AT394466B - Verwendung eines durch bor bzw. lithium desoxidierten sauerstofffreien kupfers fuer hohlprofile - Google Patents

Description

AT 394 466 B

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines durch Bor bzw. Lithium desoxidierten sauerstofffireien Kupfers für Hohlprofile.

Die Forderung nach immer größeren Leistungen pro Volumeneinheit bei elektrischen Maschinen, Induktionsöfen, Magnetspulen und ähnlichen Anlagen macht die Verwendung besonderer Werkstoffe und Konstruktionen fast aller Bauteile, insbesondere aber der stromführenden Leiterelemente notwendig. Durch die hohe Strombelastung der Leiter treten Erwärmungen in einer solchen Größenordnung auf, die eine verstäikte Kühlung notwendig machen, um die Verluste zu reduzieren, die thermischen Ungleichheiten kleinzuhalten und die sich oft sehr unangenehm auswirkenden Längenänderungen in beherrschbare Grenzen zu bringen. Von einer gewissen Leistungsdichte an genügt die indirekte Kühlung solcher Leiterelemente nicht mehr. Aus diesen Gründen ist man zur direkten Kühlung der Kupferleiter übergegangen, d. h. zur Leiterinnenkühlung. Zu diesem zweck wurden Hohlprofile entwickelt. An diese Hohlprofile werden eine Reihe von Anforderungen gestellt Zunächst müssen die Hohlprofile absolut dicht sein, da sie üblicherweise mit Wasserstoffgas oder einem flüssigen Medium, z. B. Wasser, gekühlt werden. Weiterhin wird eine hohe mechanische Festigkeit gefordert, die verhindert, daß sich das Hohlprofil unter Einwirkung von großen Zentrifugalkräften verformt. Eine hohe elektrische Leitfähigkeit soll eine übermäßige Erwärmung der Leiterprofile verhindern.

In "Prometall" 1962, Seiten 678 bis 683, sind derartige Hohlprofile beschrieben. Als vorteilhafteste Herstellungsart für solche Hohlprofile wird das Strangpressen über ein Brückenwerkzeug beschrieben. Das erwärmte Kupfer wird um die Brücke herumgedrückt, die einen oder mehrere den oder die Hohlkanäle formende Dome bzw. Domansätze aufweist. Im Bereich der Matrize werden die beiden Metallströme wieder vereinigt und verschweißen dort unter starkem Druck. Nach dem Pressen werden die Hohlprofile in einem oder mehreren Zügen auf die gewünschte Endform gebracht, wobei zwischen den einzelnen Zügen gegebenenfalls blankgeglüht wird.

Als Werkstoff für solche Hohlleiter wird in dieser Entgegenhaltung Elektrolytkupfer, sauerstofffreies Kupfer oder aber auch eine Kupfer-Silber-Legierung vorgeschlagen. Das preislich günstigste Kupfer, das gleichzeitig auch die höchste Leitfähigkeit besitzt, ist das handelsübliche Elektrolytkupfer. Sein Gehalt an Sauerstoff befragt etwa 0,02 bis 0,04 %. Dieser hohe Sauerstoffgehalt kann zur gefürchteten Wasserstoffkrankheit führen, was insbesondere bei Schweiß- und Lötarbeiten zu beachten ist. Sauerstofffreies Kupfer, d. h. Kupfer mit keinem an Kupfer gebundenen Sauerstoff hat einen etwa 10 mal geringeren Sauerstoffgehalt, ist gegen Wasserstoffsprödigkeit unempfindlich, hat eine etwas höhere Erweichungstemperatur, aber im allgemeinen eine um etwa 1 % niedrigere Leitfähigkeit.

Aus der US-PS 2 183 592 sind Kupferlegierungen zu entnehmen, welche unter Verwendung von Bor desoxidiert wurden, wobei zusätzlich andere Desoxidationsmittel, wie beispielsweise Lithium, Verwendung finden können. Als Werkstoff soll ein derartig desoxidiertes Kupfer in der Folge in erster Linie zu Strängen gegossen werden, wobei Umformungsprozesse, wie beispielsweise ein Extrudieren von Profilen, gleichfalls in der US-PS 2 183 592 bereits erwähnt wurden. Dabei gilt jedoch, daß Umformungsprozesse noch nicht die besondere Eignung eines derartigen Werkstoffes für das Verpressen über ein Brückenwerkzeug nahelegen, da im Falle des Verpressens über ein Brückenweikzeug in der durch den Brückensteg verursachten Preßschweißnaht ohne weiteres Fehler auftreten könnten.

Sauerstofffreie desoxidierte Kupferqualitäten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sind in der DIN 1708 genormt Der Kupfergehalt beträgt mindestens 99,90 %, wobei das Desoxidationsmittel, üblicherweise ist dies Phosphor, in der Größenordnung von 0,003 % vorliegen soll. Bei der Verarbeitung dieser Kupfersorten mittels Brückenwerkzeugen kann es zur Ausbildung von Fehlem im Bereich der verschweißenden Materialströme kommen. Als Ursache für diese Fehler kommen in erster Linie Sauerstoffanreicherungen im Schweißnahtbereich in Frage, in denen sich bei Zwischenglühungen bzw. Endglühungen in wasserstoffhaltiger Atmosphäre ein wasserstoffkrankes Gefüge ausbildet, welches zur Rißbildung führen kann. Der Sauerstoff gelangt beispielsweise über die an der Blockoberfläche haftenden Oxide, die sich beim Erwärmen bzw. Zubringen des Blockes zur Presse insbesondere an der Stirnfläche gebildet haben, in die Schweißnaht

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff zu finden, der sich über ein Brückenwerkzeug zu einem Hohlprofil verpressen läßt, ohne daß es zu Fehlem in der durch den Brückensteg verursachten Preßschweißnaht kommt Der Werkstoff soll darüber hinaus eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 95 % IACS und Wasserstoffimmunität aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung eines durch Bor bzw. Lithium desoxidierten sauerstofffreien Kupfers, bei dem das Bor bzw. Lithium im fertigen Produkt in einer Menge von 0,01 bis 0,05 % Massenanteil, insbesondere 0,015 bis 0,025 % Massenanteil Bor, vorliegt und die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers im fertigen Hohlprofil mindestens 95 % IACS, vorzugsweise mehr als 100 % IACS, beträgt, als Werkstoff für über ein Brückenwerkzeug zu verprassende Hohlprofile, insbesondere innen gekühlte elektrische Leiter, gelöst. Neben den sich aus der Aufgabenstellung direkt ergebenden Vorteilen wurde beobachtet, daß ein bedeutend geringerer Zunderanfall auf der Oberfläche des gepreßten Profils vorhanden war. Darüber hinaus trat eine wesentlich geringere Oxidanreicherung auf dem Brücken werkzeug auf. Diese Oxidanreicherung wird mit als Ursache für fehlerhafte Schweißnähte angesehen, wenn diese Oxide beispielsweise von dem Brückenwerkzeug in die Schweißzone fließen. Um dies zu verhindern, mußte das Brückenwerkzeug häufiger ausgewechselt bzw. gereinigt werden, was durch die Verwendung des neuen Werkstoffes entfallen kann. Weiterhin zeichnet sich das ausgepreßte Profil durch eine wesentlich glattere Oberfläche aus. Auch wurde festgestellt, daß das Gefüge im Bereich der Schweißnaht -2-

AT 394 466 B feinkörniger ausfiel als bei den bisher verwendeten Werkstoffen. Vorzugsweise liegt das Bor im fertigen Produkt in einer Größenordnung von 0,015 bis 0,025 % vor, wobei sich die Erfindung bei innengekühlten Leitern bei hoher elektrischer Belastung einsetzen läßt

Die Herstellung einer Legierung kann derart erfolgen, daß man der Kupferschmelze das Desoxidationsmittel unmittelbar vor dem Gießen in Form einer das Desoxidationsmittel enthaltenden Vorlegierung vorzugsweise in der Gießrinne zugibt Da die genannten Desoxidationsmittel Bor und Lithium eine sehr hohe Sauerstoffaffinität aufweisen, sind sie imstande, beispielsweise andere Metalloxide zu reduzieren, z. B. in der feuerfesten Auskleidung enthaltene Metalloxide, wobei dann diese Metalle in die Schmelze eingehen und die Leitfähigkeit in unzulässiger Weise verringern können. So ist es beispielsweise möglich, daß das Bor oder Lithium Silizium oder auch Eisen aus den Stampfinassen der Tiegel reduziert Aus diesem Grunde soll die Berührungszeit der Schmelze bzw. des Desoxidationsmittels mit solchen Tiegelauskleidungen möglichst gering gehalten werden. Man kann deshalb die Vorlegierung in den Gießstrahl direkt eingeben. Als Desoxidationsmittel wird zweckmäßigerweise eine Kupfer-Bor-Legierung verwendet, bei der der Boranteil zwischen 1,5 und 5 % liegt. Der Boranteil ist so bemessen, daß einerseits keine großen Mengen an kalter Vorlegierung der Schmelze zugegeben werden müssen, andererseits die Vorlegierung bezüglich ihrer Dichte nicht wesentlich leichter ist als die Kupferschmelze, so daß sich eine innige Vermischung der beiden Komponenten ergibt.

Die Erfindung ist anhand der in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In der Fig. 1 ist eine Preßvorrichtung dargestellt, welche aus einem Blockaufnehmer bzw. Rezipienten (1) besteht, in den der Block (2) aus sauerstofffreiem Kupfer eingebracht wird. Mittels eines Preßstempels (3) wird der Block (2) gegen den Brückensteg (4) gedrückt und in zwei Teiiströme unterteilt. Der Brückensteg (4) weist beispielsweise zwei Domansätze (5) und (6) auf, welche die Kanäle (7) und (8) im fertigen Preßprofil (9) erzeugen. Die Kanäle (7) und (8) sind in der Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Die Außenabmessungen des fertigen Profils (9) werden durch die Matrize (10) bestimmt. Brückensteg (4) und Matrize (10) werden durch die Druckplatte (11) im Werkzeugträger abgestützt. Da für die Verschweißung der beiden Teilströme hohe Drücke erforderlich sind - diese Drücke werden durch die Formgebung der Brücke erzeugt - und der Block (2) etwa auf 900 °C erwärmt ist, müssen sowohl Brückensteg (4) als auch die Matrize (10) aus einem hochwarmfesten Werkstoff hergestellt sein.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein fertiges Profil (12), in dem zwei elliptische Kanäle (13) und (14) angeordnet sind. Gestrichelt dargestellt ist die Preßschweißnaht (15).

Bei einem Versuch wurden mehrere Versuchsblöcke in einer Stranggießanlage gegossen. Als Ausgangsmaterial wurden Kupferkathoden verwendet und mit einer Kupfer-Bor-Legierung mit 2 % Bor desoxidiert. Die Blöcke hatten einen Durchmesser von 180 mm und eine Länge von 300 bis 400 mm. Diese Blöcke wurden auf 900 °C erwärmt und in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 zu einem Hohlprofil verpreßL Leitfähigkeitsuntersuchungen an dem gepreßten Profil ergaben eine elektrische Leitfähigkeit von über 58 m/Qmm^. Der Restborgehalt betrug 0,02 %. Das auf diese Weise hergestellte Preßprofil wurde in mehreren Zügen auf das gewünschte Endmaß heruntergezogen, wobei zwischen den einzelnen Ziehvorgangen die Profile bei ca. 500 °C in leicht reduzierter Atmosphäre weichgeglüht wurden.

An den fertig gezogenen Profilen wurden folgende Prüfungen vollzogen: 1. Makroätzung, 2. Biegeprüfung im Anlieferzustand, 3. Biegeprüfung nach Wasserstoffglühung (850 °C /1/2 Stunde).

Bei der Makroätzung war die Lage der Schweißnaht in keinem Fall erkennbar. Weder die Biegeprüfung im Anlieferzustand noch die Biegeprüfung nach der Wasserstoffglühung führte zu einem Ausfall der Profile.

Die Erfindung läßt sich mit gleichem Vorteil anwenden für Profile, die generell aus Gründen der Querschnittsform nur über Brückenwerkzeuge gepreßt werden können, d. h. solche mit drei oder vier Bohrungen bzw. solche mit ungleicher Masseverteilung. -3-

Claims (1)

1. AT 394 466 B PATENTANSPRUCH Verwendung eines durch Bor bzw. Lithium desoxidierten sauerstofffreien Kupfers, bei dem das Bor bzw. Lithium im fertigen Produkt in einer Menge von 0,01 bis 0,05 % Massenanteil, insbesondere 0,015 bis 0,025 % Massenanteil Bor, vorliegt und die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers im fertigen Hohlprofil mindestens 95 % IACS, vorzugsweise mehr als 100 % IACS, beträgt, als Werkstoff für über ein Brücken Werkzeug zu verpressende Hohlprofile, insbesondere innen gekühlte elektrische Leiter. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -4-