CH664977A5

CH664977A5 - Verfahren zur herstellung eines hohlprofils und ein nach diesem verfahren hergestelltes hohlprofil.

Info

Publication number: CH664977A5
Application number: CH2804/85A
Authority: CH
Inventors: Meinhard Hecht; Werner Rethmann
Original assignee: Kabel Metallwerke Ghh
Priority date: 1984-07-21
Filing date: 1985-07-01
Publication date: 1988-04-15
Also published as: GB2161832A; FI852838A0; AT394466B; IT8521590A0; FI86116C; US4814235A; DE3427034A1; GB2161832B; FI86116B; JPH0576721B2; ATA215585A; GB8517939D0; DE3427034C2; IT1185267B; FR2568050A1; FI852838L; JPS6139309A; CA1264947A; FR2568050B1

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verpressten Hohlprofils, insbesondere eines innengekühlten elektrischen Leiters, mittels eines Brückenwerkzeugs. Weiter betrifft die Erfindung ein nach dem erfin-dungsgemässen Verfahren hergestelltes Hohlprofil.

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 verstärkte 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 speziell ausgebildete 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 Brük-kenwerkzeug beschrieben. Das erwärmte Kupfer wird um die Brücke herumgedrückt, die einen oder mehrere den oder die Hohlkanäle formende Dorne bzw. Dornansätze 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 Hohlleiier 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 beträgt etwa 0,02 bis 0,04 Prozent. 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 lOmal geringeren Sauerstoffgehalt, ist gegen Was-serstoffsprödigkeit unempfindlich, hat eine etwas höhere Erweichungstemperatur, aber im allgemeinen eine um etwa 1 Prozent niedrigere Leitfähigkeit.

Sauerstofffreie desoxidierte Kupferqualitäten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sind in der DIN 1708 genormt. Der Kupfergehalt beträgt mindestens 99,90 Prozent, wobei das Desoxidationsmittel, üblicherweise ist dies Phosphor, in der Grössenordnung von 0,003 Prozent vorliegen soll. Bei der Verarbeitung dieser Kupfersorten mittels Brückenwerkzeugen kann es zur Ausbildung von Fehlern im Bereich der ver-schweissenden Materialströme kommen. Als Ursache für diese Fehler kommen in erster Linie Sauerstoffanreicherungen im Schweissnahtbereich in Frage, in denen sich bei Zwi-schenglühungen 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.

Die Erfindung bezweckt, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem ein Hohlprofil, insbesondere ein innengekühlter elektrischer Leiter, durch ein Brückenwerkzeug herstellbar ist, ohne dass es zu Fehlern in der durch den Brückensteg verursachten Pressschweissnaht kommt. Der Werkstoff soll darüber hinaus eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 95 Prozent IACS und Wasserstoffimmunität aufweisen.

Das erfindungsgemässe Verfahren entspricht den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und das damit hergestellte Hohlprofil den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 7.

Neben den sich aus der Aufgabenstellung direkt ergebenden Vorteilen, wurde beobachtet, dass ein bedeutend geringerer Zunderfall auf der Oberfläche des gepressten Profils vorhanden ist. Darüber hinaus trat eine wesentlich geringere Oxidanreicherung auf dem Brückenwerkzeug auf. Diese Oxidanreicherung wird mit als Ursache für fehlerhafte Schweissnähte angesehen, wenn diese Oxide beispielsweise vom Brückenwerkzeug in die Schweisszone fliessen. Um dies zu verhindern, musste das Brückenwerkzeug häufiger ausgewechselt oder gereinigt werden, was durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens entfallen kann. Weiter zeichnet sich das ausgepresste Profil durch eine wesentlich glattere

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Oberfläche aus. Auch wurde festgestellt, dass das Gefüge im Bereich der Schweissnaht feinkörniger ausfällt als bei den bisher verwendeten Werkstoffen.

Mit besonderem Vorteil wird nach Anspruch 2 als Werkstoff Kupfer verwendet, das 0,015 bis 0,025 Gewichts-% Bor oder Lithium enthält.

Zweckmässig ist es, wenn man nach Anspruch 3 das Bor oder das Lithium in die Kupferschmelze unmittelbar vor dem Giessen als Kupferlegierung eingibt.

Vorteilhaft wird nach Anspruch 4 in die Kupferschmelze eine Kupferlegierung mit einem Gehalt von 1,5 bis 5 Gewichts-% Bor oder Lithium gegeben.

Nach Anspruch 5 und 6 kann man die Kupferlegierung der Kupferschmelze auch in der Giessrinne oder in den Giessstrahl zugeben.

Das nach dem erfmdungsgemässen Verfahren hergestellte Hohlprofil besteht aus Kupfer, das 0,01 bis 0,05 Gewichts-% Bor oder Lithium enthält.

Das Hohlprofil kann vorteilhaft die Form eines innengekühlten elektrischen Leiters aufweisen, z.B. einer Transformatorenspule, einer Induktionsofenspule, einer elektrischen Magnetspule oder eines Generators.

Nachfolgend werden anhand von zwei Zeichnungsfiguren Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Pressvorrichtung zur Herstellung von Hohlprofilen, und

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch ein fertiges Hohlprofil.

Die Pressvorrichtung nach Figur 1 besteht aus einem Blockaufnehmer bzw. Rezipienten 1, 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 Teilströme unterteilt. Der Brückensteg 4 weist beispielsweise zwei Dornansätze 5 und 6 auf, welche die Kanäle 7 und 8 im fertigen Hohlprofil 9 erzeugen. Die Kanäle 7 und 8 sind in der Figur 1 gestrichelt dargestellt. Die Aussenabmessungen des fertigen Hohlprofils 9 werden durch die Matrize 10 bestimmt. Der Brückensteg 4 und die 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 geeignete Formgebung der Brücke erzeugt - und der Block 2 auf etwa 900° C erwärmt wird, müssen sowohl der Brückensteg 4 als auch die Matrize 10 aus einem hochwarmfesten Werkstoff 5 hergestellt sein.

Im fertigen Hohlprofil 9 nach Figur 2 sind zwei elliptische Kanäle 13 und 14 angeordnet. Gestrichelt dargestellt ist die Pressschweissnaht 15.

Bei einem Versuch wurden mehrere Versuchsblöcke in io einer Stranggiessanlage gegossen. Als Ausgangsmaterial wurden Kupferkathoden verwendet und mit einer Kupfer-Bor-Legierung mit 2 Prozent Bor desoxidiert. Die Blöcke hatten einen Durchmesser von 180 mm und eine Länge von 300 bis 400 mm. Diese Blöcke wurden auf 90° C erwärmt und in 15 einer Pressvorrichtung gemäss Figur 1 zu einem Hohlprofil verpresst. Leitfähigkeitsuntersuchungen an dem gepressten Hohlprofil ergaben eine elektrische Leitfähigkeit von über 58 m/Q mm2. Der Restborgehalt betrug 0,02 Prozent. Die auf diese Weise hergestellten Hohlprofile wurden in mehreren Zügen auf das gewünschte Endmass heruntergezogen, wobei zwischen den einzelnen Ziehvorgängen die Hohlprofile bei einer Temperatur von 500° C in leicht reduzierter Atmosphäre weichgeglüht wurden.

An den fertig gezogenen Hohlprofilen wurden folgende 25 Prüfungen vollzogen:

1. Makroätzung

2. Biegeprüfung im Anlieferzustand

3. Biegeprüfung nach Wasserstoffglühung (850° C/ Vi Stunde)

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

Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich mit gleichem 35 Vorteil anwenden für Hohlprofile, die generell aus Gründen der Querschnittsform nur über Brückenwerkzeuge gepresst werden können, d.h. solche mit drei oder vier Bohrungen sowie für Hohlprofile mit ungleicher Masseverteilung.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

664 977 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung eines verpressten Hohlprofils, insbesondere eines innengekühlten elektrischen Leiters, mittels eines Brückenwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass man als Werkstoff Kupfer verwendet, in dessen Schmelze man zum Desoxidieren Bor oder Lithium eingibt, wobei das sauerstofffrei gemachte Kupfer 0,01 bis 0,05 Gewichts-% Bor oder Lithium enthält und seine elektrische Leitfähigkeit mindestens 95% IACS beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff Kupfer verwendet wird, das 0,015 bis 0,025 Gewichts-% Bor oder Lithium enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Bor oder Lithium in die Kupferschmelze unmittelbar vor dem Glessen als Kupferlegierung eingibt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung in die Kupferschmelze gegeben wird, die 1,5 bis 5 Gewichts-% Bor oder Lithium enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Kupferlegierung der Kupferschmelze in der Giessrinne zugibt.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Kupferlegierung in den Giessstrahl der Kupferschmelze eingibt.

7. Hohlprofil, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Kupfer besteht, das 0,01 bis 0,05 Gewichts-% Bor oder Lithium enthält.

8. Hohlprofil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es die Form eines innengekühlten elektrischen Leiters aufweist.

9. Hohlprofil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der innengekühlte elektrische Leiter eine Transformatorenspule oder eine Induktionsofenspule ist.

10. Hohlprofil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der innengekühlte elektrische Leiter eine elektrische Magnetspule oder ein Generator ist.