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Die Erfindung betrifft einen Kupferwerkstoff für elektrisch leitende Verschleissteile, vorzugsweise für die Schweisstechnik, insbesondere für ein Kontakt- und/oder Führungsrohr für das Lichtbogenschweissen mit einem abschmelzenden Draht.
Zur Herstellung solcher Teile der Elektrodenschweisseinrichtungen, wie Kontakt- und Führungsrohre für das Lichtbogenschweissen mit einem abschmelzenden Draht werden, wie aus Le Bronze Industriel Deutschland. Firmenkatalog, Auflage 1991 in der elektrotechnischen Industrie traditionell Kupfer und deren Legie-' rungen auf seiner Basis verwendet. Der Hauptnachteil des Reinkupfers ist verhältnismässig niedrige Festigkeit, geringe Härte, geringe Schleifbeständigkeit und geringe Warmfestigkeit. Das Legieren des Kupfers mit solchen Elementen, wie Chrom, Zirkonium, Kadmium, Beryllium, Titan, trägt zur Erhöhung der Festigkeitseigenschaften bei einer wesentlichen Verminderung der elektrischen Leitfähigkeit bei. Die Warmfestigkeit und Schleifbeständigkeit wachsen dabei um ein geringes an, z.
B. die Erweichungstemperatur der Bronze CuCrZr mit dem Gehalt Cr > 0, 4 Gew.-% und Zr > 0, 03 Gew.-% beträgt 480. C. Die Kontakt- und Führungsrohre können im Betrieb bis zu Temperaturen von 500-800 C erwärmt werden. Die Lebensdauer dieser aus den traditionellen elektrotechnischen Bronzen hergestellten Teile ist deshalb in der Regel nicht hoch.
Weiters sollen derartige Verschleissteile eine grosse Härte aufweisen, da beim Durchgang des Schweissdrahtes durch die Bohrung ein grosser Verschleiss auftreten kann. Die Vickershärte dieser Werkstoffe beträgt nicht mehr als 1500 MPa und ist für diese Anwendung nicht hoch genug.
Aus Planseeberichte für Pulvermetallurgie, Nr. 4, Bd. 25,1977, S. 297-302 und der DE-OS 3 614 642 sind auch Werkstoffe auf der Kupferbasis für Kontakt- und Führungsrohre für das Lichtbogenschweissen mit einem abschmelzenden Draht bekannt, die aus den Mischungen der Pulverwerkstoffe hergestellt sind.
Dabei können als Zusatz verschiedene feindisperse schwerschmelzbare Teilchen wie Oxide, Karbide, Boride u. a. m. verwendet werden, die sich in der Kupferbase sogar bei der Temperatur ihres Schmelzpunktes nicht auflösen und zum Hindernis für die Versetzung und Kornvergrobung werden.
Sie erhöhen damit wesentlich (bis 500-550. C) die Erweichungstemperatur des Werkstoffes. Da die Grösse der in die Pulvermischung hinzugefügten schwer schmelzbaren Teilchen nicht geringer als 0, 2 um sein kann-bedingt durch die Technologie ihrer Herstellung-fehlt die Möglichkeit für die Verbesserung solcher Werkstoffe. Allgemein gilt je kleiner die Grösse der Teilchen ist, desto fester ist der Werkstoff. Die Vickershärte obiger Werkstoffe ist nicht grösser als 1600-1700 MPa.
Eine weitere technische Lösung ist der aus der Zeitschrift für Metallkunde, Heft 5,74, 1983, S. 319-322 entnehmbare Werkstoff auf Pulverkupferbasis, der als Zusatz Aluminium und Kupferoxid enthält. Dieser Werkstoff wird durch die Ausnutzung des Mahlens der Pulvermischung in den hochenergetischen Kugelmühlen, z. B. in Attritoren hergestellt. Dabei wird das Aluminium in der Kupfermatrize gleichmässig verteilt und teilweise oxydiert. Das nach dem Mahlen erhaltene Granulat wird einer Diffusionsglühung unterzogen, infolge dessen wird der metallische Aluminiumrest, reagierend mit dem Sauerstoff und reduzierend das Kupferoxid, ins Aluminiumoxid verwandelt. Ferner wird die Reduktionsglühung in dem H2/H20-Medium proportional 1/100 durchgeführt, wobei die Kupferoxidreste in das metallische Kupfer reduziert werden.
Das warmbehandelte Granulat wird mittels Kaltkompaktieren zu "Bolzen" verarbeitet, die später erwärmt und im warmen Zustand in eine Stange, ein Rohr oder Profil stranggepresst werden.
Der obenbeschriebene Werkstoff enhält Aluminiumoxidteilchen mit der Grösse von 0, 02-0, 03 um und hat ein feinkörniges Gefüge, das eine hohe Warmfestigkeit gewährleistet, wobei die Erweichungstemperatur 650-700 C beträgt. Eine höhere Erweichungstemperatur kann man nicht erreichen, da die Aluminiumoxidteilchen bei einer hohen Temperatur zu koagulieren beginnen und infolge dessen grober werden. Ausserdem hat dieser Werkstoff bei einer ziemlich guten Warmfestigkeit und elektrischen Leitfähigkeit eine verhältnismässig niedrige Härte (die Vickershärte beträgt nicht mehr als 1600-1700 MPa). Weiters. weist dieser Werkstoff eine nicht sehr hohe Schleifbeständigkeit auf.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die verschiedenen Problempunkte beim konventionellen Werkstoff, wie oben beschrieben, zu vermeiden, und einen verbesserten Werkstoff für die Schweisstechnik zu schaffen, der einerseits die erforderlichen Eigenschaften als elektrischer Leiter aufweist und andererseits eine grosse Härte und erhöhte Lebensdauer, insbesondere bei hoher Temperatur besitzt.
Der erfindungsgemässe Werkstoff ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Kupfer 0, 38 bis 1, 0 Gew.-% Aluminium und 0, 15 bis 0, 3 Gew. -% Kohlenstoff der Gesamtmischung zugesetzt sind.
Das Vorhandensein verschiedener Teilchen im Werkstoff, und zwar des Aluminiumoxides und-karbides, mindert die Möglichkeit ihrer Koagulation bei hohen Temperaturen herab, was die Erweichungstemperatur des Werkstoffes bis 650-850 o C erhöht. Ausserdem bleibt ein Teil vom Kohlenstoff, wie die Untersuchungen gezeigt haben, im Werkstoff im freien Zustand als ultradisperser Graphit (0, 01-0, 05 um), indem er einerseits die Rolle der Starrschmiere spielt und damit die tribotechnischen Eigenschaften des Werkstoffes verbessert und anderseits zusätzlich härtend wirkt.
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Die grosse Härte des erfindungsgemässen Werkstoffen ist auf Oxid-und'Karbidteilchen des Aluminiums, sowie des Kohlenstoffes zurückzuführen.
In Fig. 1 ist eine Abbildung des Werkstoffes zu sehen, der mit einem TEM-Mikroskop bei der Vergrösserung um das 34 000-fache erhalten wurde. Darin sind die genannen Teilchen zu sehen, die durch die Dechiffrierung des Elektronenbeugungsdiagrammes identifiziert sind.
Fig. 2 zeigt die härtende Rolle des Kohlenstoffes : Zusätze des Kohlenstoffes im Kupfer- und Alumini- umpulvergefüge führen zur Erhöhung der Härte des Endprodukts im Cu-AI-C-System verglichen mit dem bekannten Werkstoff des Cu-AI-Systems. Gleichzeitig wird dabei auch die elektrische Leitfähigkeit des Werkstoffes erhöht, wie Fig. 3 zeigt. Es ist damit zu erklären, dass im Werkstoff, der als Reduktionsmittel den Kohlenstoff enthält, die Korngrenzen viel weniger Restkupferoxide enthalten, als im Werkstoff des CuAi-Systems, was sich auf seine elektrische Leitfähigkeit auswirkt.
Der erfindungsgemässe Werkstoff wurde in verschiedenen chemischen Zusammensetzungen hergestellt und die nötigen Untersuchungen durchgeführt, deren Resultate zeigen, dass bessere Eigenschaften erzielt werden. Die Erzeugnisse daraus weisen eine höhere Lebensdauer als derzeit bekannte und verwendete Kontakt- und stromzuführende Teile der Schweisstechnik auf.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele zur Herstellung eines Werkstoffes nach der Erfindung sowie Versuche über deren Eigenschaften und Lebensdauer sind nachstehend angegeben.
Beispiel :
Der Werkstoff wird aus dem Gemisch des Kupfer-, Aluminium- und Kohlenstoffpulvers hergestellt. Die Grösse der Kupferpulverteilchen beträgt im Durchschnitt 40 um, der Aluminiumpulverteilchen - 75 um, des Kohlenstoffes als Graphit oder Russ - 35 nm und BET-Oberfläche 100 rn/g.
Der Aluminiumgehalt beträgt 0, 25 ; 0, 38 ; 0, 5 ; 1, 0 ; 2, 0 ; 3, 0 ; 4, 0 und 5, 0 Gew.-%, und der Kohlenstoffehalt wurde im Zusammenhang von der Menge des beigegebenen Aluminiums variiert, ausgehend : auf einen Massenanteil des Aluminiums-0"5 ; 0, 4 ; 0, 3 und weniger Massenanteil des Kohlenstoffes.
Aus den Stangen wurden Muster hergestellt, die später erprobt wurden.
Fig. 4 zeigt grafische Darstellungen der Abhängigkeit der relativen elektrischen Leitfähigkeit des Werkstoffes vom Gehalt des Aluminiums und Kohlenstoffes. Aus Fig. 4 ist zu sehen, dass die höchste elektrische Leitfähigkeit der Werkstoff besitzt, der das Aluminium von 0, 25 bis 1, 0 Gew.-% und den Kohlenstoff von 0, 05 bis 0, 1 Gew.-% enthält.
Fig. 5 zeigt grafische Darstellungen der Vickershärte des Werkstoffes mit obengenanntem Gehalt von Aluminium und Kohlenstoff. Aus dieser Fig. ist zu sehen, dass der Werkstoff beim Kohlenstoffgehalt 0, 1 Gew.-% dennoch nicht eine so grosse Härte hat, als bei einem höheren Kohlenstoffgehalt. Als unter Grenzwert des Kohlenstoffgehaltes wird daher 0, 15 Gew.-% ausgewählt. Da beim Kohlenstoffgehalt höher als 0, 3 Gew. -% keine Zunahme der Härte zu vermerken ist, ist dieser Anteil für den Grenzwert des Kohlenstoffgehalts anzunehmen. Aufgrund der niedrigen Härte des Werkstoffes bei einem Aluminiumanteil von 0, 25 Gew.-% wird der untere Grenzwert auf einem Aluminiumanteil von 0, 38 Gew.-% ausgewählt.
Der erfindungsgemässe Werkstoff ergab sich somit mit dem Aluminiumgehalt von 0, 38 bis 1, 0 Gew.-% und einem Kohlenstoffgehalt von 0, 15 bis 0, 3 Gew.-%. Dieser Werkstoff hat je nach der Zusammensetzung die Erweichungstemperatur 650-8500 C und die Vickershärte von 1830 bis 2020 MPa, was wesentlich höher ist, als bei den traditionellen elektrotechnischen Bronzen und beim bekannten Cu-AI-Werkstoff. Dabei besitzt der erfindungsgemässe Werkstoff ausreichende elektrische Leitfähigkeit nämlich bis 62 % der elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers.
Aus dem erfindungsgemässen Werkstoff sind stromzuführende Kontakt- und Führungsrohre für das Lichtbogenschweissen M10x40 mit dem abschmelzenden Draht vom Durchmesser 1, 2 mm hergestellt worden.
Kontakt- und Führungsrohre wurden auch aus dem Werkstoff hergestellt, der Aluminium und Kohlenstoff in der Menge enthält, die den zu empfehlenden Werten nicht entspricht. Ausserdem wurden nach der im Stand der Technik beschriebenen Technologie Stangen des Werkstoffes vom Cu-AI-System hergestellt.
Aus diesen Stangen wurden auch Kontakt- und Führungsrohre hergestellt.
Zum Vergleich wurden auch Kontakt- und Führungsrohre herangezogen, die aus technischen Kupfer, der Bronze CuCr und der Bronze CuCrZr serienmässig hergestellt werden.
Die Dauerstandversuche wurden in einem Traktorenwerk an einer Roboterschweisslinie durchgeführt.
Geschweisst wurden Erzeugnisse aus dem niedriggekohlten Stahl. Das Schweissen verlief in einem automatischen Prozess mit C02-Gas bei der Spannung von 32-34 V und Stromstärke von 320-350 A.
Als Kriterium der Lebensdauerbewertung von stromzuführenden Kontakt- und Führungsrohren wurde die Masse des abgeschmelzten Drahts in kg herangezogen, der durch das Kontakt- und Führungsrohr bis
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zu dessen Funktionsfähigkeitsverlust ging.
In der Tabelle 1 sind die Ergebnisse der durchgeführten Dauerstandversuche angegeben. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kontakt- und Führungsrohre aus dem Werkstoff mit einem Aluminium- und KohlenstoffGehalt von 0, 38-1, 0 Gew.-% beziehungsweise 0, 15-0, 3 Gew.-% wirklich eine höhere Lebensdauer haben, als die Kontakt- und Führungsrohre aus dem Werkstoff mit Aluminium- und Kohlenstoffgehalt, der den empfohlenen Werten nicht entspricht.
Die Lebensdauer der Kontakt- und Führungsrohre aus dem erfindungsgemässen Werkstoff ist höher als die Lebensdauer der Kontakt- und Führungsrohre aus dem bekannten Werkstoff auf Cu-AI-Basis und den traditionellen elektrotechnischen Werkstoffen auf der Kupferbasis.
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EMI4.2
<tb>
<tb> Nr. <SEP> Werkstoff <SEP> Gehalt <SEP> der <SEP> Bestandteile, <SEP> Masse <SEP> vom <SEP> abgeschmelzten
<tb> Gew.-% <SEP> Draht, <SEP> kg <SEP> pro <SEP> Stück
<tb> 1. <SEP> Cu <SEP> Cu <SEP> : <SEP> > 99, <SEP> 90 <SEP> 32-40
<tb> 2. <SEP> CuCr <SEP> Cr <SEP> : <SEP> > <SEP> 1, <SEP> 0 <SEP> 62-76
<tb> 3. <SEP> CuCrZr <SEP> Cr <SEP> : <SEP> > <SEP> 0, <SEP> 4 <SEP> ; <SEP> Zr <SEP> : <SEP> > <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 105-118
<tb> 4. <SEP> Cu-Al <SEP> Prototyp <SEP> :
<SEP>
<tb> 4. <SEP> 1. <SEP> Al <SEP> :-0, <SEP> 25 <SEP> 112-124
<tb> 4. <SEP> 2 <SEP> Al <SEP> :-0, <SEP> 50 <SEP> 105-117
<tb> 4. <SEP> 3 <SEP> Al <SEP> :-1, <SEP> 0 <SEP> 92-107
<tb> 4. <SEP> 4 <SEP> Al <SEP> :-2, <SEP> 0 <SEP> 37-48
<tb> 5. <SEP> Cu-Al-C <SEP> Nicht <SEP> empfohlener
<tb> Gehalt <SEP> : <SEP>
<tb> 5. <SEP> 1. <SEP> Al <SEP> :-0, <SEP> 25 <SEP> ? <SEP> C <SEP> :-0, <SEP> 05 <SEP> 74-86
<tb> 5. <SEP> 2. <SEP> Al <SEP> :-0, <SEP> 25 <SEP> ; <SEP> C <SEP> :-0, <SEP> 10 <SEP> 78-89
<tb> 5.3. <SEP> Al:-0,25; <SEP> C:-0,15 <SEP> 86-93
<tb> 5. <SEP> 4. <SEP> Al <SEP> :-0, <SEP> 25 <SEP> ; <SEP> C <SEP> :-0, <SEP> 20 <SEP> 81-92
<tb> 5.5. <SEP> Al:-0,25; <SEP> C:-0,30 <SEP> 76-87
<tb> 5.6. <SEP> Al:-0,38; <SEP> C:-0,07 <SEP> 86-108
<tb> 5. <SEP> 7. <SEP> Al <SEP> :-0, <SEP> 38 <SEP> ; <SEP> C <SEP> :-0, <SEP> 10 <SEP> 97-111
<tb> 5.8. <SEP> Al:-0,50;
<SEP> C:-0,05 <SEP> 98-109
<tb> 5.9. <SEP> Al:-0,50; <SEP> C:-0,10 <SEP> 107-112
<tb> 5.10. <SEP> Al:-1,00; <SEP> C:-0,05 <SEP> 85-97
<tb> 5.11. <SEP> Al:-1,00; <SEP> C:-0,10 <SEP> 92-107
<tb> 5.12. <SEP> Al:-1,00; <SEP> C:-0,40 <SEP> 94-111
<tb> 5.13. <SEP> Al <SEP> :-1,00; <SEP> C:-0,50 <SEP> 75-89
<tb> 5.14. <SEP> Al:-2,00; <SEP> C:-0,05 <SEP> 43-51
<tb> 5. <SEP> 15. <SEP> Al <SEP> :-2, <SEP> 00 <SEP> ; <SEP> C <SEP> :-0, <SEP> 60 <SEP> 37-44
<tb> 5. <SEP> 16. <SEP> Al <SEP> :-2, <SEP> 00 <SEP> ; <SEP> C <SEP> :-0, <SEP> 80 <SEP> 31-42
<tb> 5.17. <SEP> Al:-2,00; <SEP> C:-1,00 <SEP> 27-39
<tb> 6. <SEP> Cu-Al-C <SEP> Empfohler <SEP> Gehalt <SEP> : <SEP>
<tb> 6.1. <SEP> Al:-0,38; <SEP> C:-0,15 <SEP> 116-122
<tb> 6.2. <SEP> Al:-0,38; <SEP> C:-0,20 <SEP> 121-132
<tb> 6.3. <SEP> Al:-0,38; <SEP> C:-0,30 <SEP> 119-129
<tb> 6. <SEP> 4. <SEP> Al <SEP> :-0, <SEP> 50 <SEP> ;
<SEP> C <SEP> :-0, <SEP> 15 <SEP> 118-129
<tb> 6. <SEP> 5. <SEP> Al <SEP> :-0, <SEP> 50 <SEP> ; <SEP> C <SEP> :-0, <SEP> 20 <SEP> 126-142
<tb> 6. <SEP> 6. <SEP> Al:-0,50; <SEP> C:-0,25 <SEP> 138-154
<tb> 6. <SEP> 7. <SEP> Al <SEP> :-0, <SEP> 50 <SEP> ; <SEP> C <SEP> :-0, <SEP> 30 <SEP> 131-148
<tb> 6. <SEP> 8 <SEP> Al:-1,00; <SEP> C:-0,15 <SEP> 113-121
<tb> 6. <SEP> 9 <SEP> Al:-1,00; <SEP> C:-0,20 <SEP> 120-126
<tb> 6. <SEP> 10 <SEP> Al:-1,00; <SEP> C:-0,30 <SEP> 111-122
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