DE2824257C2 - Verfahren zum Herstellen eines hohlkörperartigen Bauteiles mit verbesserter thermischer Belastbarkeit in elektromagnetischen Maschinen - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines hohlkörperartigen Bauteiles mit verbesserter thermischer Belastbarkeit in elektromagnetischen Maschinen

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DE2824257C2
DE2824257C2 DE2824257A DE2824257A DE2824257C2 DE 2824257 C2 DE2824257 C2 DE 2824257C2 DE 2824257 A DE2824257 A DE 2824257A DE 2824257 A DE2824257 A DE 2824257A DE 2824257 C2 DE2824257 C2 DE 2824257C2
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Description

a) Eisen- und Kupferpulver werden zunächst schichtweise derart in eine Preßform gefüllt, daß die Schichten parallel zur Seitenwand der Preßform verlaufen;
b) sodann werden die eingefüllten Pulver derart gepreßt, gesintert, nachgepreßt und nachgesintert, daß ohne Auftreten einer flüssigen Phase bei den Sintervorgängen im Vakuum oder Schutzgas ein Rohling entsteht, der riß- und blasenfres ist sowie einen Raumerfüllungsgrad von mindestens 95% und maßgetreue Schichtung aufweist;
c) anschließend wird der Rohling zu dem Bauteil kaltfließgepreßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verfahrensschritt a) eine Bodenschicht aus Eisenpulver eingefüllt und eine dünne zylindrische Trennwand koaxial eingesetzt werden, der hierdurch entstehende !nnenraum ebenfalls mit Eisenpulver, der Zwischenraum zwischen Trennwand und Preßform dagegen "it Kupferpulver ausgefüllt werden und anschließend die Trennwand herausgezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verfahrensschriti b) mit Drücken zwischen 200 und 400 M N/m2 gepreßt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verfahrensschritt b) mit Drukken zwischen 600 und 800 M N/m2 nachgepreßt wird.
5. Verfahren nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß bei Verfahrensschritt b) während 0,i bis 2 h bei Temperaturen zwischen 1073 und 1323 K gesintert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Stunde bei 1273 K gesintert wird.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines hohlkörperartigen Bauteiles mit verbesserter thermischer Belastbarkeit in elektromagnetischen Maschinen, dessen Seitenwand mindestens 4mal so hoch wie dick ist und aus nebeneinanderliegenden Schichten konstanter Dicke aus Eisen und Kupfer besteht.
Insbesondere für Motorläufer und andere elektromagnetisch beanspruchte Bauteile mit komplizierteren ^Geometrien, wie allgemein hohlkörperartige oder spe-'ziell topfförmige Bauteile/werden Materialien benötigt, die gleichermaßen ferromagnetisch, elektrisch gut leitfähig und auch thermisch stark belastbar sind. Dadurch sollen die elektromagnetischen Verluste herabgesetzt und thermische Veränderungen der Bauteile vermieden werden. Da Weicheisen oder andere homogene Materialien diese Bedingungen nicht zufriedenstellend erfüllen, ist es notwendig. Bauteile zu schaffen, bei denen speziell die Seitenwände aus mehreren nebeneinander-Hegenden Werkstoff-Phasen bestehen. Dabei besteht die Schwierigkeit, bei der Herstellung solcher mehrschichtiger Bauteile die einzelnen Schichten so zu verbinden, daß auch bei thermischer Belastung aufgrund des unterschiedlichen Temperaturverhaltens der verschiedenen Werkstoffe keine Rißbildung an der Grenzschicht auftritt
Bisher wurden hohlkörperartige Bauteile für elektromagnetische Maschinen, beispielsweise Motorläufer, durch Vernieten eines Kupferrohres mit einem entsprechenden Eisenteil hergestellt Wenn ein solcher Läufer im kurzzeitigen Stoßbetrieb stark erwärmt wird, besteht die Gefahr, daß sich das Kupferrohr aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwirft, so daß bei hohen Drehzahlen des Motorläufers Unwuchtprobleme auftreten können. Die thermische Belastbarkeit der nach den bekannten Verfahren hergestellten Motorläufer ist also begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein neues Herstellungsverfahren für hohlkörperartige Bauteile der eingangs genannten Art mit verbesserter thermischer Belastbarkeit in elektromagnetischen Maschinen anzugeben.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gelöst:
a) Eisen- und Kupferpulver werden zunächst schichtweise derart in eine Preßform gefüllt, daß die Schichten parallel zur Seitenwand der Preßform verlaufen;
b) sodann werden die eingefüllten Pulver derart gepreßt, gesintert, nachgepreßt und nachgesintert, daß ohne Auftreten einer flüssigen Phase bei den Sintervorgängen im Vakuum oder Schutzgas ein Rohling entsteht, der riß- und blasenfrei ist sowie einen Raumerfüllungsgrad von mindestens 95% und maßgetreue Schichtung aufweist;
c) anschließend wird der Rohling zu dem Bauteil kaltfließgepreßt.
Es ist zwar aus der DE-OS 22 05 439 ein Verfahren zur Herstellung von zinkinnenplattierten Aluminium-Hohlkörpern bekannt, bei dem zunächst ein Vorrohling mit vorgegebener Mulde aus Aluminium als erstem Werkstoff hergestellt wird, in die anschließend Zink als zweites Material gefüllt wird. Die Grenzschicht zwisehen den beiden Materialien verläuft dabei aber vorwiegend senkrecht zur Preßrichtung. Anschließend wird nach gegebenenfalls vorherigem Sinterprozeß der Körper fließgepreßt, wodurch sich zwischen Aluminium und Zink eine Grenzschichtverbindung ergeben soll.
· Daneben wird in der Zeitschrift »Machinery« (26. 2. 1964), S. 463 bis 465, ein Verfahren für die Herstellung von Zündkerzen-Elektroden aus Nickel mit innenliegender Kupferseele beschrieben, für die einerseits eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit und andererseits eine gute Korrosionsbeständigkeit gefordert wird. Nach dem dort beschriebenen Verfahren ' werden zur Herstellung Ausgangspulver aus Nickel und "' Kupfer in einer Form übereinäridergeschichtet, gepreßt, gesintert und anschließend in einem Werkzeug fließge-
65,preßt. Bei diesem als Vollvorwärts-Fließpressen bezeichneten Verfahren entsteht ein massiver Vollkörper mit innenliegender Kupferseele und darumliegendcr Nickelschicht. Die Form der Kupferseele soll dabei spc-
ziell durch Veränderung des Grenzschichtenprofils zwischen den Ausgangspulvern veränderbar sein, wobei die Grenzlinie aber wiederum weitgehend senkrecht zur Preßrichtung verläuft
Schließlich ist aus der GB-PS 11 63 808 ein Verfahren zur Herstellung eines Preßlings aus Metallpulvern durch isostatisches Verpressen dieser Pulver bekannt, bei dem durch vorübergehendes Einbringen eines Rohres in die Preßform zwei unterschiedliche Pulver konzentrisch zueinander eingefüllt werden. Durch Einbringen eines Kernes lassen sich isostatisch auch napfartige Formteile pressen. Maßhaltigkeit und Oberflächengüte dieser Formteile sind aber wegen des Pressens in Gummiwerkzeugen nicht sehr genau. Zum Erzielen hoher Maßgenauigkeit müssen diese Teile nachbearbeitet werden.
Das Ergebnis in der Abfolge der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Herstellung nicht-flacher hohlkörperartiger Formteile mit dünnen, hohen Seitenwänden aus einem Verbundwerkstoff kann mit den pulvermetallurgischen Methoden nicht erreicht werden. Aus preßtechnischen Gründen konnten bisiier porenarme, maßgenaue Verbundwerkstoff-Teile nur mit ei' em begrenzten Verhältnis von Länge zu Dicke (d. h. Wandhöhe zu Wanddicke) erreicht werden. Außerdem zeigen die durch Pressen, Sintern und Kalibrieren hergestellten Sinter-Verbundwerkstoffe das für Sinterwerkstoffe typische spröde Verhalten. Erst durch Umformung mit ausgeprägtem Materialfluß läßt sich die für das Sprödbruchverhalten verantwortliche Porosität herabsetzen und man erhält verbesserte Werkstoffeigenschaften; übliche Umformungen dagegen z. B. Strangpressen oder Walzen, können zur Herstellung nicht-flacher hohlkörperartiger Formteile nicht herangezogen werden.
Zur angestrebten Verwendung als Bauteil in elektromagnetischen Maschinen darf das Wandmaterial nur eine vernachläßigbare Restporosität aufweisen, wobei insbesondere Restporositäten unter 1% erreicht werden sollen.
Im Rahmer der Erfindung kann vorteilhafterweise eine Bodenschicht aus Eisenpulver eingefüllt und eine dünne zylindrische Trennwand koaxial eingesetzt werden, der hierdurch entstehende Innenraum ebenfalls mit Eisenpulver, der Zwischenraum zwischen Trennwand und Preßform dagegen mit Kupferpulver ausgefüllt werden und anschließend die Trennwand herausgezogen werden. Es ergibt sich so ein Rohling, der im Gegensatz zum Stand der Technik des Fließpressens derartiger Verbundbauteile nicht etwa flach ist, sondern eine größere Höhe als Durchmefier aufweisen kann.
Für die Weiterverarbeitung eines solchen Rohlinges zu einem Hohlkörper durch Massivumformen ist es von Bedeutung, daß der Rohling einen Raumerfüllungsgrad von mindestens 95% aufweist. Hierzu werden die paral-IeI geschichteten Pulver mit Drucken zwischen 200 und 400 MN/m2 gepreßt, wobei vorzugsweise mit Drucken zwischen 600 und 800 MN/m2 nachgepreßt wird. Dabei wird üblicherweise während 0,5 bis 2 h bei Temperaturen zwischen 1073 und 1323 K, bei denen noch keine flüssige Phase der verwendeten Werkstoffe auftritt, gesintert.
Im Gegensatz zur Erfindung können mit den Fertigungsmethoden des Standes der Technik keine hohlkörperartigen Mehrschichtformteile speziell aus Eisen und Kupfer als Bauteil in elektromagnetischen Maschinen erzeugt werden, die thermisch stark belastbar sind und Materialschichten konstanter Dicke längs der Seitenwand aufweisen. Insbesondere bei dem Herstellungsverfahren gemäß der DE-OS 22 05 439 läßt sich im Gegensatz zu den leicht verformbaren Werkstoffen Aluminium und Zink für die schwerer verformbaren Werkstoffe Eisen und Kupfer oft nur eine mechanische Verklammerung der unterschiedlichen Werkstoff-Phasen erreichen, da die Werkstoffkombination Eisen und Kupfer nur wesentlich geringere Verformungen zuläßt, als die Kombination Aluminium und Zink. Im allgemeinen lassen sich damit weder die Forderungen einer gleichmäßigen dicken Grenzschicht noch einer hohen Grenzschichtfestigkeit und einer hinreichenden thermischen Belastbarkeit erfüllen.
Auch das Fertigungsverfahren nach »Machinery« führt sofern das dort angegebene Fließpreßverfahren zur Bildung von Hohlkörpern mit einem zentrischen Dorn ausgeführt würde, wegen der dort beschriebenen Schichtung senkrecht zur Preßrichtung nicht zu gleichmäßig dicken Schichten des Hohlkörpers. Beim kaltisostatischen Pressen gemäß der GB-PS 11 63 808 läßt sich dagegen eine Porosität von weniger a's 1% für Eisen nicht erreichen.
Der Erfindung lag die überraschende Ei Kenntnis zugrunde, daß es bei der Herstellung der Formkörper ganz wesentlich auf die Füllung der Preßform ankorpmt. Nur so kann im Ergebnis ein gleichmäßiger Schichtverlauf für die Seitenwandhöhe erreicht werden, der sich als Folge der konzentrischen, parallel zur Preßrichtung verlaufenden Schichtung des Sinterverbundrohlings ergibt, während die hohe GrenzschichtfeGtigkeit trotz der für eine Kaltverschweißung beider Werkstoffe zu geringen Querschnittsänderung beim Umformen durch die bereits beim Sintern durch Diffusionsvorgänge vor dem Fließpressen erfolgte Verbindung beider Materialien bedingt ist. Dabei ist es weiterhin wichtig, daß beim Pressen der Preßdruck so gewählt wird, daß keine Gaseinschlüsse auftreten, die beim Sintern zu Gefügestörungen und damit ebenfalls zu Rissen beim Fließpressen führen würden. Es wurde gefunden, daß ein ausreichendes Ergebnis dann erhalten wird, wenn die Bedingungen beim Pressen und Sintern so gewählt werden, daß die Poro£;tät des gesinterten Rohlings 5% nicht überschreitet. Um letzteres zu erreichen, muß ein Nachpressen (Kalibrieren) mit höheren Drucken und ein zweites Sintern erfolgen. Aufgrund der Verformung beim anschließenden Fließpressen wird die Restporosität der verwendeten Werkstoffe entscheidend herabgesetzt.
Anhand eines Ausführungsbeispiels und zweier Figuren wird das Wesen der Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt in Schnittdarstellung
F i g. 1 einen napfförmigen Rotor für einen im Vakuum betriebenen Motor läufer, und
Fig. 2 einen Sinterrohling zur Herstellung des Motorläufers nach Fig. 1.
Der Rotor einer elektromagnetischen Maschine muß thermisch stark belastbar sein. Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß der Läufer die Form eines Napfes mit einem dicken Boden 1 und seitlichen Wänden 2 hat. Es ist angedeutet, daß der Boden 1 und die Innenseite der Wand 2 aus Eisen (Fe). die Auße fläche der Wand aus Kupfer (Cu) bestehen, was mit den Bezugszeichen 3 und 4 verdeutlicht wird.
, DerartigeiLäufer wurden bisher durch i/fimieten.eines Kupferrohres mit einem entsprechenden Eisenteil hergestellt. Da der Läufer im kurzzeitigen Stoßbetrieb stark erwärmt wird, vorwirft sich das Kupferrohr aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so daß bei hohen Drehzahlen Unwuchtproble-
me auftreten können. Selbst wenn zur Herstellung eines derartigen Läufers auf ein entsprechend geformtes Eisenteil ein Kupferrohr aufgeschoben und die beiden Teile einem anschließenden Kaltmassivumformen unterzogen werden, entsteht nicht zwingend eine ausreichende Verbindung der beiden Materialien, da die Werkstoffkombination Eisen-Kupfer und die gewünschte Geometrie oft keine so weitgehende Umformung zulassen, daß die Oxidhäute an der Grenzschicht der Materialien zerstört und eine weitgehende Kaltverschweißung der beiden Metalle auftritt.
Gemäß dem neuen Verfahren kann ein Läufer mit den geforderten Eigenschaften jedoch dadurch hergestellt werden, indem zunächst ein Sinterrohling nach F i g. 2 erzeugt wird. Dies geschieht, indem in eine (nicht dargestellte) zylindrische Preßform eine Bodenschicht 10 aus Eisenpulver eingefüllt, eine dünne zylindrische Trennwand koaxial eingesetzt, das Innere der Trennwand ebenfalls mit Eisenpulver 11. der Zwischenraum zwischen Trennwand und Preßform mit Kupferpulver 12 ausgefüllt und anschließend die Trennwand herausgezogen wird. Sodann wird mit einem Preßdruck von 400 MN/m2 gepreßt und im Vakuum bei 1273 K, (1000°C) 1 h lang gesintert. Durch Kalibrieren bei einem Druck von 800 MN/m2 und anschließendem einstündigen Sintern bei 1273 K (1000° C) wird die Porosität des Rohlings auf unter 5% herabgesetzt, der Gasgehalt verringert und das Material weichgeglüht. Anschließend wird der gesinterte Rohling durch Rückwärts-Napffließpressen kalt umgeformt. Nach Abtrennen des oberen Napfrandes erhält man einen Läufer mit konzentrischer, bis in Bodennähe gleichmäßiger starker Cu-Schicht und guter Grenzschichtfestigkeit auch bei thermischer Belastung.
Zur Verbesserung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften kann der hergestellte Läufer nochmals weichgeglüht werden. Er läßt sich somit optimal als Bauteil in elektromagnetischen Maschinen verwenden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
45
50
55
60
65

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen eines hohlkörperartigen Bauteils mit verbesserter thermischer Belastbarkeit in elektromagnetischen Maschinen, dessen Seitenwand mindestens 4mal so hoch wie dick ist und aus nebeneinanderliegenden Schichten konstanter Dicke aus Eisen und Kupfer besteht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
DE2824257A 1978-06-02 1978-06-02 Verfahren zum Herstellen eines hohlkörperartigen Bauteiles mit verbesserter thermischer Belastbarkeit in elektromagnetischen Maschinen Expired DE2824257C2 (de)

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