-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen eines Kupferlegierungsprodukts aus einer Kupferschmelze, mit mehreren Schritten.
-
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Legieren oder Mikrolegieren von Kupfer bekannt. In diesen Verfahren wird ein Legierungselement einmalig oder schrittweise händisch in eine Kupferschmelze eingebracht. Eine solche sporadische Zugabe des Legierungselements oder der Legierungselemente führt in kontinuierlichen Verfahren zu einer schwankenden Konzentration des Legierungselements. Eine schwankende Konzentration an Legierungselement in Kupferlegierungsprodukten wird als nachteilhaft angesehen, da durch die schwankende Konzentration insbesondere Kupferrohre keine einheitliche Härte aufweisen oder Kupferdrähte keine einheitliche Leitfähigkeit.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
-
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen eines Kupferlegierungsprodukts aus einer Kupferschmelze, mit den Schritten:
- - Bereitstellen der Kupferschmelze,
- - kontinuierliches Einbringen eines Legierungselements in die Kupferschmelze mittels einer Abspuleinrichtung, sodass eine Kupferlegierungsschmelze vorliegt und
- - Herstellen des Kupferlegierungsprodukts mittels Gießen aus der Kupferlegierungsschmelze, sodass das Kupferlegierungsprodukt vorliegt.
-
Somit kann ein Verfahren durchgeführt werden, in welchem abrupte Konzentrationsänderungen eines Legierungselements vermieden werden, indem das Legierungselement konstant in die Kupferschmelze eingebracht wird. Ein konstantes Einbringen des Kupferlegierungselements ist eine Möglichkeit, den Anteil an Legierungselement bei einem kontinuierlich hergestellten Kupferlegierungsprodukt konstant zu halten, da bei kontinuierlicher Herstellung sowohl eine kontinuierliche Entnahme aus der Kupferlegierungsschmelze erfolgt, als auch kontinuierlich neues Kupfer in die Kupferlegierungsschmelze eingebracht wird. Es ist besonders vorteilhaft, das Einbringen des Kupferlegierungselements in die Kupferschmelze mittels einer Abspuleinrichtung durchzuführen, da diese das Legierungselement sowohl in die Schmelze transportieren, als auch die Geschwindigkeit eines Einbringens in die Kupferschmelze kontrollieren kann.
-
Ein Kern der Erfindung liegt also insbesondere darin, dass Stoffmengenschwankungen in einem Kupferlegierungsprodukt aus einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren vermieden werden, indem das Legierungselement kontinuierlich beispielsweise mittels einer Abspuleinrichtung in die Kupferschmelze eingebracht wird.
-
Folgendes Begriffliche sei erläutert:
-
Unter einem „Kupferlegierungsprodukt“ wird ein Objekt verstanden, welches einen Masseanteil von wenigstens 50% Kupfer sowie mindestens ein homogen verteiltes Legierungselement enthält und welches mittels eines Gießverfahrens hergestellt wurde.
-
Unter einer „Kupferschmelze“ wird elementares Kupfer verstanden, welches flüssig ist und eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur von Kupfer aufweist.
-
Unter einem „Legierungselement“ wird ein Nicht-Kupferelement verstanden, welches in Kupfer eine homogene Lösung und unterhalb des Schmelzpunktes mit den Kupferatomen Metallbildungen ausbildet.
-
Unter einer „Kupferlegierungsschmelze“ wird eine Mischung aus Kupfer und einem Legierungselement mit einem Stoffmengenanteil von mindestens 50 % Kupfer verstanden, welche sich oberhalb ihres Schmelzpunktes befindet.
-
Unter „Gießen“ wird eine Urformtechnik verstanden, bei der ein flüssiger Werkstoff in eine Form gebracht wird und dort erstarrt.
-
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt ein kontinuierliches Einbringen eines zweiten Legierungselements eines dritten Legierungselements und/oder weiterer Legierungselemente in die Kupferschmelze, sodass das Kupferlegierungsprodukt entsprechend das zweite Legierungselement, das dritte Legierungselement und/oder die weiteren Legierungselemente aufweist.
-
Indem ein Kupferlegierungsprodukt bestehend aus Kupfer sowie zwei oder mehr Legierungselementen hergestellt wird, kann ein Kupferlegierungsprodukt mit einer gewünschten Kombination von Eigenschaften erzielt werden.
-
Das in die Kupferschmelze eingebrachte Legierungselement oder die in die Kupferschmelze eingebrachten Legierungselemente sind in einer weiteren Ausführungsform aus einer Gruppe ausgewählt, welche die Elemente Zink Zn, Zinn Sn, Aluminium Al, Nickel Ni, Eisen Fe, Silber Ag, Mangan Mn, Blei Pb, Magnesium Mg, Chrom Cr, Phosphor P, Silizium Si, Zirconium Zr, Sauerstoff S, Cobalt Co, Tellur Te, Arsen As und Niob Nb umfasst, sodass das Kupferlegierungsprodukt das entsprechende Element oder die entsprechenden Elemente aufweist.
-
Da das Kupferlegierungsprodukt durch Gießen der Kupferlegierungsschmelze hergestellt wird, weist das Kupferlegierungsprodukt die gleiche Elementzusammensetzung wie die Kupferschmelze auf. Somit kann beispielsweise die Festigkeit des Kupferlegierungsprodukts durch Zugabe von Zink Zn, Zinn Sn oder Nickel Ni zur Kupferlegierungsschmelze beeinflusst werden, wohingegen beispielsweise die Verarbeitbarkeit des Kupferlegierungsprodukts durch Blei Pb oder Titan Ti beeinflusst wird. Indem das Legierungselement oder die Legierungselemente gleichmäßig in die Schmelze eingebracht werden, besitzt das Kupferlegierungsprodukt an verschiedenen Stellen die gleichen Eigenschaften. So können insbesondere Kupferdrähte mit einer an verschiedenen Stellen gleichen elektrischen Leitfähigkeit hergestellt werden.
-
In einer Ausführungsform wird durch das kontinuierliche Einbringen eines der Legierungselemente in die Kupferschmelze ein Stoffmengenanteil des entsprechenden Legierungselements in der Kupferschmelze zwischen 20.000 ppm und 100 ppm erzielt, bevorzugt 5.000 ppm bis 500 ppm, weiter bevorzugt 2800 ppm bis 3200 ppm, sodass das Kupferlegierungsprodukt den entsprechenden Stoffmengenanteil aufweist.
-
Der Stoffmengenanteil des Legierungselements im Kupferlegierungsprodukt beträgt demnach deutlich unter 1 %, das Kupferlegierungsprodukt wird demnach auch als „mikrolegiert“ bezeichnet. „Mikrolegierungen“ werden insbesondere verwendet, um die Korngrößen der Kristallite zu beeinflussen. Der für eine Legierung verhältnismäßig geringe Stoffmengenanteil hat den Vorteil, dass die elektrische Leitfähigkeit des Kupferlegierungsprodukts durch das Legierungselement nur wenig bis gar nicht negativ beeinflusst wird. Mit Zugabe von Legierungsanteilen lassen sich so die Eigenschaften individuell anpassen, z.B. Erhöhung der Festigkeit bei nur geringfügig geringerem elektrischen Leitwert (gegenüber dem reinen Kupfer).
-
In einer weiteren Ausführungsform liegt das Legierungselement in Form eines flexiblen Elements vor, insbesondere in Form eines Drahts oder eines Metallbands. Das flexible Element kann entweder im wesentlichen nur aus dem Legierungselement oder den Legierungselementen oder aus einer Legierung aus Kupfer und dem Legierungselement oder den Legierungselementen bestehen. Das flexible Element kann weiterhin entweder massiv aus einem der genannten Materialien aufgebaut sein oder aber einen Mantel aus einem Material sowie einen Kern aus einem anderen Material aufweisen.
-
Die Verwendung des Legierungselements in Form eines flexiblen Elements hat den Vorteil, dass ein Vorrat an Legierungselement sich nicht zwingend oberhalb der Kupferlegierungsschmelze befinden muss, da eine Transportrichtung des flexiblen Elements im Verlauf eines Weges zur Kupferlegierungsschmelze aufgrund seiner Flexibilität geändert werden kann. Da der Platz oberhalb der Schmelze begrenzt sein kann hat dies insbesondere den Vorteil, dass der weitere Platz um die Kupferschmelze herum für die Lagerung des Legierungselements genutzt werden kann. Weiterhin kann die Transportrichtung des flexiblen Elements entlang des Transportweges geändert werden, um eine Kollision mit anderen Teilen einer Vorrichtung zu vermeiden.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist die Abspuleinrichtung eine Abspuleinheit und eine Transporteinheit auf, wobei das Legierungselement mittels der Abspuleinheit gelagert ist und das Legierungselement von der Transporteinheit in die Kupferlegierungsschmelze befördert wird.
-
Die Transporteinrichtung für das Legierungselement weist dabei den Vorteil auf, dass die Abspuleinheit zur Lagerung des Legierungselements sich nicht in unmittelbarer Nähe der Kupferlegierungsschmelze befinden muss.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist die Abspuleinheit ein drehbares Lagerelement, insbesondere eine abwickelbare Spule, auf welches das Legierungselement aufgewickelt ist und die Abspuleinheit eine Welle auf, auf welcher das Lagerelement angeordnet ist, sodass das Legierungselement insbesondere mittels eines Motors durch ein Drehen des Lagerelements auf der Welle abgewickelt wird.
-
Durch das Aufwickeln des Legierungselements auf dem drehbaren Lagerelement kann das Legierungselement platzsparend gelagert werden. Dies ist insbesondere ein Vorteil, wenn das Legierungselement in Form eines Drahts vorliegt. Das Einbringen des Legierungselements in die Kupferlegierungsschmelze in Form eines Drahts besitzt wiederum den Vorteil, dass ein Objekt mit relativ geringer Querschnittsfläche verwendet wird, sodass bei unbeabsichtigten Geschwindigkeitsänderungen des Einbringens nur verhältnismäßig geringe Änderungen im Eintrag stattfinden. Dadurch werden geringere Anforderungen an die Geschwindigkeitskontrolle der Transporteinheit gestellt.
-
Die Transporteinheit bewegt in einer weiteren Ausführungsform das abgewickelte Legierungselement mittels eines Vorschubelements und richtet das Legierungselement mittels eines Umlenkelements auf die Kupferschmelze aus, sodass das abgewickelte Legierungselement von der Abspuleinheit in die Kupferschmelze transportiert wird.
-
Das Verwenden eines Vorschubelements hat den Vorteil, dass der Vorschub des transportierten Legierungselements nicht allein durch das Drehen des Lagerelements hervorgerufen werden muss. Dadurch können auf den Draht aufgebrachte Druckkräfte vermieden werden und ein unerwünschtes Knicken des Drahtes wird unterbunden, wodurch erfindungsgemäß ein gleichmäßigerer Verfahrensablauf gewährleistet ist. Durch das Verwenden eines Umlenkelements kann die Transportrichtung des Legierungselements auf dem Weg zur Kupferlegierungsschmelze geändert werden, sodass das Lagerelement nicht in direkter Linie zur Kupferlegierungsschmelze angeordnet sein muss.
-
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Transporteinheit ein Dosierelement, welches eine Geschwindigkeit des Abwickelns des Legierungselements von dem Lagerelement und eine Geschwindigkeit des Bewegens des Legierungselements mittels der Transporteinheit steuert und/oder regelt, sodass eine Geschwindigkeit des Einbringens des Legierungselements in die Kupferlegierungsschmelze mittels des Dosierelements einstellbar ist.
-
Durch Verwenden eines Dosierelements kann die Geschwindigkeit des Einbringens von anderen Faktoren abhängig gemacht werden. Dies kann beispielsweise die Geschwindigkeit des Einbringens des Kupfers sein. Wenn beispielsweise bei einem erhöhten Produktionsbedarf eine Verdopplung der Einbringung des Kupfers erfolgt, kann auch die Geschwindigkeit des Einbringens des Legierungselements verdoppelt werden, wodurch der Stoffmengenanteil des Legierungsprodukts im Kupferlegierungsprodukt weiterhin konstant gehalten wird. Das Einbringen des Kupferlegierungselements kann weiterhin in Bezug zu anderen Faktoren gesetzt werden. So ist es auch möglich, den Anteil des Legierungselements nicht konstant zu halten, sondern ihn in der Kupferlegierungsschmelze und damit im Kupferlegierungsprodukt gleichmäßig abzusenken oder gleichmäßig zu erhöhen.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kupferlegierungsprodukt, welches mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde. Ein solches Kupferlegierungsprodukt zeichnet sich durch einen besonders gleichmäßigen Anteil an Legierungselement aus. Ein solch gleichmäßiger Anteil des Legierungselements lässt sich durch schrittweise Zugabe des Legierungselements zur Kupferlegierungsschmelze nicht mit vertretbarem technischem Aufwand erreichen.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche derart eingerichtet ist, dass ein zuvor beschriebenes Verfahren durchführbar ist.
-
Durch eine Vorrichtung, welche die beschriebenen Elemente aufweist, wird das beschriebene Verfahren mit seinen Vorteilen ermöglicht.
-
Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt die
- 1 eine schematische Darstellung eines kontinuierlichen Zuführens eines Legierungselements in eine Kupferschmelze.
-
Zur Herstellung eines mikrolegierten Kupferdrahts mittels eines vertikalen Drahtgießens wird gemäß eines Schmelzverfahrens in einem Grafittiegel 101 Reinstkupfer (sogenannte Kupferkathoden) aufgeschmolzen und dadurch eine Kupferschmelze bereitgestellt.
-
Während eines kontinuierlichen Herstellungsverfahrens des mikrolegierten Kupferdrahts wird Zinn in Form eines Kupfer-Zinn-Fülldrahts 111 bestehend aus einem Kupfermantel und einer darin befindlichen Vorlegierung mit ca. 70 Gewichtsprozent (Gew.-%) Cu und 30 Gew.-% Sn mittels einer Drahtinjektionsanlage 107 in die Kupferschmelze eingebracht, sodass eine Kupferlegierungsschmelze vorliegt.
-
Die Drahtinjektionsanlage 107, welche den Kupfer-Zinn-Fülldraht 111 in die Kupferlegierungsschmelze einführt, besteht aus einer Abspuleinheit 113 und einer Vorschubeinheit 115. Die Abspuleinheit 113 besteht aus einer drehbaren Spule 117, auf welcher der Kupfer-Zinn-Fülldraht 111 gelagert ist, und einem Ständer 119, welcher die Spule 117 drehbar stützt.
-
Der Kupfer-Zinn-Fülldraht 111 wird von der drehbaren Spule 117 abgewickelt. Dem Kupfer-Zinn-Fülldraht 111 wird mittels Schubwalzen 121 eine Vorwärtsbewegung aufgeprägt und somit von der Spule 117 abgewickelt. Durch Umlenkrollen 123 und Führungsrohre wird der Kupfer-Zinn-Fülldraht 111 in Richtung der Kupferlegierungsschmelze ausgerichtet. Eine Injektionsmaschine 125 steuert und regelt die Geschwindigkeit des Einbringens des Kupfer-Zinn-Fülldrahts 111 in die Kupferschmelze mittels der Schubwalzen 121.
-
Im weiteren Verlauf des Verfahrens steuert und regelt die Injektionsmaschine 125 die Zugabe des Kupfer-Zinn-Fülldrahts 111 so, dass derselbe Stoffmengenanteil des Zinns wie Reinstkupfer in die Kupferlegierungsschmelze zugegeben wird. Dadurch bleibt der Stoffmengenanteil des Zinns in der Kupferlegierungsschmelze konstant. Nach dem Auflegieren der Kupferlegierungsschmelze mit dem Kupfer-Zinn-Fülldraht 111 findet durch Konvektion fortlaufend eine Homogenisierung im Grafit-Tiegel statt. Aus der Kupferlegierungsschmelze wird mittels des vertikalen Drahtgießens ein mikrolegierter Kupferdraht gegossen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 101
- Grafittiegel
- 107
- Drahtinjektionsanlage
- 111
- Kupfer-Zinn-Fülldraht
- 113
- Abspuleinheit
- 115
- Vorschubeinheit
- 117
- Spule
- 119
- Ständer
- 121
- Schubwalzen
- 123
- Umlenkrollen
- 125
- Injektionsmaschine
