CN101778694A - 用于由铜或铜合金借助挤压机制造金属丝的方法 - Google Patents

用于由铜或铜合金借助挤压机制造金属丝的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于由铜或铜合金制造金属丝的连续的方法，其中铜或铜合金以铸棒(1)的形式存在并且在高于500℃的温度下借助挤压机(2)和相应的拉模被精拉伸成一根或多根金属丝，在所述挤压机中设有模具(4)；其特征在于具有下列步骤：a)在拉延区域(I)内利用保护气体保护从模具(4)出来的热金属丝(5)以防氧化，b)在冷却区域(II)在调温的水浴(6)中以高于60℃的温度冷却金属丝，c)在从水浴出来之后测量金属丝的横截面尺寸并且对金属丝施加调节的拉力，从而将由于金属丝在拉延区域(I)内的拉延引起的金属丝的横截面尺寸与预定横截面的偏差减至最小，以及d)无需先前的削尖将金属丝置入剖分的拉模(14)中，闭合拉模并且无中断地将金属丝拉伸到最终尺寸直到铸棒耗尽。

Description

用于由铜或铜合金借助挤压机制造金属丝的方法
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的、用于由铜或铜合金制造金属丝的方法。为此适用的铜合金例如在标准DIN EN1044中标准化。该铜合金除了铜之外作为合金添加物还包含镉、锌、硅、锡、锰、镍、银、磷和其他的非铁金属。由这些合金通常制造直径为1mm至5mm的金属丝。本发明的主要应用领域在于以铜合金为基础制造硬焊金属丝的领域。
背景技术
用于由铜或铜合金制造金属丝和杆的方法和装置例如描述于德国公开文本DE 39 29 287 A1和DE 196 02 054 A1以及US专利US2,290,684和US 2,795,520中。制造金属丝的起点一般是圆柱形的铸锭，将这些铸锭加热到550℃至600℃并且利用挤压机挤出成一根或多根金属丝。在此得到的原金属丝通常必须通过进一步的拉伸或滚压过程制成所希望的最终直径。
利用描述的挤出方法可以制造具有不同的横截面形状的金属丝或杆。优选使用圆的或正方形的横截面。通常将挤出的金属丝通过一次或多次的冷拉伸制成最终尺寸。在每一拉伸过程中，在合金的情况下仅具有在25％与30％之间的变形程度的冷成型才是可能的。变形程度取决于所选择的合金。在纯铜的情况下也能达到较高的变形程度。变形程度定义为横截面变化相对于起始横截面的比例。
铜或铜合金在高温时在表面上形成由黑色的氧化铜构成的氧化皮，并且在拉伸或滚压过程中在大的形状变化时倾向于脆化。没有用于避免这些问题的其他的预防措施，必须在稀释的硫酸中酸蚀从挤压机出来的原金属丝以去掉氧化皮并且紧接着用水冲洗这些原金属丝。可以通过退火消除脆化。引用的专利文件通过用来自适当的喷嘴的水喷洒从挤压机出来的热金属丝避免氧化皮的形成，以得到“金属裸露的”金属丝。
利用描述的挤出方法可以制造具有不同的横截面形状的金属丝或杆。优选使用圆的或正方形的横截面。通常将挤出的金属丝通过一次或多次的冷拉伸制成最终尺寸。在每一拉伸过程中，根据材料仅具有在25％与50％之间的变形程度的冷成型才是可能的。在这里，变形程度定义为横截面变化相对于起始横截面的比例。
根据经验，传统地挤出的金属丝的横截面尺寸具有±5％的波动幅度。但对于按照DIN EN 1044的铜合金，对于金属丝需要的极限偏差为±3％。为了遵守该极限偏差，在精拉伸之前首先进行所谓的(冷拔)定径(Kalibrierzug)，以便减小横截面尺寸的公差。在这里，具有较大横截面的金属丝区段比较细的金属丝区段更强地变形。这导致沿金属丝的不同的断裂延伸率、抗拉强度和硬度。一般来说，硬度和抗拉强度随着变形程度的提高而增加，而断裂延伸率则减小。因此，在精拉伸之前必须对金属丝进行中间退火，以便通过退火在再结晶温度之上重新消除在变形时形成的冷作硬化。
因此，挤出的质量对随后的工序具有决定性的影响。
此外已表明，由现有技术已知的用冷水喷洒挤出的焊条部分地导致有斑痕的金属丝表面。此外，这样制成的金属丝是脆的并且无先前的退火不可能在紧接的拉伸过程中加工。
为了拉伸到最终尺寸提供拉伸装置，其核心部分是所谓的由金刚石或硬质合金构成的拉模。这些拉模具有拉伸孔，金属丝穿过该拉伸孔被拉伸。由于拉伸孔小于金属丝直径，所以在金属丝能穿过拉伸孔之前，该金属丝必须在适当的装置中被削尖。该过程是费时间的并且阻碍铸锭到具有最终尺寸的焊丝的连续的制造。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种用于由铜或铜合金制造金属丝的连续的方法，其中从铸锭的挤出开始无中断地在仅一个后接的拉伸过程中制造金属裸露的具有最终尺寸的金属丝。
该目的通过在独立权利要求中说明的方法达到。在诸从属权利要求中描述该方法的优选的实施形式。
按照本发明的方法从由现有技术已知的挤出方法出发。将铜或铜合金以铸棒(1)的形式置入挤压机(2)中，在高于500℃的温度下通过具有一个或多个模孔的模具(4)挤压，并且然后在冷却区域中冷却。将从模具出来的一个或多个原金属丝(5)在仅一个后接的拉伸过程中拉伸到最终尺寸。该方法具有下列步骤：
a)在拉延区域(I)内利用保护气体保护从模具(4)出来的热的金属丝(5)以防氧化，
b)在冷却区域(II)内在调温的水浴(6)中以高于60℃的温度冷却金属丝，
c)在从水浴中出来之后测量金属丝的横截面尺寸并且对金属丝施加调节的拉力，从而将由于金属丝在拉延区域内的拉延引起的金属丝的横截面尺寸与预定横截面的偏差减至最小，以及
d)无需先前的削尖将金属丝置入剖分的拉模(14)中，闭合拉模并且无中断地将金属丝拉伸到最终尺寸，直到铸棒(1)耗尽。
利用该方法可以并行制造多根金属丝。挤压机的模具为此必须相应地具有多个挤出孔。优选地，模具配备两个挤出孔。为了简便起见，以下说明仅涉及一根金属丝的制造。在制造多根金属丝时，对每根金属丝必须彼此独立地进行各方法进程。
利用该方法可以制造具有不同的横截面形状的金属丝，优选生产具有圆形横截面的金属丝。
按照本发明，在模具与冷却区域之间设置有拉延区域。在该拉延区域内金属丝的温度直接在从模具出来之后总是仍如此之高，即金属丝具有塑性特性并且可以用较小的力消耗拉伸长度。在这里，将金属丝的横截面尺寸从模孔的横截面尺寸起减小到预定横截面。该过程带有约±5％的制造公差。已表明，通过调节作用在金属丝上的拉力可以将横截面尺寸的公差减小到±3％。
在圆金属丝中已证明适用的是，模孔的直径是在离开拉延区域之后的所希望的金属丝直径的1.4至2倍、优选1.5至1.8倍。较大的模具直径降低对挤压机的压力的要求。
金属丝在拉延区域下游的拉伸速度优选在0.5m/s与1.5m/s、特别是在0.7m/s与1.0m/s之间。
用于拉延过程的拉力可以通过设置在冷却区域下游的拉延驱动装置引入金属丝中。为了调节拉力，在金属丝从水浴中出来之后并在拉延驱动装置之前测量实际横截面并且将该实际横截面与预定横截面进行比较。实际横截面形成调节参量，在调节器中确定该调节参量与预定横截面的偏差并且将该偏差用于确定拉延驱动装置的拉力的必需的改变。金属丝的预定横截面可以例如用光学线径测量仪来确定。
在模具与冷却区域之间的拉延区域的长度可以在30mm与500mm之间，该拉延区域优选具有50mm至300mm的长度。由于新挤出的金属丝在该区域内仍然很热，所以可取的是，通过用保护气体充满或溢流拉延区域来阻止在金属丝表面上的氧化。适合的保护气体是氩或氮，优选使用氮。
描述的挤出连同接着受调节的、对挤出的原金属丝的拉延导致这样的金属丝，该金属丝的粗度波动如此减小，即，使得一个唯一的后接的拉伸过程就足以将金属丝拉伸到最终尺寸。为了可以直接地无中断地在离开冷却区域之后接着该拉伸过程，金属丝必须以金属裸露的形式离开冷却区域。“金属裸露的”在本发明的范围内应理解成，在焊丝的表面上没有黑色的氧化铜，而是只有不可避免的红色的氧化亚铜。于是可以取消为了去掉氧化皮而酸蚀金属丝。
按照本发明，在冷却区域下游通过多个措施确保金属丝的金属裸露的表面：
●在拉延区域内通过充满或溢流惰性气体保护金属丝以防氧化；
●在冷却区域内在调温的水浴中在高于60℃、优选高于80℃时
将金属丝冷却到低于100℃。为此目的，优选在1至10秒内
将金属丝拉过水浴；
●优选持续地旋动水浴，以阻止在热的金属丝表面上形成气泡。
这可以例如这样发生，即横向于运行方向用热水入流金属丝。
上述各措施导致具有金属裸露的表面的焊丝，该焊丝对于后续的拉伸过程仍具有足够的变形能力。在这里重要的是，将水浴调温到约60℃至95℃。水浴的低于60℃的温度导致金属丝的脆化，该脆化在后续的精拉伸中引起经常的金属丝断裂。
在金属丝在水浴中冷却之后，将该金属丝在一个唯一的拉伸过程中拉伸到最终尺寸。为了可以将该拉伸过程无中断地结合于整个方法中，已开发出剖分的拉模。由此，金属丝的否则通常的削尖和到拉模中的穿进变成不必要的。在挤出开动之后将金属丝的起始端置入打开的拉模中，闭合拉模并将金属丝拉伸到最终尺寸。
该方法原则上适用于所有挤出方法，在这些挤出方法中应生产具有减小的横截面尺寸公差的连续型材。但优选将该方法用于由铜或铜合金制造金属丝，该铜合金除了铜之外还包含选自银、镉、锌、硅、锡、锰、镍或磷或这些添加物的组合的合金添加物。该方法使得能够在一连续的工序中由铸锭制造即可使用的、具有金属裸露的表面的金属丝。
附图说明
以下借助实例和附图更详细地说明本发明。其中示出：
图1：用于实施方法的原理构造；
图2：用于两个并行拉伸的金属丝的直径的测量记录，其中没有调节拉延驱动装置；
图3：用于两个并行拉伸的金属丝的直径的测量记录，其中调节拉延驱动装置；
图4：剖分的拉模的结构。
具体实施方式
图1示出用于实施方法的原理构造。附图标记1标出由铜或铜合金制成的铸棒。该铸棒处于挤压机2中并且通过一在这里未示出的外部的加热装置保持在例如600℃的温度。利用柱塞3将铸棒挤压通过模具4中的孔。用附图标记5标出挤出的原金属丝。在模具4之后连接拉延区域I，在该拉延区域中只适度地冷却金属丝。为了避免金属丝的氧化，例如用保护气体充满或溢流拉延区域。在紧接的冷却区域II内将仍然热的金属丝通过这样的方式冷却到低于100℃的温度，即，将该金属丝引导通过调温的水浴6，该水浴保持在至少60℃的温度。以水表面的俯视图示出该水浴。从对置的两侧指向原金属丝5的各箭头表示用来自多个喷嘴的水入流到金属丝上，所述喷嘴沿着金属丝设置在水浴中。循环地引导为此必需的水。为此目的，在水浴的底部上具有出口，一泵经由该出口抽出水并且经由入流喷嘴重新供给水浴。对金属丝的横向入流阻止气泡固定在金属丝表面上并导致有斑痕的表面。
在冷却区域II下游设置有用于确定金属丝横截面尺寸的测量系统7。机械式或光学测量系统是适合的。在调节器8内将测量信号与用于预定横截面的值进行比较并且由得出的调节偏差向拉延驱动装置9的驱动马达输出调节参量。如果测量的横截面大于预定横截面，则提高拉延驱动装置的拉力，这导致长度延展以及横截面相应缩小。相反，如果测量的横截面小于预定横截面，则减小拉延驱动装置的拉力。利用该调节可以将挤出的金属丝的横截面尺寸的公差从±5％减小到小于±3％。
在后续的加工站11中将金属丝拉伸到最终尺寸。该加工站包括具有下压头12和上压头13的压力机。该加工站的核心部分是由一拉模和一夹具构成的装置。拉模和夹具是剖分的，以便在运行的挤出中能够置入用挤压机挤出的金属丝。装置14的每一个半部分别固定在下压头和上压头上。在开始挤出原金属丝之前，移开压力机的两个压头。如果原金属丝到达该压力机，则将它置入打开的拉模中并且在拉模后面绕拉伸驱动装置16卷绕金属丝的起始端。然后将压力机的上压头降低到下压头上，直到拉模的两个分界面相互贴合。拉伸驱动装置将金属丝通过拉模拉伸到最终尺寸。将完成的焊丝卷绕到一在图1中未示出的绕线机上。
在方法的整个持续时间期间使挤出速度、到最终尺寸的拉延和拉伸相互匹配，从而可以无中断地将铸棒挤出，除了不可避免的残余之外。优选地，金属丝在冷却区域下游的拉伸速度在0.5m/s与1.5m/s之间。
为了使过程易于开动，在第一卷绕驱动装置下游设有所谓的垂直振动器10，该垂直振动器可以补偿在方法的各个加工站之间的短时间的速度差。附图标记15标出与润滑站组合的金属丝导向装置。
图4示出由拉模和夹具构成的装置。该装置包括固定于夹具21中的拉模20。拉模具有钻孔23，该钻孔的轴线形成拉伸轴线。拉模和夹具沿着拉伸轴线是剖分的。在拉伸金属丝时，装置的两个半部以在剖分时形成的分界面24相互贴合并且利用销孔25中的销精确地相互定位。夹具中的螺纹孔26用于将装置的两个半部固定于压力机的上压头和下压头中。
拉模可以由硬质合金或金刚石、优选由多晶金刚石构成。
为了在拉伸金属丝时由于拉模的剖分在金属丝上不产生纹痕，必须精确地制造拉模的钻孔。优选在此这样进行，即首先将无钻孔的拉模预成型件固定于未剖分的夹具中。优选将拉模焊入由钢制成的夹具中。在夹具中制出销孔之后，沿着稍后的拉伸轴线剖分装置并使各分界面光滑。在将装置的两个半部用销固定之后，如也在未剖分的拉模中那样通常地制造拉伸孔。
已令人惊喜地表明，在利用这样的拉模拉伸的金属丝上看不到由于拉模的剖分产生的纹痕。该拉模的特别优点是，为了穿进拉伸孔中不必削尖原金属丝。由于取消原金属丝的削尖，现在有可能构造这样一种拉伸装置，利用该拉伸装置可以在一拉伸站中连续地、没有为了削尖金属丝的中断地拉伸原金属丝直到完成的金属丝。
在以下的比较实例和实例中挤出由铜合金Ag40Cu30Zn28Sn2(按照DIN EN 1044的名称：AG105)制成的原金属丝。接着将这些原金属丝精拉伸到1.5mm的金属丝直径。
比较实例
将由所述铜合金制成的40kg的铸棒在挤压机中通过一具有两个圆形的、直径分别为2.9mm的模孔的模具挤出成两个平行的金属丝。在拉延区域内将金属丝直径通过施加恒定的拉力减小到1.8mm的预定尺寸。挤出的金属丝在拉延区域下游的速度为1m/s。
图2示出在880m的金属丝长度上利用光学测量系统检测的直径值。在图2中标出1.9mm的公差上限OT和1.7mm的公差下限UT。这些数值相当于约±5％的粗度公差。
金属丝直径的预定尺寸在该挤出试验中规定在1.8mm，以便即使在较大的金属丝直径波动的情况下仍具有足够的形状变化供定径和精拉伸到1.5mm的直径使用。
利用定径将金属丝拉伸到1.7mm的直径。由于挤出的金属丝的大的直径波动，通过定径将硬度、抗拉强度和断裂延伸率的相应的波动引入金属丝中。在将金属丝精拉伸到1.5mm的直径之前，通过高于再结晶温度的中间退火补偿这些不同的机械特性。
实例1
用一第二铸棒重复比较实例。不同于比较实例，现在调节拉力。金属丝的预定直径为1.7mm。图3在980m的长度上示出对于两根金属丝的直径的测量结果。在图3中再次标出公差上限和公差下限。公差上限为1.75mm，公差下限为1.65mm，相当于±3％的直径公差。
利用按照本发明的方法减小的、原金属丝的直径公差允许将原金属丝的平均直径从1.8mm降到1.7mm，而不损失在精拉伸到1.5mm的直径的过程中的足够的形状变化。在这里不需要如在比较实例中的定径和中间退火。
实例2
在以下描述的实验系列中拉伸由铜合金Ag40Cu30Zn28Sn2(按照DIN EN 1044的名称：AG105)制成的、具有金属裸露的表面的金属丝。接着将这些金属丝精拉伸到1.5mm的金属丝直径。
将由所述铜合金制成的10kg的铸棒在挤压机中通过一具有两个圆形的、直径分别为2.9mm的模孔的模具挤出成两根平行的金属丝。在拉延区域内将金属丝直径通过施加调节的拉力减小到1.7mm的预定尺寸。通过流过氮保护拉延区域以防空气中的氧。拉延区域直接通入调温的水浴。为了旋动水，水浴配备有横流装置。被引导通过水浴的金属丝的速度为1m/s。
利用描述的装置在不同的水浴温度下挤出多个铸棒。接着将这样挤出的具有裸露的表面的焊丝在拉伸装置中从1.7mm拉伸减到1.5mm的直径，并且定性地评价其拉伸性能。结果列入下表中。已表明，在水浴温度为60℃和80℃时可将金属丝无金属丝断裂地拉伸成成品。
表：挤出的金属丝的拉伸性能与水浴温度的关系
  试验No.1   试验No.2   试验No.3   试验No.4
  水温   20℃   40℃   60℃   80℃
拉伸性能   金属丝是脆的。拉伸时经常的金属丝断裂   拉伸时偶尔的金属丝断裂   可以无断裂地拉伸金属丝 良好

Claims (10)

1.用于由铜或铜合金制造金属丝的连续的方法，其中铜或铜合金以铸棒(1)的形式存在并且在高于500℃的温度下借助挤压机(2)和相应的拉模被精拉伸成一根或多根金属丝，在所述挤压机中设有模具(4)；其特征在于，具有下列步骤：
a)在拉延区域(I)内利用保护气体保护从模具(4)出来的热的金属丝(5)以防氧化，
b)在冷却区域(II)内在调温的水浴(6)中以高于60℃的温度冷却金属丝，
c)在从水浴中出来之后测量金属丝的横截面尺寸并且对金属丝施加调节的拉力，从而将由于金属丝在拉延区域(I)内的拉延引起的金属丝的横截面尺寸与预定横截面的偏差减至最小，以及
d)无需先前的削尖将金属丝置入剖分的拉模(14)中，闭合拉模并且无中断地将金属丝拉伸到最终尺寸，直到铸棒耗尽。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在调温的水浴(6)中通过用水横向于金属丝的纵向延伸入流到金属丝上阻止在金属丝表面上的气泡。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在拉延区域(I)下游的拉伸速度在0.5m/s与1.5m/s之间。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在模具(4)与冷却区域(II)之间的拉延区域(I)的长度为30mm至500mm。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，用保护气体充满或溢流拉延区域(I)，以阻止热金属丝的氧化。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，通过设置在水浴下游的拉延驱动装置(9)将拉力引入金属丝中。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，金属丝的横截面是圆形的。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，模孔的直径是在离开拉延区域(I)之后的所希望的金属丝直径的1.4至2倍。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，通过使用一具有多个模孔的模具(4)同时挤出多根金属丝。
10.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，铜合金除了铜之外还包含选自银、镉、锌、硅、锡、锰、镍、磷及其组合的合金添加物。
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