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Die Erfindung betrifft ein Strangpressverfahren, eine Rotationsstrangpressmaschine sowie einen Flachleiter.
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Zum Stand der Technik ist auf die
DE 10 2017 100 911 A1 hinzuweisen, die ein kontinuierliches Strangpressverfahren für ein metallhaltiges Schüttgut zur Herstellung eines Strangpresskörpers mit folgenden Schritten offenbart: Einführen des metallhaltigen Schüttgutes in einen Pressenkanal einer Metallpulverstrangpressanlage, der von einem rotierenden Extrusionsrad und Presswerkzeugkomponenten begrenzt wird, die einen Dichtungsplatten aufweisenden Einlaufbereich und einen Umlenkungsbereich mit einem Gegenhalter und einer Zuführplatte umfassen, Zuführen des metallhaltigen Schüttguts über eine umlaufende Nut des rotierenden Extrusionsrads zu dem Gegenhalter und Umlenken des verdichteten metallhaltigen Schüttguts im Umlenkungsbereich durch die eine Öffnung aufweisende Zuführplatte zu einer Matrize, wobei wenigstens eine der im Einlaufbereich angeordneten Dichtungsplatten mittels einer Kühleinrichtung gekühlt wird. Die Reibungs- und Verformungskräfte, die durch die Rotation des Extrusionsrads auftreten, erzeugen die erforderlichen Temperaturen und Drücke für die kontinuierliche Extrusion durch die Matrize. Bei der Verarbeitung von Kupfer oder einer Kupferlegierung soll wenigstens eine im Umlenkungsbereich angeordnete Presswerkzeugkomponente, insbesondere die Zuführplatte, auf eine Temperatur zwischen 310° C und 380° C gekühlt werden. Bei kleinen Querschnitten des Strangpresskörpers ist eine Aufheizung der Matrize erforderlich, da der Pressdruck ansonsten so groß wird, dass das kompaktierte Material nicht durch die Matrize fließt.
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Zum Stand der Technik wird ferner auf die
WO 00/ 10 750 A1 verwiesen, die ein stromleitendes Hohlprofil bestehend aus zwei Profilteilen offenbart, die zwei durchgehende Hohlräume begrenzen. Die beiden Profilteile sind an drei Stegen mechanisch fest miteinander verbunden, wobei beide Profilteile jeweils einen Teil jedes Steges bilden. Die Hohlprofile bestehen aus Kupfer oder Kupferqualitäten mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und werden im Strangpressverfahren einstückig hergestellt, insbesondere mittels einer Conform-Maschine im Conform-Verfahren, wobei als Ausgangsmaterial Draht aus einer Kupfer- oder einer Kupferlegierung mit einem Durchmesser von zum Beispiel 16 mm über eine Spule entlang einer Führung zu einer Dichtnase geführt wird. Von dort gelangt der Draht in ein in einem Werkzeughalter angeordnetes und mittels einer Heizung erhitztes Werkzeug, wo er zum entsprechenden Profilteil geformt wird. Die Verformung des Drahtes erfolgt durch Kneten und Pressen.
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Das kontinuierliche Rotationsstrangpressen oder auch radiales Strangpressen ist eine Sonderform des konventionellen Strangpressens zum durchgehenden Extrudieren von einfachen oder geometrisch komplexen End- oder Halbfabrikaten, insbesondere aus Kupfer-Gießdraht. Die mit dem kontinuierlichen Rotationsstrangpressen extrudierten End- oder Halbzeuge können insbesondere Stromschienen aus reinem Kupferwerkstoff (Cu-OFE) mit einem Kupfergehalt von 99,99 Gew.-% sein. Diese Stromschienen finden zunehmend Anwendungen als massive Flachleiter für Hochvoltanwendungen in Elektrofahrzeugen. Cu-OFE zeichnet sich durch die Kombination einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit ≥ 58,6 MS/m und guter Schweißbarkeit aus.
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Beim Rotationsstrangpressen entsteht infolge der Reibung und aufgrund der hohen Umformgrade eine hohe Temperatur, die zu Rekristallisationsvorgängen im Gefüge führt. So weisen z. B. extrudierte Flachleiter bei Verwendung von herkömmlichen Werkzeugen zum Rotationsstrangpressen ein inhomogenes Gefüge mit Grobkornanteilen im gesamten Strangpressquerschnitt auf. Diese Gefügezusammensetzung kann sich negativ auf die Eigenschaften von Endprodukten auswirken, insbesondere bei scharfkantigen Biegeanwendungen. Scharfkantige Biegeanwendungen sind solche mit größerem Biegewinkel als 90°. Hier führt das inhomogene Gefüge der stranggepressten Flachleiter zu einem unerwünschten Oberflächenfehler (Orangenhaut-Effekt) bis hin zu Oberflächenanrissen und vollständigem Versagen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Strangpressverfahren aufzuzeigen, welches die Oberflächentopographie der stranggepressten Produkte verbessert, insbesondere im Hinblick auf die unerwünschten Orangenhaut-Effekte beim scharfkantigen Biegen der stranggepressten Produkte, wobei die gewünschten Produkte, insbesondere Flachleiter, durch eine geeignete Rotationsstrangpressmaschine mit hoher Wirtschaftlichkeit mit verbesserter Oberflächentopographie herstellbar sind.
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Die Aufgabe wird durch ein Strangpressverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird die Aufgabe auch gelöst durch eine Rotationstrangpressmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Flachleiter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
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Das erfindungsgemäße Strangpressverfahren basiert auf der Zuführung eines Kupferwerkstoffes in Form eines Drahts, eines Pulvers oder eines Granulats zu einem Reibrad einer Rotationsstrangpresse. Rotationsstrangpressen bzw. Rotationsstrangpressanlagen arbeiten kontinuierlich und kostengünstiger als herkömmliche Strangpressanlagen. Bei diesem Verfahren wird der zugeführte Kupferwerkstoff durch die mittels Reibung und Scherung eingeleitete Energie erhitzt, bis er plastisch wird. Der plastische Kupferwerkstoff wird vom Reibrad weg gelenkt und in einen Staukanal in einer Stauplatte geleitet. Der Stauplatte ist die formgebende Matrize nachgelagert.
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Der Austrittsquerschnitt des Staukanals unmittelbar vor dem Eintritt in der Matrize ist größer als ein formgebender Extrusionskanal in der Matrize. Dadurch wird eine Totzone für den plastischen Kupferwerkstoff vor dem Eintritt in die Matrize geschaffen. Die Totzone dient dem für das Strangpressverfahren notwendigen Druckaufbau, damit der Extrusionskanal gleichmäßig mit dem Kupferwerkstoff gefüllt wird.
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Der Begriff „Austrittsquerschnittsfläche“ bezieht sich auf die endseitige Querschnittsfläche des Staukanals. Es wird davon ausgegangen, dass die Matrize diese endseitige Querschnittsfläche bedeckt und nur den Extrusionskanal für den Durchtritt des plastischen Kupferwerkstoffs frei lässt. Kupfermaterial tritt also nicht aus der gesamten Austrittsquerschnittsfläche aus, sondern nur dort, wo es die Matrize zulässt.
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Die Temperatur des plastischen Kupferwerkstoffes in der Totzone und in der Matrize wird durch Reduzierung des Volumens der Totzone auf einen Zielwert von höchstens 550°C eingestellt. Da der Kupferwerkstoff in keinem anderen Bereich höhere Temperaturen erreicht, erfolgt die gesamte Formgebung bei Temperaturen bis maximal 550°C.
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Das Rotationsstrangpressen lässt nur sehr schwer eine Erfassung der Temperaturen des Kupferwerkstoffes in der Totzone und im Bereich der Matrize zu. Die Kenntnis der lokalen Temperaturverhältnisse im radialen Strangpressprozess kann aufgrund der komplexen Verhältnisse nicht exakt berechnet werden. Es können nur mit einer In-situ-Messung Temperaturen erfasst werden. Im Rahmen der Erfindung wurde dieses mit Thermoschleppelementen realisiert. In Kenntnis der Messwerte wurden mathematische Modelle angepasst, so dass sich der Temperaturverlauf mit sehr guter Näherung bestimmen lässt. Es hat sich herausgestellt, dass für den Zeit-Temperaturverlauf während der radialen Extrusion zunächst ein stetiges Ansteigen der Temperatur des Kupferwerkstoffs von Raumtemperatur bis zum sehr schnellen Durchlaufen von zwei charakteristischen Temperaturmaxima erfolgt. Diese beiden Temperaturpeaks bilden den der Materialscherung und den der Umformung in der Matrize ab. Es hat sich durch die Messungen gezeigt, dass durch die Reduzierung des Volumens der Totzone eine Reduzierung der Umformtemperatur um ca. 50°C auf einen Maximalwert von 550°C erreicht werden kann. Die Reduzierung der Totzone hat überraschenderweise Einfluss auf die Gefügestruktur des vollständig rekristallisierten Gefüges im stranggepressten Profil. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei vergleichbarer Extrusionsgeschwindigkeit die Umformtemperatur um 50°C auf einen Höchstwert von 550°C gezielt zur Kornfeinung in der Größenordnung von etwa 20 µm genutzt werden kann. Das bedeutet, dass der mittlere gewichtete Durchschnitt der Körner des Kristallgefüges um ca. 20 µm reduziert wurde, so dass das Gefüge einen mittleren gewichteten Korndurchmesser in einem Bereich von 45 µm bis 65 µm aufweist.
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Aufgrund der niedrigeren Umformtemperaturen, insbesondere im Bereich der Totzonen im Übergang in die Matrize wird das Kornwachstum gehemmt. Dadurch werden die grobkörnigen Gefügeanteile deutlich reduziert. Das Gefüge wird homogener. Bei der radialen Extrusion mittels der Rotationsstrangpressmaschine kann insbesondere bei Werkstoffen der Gruppe Cu-OFE eine Festigkeitssteigerung sowie eine signifikante Verbesserung der Streckgrenze um bis zu 20 MPa erreicht werden. Zusätzlich kann ein durchschnittlicher HV0,5-Mikrohärteanstieg von ca. 10% festgestellt werden.
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Die Erhöhung der Duktilität in Kombination mit einer homogeneren Gefügeverteilung verbessert bei verformungsintensiven Biegebeanspruchungen von massiven Flachleitern die Oberflächentopologie. Mit dem erfindungsgemäßen Strangpressverfahren werden unerwünschte Orangenhaut-Effekte signifikant reduziert oder sogar vermieden.
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Aufgrund der verhältnismäßig niedrigeren Umformtemperaturen und der damit verbundenen geringeren thermischen Belastung der Umformwerkzeuge eignet sich das neu entwickelte Strangpressverfahren bzw. das zur Verbesserung des Verfahrens verwendete Werkzeugkonzept zur Verschleißreduzierung und damit auch zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Betriebs der kontinuierlichen Rotationsstrangpressanlage.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Strangpressverfahren mit einem Staukanal durchgeführt wird, der sich im Bereich der Totzone ausschließlich trichterförmig erweitert. Der Begriff „ausschließlich trichterförmig erweitert“ bedeutet, dass es gegen Ende des Staukanals keinen Bereich geben sollte, bei welchem sich der Querschnitt der Totzone bzw. des Staukanals nicht mehr erweitert. Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn sich die Totzone stetig trichterförmig erweitert. Das Erweitern des trichterförmigen Bereichs erfolgt also in Fließrichtung des Kupferwerkstoffs von jeder Querschnittsebene zur nachfolgenden Querschnittsebene des Staukanals.
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Es hat sich ferner gezeigt, dass die Hemmung des Kornwachstums dann erreicht werden kann, wenn ein Staukanal verwendet wird, der eine Austrittsquerschnittsfläche besitzt, die im Vergleich zur Eintrittsquerschnittsfläche des Extrusionskanals nicht zu groß ist und insbesondere 40 % bis max. 60 % größer ist als die Eintrittsquerschnittsfläche des Extrusionskanals. Wenn der Unterschied größer als 40-60 % ist, beispielsweise 100 % beträgt, bildet sich eine große Totzone aus, in der die Fließgeschwindigkeit des Kupferwerkstoffes bis auf Null absinken kann. Gleichzeitig führt der große Durchmesserunterschied zwischen der Austrittsquerschnittsfläche und der Eintrittsquerschnittsfläche zu einem charakteristischen Temperaturmaxima, das durch die Erfindung vermieden werden soll. Wenn die Austrittsquerschnittsfläche lediglich 40-60 % größer ist als die Eintrittsquerschnittsfläche kann ein Zielwert von höchstens 550°C in dieser Totzone erreicht werden und damit auch im Übergang zum Extrusionskanal.
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Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist, einen Staukanal zu verwenden, in welchem der sich trichterförmig erweiternde Bereich, der auch als Stautrichter bezeichnet werden kann, nicht zu lang ist, d. h. in einem nicht zu großen Abstand von der Matrize beginnt. Der Stautrichter besitzt eine Eintrittsquerschnittsfläche in einem Abstand zur Matrize, wobei der Abstand max. 30 % größer sein sollte als der kleinste Durchmesser des Extrusionskanals in der Eintrittsquerschnittsfläche des Extrusionskanals. Der Extrusionskanal hat bei der Herstellung von stranggepressten Flachleitern eine im Wesentlichen rechteckige Form. Der Abstand der Eintrittsquerschnittsebene des Stautrichters orientiert sich an dem kleinsten Durchmesser des Extrusionskanals, d. h. z. B. an der Dicke des Flachleiters und nicht an dessen Breite. Dementsprechend ist der sich trichterförmig erweiternde Stautrichter nicht insgesamt kegelstumpfförmig, sondern weitet sich von einer beispielsweise quadratischen oder runden Eintrittsquerschnittsfläche auf zu der Austrittsquerschnittsfläche, die 40-60 % größer ist als die Eintrittsquerschnittsfläche und max. 30 % von dem Beginn des Stautrichters entfernt ist. Der Stautrichter sollte an seinem Ende in allen Umfangsbereichen des Extrusionskanals gleichmäßig proportional etwas größer sein als der Extrusionskanal, um einen gleichmäßigen Materialfluss in den Extrusionskanal zu gewährleisten und auch um eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Staukanals und innerhalb des Extrusionskanals zu erreichen. Proportional größer bedeutet, dass die Austrittsquerschnittsfläche z. B. rechteckig mit den Proportionen des Flachleiters ist bzw. des Extrusionskanals.
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Das Strangpressverfahren eignet sich insbesondere zum radialen Strangpressen von Reinkupfer. Hierunter wird ein hochreines und sauerstofffreies Kupfer mit einem Kupfergehalt von mindestens 99,99 Gew.-Prozent verstanden, insbesondere Cu-OFE Kupfer. Hierbei handelt sich um ein nicht desoxidiertes und sauerstofffreies Kupfer, das keine im Vakuum verdampfbaren Elemente beinhaltet und eine sehr hohe Leitfähigkeit für Elektrizität und Wärme aufweist. Die zulässigen Legierungsbestandteile sind 0,0025 % Ag, 0,0015 S, 0,0010 Ni, 0,0010 Fe, 0,0003 P, bis 0,0005 As, 0,00020 Bi, 0,0001 Cd, 0,0005 Mn, 0,0005 Pb, 0,0004 Sb, 0,00020 Se, 0,0002 Sn, 0,00020 Te, und 0,0001Zn (alle Angaben in Massen-Prozent). Der Sauerstoffgehalt wird so eingestellt, dass der Werkstoff die Anforderung zur Wasserstoffbeständigkeit nach DIN EN 1976 erfüllt. Die Werkstoffbezeichnungen sind in Europa gemäß EN Cu-OFE, CW009A, in den USA (ASTM(UNS)) C10100 und in Japan (JIS)C1011.
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Bevorzugt wird das extrudierte Profil nach dem Austritt aus der Matrize unmittelbar gekühlt, um das Kornwachstum außerhalb der Matrize zu verhindern. Dadurch wird der Kornfeinungseffekt erhalten und die Duktilität des Endprodukts gesteigert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere auf einer Rotationsstrangpressmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 9 durchgeführt. Eine solche Rotationsstrangpressmaschine umfasst ein Reibrad zum Erhitzen eines in Form eines Drahts, eines Pulvers oder eines Granulats zugeführten Kupferwerkstoffes. Ferner umfasst die Rotationsstrangpressmaschine zum durchgehenden radialen Extrudieren eine Stauplatte, in welche der plastische Kupferwerkstoff radial umgeleitet wird. Schon vor dem Eintritt in die Stauplatte wird die Temperatur des Kupferwerkstoffs auf Werte bis ca. 500°C gesteigert. Nach der Umlenkung des Kupferwerkstoffes in den Staukanal sinkt die Temperatur, um im weiteren Verlauf des Staukanals bis unmittelbar vor Eintritt in die formgebende Matrize wieder auf einen Maximalwert zu steigen. Die höchsten Werte werden im Bereich der Totzone erreicht, die der Eintrittsquerschnittsfläche der Matrize unmittelbar vorgelagert ist. Der Staukanal besitzt zur Ausbildung der Totzone eine Austrittsquerschnittsfläche, die 40-60 % größer ist als die Eintrittsquerschnittsfläche des Extrusionskanals. Die Totzone wird in ihrer Größe gezielt begrenzt, damit der gestauchte, plastisch gewordene Werkstoff keine zu hohen Temperaturen in diesem Bereich erreicht. Es wird der erforderliche Druck zur Befüllung des Extrusionskanals aufgebaut, allerdings ohne die für die Kornfeinung im Randbereich ungünstigen Temperaturbereiche zu durchlaufen.
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Der Staukanal soll daher insbesondere ausschließlich und stetig trichterförmig erweitert sein und keine Durchmessersprünge, im Durchmesser stagnierende Bereiche oder sonstige Abstufungen aufweisen. Vorzugsweise ist die Erweiterung des Staukanals von Beginn des Stautrichters bis zum Ende des Stautrichters stetig und gleichmäßig. Zudem soll bei der erfindungsgemäßen Rotationsstrangpressmaschine der Staukanal, der einen sich zur Matrize hin trichterförmig erweiternden Stautrichter besitzt, nicht zu lang sein. Der Abstand seiner Eintrittsquerschnittsfläche zur Matrize soll maximal 30 % größer sein als der kleinste Durchmesser des Extrusionskanals in der Eintrittsquerschnittsfläche des Extrusionskanals.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Flachleiter, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei das Gefüge einen mittleren Korndurchmesser in einem Bereich von 45-65 µm aufweist.
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Ein solcher Flachleiter besitzt vorzugsweise eine Zugfestigkeit von 210-220 MPa bei einer Dehngrenze von über 70 MPa, insbesondere im Bereich von 70-80 MPa. Die Extrusionsdrehzahlen bei dem erfindungsgemäßen Strangpressverfahren bzw. bei der Rotationsstrangpressmaschine bewegen sich vorzugsweise in einem Bereich von 6-10 Umdrehungen/min. Einen maßgeblichen Einfluss auf die Gefügestruktur hat die Gestaltung des Stautrichters bzw. des Staukanals und der daraus resultierenden Totzone. Die Oberflächentopographie für eine rissfreie und verformungsintensive Biegebeanspruchung kann mit dem richtig gestalteten Stautrichter signifikant verbessert werden. Durch die Verbesserung des Biegeumformvermögens stranggepresster Kupferflachleiter können neue Produkte für zukünftige Mobilitätskonzepte entwickelt werden, insbesondere da auch bei einem Biegen über die schmale Kante des Flachleiters andere Leitungsführungen der Flachenleiter, insbesondere in Zusammenhang mit der Elektromobilität, ermöglicht werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer kontinuierlichen Rotationsstrangpressmaschine;
- 2 die Rotationsstrangpressemaschine der 1 teilweise im Schnitt;
- 3 einen Längsschnitt zur Veranschaulichung des Materialflusses durch die Rotationsstrangpressmaschine der 2;
- 4 einen horizontalen Querschnitt durch eine Stauplatte und eine Matrize (Stand der Technik);
- 5 einen vertikalen Querschnitt durch eine Stauplatte und die Matrize der 4 (Stand der Technik);
- 6 einen horizontalen Querschnitt durch eine Stauplatte und eine Matrize gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
- 7 einen vertikalen Querschnitt durch die Stauplatte und die Matrize der 6;
- 8 eine Darstellung der Fließgeschwindigkeiten des Kupferwerkstoffs in dem Strangpresswerkzeugsatz gemäß der Bauform der 4 und 5 (Stand der Technik);
- 9 eine Darstellung der Fließgeschwindigkeiten des Kupferwerkstoffs in dem Strangpresswerkzeugsatz gemäß der erfindungsgemäßen Bauform der 6 und 7;
- 10 eine Darstellung der Temperaturverteilung im Werkzeugsatz der 4 und 5 (Stand der Technik);
- 11 eine Darstellung der Temperaturverteilung im erfindungsgemäßen Werkzeugsatz der 6 und 7;
- 12 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Zugfestigkeit und Streckgrenzen in Abhängigkeit von der Drehzahl und in Abhängigkeit von der Bauform des Werkzeugsatzes;
- 13 ein Schliffbild durch einen Quadranten eines Flachleiters in Gegenüberstellung des Standes der Technik im Vergleich zur erfindungsgemäßen Ausführungsform;
- 14 eine Draufsicht auf die radial äußere Biegezone eines Flachleiters, der um 180° gebogen wurde, in vergrößerter Darstellung gemäß dem Stand der Technik;
- 15 eine Draufsicht auf die radial äußere Biegezone eines Flachleiters, der um 180° gebogen wurde, in vergrößerter Darstellung gemäß der erfindungsgemäßen Lösung.
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Die 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung eine Rotationsstrangpressemaschine 1, der ein Kupferdraht 2 zugeführt wird, um durch radiale Extrusion in einen Flachleiter 3 mit im Westlichen rechteckigen Querschnitt herzustellen. Der Kupferdraht 2 wird durch eine Greifzone 5 (3) geführt. Der Kupferdraht 2 wird von einem runden Querschnitt in einen teilweise abgeflachten Querschnitt umgeformt. Die Temperatur des Kupferwerkstoffes nimmt langsam zu, bis der Kupferwerkstoff in eine auf die Greifzone folgende Stauchzone 6 gelangt und dort erweicht und plastisch wird. Die Stauchzone 6 mündet in einen radial abzweigenden Staukanal 7 in einer Stauplatte 8. Der plastisch gewordene Kupferwerkstoff wird unmittelbar aus dem sich in Fließrichtung erweiternden Staukanal 7 einer Matrize 9 zugeführt. Der für die Erfindung maßgebliche Bereich ist in 2 gekennzeichnet und betrifft die Gestaltung des dort angeordneten Werkzeugsatzes, bestehend aus Stauplatte 8 und Matrize 9.
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Zunächst wird der Stand der Technik anhand der 4 und 5 erläutert. Die 4 und 5 zeigen eine horizontale und eine vertikale Schnittebene durch ein- und dieselbe Stauplatte 8 und die darauf folgende Matrize 9. In der Matrize 9 befindet sich ein Extrusionskanal 10, der bis zu einer zentralen Engstelle zu seinem Anfangs- und Endbereich leicht trichterförmig erweitert ist. Die Matrize 9 besitzt einen Eintrittsquerschnitt 11, der unmittelbar an den Austrittsquerschnitt 12 des Staukanals 7 grenzt. Die beiden Querschnitte fallen in einer Ebene zusammen. Das Aufstauen des Kupferwerkstoffes ist erforderlich, um eine gleichmäßige Füllung des Extrusionskanals 10 in der Matrize 9 zu gewährleisten. Der Staukanal 7 besitzt hierzu einen Anfangsquerschnitt, der beispielsweise quadratisch mit gerundeten Ecken sein kann. Darauf folgt ein sich trichterförmig erweiternder Bereich, der als Stautrichter 13 bezeichnet wird. Dieser trichterförmig erweiternde Bereich mündet kurz vor der Austrittsquerschnittsfläche 12 in einen Endbereich mit im Wesentlichen gleichbleibendem Querschnitt. Dieser Bereich mit im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt bildet eine Totzone 14, die von dem plastischen Kupferwerkstoff gefüllt wird. Der Kupferwerkstoff staut sich dort auf und wird anschließend in den Extrusionskanal 10 der Matrize 9 überführt. Die Tiefe R1 bezeichnet die Tiefe des Stautrichters 13, gemessen vom Randbereich des Extrusionskanals 10. Die Tiefe R2 gemäß 5 ist in gleicher Weise zu verstehen. Aufgrund der unterschiedlichen Dimensionen in Längs- und Querrichtung des Extrusionskanals 10 ist die Tiefe R2 proportional kleiner als die Tiefe R1 in der ersten Schnittebene gemäß 4.
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Die Ausführungsform der 6 zeigt die erfindungsgemäße Variante. Für im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten werden die zuvor eingeführten Bezugszeichen weiterhin verwendet.
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Die Bauform der 6 und 7 zeigt einen Extrusionskanal 7, der hinsichtlich des Volumens eine wesentlich kleinere Totzone 14 im Stautrichter 13 aufweist. Der Stautrichter 13 ist auch insgesamt kürzer Die 7 zeigt den Abstand A1 zwischen einer Eintrittsquerschnittsfläche 15 des Stautrichters 13 und der Matrize 9. Der besagte Abstand A1 ist max. 30 % größer als der kleinste Durchmesser D1 in der Eintrittsquerschnittsfläche 11 des Extrusionskanals 10, wie anhand der 7 zu erkennen ist.
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Ferner ergibt sich, dass die Tiefen R3, R4 der Totzone 14 deutlich kleiner sind als bei der Ausführungsform gemäß der 4 und 5. Die Austrittsquerschnittsfläche 12 des Staukanals 7 ist nur 40-60 % größer als die Eintrittsquerschnittsfläche 11 des Extrusionskanals 10 in der Matrize 9. Die nachfolgenden Figuren verdeutlichen die Auswirkungen dieser Werkzeugmodifikation.
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Die 8 und 9 verdeutlichen einmal zum Stand der Technik und einmal in der erfindungsgemäßen Ausführungsform die Unterschiede der Fließgeschwindigkeiten des Kupferwerkstoffes, jeweils bezogen auf einen Quadranten des Strangpressprofils. Es ist zu erkennen, dass in der größeren Totzone 14 gemäß 8 die Fließgeschwindigkeit aufgrund der dunklen Farbgebung sehr gering ist und bis auf null absinkt. Die kleinere Totzone 14 gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform (9) weist ebenfalls eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit auf, allerdings muss nur ein kleinerer Anteil des Werkstoffs von den geringen Geschwindigkeiten umgelenkt und beschleunigt werden, um in den Extrusionskanal 10 zu gelangen, in dem die Strömungsgeschwindigkeit etwa bei 70 mm/s liegt. Der Energieeintrag in die Totzone ist geringer.
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Die 10 und 11 zeigen in gleicher Gegenüberstellung wie bei den 8 und 9 die Temperaturverteilung bei einer Ausführungsform zum Stand der Technik (4 und 5) und bei der erfindungsgemäßen Lösung (6 und 7), jeweils bezogen auf einen Viertelstrang des Extrusionsprofils. Besonders markant ist, dass die 10 einen Temperaturbereich T1 zeigt, der sich von der Totzone 14 ausgehend bis in den Extrusionskanal 10 erstreckt. Der von links nach rechts strömende Kupferwerkstoff wird im Randbereich auf Temperaturen über 600°C erhitzt. Hier kommt es zu Gefügeveränderungen und zu einem unerwünschten Kornwachstum. Ein Biegen eines Flachleiters über seine hohe Kante führt zu den unerwünschten Orangenhaut-Effekten in der Oberfläche bzw. sogar zu Mikroanrissen.
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Die erfindungsgemäße Lösung (11) zeigt im Bereich der Totzone 14 ein gänzlich anderes Temperaturprofil. Es ist zu erkennen, dass der Temperaturbereich T2, der einem Temperaturfenster von 484-542°C entspricht, nicht nur im Kern des Strangpressprofils vorhanden ist, sondern im Bereich der gesamten Totzone 14 und auch im Bereich des gesamten randseitigen Bereichs des Werkstoffs im Extrusionskanal 10. Das Ergebnis ist ein gleichmäßigeres Kornwachstum. Die Materialeigenschaften werden dadurch signifikant verbessert. Die 12 zeigt eine Gegenüberstellung der erreichbaren Zugfestigkeit und Streckgrenze für die konventionelle Bauform (4, 5) und für die erfindungsgemäß modifizierte Bauform (6, 7). Jedes einzelne Säulenpaar bezieht sich auf unterschiedliche Drehzahlen des Reibrades 4. Die Drehzahlstufen sind 6, 8 oder 10 Umdrehungen je Minute. Die Zugfestigkeit Rm liegt in einem Bereich von 210-220 MPa und ist tendenziell immer etwas höher als bei der konventionellen Bauform des Werkzeugsatzes.
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Signifikanter ist der Unterschied in Bezug auf die den Dehngrenze RP02, die bei der erfindungsgemäßen Variante (6-mod, 8-mod, 10-mod) jeweils über 70 MPa liegt und gegenüber der Bauform im Stand der Technik (6-, 8-, 10-konv) ca. 20 MPa höher ist.
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Die 13 zeigt ein Schliffbild durch einen Quadranten eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Flachleiters. In der Bildebene links befindet sich das Schliffbild bei herkömmlicher Fertigungsart. In der Bildebene rechts unten befindet sich das Schliffbild bei der erfindungsgemäßen Variante. Die in den eingezeichneten Kreisen angegebenen Werte sind lokale Messwerte in der jeweiligen Zone des Flachleiters. Die oberen Werte beziehen sich auf die Bildebene links. Die unteren Werte beziehen sich auf die Bildebene rechts. Es wird deutlich, dass das Gefüge deutlich feiner und homogener ist und dass der mittlere gewichtete Korndurchmesser in einem Bereich von 45-65 µm liegt im Unterschied zu 70-77 µm im Stand der Technik.
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Die 14 und 15 zeigen in Gegenüberstellung das finale Ergebnis an der radial äußeren Oberfläche eines um 180° gebogenen Flachleiters. Die 14 zeigt den Stand der Technik und den deutlich erkennbaren Orangenhaut-Effekt in der Oberfläche. 15 zeigt die erfindungsgemäß angestrebte erkennbar gleichmäßigere Oberflächetopologie des Flachleiters.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotationsstrangpressmaschine
- 2
- Draht
- 3
- Flachleiter
- 4
- Reibrad
- 5
- Greifzone
- 6
- Stauchzone
- 7
- Staukanal
- 8
- Stauplatte
- 9
- Matrize
- 10
- Extrusionskanal
- 11
- Eintrittsquerschnittsfläche von 10
- 12
- Austrittsquerschnittsfläche von 7
- 13
- Stautrichter von 7
- 14
- Totzone
- 15
- Eintrittsquerschnittsfläche von 13
- A1
- Abstand zwischen 15 und 12
- D1
- Durchmesser von 10
- R1
- Tiefe von 14
- R2
- Tiefe von 14
- R3
- Tiefe von 14
- R4
- Tiefe von 14
- T1
- Temperaturbereich über 600°C
- T2
- Temperaturbereich zwischen 484°C und 542°C
