DE102006031965A1 - Rotor for turbo molecular pump has rotor blades made from an aluminium alloy comprising aluminium, copper, manganese, magnesium cut and shaped by reforming - Google Patents

Abstract

The rotor has rotor blades made from a forgeable aluminium alloy comprising aluminium, copper, manganese and magnesium : Independent claim describes method for manufacturing rotors for a turbo molecular pump where the rotor blades are made from individual discs or solid bodies through a separating process such as cutting through laser or water jet or through stamping or metal cutting and then subsequent reforming to a desired blade angle.

Description

Gegenstand der Erfindung sind Rotoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus einer speziellen Aluminiumlegierung sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.object The invention relates to rotors of a turbomolecular pump with rotor blades made of a special aluminum alloy and a process for Production of the same.

Für den Bau von Rotoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln hat sich Aluminium als Konstruktionswerkstoff durchgesetzt, da sich hierdurch die Forderung nach möglichst geringem spezifischen Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit und guter Verarbeitbarkeit am besten vereinen lassen. So ist bereits M. Wutz et. al, Theorie und Praxis der Vakuumtechnik, zweite Aufl., 1982, Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden, Seite 207/208 bekannt, den Rotor aus speziell ausgesuchten Aluminiumlegierungen herzustellen.For the construction of rotors of a turbomolecular pump with rotor blades has become Aluminum enforced as a construction material, as a result the demand for as much as possible low specific weight with high strength at the same time and good processability. That's already M. Wutz et. al, theory and practice of vacuum technology, second edition, 1982, Friedr. Vieweg & Son, Braunschweig / Wiesbaden, page 207/208 known, the rotor of special to produce selected aluminum alloys.

Um leistungsfähige Pumpenrotoren bauen zu können, sind Aluminiumlegierungen mit hoher Warmfestigkeit überwiegend im Einsatz. Rotoren aus derartigen Werkstoffen werden üblicherweise mit Hilfe spanabhebender Verfahren gefertigt, wie sie beispielsweise in DE 10210404 A1 oder DE 29715035 U1 , auf die jeweils in vollem Umfang Bezug genommen wird, beschrieben sind. Insbesondere die Formgebung der Flügelkontur ist dabei zeit- und kostenintensiv.In order to build powerful pump rotors, aluminum alloys with high heat resistance are predominantly used. Rotors made of such materials are usually manufactured by means of machining processes, as for example in DE 10210404 A1 or DE 29715035 U1 , to which reference is made in their entirety, are described. In particular, the shape of the wing contour is time consuming and costly.

Bei der Verwendung hochfester Legierungen ist deren geringes Umformungsvermögen zu berücksichtigen. Dies führt dazu, dass die komplette Formgebung von Vollkörpern oder Scheiben mit Hilfe Span abhebender Verfahren erfolgen muss und kostengünstigere 061459de HPJ/ko 10.07.06 Formgebungsverfahren durch plastische Umformung wie Tordieren, Prägen oder Stanzprägen nicht zum Einsatz kommen können.at The use of high-strength alloys has to be considered for their low forming capacity. this leads to to that complete shaping of solid bodies or discs with the help Span-removing process must be done and cheaper 061459en HPJ / ko 10.07.06 Molding process by plastic deformation like twisting, embossing or stamping can not be used.

Konkret hat sich bei den mittelfesten Legierungen die Kombination aus Span abhebenden (Drehen, Fräsen) und thermischen Abtragsverfahren (Erodieren) mit Verfahren der plastischen Umformung (Tordieren) als wirtschaftlicheres Herstellverfahren für Rotoren bewährt.Concrete In the case of medium-strength alloys, the combination of Span lifting (turning, milling) and thermal erosion (EDM) with plastic methods Forming (twisting) as a more economical manufacturing process for rotors proven.

Dabei werden zunächst einzelne scheibenförmige Segmente Span abhebend in einen zylindrischen Vollkörper gearbeitet, die anschließend funkenerosiv axial geschlitzt werden. Auf diese Weise entstehen scheibenförmige Strukturen je Scheibensegment, die durch eine nachfolgende plastische Torsion um die Flügellängsachse einen definierten Anstellwinkel erhalten.there be first single disc-shaped Segments machined into a cylindrical solid body, the following spark erosion axially slotted. In this way arise discoid Structures per slice segment, followed by a subsequent plastic Twist around the wing longitudinal axis get a defined angle of attack.

Die DE 10053664 A1 beschreibt eine mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer Legierung bestehenden Rotor; zur Erhöhung der Warm- und Zeitstandsfestigkeit wird vorgeschlagen, dass der Rotorenwerkstoff eine pulvermetallurgisch hergestellte Leichtmetalllegierung ist, deren Hauptlegierungsbestandteil neben Aluminium Kupfer ist, die weiterhin Magnesium, Mangan, Zirkon und Silber sowie gegebenenfalls Titan enthält.The DE 10053664 A1 describes a mechanical kinetic vacuum pump with a rotor made of an alloy; to increase the hot and creep rupture strength, it is proposed that the rotor material is a light metal alloy produced by powder metallurgy, the main alloying constituent of which, in addition to aluminum, is copper, which furthermore contains magnesium, manganese, zirconium and silver and optionally titanium.

Durch Verwendung einer neuen hoch- und warmfesten Aluminiumlegierung, die im kalt ausgelagerten Zustand eine ungewöhnlich hohe Bruchdehnung aufweist, ist es nun möglich, die oben erwähnten kostengünstigeren Formgebungsverfahren zum Einsatz zu bringen, die bisher nur gering- bis mittelfesten Al-Legierungen vorbehalten waren.By Use of a new high and heat resistant aluminum alloy, the cold outsourced state has an unusually high elongation at break, is it possible now the ones mentioned above cheaper Use molding processes that have so far been were reserved to medium-strength Al alloys.

In WO 2004/003244 A1 wird eine Al-Cu-Mg-Mn-Legierung zur Herstellung von Halbzeugen mit hohen statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften beschrieben. Überraschenderweise konnte gefunden werden, dass die hier beschriebenen Legierungen einerseits besonders warmfest und andererseits im kaltausgelagerten Zustand eine so hohe Duktilität aufweisen, dass eine kostengünstige Rotorfertigung durch Span abhebende Verfahren und Umformen (beispielsweise Tordieren oder Biegen) möglich ist.In WO 2004/003244 A1 discloses an Al-Cu-Mg-Mn alloy for the production of semi-finished products with high static and dynamic strength properties described. Surprisingly could be found that the alloys described here on the one hand particularly heat-resistant and on the other hand in the cold-stored State such a high ductility have that cost-effective Rotor production by chip-removing process and forming (for example Twisting or bending) possible is.

Die Erfindung betrifft daher in einer ersten Ausführungsform Rotoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus einer Aluminiumlegierung, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Legierung eine Al-Cu-Mg-Mn-Knet-Legierung umfasst.The The invention therefore relates in a first embodiment rotors of a turbomolecular pump with rotor blades of an aluminum alloy, characterized are that the alloy comprises an Al-Cu-Mg-Mn-kneading alloy.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung sind somit mehrstufige, einteilige Rotoren ebenso erhältlich, wie Rotoren, die aus einzelnen Stufensegmenten zusammengesetzt sind. Die Rotoren weisen ein geringes spezifisches Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit und guter Verarbeitbarkeit auf.With Help of the present invention are thus multi-level, one-piece Rotors also available, like Rotors, which are composed of individual stages segments. The rotors have a low specific weight at the same time high strength and good processability.

Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung weist die eingesetzte Knet-Legierung die folgende Zusammensetzung auf:
0,3 bis 0,7 Gew.-% Silizium (Si),
bis zu 0,15 Gew.-% Eisen (Fe),
3,5 bis 4,5 Gew.-% Kupfer (Cu),
0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan (Mn),
0,3 bis 0,8 Gew.-% Magnesium,
0,05 bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti),
0,1 bis 0,25 Gew.-% Zirkon (Zr),
0,3 bis 0,7 Gew.-% Silber (Ag),
bis zu 0,05 Gew.-% andere, einzeln,
bis zu 0,15 Gew.-% andere, insgesamt und
Rest Gew.-% Aluminium (Al).Particularly preferred according to the present invention, the kneading alloy used has the following composition:
0.3 to 0.7% by weight of silicon (Si),
up to 0.15% by weight of iron (Fe),
3.5 to 4.5% by weight of copper (Cu),
0.1 to 0.5% by weight of manganese (Mn),
From 0.3 to 0.8% by weight of magnesium,
0.05 to 0.15% by weight of titanium (Ti),
0.1 to 0.25% by weight zirconium (Zr),
0.3 to 0.7% by weight of silver (Ag),
up to 0.05% by weight of others, individually,
up to 0.15% by weight of other, total and
Balance wt .-% aluminum (Al).

Die verwendeten Knet-Legierungen weisen gegenüber anderen vorbekannten Legierungen eine höhere statische und dynamische Warmfestigkeit und eine verbesserte Kriechbeständigkeit bei gleichzeitig sehr guten bruchmechanischen Eigenschaften auf und sind daher in besonderem Maße für die erfindungsgemäßen Rotoren von Turbomolekularpumpen geeignet. Insbesondere weist die erfindungsgemäß eingesetzte Knet-Legierung eine Bruchdehnung von mindestens 14%, insbesondere 17 bis 20% im kaltausgelagertem Zustand auf, bestimmt im Zugversuch nach DIN EN 10002.The used kneading alloys have over other prior art alloys a higher one static and dynamic heat resistance and improved creep resistance with at the same time very good fracture mechanical properties and are therefore of special importance for the rotors according to the invention suitable for turbomolecular pumps. In particular, the inventively used Kneading alloy has an elongation at break of at least 14%, in particular 17 to 20% in the cold discharged state, determined in the tensile test according to DIN EN 10002.

Der Begriff der Knetlegierung im Sinne der Erfindung umfasst eine spezielle Behandlung der erfindungsgemäß eingesetzten Legierung, bei der das Gussgefüge durch beispielsweise Strangpressen, Walzen oder Schmieden bei erhöhter Temperatur umgewandelt und "durchgeknetet" wird. Das Leichtmetall wird dadurch duktiler. Knetlegierungen erlauben deshalb auch weitere Kaltverformungen wie beispielsweise Walzen, Ziehen oder auch Schmieden (beispielsweise auch Kaltschmieden).Of the The term wrought alloy in the sense of the invention comprises a special one Treatment of the invention used Alloy, in which the cast structure converted by, for example, extrusion, rolling or forging at elevated temperature and "kneaded". The light metal becomes more ductile. Wrought alloys therefore also allow more Cold deformations such as rolling, drawing or forging (for example also cold forging).

Aus der WO 2004/003244 A1 ist an sich bekannt, dass diese Eigenschaften insbesondere bei einem Kupfer-Magnesium-Verhältnis zwischen 5 und 9,5 insbesondere bei einem Verhältnis zwischen 6,3 und 9,3 erreicht werden.Out WO 2004/003244 A1 is known per se that these properties especially at a copper-magnesium ratio between 5 and 9.5 in particular at a ratio between 6.3 and 9.3 can be achieved.

Der Kupfergehalt liegt bevorzugt im Bereich von 3,8 und 4,2 Gew.-% und der Magnesiumgehalt im Bereich von 0,45 und 0,6 Gew.-%. Der Kupfergehalt liegt deutlicht über der maximalen Löslichkeit für Kupfer in Gegenwart des beanspruchten Magnesiumgehaltes. Dies hat zur Folge, dass der Anteil an unlöslichen kupferhaltigen Phasen auch unter Berücksichtigung der übrigen Legierungs- und Begleitelemente sehr gering ist. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung hinsichtlich der dynamischen Eigenschaften und der Bruchzähigkeit der aus einer solchen Legierung hergestellten Rotoren.Of the Copper content is preferably in the range of 3.8 and 4.2 wt .-% and the magnesium content in the range of 0.45 and 0.6 wt .-%. The copper content is clearly over the maximum solubility for copper in the presence of the claimed magnesium content. As a consequence, that the proportion of insoluble copper-containing phases even taking into account the other alloying and accompanying elements is very low. This results in an improvement in terms of dynamic properties and fracture toughness the rotors made from such an alloy.

Im Gegensatz zu im Stand der Technik weiterhin bekannten Aluminiumlegierungen ist der Anteil der beanspruchten Knet-Legierung an Silber mit Gehalten zwischen 0,3 und 0,7 Gew.-%, bevorzugt 0,45 und 0,6 Gew.-%. Im Zusammenspiel mit Silizium (0,3 bis 0,7 Gew.-%, bevorzugt 0,4 bis 0,6 Gew.-%) erfolgt eine Aushärtung über die gleichen Mechanismen wie in silberfreien Al-Cu-Mg-Legierungen. Bei kleineren Siliziumgehalten ist jedoch durch die Silberzugabe der Ausscheidungsverlauf anders. Die aus einer solchen Legierung hergestellten Rotoren weisen zwar gute Warmfestigkeiten und Kriechbeständigkeiten bei kühleren Bedingungen auf; sie entsprechen jedoch nicht den gewünschten Anforderungen. Erst Siliziumgehalte ab 0,3 Gew.-% unterdrücken die ansonsten typische Änderung des Ausscheidungsverhaltens von Al-Cu-Mg-Ag-Legierungen, so dass höhere Festigkeitswerte ohne Einbuße der Warmbeständigkeiten und der Kriechbeständigkeiten bei den Cu- und Mg-Gehalten erzielbar sind.in the Contrary to known in the art further known aluminum alloys is the fraction of the claimed kneading alloy of silver with contents between 0.3 and 0.7% by weight, preferably 0.45 and 0.6% by weight. In interaction with silicon (0.3 to 0.7% by weight, preferably 0.4 to 0.6% by weight) Curing takes place via the Same mechanisms as in silver-free Al-Cu-Mg alloys. at smaller silicon contents, however, is due to the addition of silver Elimination process different. Those made of such an alloy Although rotors have good heat resistance and creep resistance cooler Conditions on; However, they do not match the desired Conditions. Only silicon contents from 0.3 wt .-% suppress the otherwise typical change the precipitation behavior of Al-Cu-Mg-Ag alloys, so that higher Strength values without loss the heat resistance and the creep resistance can be achieved at the Cu and Mg contents.

Der Mangangehalt der eingesetzten Legierung beträgt 0,1 bis 0,5 Gew.-% bevorzugt 0,2 bis 0,4 Gew.-%. Bei Legierungen mit höheren Mangangehalten wurden bei einer Langzeit-Hochtemperaturbeanspruchung unerwünschte Ausscheidungsvorgänge gefunden, die zu einer Verringerung der Festigkeit führten. Aus diesem Grund ist der Mangangehalt auf 0,5 Gew.-% begrenzt. Grundsätzlich ist Mangan jedoch ein für die Gefügekontrolle benötigter Legierungsbestandteil.Of the Manganese content of the alloy used is 0.1 to 0.5 wt .-%, preferably 0.2 to 0.4% by weight. For alloys with higher manganese contents were at a long-term high temperature stress undesirable Elimination processes found, which led to a reduction in strength. That's why the manganese content is limited to 0.5% by weight. In principle, however, manganese is one for the microstructure control needed Alloy component.

Zum Ausgleich der reduzierten Lücken des Mangans hinsichtlich der Gefügekontrolle enthält die Legierung Zirkon in einer Menge von 0,10 bis 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,14 bis 0,2 Gew.-%. Die sich ausscheidenden Zirkon-Aluminide sind in der Regel sogar feindisperser ausgebildet als Mangan-Aluminide. Überdies hat sich gezeigt, dass die Zirkon-Aluminide zur thermischen Stabilität der Legierung beitragen.To the Compensation of the reduced gaps of the manganese in terms of microstructure control contains the alloy zirconium in an amount of 0.10 to 0.25 wt .-%, in particular 0.14 to 0.2 wt .-%. The precipitating zirconium aluminides are usually even more finely dispersed than manganese aluminides. moreover It has been shown that the zirconium aluminides contribute to the thermal stability of the alloy contribute.

Zur Kornfeinung ist der Legierung 0,05 bis 0,15 Gew.-%, bevorzugt 0,10 bis 0,15 Gew.-% Titan zugefügt. Zweckmäßigerweise wird das Titan der Legierung in Form einer Al-5Ti-1B-Vorlegierung zugesetzt, wodurch die Legierung automatisch Bor enthält. Daraus bilden sich fein verteilte, nicht lösliche Titandiboride. Diese leisten einen Beitrag zur thermischen Stabilität der Legierung.to Grain refining of the alloy is 0.05 to 0.15% by weight, preferably 0.10 added to 0.15 wt .-% titanium. Conveniently, The titanium of the alloy is in the form of an Al-5Ti-1B master alloy added, whereby the alloy automatically contains boron. from that form finely divided, insoluble titanium diborides. These contribute to the thermal stability of the alloy.

Als unvermeidbare Verunreinigung kann die Legierung maximal 0,15% Eisen, bevorzugt 0,10% Eisen aufweisen.When unavoidable contamination, the alloy may contain a maximum of 0.15% iron, preferably 0.10% iron.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in dem Verfahren zur Herstellung von Rotoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus der oben definierten Aluminiumlegierung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man aus einzelnen Scheiben oder Vollkörpern die Rotorschaufeln durch radiales Trennen erzeugt, die anschließend durch Umformen (beispielsweise Tordieren, Biegen, Prägen, Schmieden usw.) auf einen gewünschten Anstellwinkel hergestellt werden. Alternativ können die Schritte des Trennens und des Umformens auch in einem Arbeitsgang, beispielsweise durch Stanzprägen durchgeführt werden.A another embodiment The present invention is the process of preparation of rotors of a turbomolecular pump with rotor blades of the above defined aluminum alloy, characterized is that you can use individual disks or solid bodies through the rotor blades generated radial separation, which then by forming (for example Twisting, bending, embossing, Forging, etc.) to a desired Anstellwinkel be prepared. Alternatively, the steps of disconnecting and the forming in one operation, for example by coining carried out become.

Die Arbeitsschritte dieses Verfahrens an sich sind bekannt, waren jedoch bisher auf gering- und mittelfeste Aluminiumlegierungen beschränkt, da nur diese das erforderliche Umformungsvermögen aufweisen. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ist dieses Verfahren jedoch auch auf die definierten hochfesten Aluminiumlegierungen anwendbar.The Steps of this method per se are known, but were previously limited to low and medium-strength aluminum alloys, since only these have the required formability. With the help of However, this method is also applicable to the present invention defined high-strength aluminum alloys applicable.

Üblicherweise geht man beim Umformen von scheibenförmigen Flügelstufen aus, die zuvor durch radiales Trennen einzelne Flügelsegmente erzeugt werden. Trenn-Verfahren im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen Schneidverfahren, wie Laser oder Wasserstrahl sowie Erodieren, Spanen, Stanzen oder Stanzprägen.Usually one proceeds with the forming of disc-shaped wing steps, which were previously characterized by radial Separate individual wing segments be generated. Separation method in the context of the present invention include cutting processes such as laser or water jet as well as eroding, Cutting, punching or stamping.

Durch die Kombination von Span abhebender Formgebung mit Verfahren der plastischen Umformung lassen sich die Herstellungskosten der Rotoren reduzieren.By the combination of chip removing molding with methods of plastic deformation can be the manufacturing cost of the rotors to reduce.

Claims (3)

Rotoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Al-Cu-Mg-Mn-Knet-Legierung umfasst.Rotors of a turbomolecular pump with rotor blades of an aluminum alloy, characterized in that the alloy comprises an Al-Cu-Mg-Mn-Knet alloy. Rotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Knet-Legierung folgende Zusammensetzung aufweist: 0,3 bis 0,7 Gew.-% Silizium (Si) bis zu 0,15 Gew.-% Eisen (Fe) 3,5 bis 4,5 Gew.-% Kupfer (Cu) 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan (Mn) 0,3 bis 0,8 Gew.-% Magnesium 0,05 bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti) 0,1 bis 0,25 Gew.-% Zirkon (Zr) 0,3 bis 0,7 Gew.-% Silber (Ag) bis zu 0,05 Gew.-% andere, einzeln bis zu 0,15 Gew.-% andere, insgesamt Rest Gew.-% Aluminium (Al).Rotors according to claim 1, characterized that the kneading alloy having the following composition: 0.3 to 0.7 wt .-% silicon (Si) up to 0.15% by weight of iron (Fe) 3.5 to 4.5% by weight Copper (Cu) 0.1 to 0.5% by weight of manganese (Mn) 0.3 to 0.8 Wt .-% magnesium 0.05 to 0.15% by weight of titanium (Ti) 0.1 to 0.25% by weight zirconium (Zr) 0.3 to 0.7% by weight of silver (Ag) to to 0.05% by weight of others, individually up to 0.15% by weight other, total rest Wt .-% aluminum (Al). Verfahren zur Herstellung von Rotoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus einer Aluminium-Knet-Legierung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man aus einzelnen Scheiben oder Vollkörpern die Rotorschaufeln durch Trenn-Verfahren und anschließendes Umformen auf einen gewünschten Anstellwinkel herstellt.Process for producing rotors of a turbomolecular pump with rotor blades of an aluminum-wrought alloy according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the individual discs or solid bodies Rotor blades by separation process and subsequent forming on a desired Anstellwinkel manufactures.