle und insbesondere verschiedene Aluminiumlegierun gen mit Drückwalzen zu verarbeiten. Dabei lassen sich diese bis zu einer Zugfestigkeit von ca. 2.200 M/mm² umformen. Beim Drückwalzen unterscheidet man verschiedene Unterarten:
Beim Zylinder-Drückwalzen lassen sich Außenmantelformen herstellen, wie sie mit anderen Umformverfahren, z. B. Abstreckziehen und Tiefziehen, prinzipiell nicht zu erreichen sind. Drei Drückwalzen, jeweils um 120° versetzt, stehen dabei gleichzeitig im Eingriff.

Beim so genannten Gleichlauf-Drückwalzen sind die axiale Vorschubrichtung der Drückwalzen und die Fließrichtung des Materials gleich. Besonders vorteilhaft lassen sich kurze topfförmige Hohlkörper, so genannte L-Ringe, fertigen, die mit entsprechend ausgeführten Drückwalzen durch eine Kombination aus vorgeschaltetem Biegen und Zylinder-Drückwalzen in einem Überlauf geformt werden.

Beim Gegenlauf-Drückwalzen wird die Materialbewegung in die Richtung der axialen Vorschubbewegung der Drückwalzen durch einen Anschlag beschränkt, so dass das Material unter den Drückwalzen entgegen der Vorschubrichtung fließt. Hierdurch wird die Fertigung besonders langer, zylindrischer Hohlkörper möglich.

Beim Projizier-Drückwalzen wird eine ebene Ausgangsform mit einer Drückwalze auf den Neigungswinkel des Drückfutters projiziert. Während der Umformung wird das Material in der Formgebungszone axial verschoben. Der Durchmesser der Ausgangsform entspricht dann dem Durchmesser der Endform. Es können kegelige, konkave oder konvex gewölbte Hohlkörper hergestellt werden.

Im einfachsten Fall wird eine Ronde, die als Ausgangsform dient, auf einem kegeligen Drückfutter umgeformt. Die erzielbare Endwanddicke ist direkt vom Neigungswinkel der Werkstückkontur sowie von der Ausgangsblechdicke abhängig.

Für Hohlkörper, die eine besonders hohe Präzision erfordern, wird das Projizier-Drückwalzen mit zwei sich gegenüberliegenden Walzen durchgeführt.

Beim Drücken werden die Blechronden oder auch z. B. durch Tiefziehen vorgefertigte Vorformen zwischen Drückfutter und Andrückscheibe gespannt, dann über einem Reibschluss fixiert und vom Hauptantrieb in Rotation versetzt und zu rotationssymmetrischen Hohlkörpern schließlich umgeformt. Die Drückrolle greift örtlich am Werkstückumfang ein und formt die Ronde Stufe um Stufe um, bis das Werkstück am innen liegenden Drückfutter anliegt. Die Wandstärke bleibt bei dieser Umformung annähernd konstant.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen rotationssymmetrischen Hohlkörpers aus einer verformbaren dauermagnetischen Legierung wird zunächst eine Legierung erschmolzen und anschließend in eine Kokille abgegossen.

Das Erschmelzen der verformbaren dauermagnetischen Legierung, die aus 5,0 bis 20,0 Gewichtsprozent Kobalt, 20,0 bis 35,0 Gewichtsprozent Chrom sowie Rest Eisen besteht, erfolgt vorzugsweise unter einer Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum, um den Gehalt an Verunreinigungen möglichst gering zu halten. Ein geringer Verunreinigungsgehalt ist für die magnetischen Eigen- Ein geringer Verunreinigungsgehalt ist für die magnetischen Eigenschaften sehr wichtig, d.h. die erschmelzungsbedingten und/oder zufälligen Verunreinigungen an Metallen und an P, O, S, N, C sowie B sollten so gering wie möglich gehalten werden. Es sind jedoch auch pfannenmetallurgische Verfahren denkbar.

Der abgegossene Gussblock wird dann zu einer Dünnbramme und anschliessend zu einem Warmband mit einer Zwischendicke unter einem Warmverformungsgrad von mehr als 90% warmverformt. Das Warmverformen findet in der Regel bei Temperaturen oberhalb 1100°C statt. Es wird dabei darauf geachtet, dass ein feinkristallines Gefüge eingestellt wird, dessen mittlere Korngröße 300 μm nicht übersteigt. Des Weiteren ist bei diesem Warmverformungsschritt darauf zu achten, dass keine Anisotropie in das Warmband induziert wird (Walzanisotropie).

Anschließend wird das Warmband oberhalb einer Temperatur von 800°C zwischengeglüht und homogenisiert.

Das zwischengeglühte und homogenisierte Warmband wird anschließend zu einem Band unter einem Kaltverformungsgrad von weniger als 20% kaltverformt.

Aus dem so hergestellten Band werden nun Ronden gefertigt. Der Durchmesser der Ronden richtet sich dabei nach dem Durchmesser der später zu fertigenden L-Ringe bzw. I-Ringe.

Da die Oberflächenqualität der Ronden eine entscheidende Rolle beim nachfolgenden Drückwalzen spielt, werden die Ronden einer geeigneten Oberflächenbehandlung unterzogen.

Als Oberflächenbehandlung kommt dabei entweder ein Schleifprozess oder ein Drehprozess in Betracht. Des Weiteren sind auch chemische Verfahren wie Beizen oder Elektropolieren sowie Kugelstrahlen als geeignet anzusehen.

Gefordert werden bei diesen Verfahren die Erzielung von maximalen Rauhtiefen von weniger als 15 μm. Oberflächenfehler wie Einwalzungen, Überwalzungen und Risse sollen vermieden oder beseitigt werden. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die Kanten der Ronden bearbeitet werden müssen. Diese werden dabei beidseitig abgedreht, um mögliche Grate sowie Rissansätze zu beseitigen. Aus den Ronden werden wie oben beschrieben über Drückwalzen nun die erfindungsgemäßen nahtlosen rotationssymmetrischen Hohlkörper hergestellt. Typischerweise L-Ringe, von denen dann mehrere I-Ringe abgetrennt werden.

Den Abschluss des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens bildet eine magnetische Schlussglühung des Hohlkörpers. Hierbei werden die für die Anwendung erforderlichen magnetischen Werte eingestellt. Diese Schlussglühung findet typischerweise auf einem Glühkörper mit definierten Eigenschaften statt.

Die so hergestellten erfindungsgemäßen nahtlosen, rotationssymmetrischen Hohlkörper weisen Rundheitstoleranzen von weniger als 0,15 mm für einen Durchmesser von ca. 120 mm auf und sind somit deutlich besser als die nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellten Ringe.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Hohlkörper mit Wandstärken kleiner 3 mm und Durchmessern von weniger als 350 mm.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Vergleichsbeispielen und Ausführungsbeispielen sowie durch die Figuren eingehend beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine Massverkörperung mit einem I-Ring aus dem Stand der Technik und
2 eine Massverkörperung mit einem I-Ring nach der vorliegenden Erfindung.
Vergleichsbeispiel 1
Es wurden 10 I-Ringe mit einem Durchmesser von 110,7 mm sowie einer Wandstärke von 1,5 mm hergestellt, in dem ein Band aus einer Legierung aus 27,5 Gewichtsprozent Chrom, 10,5 Gewichtsprozent Kobalt sowie Rest Eisen zu einem Ring gebogen wurde und an den Enden am Stoß zusammengeschweißt wurden. Damit wurden nach einer Wärmebehandlung eine Remanenz von ca. 0,9 T sowie einer Koerzitivfeldstärke von ca. 290 A/cm erreicht. Die hergestellten I-Ringe wiesen dabei Toleranzen bzgl. der Rundheit von 0,33 bis 0,43 mm auf.
Vergleichsbeispiel 2
Es wurden 10 I-Ringe mit einem Durchmesser von 110,7 mm und einer Wandstärke von 1,5 mm aus einer Legierung aus 28,5 Gewichtsprozent Chrom, 12,0 Gewichtsprozent Kobalt, 1,0 Gewichtsprozent Molybdän, 0,2 Gewichtsprozent Titan sowie Rest Eisen hergestellt, indem ein Band aus dieser Legierung zu einem Ring gebogen wurde und die Enden am Stoß zusammengeschweißt wurden. Mit diesen Ringen wurden nach der Wärmebehandlung eine Remanenz von ca. 0,8 T sowie eine Koerzitivfeld stärke von ca. 410 A/cm erreicht. Die hergestellten I-Ringe wiesen dabei Toleranzen bzgl. der Rundheit von 0,33 bis 0,38 mm auf.
Erstes Ausführungsbeispiel:
Es wurden 13 I-Ringe mit einem Durchmesser von 113 mm und einer Wandstärke von 1,5 mm aus einer Legierung von 28,4 Gewichtsprozent Chrom, 12,0 Gewichtsprozent Kobalt, 1,0 Gewichtsprozent Molybdän, 0,2 Gewichtsprozent Titan sowie Rest Eisen hergestellt. Dabei wurden die Ringe über ein Drückwalzverfahren hergestellt, wie es oben beschrieben wurde. Nach erfolgter Wärmebehandlung wiesen die I-Ringe eine Remanenz von ca. 0,85 T sowie eine Koerzitivfeldstärke von ca. 370 A/cm auf. Die hergestellten I-Ringe wiesen dabei Toleranzen bzgl. der Rundheit von lediglich 0,03 bis 0,10 mm auf, was im Vergleich zu den obigen Vergleichsbeispielen drastisch viel weniger ist.
Zweites Ausführungsbeispiel:
Es wurden 56 I-Ringe mit einem Durchmesser von 127 mm und einer Wandstärke von 1,5 mm aus einer Legierung aus 28,7 Gewichtsprozent Chrom, 12,1 Gewichtsprozent Kobalt, 1,0 Gewichtsprozent Molybdän, 0,2 Gewichtsprozent Titan sowie Rest Eisen hergestellt.
Diese Ringe wurden über das oben beschriebene erfindungsgemäße Drückwalzverfahren hergestellt. Nach erfolgter Wärmebehandlung wiesen die I-Ringe eine Remanenz von ca. 0,85 T sowie eine Koerzitivfeldstärke von ca. 400 A/cm auf. Die Ringe wiesen Tole ranzen bzgl. der Rundheit von 0,05 bis 0,15 mm auf, was im Vergleich zu den Rundheiten aus den obigen Vergleichsbeispielen eine drastische Verringerung darstellt.
Die Hohlkörper, insbesondere I-Ringe, nach der vorliegenden Erfindung eignen sich hervorragend als Magnetringe für Hysteresekupplungen und Hysteresebremsen. Des Weiteren sind die erfindungsgemäßen I-Ringe und L-Ringe auch als Magnetringe für Maßverkörperungen in Positionsmesseinrichtungen geeignet. Maßverkörperungen für Positionsmesseinrichtungen und Positionsmesseinrichtungen an sich sind in der eingangs erwähnten DE 199 36 681 A1 eingehend beschrieben.
Die in der 1 gezeigte Maßverkörperung weist einen trommelförmigen Grundkörper 1 auf, auf dessen Außenumfang ein vorgefertigter I-Ring 4 aus einer verformbaren dauermagnetischen Legierung mit seinem inneren Oberflächenbereich durch Löten oder Kleben befestigt ist, in dem zwischen dem Grundkörper 1 und dem I-Ring 4 ein Klebstoff oder ein Lot 3 eingebracht ist, dass den I-Ring 4 mit dem Grundkörper 1 flächig verbindet. Der I-Ring 4 weist in seiner Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Magnetmuster 6 mit abschnittsweise unterschiedlichen Magnetisierungen auf einer der im verbundenen Oberflächenbereich gegenüberliegenden kreisrunden Umfangsfläche des I-Ringes auf.
Der dort gezeigte vorgefertigte I-Ring 4 wurde durch Biegen und anschließendes Zusammenschweißen eines bandförmigen Grundmaterials gebildet. Dies erforderte, dass am Außenumfang des Grundkörpers eine Rille 2 vorgesehen war, in der die Wulst 7 der Schweißverbindung 5 des I-Ringes 4 eingreifen konnte.
Nach der vorliegenden Erfindung entfällt nun die Wulst, da die vorliegenden I-Ringe nicht über eine Schweißverbindung zusammengesetzt werden. Aufgrund des erfindungsgemäßen spanlosen Umformungsverfahrens können nahtlose Ringe mit noch wesentlich besseren Rundheiten hergestellt werden, so dass die Maßverkörperung in Positionsmesseinrichtungen, wie sie in der DE 199 36 681 beschrieben werden, vereinfacht und sehr stark verbessert werden können. Durch das nun vorliegende Verfahren können die Ringe auf den Grundkörpern wesentlich einfacher angebracht werden, so dass keine Wulst mehr vorliegt, was man unmittelbar aus der Zusammenschau von 1 und 2 erkennen kann.

Claims

Nahtloser, spanlos umgeformter rotationssymmetrischer Hohlkörper aus einer verformbaren dauermagnetischen Legierung bestehend im Wesentlichen aus 5,0 bis 20,0 Gewichtsprozent Kobalt, 20,0 bis 35,0 Gewichtsprozent Chrom, Rest Eisen sowie erschmelzungsbedingten und/oder zufälligen Verunreinigungen.
Hohlkörper nach Anspruch 1, wobei die Legierung zusätzlich eines oder mehrere der Elemente Zr, Ti, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Mn, Si, Al, Ni, Sn, Cu, Zn, Ge, B sowie Seltene Erden in einem Gesamtanteil von weniger als 5 Gewichtsprozent der Legierung aufweisen kann.
Hohlkörper nach Anspruch 1 oder 2, welcher eine kegelförmige Gestalt aufweist.
Hohlkörper nach Anspruch 1 oder 2, welcher eine topfförmige Gestalt aufweist.
Hohlkörper nach Anspruch 1 oder 2, welcher eine ringförmige Gestalt aufweist.
Hohlkörper nach einem der Ansprüche 3 oder 4, welcher in Umfangsrichtung ein hintereinander angeordnetes Magnetmuster mit unterschiedlicher Magnetisierung aufweist.
Verwendung eines Hohlkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Hysteresekupplung.
Verwendung eines Hohlkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Hysteresebremse.
Verwendung eines Hohlkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Maßverkörperung.
Verwendung eines Hohlkörpers nach Anspruch 9 in einer Maßverkörperung für eine Positionsmesseinrichtung.
Verfahren zum Herstellen eines nahtlosen rotationssymmetrischen Hohlkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit folgenden Schritten: 1. Erschmelzen der Legierung und Gießen zu einem Gussblock; 2. Erstes Warmverformen des Gussblocks zu einer Dünnbramme; 3. Zweites Warmverformen der Dünnbramme zu einem Warmband mit einem feinkristallinen Gefüge, dessen mittlere Korngröße < 300 μm beträgt; 4. Zwischenglühen des Warmbandes oberhalb einer Temperatur von 800°C; 5. Kaltverformen des Warmbandes zu einem Band; 6. Fertigung einer Ronde aus dem Band; 7. Drückwalzen der Ronde zu einem Hohlkörper; 8. Magnetisches Schlussglühen des Hohlkörpers.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Warmverformen des Gussblocks zu einer Dünnbramme bei Temperaturen oberhalb 1100°C stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das zweite Warmverformen mit einem Warmverformungsgrad von mehr als 90% erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Kaltverformen der Dünnbramme zu einem Band bei einem Kaltverformungsgrad von weniger als 20% erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die aus dem Band gefertigten Ronden oberflächenbehandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Rauhtiefe der Ronden über die Oberflächenbehandlung auf weniger als 15 μm eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei die Oberflächenbehandlung der Ronden mechanisch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei die Oberflächenbehandlung der Ronden chemisch erfolgt.