DE19823728A1 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundkörpers und Verbundkörper - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundkörpers und Verbundkörper

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen, metallischen Verbundkörpers aus einem hohlen, metallischen Stützkörper und einer elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Innenschicht aus einem Nichteisen (NE)-Metall, mit den folgenden Merkmalen: DOLLAR A Die Innenfläche des Stützkörpers wird zumindest teilweise mit einer Diffusions-Sperrschicht versehen; auf der Diffusions-Sperrschicht wird die Innenschicht aus dem schmelzflüssigen NE-Metall erzeugt, die während ihrer Abkühlung und Erstarrung ungehindert schrumpfen kann; und die Innenschicht wird nach der Erstarrung durch eine plastische Verformung in engem Kontakt mit der Innenfläche des Stützkörpers gebracht. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen solchen Verbundkörper.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines rotations­ symmetrischen, metallischen Verbundkörpers aus einem hohlen metallischen Stützkörper und einer elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Innenschicht aus einem Nichteisen (NE)-Metall sowie einen solchen Verbundkörper.
Es gibt verschiedene Anwendungsfälle, bei denen ein hohler, metallischer Stützkörper mit einer elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Innenschicht aus einem Nichteisen (NE)-Metall versehen werden muß. Als ein Beispiel soll die Herstellung von Galetten genannt werden, wie sie in der Textilindustrie eingesetzt werden. Auf diesen speziellen Anwendungsfall wird im folgenden noch eingegangen werden. Andere Anwendungsfälle sind Außenläufer mit Innen- Käfigen für Elektromotoren. Hier ist eine Vielzahl von Stäben (Kurzschlußstäbe) in genau bearbeitete Nuten eingelegt und an beiden Enden elektrisch leitend mit je einem Ring verlötet. Diese Lötung muß sehr hochweitig sein und erfordert in der Regel ein teures Silberlot. Ein weiterer Kostenfaktor ist die genaue Bearbeitung der Nuten sowie das Einbringen der Stäbe in die Nuten.
Eine Galette oder ein Außenläufer besteht in der Regel aus einem Stützkörper aus Stahl, in dessen Innenfläche streifenförmige oder flächige Bereiche aus einem NE-Metall eingelassen werden müssen. Diese streifenförmigen Bereiche erstrecken sich entweder in Umfangsrichtung, in Achsrichtung oder in einem zwischen 0 und 90° liegenden Winkel zur Achsrichtung.
Bei den bisher üblichen Verfahren zur Herstellung einer solchen Galette oder eines Außenläufers werden in die Innenfläche des Stützkörpers Aussparungen eingefräst, die in Richtung der späteren streifenförmigen oder flächigen Bereiche verlaufen. In diese Aussparungen werden Stäbe aus dem NE-Metall eingelegt und dort befestigt, beispielsweise durch Löten, Schweißen, Einschmelzen oder ähnliches.
Der Nachteil dieses Verfahrens ist der relativ hohe Herstellungsaufwand in Verbindung mit der Tatsache, daß die Stäbe nicht so exakt angepaßt werden können, daß sich die erwünschte glatte und störungsfreie Innenschicht des Stützkörpers ergibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen, metallischen Verbundkörpers aus einem hohlen, metallischen Stützkörper und einer elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Innenschicht aus einem Nichteisen (NE)-Metall sowie einen solchen Stützkörper zu schaffen, bei denen die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten. Ins­ besondere sollen ein Verfahren und ein Verbundkörper vorgeschlagen werden, die sich verfahrenstechnisch vergleichsweise einfach herstellen lassen und zu Innenschichten mit glatter, störungsfreier Oberfläche führen.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für den Verbundkörper durch die Merkmale des Anspruchs 21 gelöst.
Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die jeweiligen Unteransprüche definiert.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß die elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Bereiche der Innenschicht aus dem NE-Metall nicht gemäß dem Stand der Technik durch ein Fügeverfahren, sondern durch ein Gießverfahren erzeugt werden. Dabei wird zunächst auf die Bereiche der Innenfläche des Stützkörpers, die mit der elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Innenschicht versehen werden sollen, eine Diffusions-Sperrschicht aufgebracht; anschließend wird in einem Gießverfahren das schmelzflüssige NE-Metall abgelagert, und zwar in der Regel auf der gesamten Innenfläche des hohlen Stützkörpers. Diese Schicht aus dem schmelzflüssigen NE-Metall kann während ihrer Abkühlung und Erstarrung ungehindert schrumpfen. Durch die Schrumpfung entstehen zwischen der eingegossenen Schicht und dem Stützkörper Zwischenräume. Da ein Anlegieren durch die Diffusionssperrschicht verhindert wird, erfolgt die Schrumpfung rißfrei. Um diese Zwischenräume zu schließen, wird die aufgebrachte Innenschicht aus dem NE-Metall nach der Erstarrung durch eine plastische Verformung in engen Kontakt mit der Innenfläche des Stützkörpers gebracht.
Durch gezielte Führung dieses Verfahrens können auch gewünschte Muster der Innenschicht erzeugt werden, beispielsweise die erwähnten streifenförmigen Bereiche durch Füllen von streifenförmigen Aussparungen in Verbindung mit einer anschließenden, geschlossenen Ringfläche aus dem NE-Metall, die die streifenförmigen Bereiche aus NE-Metall miteinander verbindet.
Für den Einsatz bei Galetten und Außenläufern hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, Stützkörper aus Stahl zu verwenden, die einstückig oder aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt sind. Das Zusammensetzen aus mehreren Einzelteilen ermöglicht eine Art modulare Bauweise, wodurch die Form des Stützkörpers unterschiedlichen Anforderungen angepaßt werden kann.
Als NE-Metall kommen Aluminium und insbesondere Kupfer oder Legierungen von Aluminium oder Kupfer in Fragen, insbesondere auch in Bezug auf die Herstellung von Galetten und Außenläufern.
Die Diffusions-Sperrschicht sollte nicht blätternd, fest haftend und nicht- reduzierbar sein, damit sich eine feste Verbindung mit der Innenfläche des Stützkörpers ergibt und das aggressive schmelzflüssige NE-Metall die Diffusions- Sperrschicht nicht zerstören kann.
Nach einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform wird die Diffusions-Sper­ rschicht durch eine Oxidschicht auf der Innenfläche des Stützkörpers gebildet, die durch Erwärmung des Stützkörpers erzeugt wird. Das Oxid des Materials des Stützkörpers, beispielsweise Eisenoxid bei einem Stützkörper aus Stahl, dient also als Diffusions-Sperrschicht, so daß kein zusätzliches Material erforderlich ist.
Als Alternative hierzu ist es jedoch auch möglich, die Diffusions-Sperrschicht durch ein Fremdmaterial zu bilden, wie es im Anspruch 8 angegeben wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die schmelzflüssige Schicht aus dem NE-Metall durch Ausschleudern auf die Innenfläche des Stützkörpers aufgebracht. Dadurch ergibt sich eine sehr gleichmäßige Verteilung der Innenschicht über die gesamte innere Oberfläche des Stützkörpers.
Das Ausschleudern des schmelzflüssigen NE-Metalls erfordert eine Drehung des Stützkörpers, die auch zu einer Zwangskühlung des ausgegossenem Stützkörpers und damit des schmelzflüssigen NE-Materials genutzt werden kann, so daß die Abkühlung und Erstarrung der Innenschicht beschleunigt werden.
Zweckmäßigerweise enthält das schmelzflüssige NE-Metall Desoxidationsmittel, die eine Hautbildung verhindern und die Diffusions-Sperrschicht nicht angreifen. Zweckmäßige Desoxidationsmittel sind in den Ansprüchen 14 und 15 angegeben.
Gute Ergebnisse werden erhalten, wenn das schmelzflüssige NE-Metall unter Berücksichtigung der Strömungsgleichung nach Anspruch 10 und unter Verwendung des Volumenstroms nach Anspruch 11 zugeführt wird.
Während in vielen Fällen die ausgeschleuderte NE-Metallschicht bereits die erforderliche Soll-Dicke hat, kann nach einer ebenfalls möglichen Alternative die Innenschicht aus dem NE-Metall mit Übermaterial aufgebracht werden. Das aufgebrachte Übermaterial wird nach dem Erstarren des NE-Materials entfernt, insbesondere durch Ausdrehen.
Entweder durch Entfernen des Übermaterials oder durch eine Verfahrens­ führung, die den angestrebten Sollwert liefert, kann eine Schichtdicke der Innenschicht von etwa 2 bis 25 mm, insbesondere von etwa 3 bis 20 mm, erreicht werden, wie sie für viele Anwendungsfälle sinnvoll ist.
Die plastische Verformung der Innenschicht aus dem NE-Metall kann durch einen mechanischen Expander, oder eine Stauchpresse, oder nach einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Walze erfolgen, die auf einer gleichmäßigen Bahn über die Innenschicht bewegt wird, die die gesamte Fläche der Innenschicht überstreicht.
Durch die plastische Verformung liegt die Innenschicht aus dem NE-Material an der Innenfläche des hohlzylindrischen Stützkörpers an, so daß ein elektrisch und thermisch leitfähiger Verbund zwischen der Anlagefläche des Stützkörpers und der Innenschicht, insbesondere in den gefüllten Aussparungen, entsteht.
Zweckmäßigerweise füllt die Innenschicht aus dem NE-Material die Aussparun­ gen bis zur Innenfläche des hohlzylindrischen Stützkörpers aus, so daß sich eine glatte, zylindrische Innenfläche des Stützkörpers ergibt, wie sie gerade für den Einsatz bei Galetten oder Außenläufern wichtig ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines hohlen Stützkörpers aus Stahl, wie er für die Herstellung einer Galette verwendet werden kann,
Fig. 2 in etwa der gleichen Ansicht wie Fig. 1 einen fertigen Verbundkör­ per, bei dem die Aussparungen des Stützkörpers mit NE-Metall gefüllt und auf die Innenfläche des Stützkörpers ausgedreht sind,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer gefüllten Aussparung des Verbund­ körpers.
Ein in Fig. 1 dargestellter, allgemein durch das Bezugszeichen 12 gekenn­ zeichneter, hohler, also rohrförmiger Stützkörper 12 aus Stahl weist an seiner Innenfläche 13 Aussparungen 14 auf. In Fig. 1 sind drei mögliche Ausgestaltun­ gen dieser Aussparungen 14 dargestellt, nämlich in Umfangsrichtung des Stützkörpers 12 verlaufende, umlaufende Aussparungen 14a, in axialer Richtung des Stützkörpers verlaufende Aussparungen 14c und unter einem Winkel zur axialen Richtung, also schräg verlaufender Aussparungen 14b. Die Aussparungen 14b und 14c erstrecken sich nur über einen Teil der Innenfläche des Stützkörpers 12, so daß ein ringförmiger, aussparungsfreier Bereich entsteht.
Zwischen den Aussparungen 14 verbleiben Bereiche der Innenfläche 13, die eine Zylinderfläche bilden und da zurückgesetzt, flächig mit dem NE-Metall belegt werden kann.
Dieser Stützkörper 12 wird auf eine so hohe Temperatur über einen so langen Zeitraum erwärmt, daß an seiner Innenfläche 13 und insbesondere in den Aussparungen 14 eine Oxidschicht aus dem Metall des Stützkörpers 12, also bei Verwendung eines Stützkörpers 12 aus Stahl aus Eisenoxid, entsteht. Diese Oxidschicht dient als Diffusions-Sperrschicht für das anschließende Gieß­ verfahren, mit dem die Aussparungen 14 mit einem NE-Metall, nämlich Aluminium, Kupfer oder Legierungen dieser beiden Metalle, ausgefüllt und gegebenenfalls auch die weiteren Bereiche der Innenfläche 13 mit einer Schicht aus NE-Metall versehen werden.
Zu diesem Zweck wird der Stützkörper 12 um seine Längsachse gedreht und das schmelzflüssige NE-Metall eingefüllt, so daß durch Ausschleudern des NE-Metalls die Innenfläche 13 gleichmäßig mit dem NE-Metall bedeckt wird.
Dabei liegt der Volumenstrom Q des zugeführten NE-Metalls bei etwa 1,4 × 10-3 m3/s, wobei die Berechnung des Volumenstroms durch die folgende Gleichung erfolgt
Q = l × d × π × s/10 Sekunden.
Dabei bedeuten:
Q = Volumenstrom in Kubikmeter pro Sekunde
π = Kreiszahl 3,1415 . . .
l = Länge des Stützkörpers in Meter
d = Durchmesser des Stützkörpers in Meter
s = Schichtdicke des Ausgusses in Meter, wobei innerhalb der Schichtdicke beliebige Konfigurationen des Stützkörpers liegen können.
Die Drehzahl n des Stützkörpers 12 während des Ausschleuderns entspricht etwa dem 6-fachen numerischen Wert des Volumenstroms Q.
Um zu verhindern, daß sich eine Haut bildet und/oder die Diffusions-Sperr­ schicht 18, also die Eisenoxidschicht, angegriffen wird, enthält das schmelzflüssige NE-Metall Desoxidationsmittel auf der Basis von Bor/Lithium.
Die Innenschicht 16 kann nun abkühlen und erstarren, wobei zweckmäßigerweise der Stützkörper 12 weitergedreht wird, da die dadurch entstehende Zwangs­ kühlung die Abkühlung und die Erstarrung der Innenschicht 16 beschleunigt.
Die Innenschicht 16 aus dem NE-Metall wird mit etwas Übermaterial aufge­ bracht, das durch Ausdrehen entfernt wird. Das verbleibende Material führt zu einer Dicke der Innenschicht 16 von etwa 3 bis 20 mm.
Nach der Erstarrung der Innenschicht 16 aus dem NE-Metall wird eine hier nicht dargestellte Walzenschicht in einer wendelförmigen Bewegung über die gesamte Innenfläche des Stützkörpers 12 und damit über die gesamte Innenschicht 16 geführt, die dadurch plastisch verformt wird, so daß über die gesamte Innen­ fläche 13 des Stützkörpers 12 die Innenschicht 16 an die Anlagefläche des Stützkörpers 12 gedrückt wird und dadurch ein enger elektrisch und thermisch leitfähiger Verbund entsteht.
Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den fertigen Verbundkörper 10 mit der ringförmigen Innenschicht 16 aus dem NE-Material an den beiden Enden sowie mit den streifenförmigen Bereichen 16a, 16b der Innenschicht 16, die über den ausgefüllten Aussparungen 14 entstehen. Es läßt sich erkennen, daß die Innenschicht 16 aus dem NE-Metall die Aussparungen 14 bis zur Innenfläche des hohlzylindrischen Stützkörpers 12 ausfüllt.
Gegebenenfalls kann die Innenschicht 16 nach der plastischen Verformung durch die Walze nochmals abgedreht werden, damit eine einwandfreie glatte Ober­ fläche entsteht.

Claims (22)

1. Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen, metallischen Verbundkörpers (10) aus einem hohlen, metallischen Stützkörper (12) und einer elektrisch und/oder thermisch leitfähigen Innenschicht (16) aus einem Nichteisen (NE)-Metall, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
  • a) die Innenfläche (13) des Stützkörpers (12) wird zumindest teilweise mit einer Diffusions-Sperrschicht (18) versehen;
  • b) auf der Diffusions-Sperrschicht (18) wird die Innenschicht (16) aus dem schmelzflüssigen NE-Metall erzeugt,
  • c) die während ihrer Abkühlung und Erstarrung ungehindert schrumpfen kann; und
  • d) die Innenschicht (16) wird nach der Erstarrung durch eine plastische Verformung in engen Kontakt mit der Innenfläche (13) des Stützkörpers (12) gebracht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Aussparungen (14) versehene Innenfläche (13) des Stützkörpers (12) mit einer Schicht (16) aus NE-Metall bedeckt wird, die die Aussparungen (14) ausfüllt und an zumindest einem Bereich der Innenfläche als geschlossene Ringfläche (16) ausgebildet ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Stahl bestehende Stützkörper (12) einstückig oder aus Einzelteilen bestehend, ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als NE-Metall Aluminium, Kupfer oder Legierungen von Aluminium oder Kupfer verwendet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht blätternde, fest haftende und nicht-reduzierbare Diffusions- Sperrschicht (18) aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Diffusions-Sperrschicht (18) dienende Oxidschicht auf der Innenfläche (13) des Stützkörpers (12) erzeugt wird, insbesondere als Oxid-Schicht (18) aus dem Material des Stützkörpers.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (18) durch Erwärmung des Stützkörpers (12) erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusions-Sperrschicht (18) durch Phosphatierung, Chromatierung, Borierung, Nitrierung, galvanische Beschichtung, physikalische oder chemische Ablagerung aus der Dampfphase (PVD, CVD) aufgebracht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht (16) aus dem NE-Metall durch Ausschleudern auf die Innenfläche des Stützkörpers (12) aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des NE-Metalls unter Berücksichtigung der folgenden Strömungsgleichung erfolgt:
Q = l × d × π × s/10 Sekunden
wobei bedeuten:
Q = Volumenstrom in Kubikmeter pro Sekunde
π = Kreiszahl 3,1415 . . .
l = Länge des Stützkörpers in Meter
d = Durchmesser des Stützkörpers in Meter
s = Schichtdicke des Ausgusses in Meter, wobei innerhalb der Schichtdicke beliebige Konfigurationen des Stützkörpers liegen können.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom Q im Bereich von 1,2 bis 1,6 × 10-3 m3/s, insbesondere bei etwa 1,4 × 10-3 m3/s liegt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl (n) des im Schleudergußverfahren auszugießenden Stützkörpers (12) sich aus dem nach Anspruch 10 oder 11 zu ermittelnden Volumenstrom (Q) empirisch und ohne Berücksichtigung der physikalischen Dimensionen wie folgt errechnet:
n beträgt 5-7 × Q, vorzugsweise etwa 6 Q
wobei bedeuten:
n = Drehzahl als Umdrehungen pro Sekunde
Q = Volumenstrom in Kubikmeter pro Sekunde.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das schmelzflüssige NE-Metall Desoxidationsmittel enthält, die eine Hautbildung verhindern und die Diffusions-Sperrschicht (18) nicht angreifen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Desoxida­ tionsmittel auf der Basis von Bor/Lithium verwendet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Desoxida­ tionsmittel auf der Basis von Phosphor verwendet werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht (16) aus dem NE-Metall mit Übermaterial aufgebracht wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abkühlung und Erstarrung der Innenschicht (16) aus dem NE-Metall der Stützkörper (12) gedreht wird, wodurch eine Zwangskühlung entsteht.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgebrachte Übermaterial des NE-Metalls entfernt, insbesondere ausgedreht wird, so daß eine Schichtdicke des verbleibenden Übermaterials von 2 bis 25 mm, insbesondere von etwa 3 bis 20 mm, entsteht.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die plastische Verformung der Innenschicht (16) aus dem NE-Metall durch eine Walze erfolgt, die auf einer gleichmäßigen, insbesondere wendelförmigen Bahn über die Schicht (16) bewegt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die plastische Verformung der Innenschicht (16) aus dem NE-Metall durch einen mechanischen Expander, insbesondere eine Stauchpresse, erfolgt.
21. Verbundkörper bestehend aus
  • a) einem hohlzylindrischen Stützkörper (12) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl,
  • b) Aussparungen (14) in der Innenfläche des Stutzkörpers (18),
  • c) Füllungen in den Aussparungen (14) aus einem leitfähigen NE-Metall, insbesondere Aluminium oder Kupfer,
    gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
  • d) auf der Innenfläche des hohlzylindrischen Stützkörpers (12) befindet sich zumindest teilweise, nämlich auf den Wänden der Aussparungen (14) sowie gegebenenfalls auf mindestens einem ringförmigen Endbereich (16) der Innenfläche, eine nicht blätternde, fest haftende und nicht- reduzierbare Diffusions-Sperrschicht (18);
  • e) auf der Diffusions-Sperrschicht (18) befindet sich eine Innenschicht (16) aus dem NE-Metall, die durch plastische Verformung an der Innenfläche des hohlzylindrischen Stützkörpers (12) anliegt, so daß diese Innenschicht (16) einen elektrisch und thermisch leitfähigen Verbund zwischen den mit NE-Metall gefüllten Aussparungen (14) und der Anlagefläche bildet.
22. Verbundkörper nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht (16) aus dem NE-Metall die Aussparungen (14) bis zur Innenfläche des hohlzylindrischen Stützkörpers (12) ausfüllt.
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