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ES2633289T3 - Procedimiento para la fabricación de productos que presentan cobre o aleaciones de cobre, para aplicaciones eléctricas, así como producto - Google Patents

Procedimiento para la fabricación de productos que presentan cobre o aleaciones de cobre, para aplicaciones eléctricas, así como producto Download PDF

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ES2633289T3
ES2633289T3 ES11006401.1T ES11006401T ES2633289T3 ES 2633289 T3 ES2633289 T3 ES 2633289T3 ES 11006401 T ES11006401 T ES 11006401T ES 2633289 T3 ES2633289 T3 ES 2633289T3
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András Bárdos
Steffen Bauer
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Kienle and Spiess GmbH
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Kienle and Spiess GmbH
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Abstract

Procedimiento para la fabricación de productos que presentan cobre o aleaciones de cobre, para aplicaciones eléctricas, en el que se funde el cobre o la aleación de cobre y se coloca en un molde de colada (7) en el producto de partida, usándose material de colada con un punto de fusión superior a 1035 °C, sobrecalentándose el material fundido como máximo de un 15 % a un 20 % de su punto de fusión y usándose para el material fundido un molde de colada (7) que se compone de un material que presenta una conductividad térmica promedio de más de 100 W/(m·K), caracterizado por que la velocidad de enfriamiento de la masa fundida es mayor o igual que 103 K/s.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para la fabricacion de productos que presentan cobre o aleaciones de cobre, para aplicaciones electricas, as^ como producto
La invencion se refiere a un procedimiento para la fabricacion de productos que presentan cobre o aleaciones de cobre, para aplicaciones electricas, segun el preambulo de la reivindicacion 1 asf como a un producto fabricado con un procedimiento de este tipo segun el preambulo de la reivindicacion 10.
Se conoce la utilizacion para aplicaciones electricas de productos que presentan piezas de cobre o aleaciones de cobre. Tales productos son, por ejemplo, conductores electricos, conmutadores de alta tension electricos o rotores y estatores en motores electricos.
Un procedimiento conocido (GB 1 594 926 A) para la fabricacion de tales productos para aplicaciones electricas es el procedimiento de colada, en el que el material de colada fundido se introduce en un molde de colada. El material de colada solidificado adopta la forma interna del molde de colada.
Para conseguir buenas propiedades electricas, las piezas coladas solo deben contener muy pocos poros. Por este motivo, en otros procedimientos conocidos se aumenta la temperatura muy por encima del punto de fusion del material de colada utilizado. Esto condiciona, sin embargo, costes energeticos considerables, lo que no solo encarece la fabricacion del producto, sino que tambien es desventajoso por lo que respecta al impacto medioambiental. Los poros repercuten desventajosamente ademas en las propiedades mecanicas.
Se conoce que el molde de colada utilizado en estos procedimientos solo tiene una vida util limitada como consecuencia de la sobreelevacion de temperatura, porque aparecen grietas en la superficie. El molde de colada debe enfriar el material fundido lo mas rapido posible y disipar el calor existente a traves del molde de colada. Por este motivo, el molde de colada se fabrica de un material termoconductor con propiedades mecanicas adecuadas. Para que la transferencia de calor deseada de la masa fundida metalica al molde se produzca de manera suficientemente rapida, la superficie interior del molde de colada que entra en contacto con la masa fundida debe estar muy limpia y ser qmmicamente inactiva con respecto al material fundido. La masa fundida debe entrar en contacto apropiadamente con la superficie del molde de colada. El grado de este contacto depende de las condiciones de humectacion entre el molde de colada y el material de colada asf como de la viscosidad. Estas son, a su vez, muy dependientes de la temperatura, siendo la viscosidad tanto mas baja, cuanto mayor es la temperatura. Con una temperatura de colada alta puede llenarse apropiadamente el molde, presentando el material de colada una alta calidad. No obstante, cuanto mayor sean las temperaturas, en mayor medida se cargara el molde de colada.
La invencion tiene como objetivo configurar el procedimiento generico y el producto generico de modo que, por un lado, el material colado solo presente una porosidad muy baja y, por otro lado, el molde de colada tenga una vida util larga.
Este objetivo se alcanza, en el caso del procedimiento generico, de acuerdo con la invencion con las caractensticas caracterizadoras de la reivindicacion 1 y, en el caso del producto generico, de acuerdo con la invencion con las caractensticas caracterizadoras de la reivindicacion 10.
En el caso del procedimiento de acuerdo con la invencion, la sobreelevacion de la temperatura de la masa fundida del material de colada se mantiene baja, de modo que solo se requiere poca energfa, para fundir el material de colada. Debido a la sobreelevacion de la temperatura de la masa fundida se consigue que la masa fundida, en cuanto llega al molde de colada, tenga todavfa tiempo suficiente para llenar por completo las cavidades en el molde de colada. La sobreelevacion de la temperatura del material de colada asciende a solo del 15 % al 20 %. Debido al grado de enfriamiento de no menos de 1o2 K/s, en asociacion con una sobreelevacion de la temperatura reducida se consigue que en el material de colada solidificado solo aparezca un numero muy bajo de poros. El molde de colada se compone de un material con una conductividad termica promedio de no menos de 100 W/(mK). El material del molde de colada puede tener incluso una conductividad termica mejor que la del propio material de colada. De este modo puede conseguirse un alto grado de enfriamiento, sin que se requieran medidas de enfriamiento adicionales. El material con buena conductividad termica del molde de colada garantiza que no aparezcan grietas por calor en el molde de colada incluso tras una vida util prolongada. El producto dotado del material de colada se caracteriza por propiedades mecanicas y electricas excepcionales. Dado que la sobreelevacion de la temperatura es baja, el molde de colada al que se recurre para la colada tiene una vida util muy larga. Debido al alto grado de enfriamiento, el riesgo de que el material de colada se oxide en el estado fundido es bajo. Por eso, la adicion de un agente de oxidacion no se requiere necesariamente. El alto grado de enfriamiento implica tambien menos poros y una estructura de grano fino.
En una forma de realizacion preferida es posible, evidentemente, anadir al material de colada al menos un agente desoxidante. Puede tratarse, por ejemplo, de boro, fosforo, metal alcalino o similares. La adicion de un agente desoxidante se recomienda cuando se utilizan grandes cantidades de masa fundida, que por consiguiente estan sujetas a condiciones de oxidacion durante mas tiempo.
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Ventajosamente, el procedimiento de acuerdo con la invencion se realiza de modo que la porosidad presenta una relacion de volumen maxima del 1,5 %, midiendose la relacion de volumen como Vporos/Vmaterial de colada.
Evidentemente, el molde de colada puede enfriarse adicionalmente, por ejemplo con medio refrigerante, que es conducido a traves de correspondientes perforaciones en el molde de colada.
Como material para el molde de colada puede utilizarse, por ejemplo, cobre o una aleacion de cobre, como por ejemplo CuNi2SiCr.
Ventajosamente, el material de colada se funde en una atmosfera de gas protector. Se evitan entonces de manera fiable oxidaciones no deseadas del material de colada fundido.
Es posible, evidentemente, fundir el material de colada tambien sin atmosfera de gas protector.
Resulta ventajoso que la cara interna del molde de colada que entra en contacto con el material de colada este dotada de un recubrimiento, que evita una reaccion metalurgica entre el material de colada y el material del molde de colada. El recubrimiento se compone de un material inactivo duro y muy adhesivo. Por ejemplo, puede utilizarse para el recubrimiento CrN o grafito.
El material de colada fundido puede introducirse de diversas maneras en el molde de colada. Asf, el material de colada fundido puede introducirse en el molde de colada mediante colada a presion. A este respecto, la alimentacion del material de colada fundido puede producirse horizontalmente o tambien verticalmente.
Tambien puede utilizarse el procedimiento de colada centnfuga.
Si van a utilizarse productos muy grandes, se recomienda entonces la colada en coquilla.
El material de colada puede fundirse de diferentes maneras, por ejemplo en un horno de induccion, en un horno de resistencia electrica o en un horno calentado por gas.
El producto de acuerdo con la reivindicacion 10 esta configurado de modo que la porosidad del material de colada solidificado asciende a un maximo de 1,5 Vporos/Vmaterial de colada en porcentaje.
Otras caractensticas de la invencion se desprenden de las demas reivindicaciones, de la descripcion y de los dibujos.
La invencion se explica mas en detalle mediante un ejemplo de realizacion representado en los dibujos. Muestran
la Figura 1 la Figura 2 la Figura 3 la Figura 4 la Figura 5
la Figura 6
una chapa de rotor con ranuras abiertas, una chapa de rotor con ranuras cerradas,
en vista lateral, un paquete de rotor compuesto por chapas de rotor, una vista en planta del paquete de rotor de acuerdo con la Figura 3,
en representacion esquematica y en seccion, un molde de colada para la realizacion del procedimiento de acuerdo con la invencion,
en un diagrama, la dependencia de la porosidad en el material de colada con respecto al grado de enfriamiento.
A continuacion se explica el procedimiento a modo de ejemplo en un paquete de rotor. Sin embargo, esto no ha de entenderse como limitacion a este caso de uso. El procedimiento puede utilizarse allf donde sea importante que el material de colada solo presente muy pocos poros.
En motores electricos se utilizan estatores y rotores, que presentan un paquete de chapas de estator y de rotor, respectivamente. Estos paquetes tienen hojas de chapa colocadas unas sobre otras. Mediante las Figuras 1 a 4 se describe a modo de ejemplo un paquete de chapas de rotor. Esta formado por chapas de rotor 1 (Fig. 1), que se troquelan en un procedimiento de troquelado a partir de una banda de metal (no representada). La chapa de rotor de acuerdo con la Figura 1 tiene ranuras 2 distribuidas uniformemente por su contorno, que estan abiertas radialmente hacia fuera. La chapa de rotor 1 esta dotada de una abertura 3 central.
La chapa de rotor 1 de acuerdo con la Figura 2 se diferencia del ejemplo de realizacion segun la Figura 1 unicamente en que las ranuras 2 en el lado del contorno estan cerradas radialmente hacia dentro y hacia fuera.
Las chapas de rotor 1 se ensamblan de manera conocida para dar lugar a un paquete de chapas 4 (Fig. 3). Las chapas 1 apoyadas unas sobre otras pueden unirse entre sf por arrastre de forma. Para ello, cada chapa esta dotada en su region anular entre las ranuras 2 y la abertura 3 central de elevaciones dispuestas distribuidas por el contorno, formadas mediante deformacion plastica, las cuales se enganchan en correspondientes depresiones de la chapa de rotor 1 respectivamente adyacente. Sin embargo, las chapas de rotor 1 situadas unas sobre otras tambien
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pueden adherirse entre st Las aberturas 3 de las chapas de rotor 1 forman una perforacion para vastago, en la que se introduce un arbol, sobre el que se asienta el paquete de rotor 4.
Las ranuras 2 en el contorno de las chapas de rotor forman ranuras que atraviesan la longitud axial del paquete de chapas 4, las cuales pueden discurrir con ejes paralelos, aunque tambien, como se muestra en la Figura 3, oblicuamente. Para este caso, las chapas de rotor 1 situadas unas sobre otras estan giradas respectivamente unas respecto a otras en una medida correspondiente.
En ambas caras frontales del paquete de rotor 4 se encuentran anillos de cortocircuito 5, 6. Se crean en un molde de colada, representado a modo de ejemplo en la Figura 5.
En este molde de colada se introduce por ejemplo cobre en las ranuras 2 del paquete de rotor 4. El molde de colada 7 esta configurado de modo que simultaneamente al llenado de las ranuras 2 se forman los anillos de cortocircuito 5, 6.
El molde de colada 7 tiene una cavidad 8, que recibe el paquete de chapas 4. A traves de una camara de llenado 9 se introduce en la cavidad 8, de manera conocida, con ayuda de un embolo de colada 10 el metal que va a colarse. La camara de llenado 9 esta unida a traves de al menos un canal 11 con la cavidad 8. El molde de colada 7 presenta dos espacios anulares 12, 13, que sirven para formar los anillos de cortocircuito 5, 6. El metal fluido penetra en las ranuras 2 del paquete de chapas 4 y las llena por completo.
Como material de colada se usan cobre o aleaciones de cobre, que presentan altas temperaturas de fusion por encima de unos 1035 °C. La velocidad de enfriamiento del material de colada se elige de modo que el material de colada no presente nada o solo una baja porosidad. La tasa de enfriamiento se ajusta de modo que no sea inferior a unos 103K/s. El material de colada no se sobrecalienta en este modo de proceder mas de aproximadamente un 15 % a aproximadamente un 20 % de su punto de fusion, con lo cual se evitan, en interaccion con el mencionado grado de enfriamiento, poros en el producto final.
En la Figura 6 se representa la dependencia de la porosidad que aparece en el producto final en funcion del grado de enfriamiento en el procedimiento descrito. Puede observarse que por encima de una tasa de enfriamiento de mas de unos 103K/s solo aparece una porosidad minima en el producto final, que es inferior a aproximadamente un 1 %. Mediante un modo de proceder de este tipo se garantiza que las propiedades mecanicas y/o electricas del producto final sean excelentes, ya que no estan presentes, o solo en una medida muy pequena, poros que influyen en estas propiedades.
Para alcanzar la alta velocidad de enfriamiento y garantizar adicionalmente una larga vida util del molde de colada 7, este se compone de un material termoconductor con propiedades mecanicas apropiadas. El molde de colada 7 se compone de un material que presenta una buena conductividad termica, o incluso mejor que la del propio material de colada. El material para el molde de colada 7 tiene una conductividad termica promedio que asciende a no menos de unos 100 W/(m K). Por ejemplo, para el molde de colada 7 puede utilizarse una aleacion de cobre, tal como CuNi2SiCr.
La cara interna que entra en contacto con el material de colada esta recubierta ventajosamente con un material que es qmmicamente inactivo con respecto al material de colada metalico. De este modo pueden mejorarse las condiciones de humectacion. Ademas, de este modo se evita una union metalurgica entre el molde de colada 7 y el material de colada metalico.
Como recubrimiento para la cara interna del molde de colada 7 se considera, por ejemplo, CrN o grafito, que evita de manera fiable una union metalurgica entre el material del molde de colada 7 y el material de colada. A este respecto, el grafito puede colocarse facilmente en el molde de colada 7.
Resulta ventajoso que como material de colada se utilice cobre puro o aleaciones de cobre, que tienen un alto punto de fusion de mas de unos 1035 °C y se emplean para aplicaciones electricas.
El material de colada se funde mediante induccion. Este proceso de fusion puede realizarse sin o bajo atmosfera de gas inerte. Sin embargo, tambien es posible fundir el material en un horno de resistencia electrica o en un horno calentado por gas.
Dado que el molde de colada 7 esta fabricado a partir de un material con buena conductividad termica buenas propiedades mecanicas, por ejemplo una aleacion de cobre, se evitan grietas por calor. El molde de colada 7 y el material de colada tienen aproximadamente la misma conductividad termica. Resulta ventajoso que el material del molde de colada 7 tenga incluso una conductividad termica superior que la del propio material de colada. Se ha demostrado que, entonces, el molde de colada 7 tiene una vida util larga y no aparecen grietas daninas.
Gracias a la configuracion descrita del molde de colada 7 y al modo de procedimiento se consigue que el producto final dotado del material de colada no presente nada o solo muy poca porosidad. A este respecto, el material de
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colada no tiene que calentarse fundamentalmente por encima del punto de fusion del material de colada. El sobrecalentamiento no asciende a mas de aproximadamente un 15 % a aproximadamente un 20 % del punto de fusion del respectivo material de colada. Debido a la conductividad termica descrita del molde de colada 7 se obtiene de la manera descrita una vida util larga del molde de colada, porque se evitan grietas. Ademas, el material de colada solidificado, gracias a la interaccion descrita de la tasa de enfriamiento alta y el sobrecalentamiento reducido del material de colada durante el proceso de colada, presenta solo una porosidad reducida. La alta tasa de enfriamiento conduce ademas a una estructura de grano muy fino en el material de colada, con lo cual se mejoran las propiedades mecanicas y se consigue una muy alta conductividad electrica.
A continuacion se describe el procedimiento, a modo de ejemplo, por medio de diversos ejemplos de realizacion.
En una primera forma de realizacion se fundieron 3 kg de cobre en un horno de induccion bajo atmosfera de gas protector. El gas protector evita una oxidacion del cobre. Como gas protector se consideran, a modo de ejemplo, argon o nitrogeno. El horno de induccion estaba conectado a una maquina de colada a presion convencional, en la que estaba instalado un molde de colada, que estaba compuesto de un material con buena conductividad termica. Este material tema una conductividad termica promedio que no se situaba por debajo de 100 W/(mK). Para los anillos de cortocircuito 5, 6 se previeron en el molde de colada 7 las cavidades 12, 13, que presentaban un diametro exterior de 103 mm, un diametro interior de 57 mm y una altura de 10 mm. En el paquete de chapas 4 estaban previstas 28 ranuras 2, destinadas a llenarse con el material de colada. La superficie total del material de colada que se encuentra en las ranuras 2 ascendio por tanto a 2853,6 mm2.
Tras la insercion del paquete de rotor 4 en el molde de colada 7 se introdujo el cobre fundido en las ranuras 2 asf como en las cavidades 12, 13. El cobre fundido se calento a no mas de aproximadamente un 15 % a un 20 % de su punto de fusion y se introdujo bajo presion en el molde de colada 7. El calor se disipo a traves del material del molde de colada 7.
El paquete de rotor 4 colado tema una porosidad promedio de menos de un 1 % en ambos anillos de cortocircuito 5, 6 asf como en el interior de las ranuras 2.
Tras mas de 100 tiradas no se constato en la cara superior del molde de colada 7 ninguna grieta, mientras que en moldes de colada convencionales de acero resistente a altas temperaturas eran visibles grietas tras 25 tiradas. Tras
50 tiradas, el molde de colada convencional ya no pudo seguir utilizandose.
La tasa de enfriamiento en este ejemplo de realizacion ascendio a 103K/s.
En un segundo ejemplo de realizacion se fundieron 10,1 kg de cobre en un horno de induccion sin atmosfera de gas protector. Por lo demas, se uso el mismo molde de colada y el mismo procedimiento que en el primer ejemplo de realizacion. El cobre fundido se sobrecalento solo aproximadamente un 15 % a aproximadamente un 20 % de su temperatura de fusion. El cobre fluido no se introdujo previamente en el molde de colada durante la primera fase de colada.
Tambien en este ejemplo de realizacion consiguio una porosidad muy baja en los anillos de cortocircuito 5, 6 asf como del cobre en las ranuras 2. La velocidad de enfriamiento ascendio igualmente a 103K/s.
En un tercer ejemplo de realizacion se fundieron 11 kg de cobre mediante induccion sin atmosfera de gas protector. En cuanto el cobre hubo alcanzado la temperatura de colada, se aleo con un agente desoxidante (2,5 g de Li). Como desoxidantes se consideran, por ejemplo, boro, fosforo o un metal alcalino. Mediante este agente desoxidante se evito una oxidacion adicional del cobre. Gracias a la adicion del agente desoxidante pudo mantenerse el cobre fundido a la temperatura de colada durante, por ejemplo, mas de 15 minutos, sin que se oxidara el cobre fundido. Este modo de proceder es apto para grandes cantidades de masa fundida, que pueden usarse durante mas tiempo, sin que exista el riesgo de oxidacion.
Por lo demas, el procedimiento se realizo conforme al primer ejemplo de realizacion.
En el procedimiento de colada a presion, el molde de colada puede estar dispuesto en vertical o en horizontal.
El material fundido tambien puede introducirse mediante colada centnfuga.
51 se trata de productos grandes, puede utilizarse entonces tambien el procedimiento de colada en coquilla.

Claims (10)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para la fabricacion de productos que presentan cobre o aleaciones de cobre, para aplicaciones electricas, en el que se funde el cobre o la aleacion de cobre y se coloca en un molde de colada (7) en el producto de partida, usandose material de colada con un punto de fusion superior a 1035 °C, sobrecalentandose el material fundido como maximo de un 15 % a un 20 % de su punto de fusion y usandose para el material fundido un molde de colada (7) que se compone de un material que presenta una conductividad termica promedio de mas de 100 W/(mK), caracterizado por que la velocidad de enfriamiento de la masa fundida es mayor o igual que 103 K/s.
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1,
    caracterizado por que la desoxidacion de la masa fundida se realiza con un agente desoxidante.
  3. 3. Procedimiento segun la reivindicacion 1 o 2,
    caracterizado por que el material de colada se funde bajo atmosfera de gas protector.
  4. 4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 3,
    caracterizado por que el material de colada fundido se introduce mediante un procedimiento de colada a presion.
  5. 5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 3,
    caracterizado por que el material de colada fundido se introduce mediante colada centnfuga.
  6. 6. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 3,
    caracterizado por que el material de colada fundido se introduce mediante colada en coquilla.
  7. 7. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 6,
    caracterizado por que el material de colada se funde en un horno de induccion.
  8. 8. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 6,
    caracterizado por que el material de colada se funde en un horno de resistencia electrica.
  9. 9. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 6,
    caracterizado por que el material de colada se funde en un horno calentado por gas.
  10. 10. Producto, fabricado mediante el procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 9, que presenta cobre o aleaciones de cobre fundidos, caracterizado por que la porosidad del material de colada solidificado asciende a un maximo de 1,5 Vporos/Vmaterial de coladaen porcentaje.
ES11006401.1T 2010-12-20 2011-08-04 Procedimiento para la fabricación de productos que presentan cobre o aleaciones de cobre, para aplicaciones eléctricas, así como producto Active ES2633289T3 (es)

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