DE1758088A1 - Verfahren zur Herstellung von Halbzeug aus Kupfer durch Angiessen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Halbzeug aus Kupfer durch Angiessen

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Description

PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT, DIPLOMCHEMIKER
5 KOLN-LINDENTHAL PETER-KINTGEN-STRASSE 2
Köln, den 30.5-1968 Eg/AX
General Electric Company, 1 River Road, Schenectady 5.» N. Y.
(V.St.A.)
Verfahren zur Herstellung von Halbzeug aus Kupfer durch
Angiessen
Das zum Giessen von Metall verwendete Angussverfahren ist inzwischen allgemein bekannt geworden. Bei diesem Verfahren wird ein endloser Strangträger, z.B. Stabmaterial, einer Vorbehandlung unterworfen, indem er durch eine Richtmaschine, eine Oberflächenreinigungsvorrichtung und dann durch eine Vakuumeintrittskammer geführt wird, die unter einem Tiegel, der ein Bad aus geschmolzenem Material enthält, oder am Boden des Tiegels angeordnet ist. Ein endloser Strangträger wird von unten nach oben durch das Metallbad geleitet, das die gleiche chemische Zusammensetzung wie der Strangträger oder eine andere Zusammensetzung haben kann. Das geschmolzene Material im Tiegel wird an der Aussenseite des Strangträgers angegossen, wodurch dessen Querschnittsfläche erheblich zunimmt. Nach dem Austritt aus dem Tiegel wird das erhaltene Halbzeug beispielsweise durch Besprühen mit Wasser aus einer oder mehreren Düsen wenigstens so weit gekühlt, dass das Halbzeug mechanisch bearbeitet werden kann. Von hier kann das Halbzeug durch ein geeignetes Walzgerüst geführt werden, wo es gewalzt und sein Querschnitt verringert wird, worauf es zu einer geeigneten Aufnahmevorrichtung, z.B. einer Haspel oder Rolle geführt wird.
Bei der Herstellung von Kupferstabmaterial ist es üblich, einen Knüppel an der Luft bei einer erhöhten Temperatur,
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bei der das Kupfer relativ besser verformbar ist, zu bearbeiten» Bei hohen Temperaturen unterliegt jedoch das Kupfer leicht der Oxydation. Daher muß das heiß bearbeitete Kupferstabmaterial gebeizt werden, um den starken Oxydbelag zu entfernen, bevor es zu Draht gezogen oder in anderer Weise dem normalen Gebrauch zugeführt worden ist. Dies ist ein£usätzlicher Arbeitsgang und Aufwand und hat außerdem einen erheblichen Metallverlust zur Folge. Wenn das Kupfer durch Walzen verarbeitet wird, bleiben verhältnismäßig kleine Teilchen von Kupfer und/oder Kupferoxyd an,den Walzen haften oder werden mit diesen verschweißt. Dies wird gewöhnlich als "pick-up" (Mitnahme) bezeichnet. An der luft gewalzter Kupferstab erfordert starke Kühlung der Walzen, um die Materialmitnahme durch die Stahlwalzen zu begrenzen. Dies ist nicht nur nachteilig für die Walzen, sondern verursacht außerdem Striemen, Kratzer oder Rillen im Stab, dessen Qualität hierdurch beeinträchtigt wird.
Beim Stranggußverfahren, bei dem das Gießen und die mechanische Verarbeitung gleichzeitig stattfindende Arbeitsgänge sind, sind die sich aus der Oxydation ergebenden Probleme noch ernster. Wie bereits erwähnt, wird ein Strangträger durch ein Bad des geschmolzenen Metall geführt. Wenn beispielsweise der Strangträger mit flüchtigen Stoffen, wie Fett, verunreinigt ist, wird die Verunreinigung bei Berühi?· rung mit dem geschmolzenen Metall verflüchtigt und kann anschließend in die am Strangträger angegossene Schicht eingeschlossen werden. Dies hat Gaseinschlüsse oder Lunker zur Folge, die die Qualität des Stabes oder Drahtes beeinträchtigen, wenn sie beim anschließenden Walzen nicht geschlossenwerden·
Beim Angußverfahren ist es ferner möglich, daß das Metall gelegentlich nicht gleichmäßig, sondern mit wellenförmigem Querschnitt an den Strangträger angegossen wird. Wenn die mechanische Bearbeitung an der Luft oder in Gegenwart von Sauerstoff vorgenommen wird, unterliegt die gebildete Oxyd-
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oberfläche leichter der Rißbildung als das reine Kupfer. Als Folge hiervon bilden sich tiefere Risse in den Wellenbergen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von Stabmaterial, das gleichzeitig nach dem Angußverfahren gegossen wird, wobei die erhaltene Staboberfläche im wesentlichen frei von Oxyd ist, so daß eine verbesserte und wirksamere mechanische Bearbeitung möglich ist.
Gemäß der Erfindung werden Gußstäbe gebildet, indem ein endloser Strangträger von unten nach oben durch einen Tiegel geführt wird, der ein Bad von geschmolzenem Kupfer enthält, das an den Strangtafcäger angegossen wird. Der erhaltene Gußstab wird etwas auf eine Temperatur gekühlt, die die Formgebung ermöglicht, worauf er einem Walzmechanismus zugeführt wird, wo er der Warmformgebung unterworfen wird. Der bearbeitete Stab wird dann auf eine Temperatur gekühlt, die unter der Temperatur liegt, bei der Kupfer an der Luft oxydiert, und dann ζ u einer geeigneten Wickelmaschine geführt. Der aus dem Tiegel austretende Gußstab wird von einer Schutzatmosphäre aus Wasserstoff und Stickstoff umgeben und in dieser Atmosphäre gehalten, bis er auf eine Temperatur unter dem Punkt, bei dem Kupfer an der Luft oxydiert, gekühlt ist. Auf diese WeiBe wird der heiße Gußstab in einer leicht reduzierenden Atmosphäre mechanisch bearbeitet, wodurch eine Oxydation des Gußstabes während der Bearbeitung praktisch verhindert wird. Gegebenenfalls kann eine geringe Kohlenoxydmenge in Mischung mit dem Wasserstoff verwendet werden. Das erhaltene Produkt hat im wesentlichen keine oxydierte Oberfläche.
Die Erfindung wird nachstehend ausführlicher im Zusammhang mit der Verformung eines Kupferstabea beschrieben. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist in der Abbildung schematisch dargestellt.
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Der Strangträger 10 wird einer Ziehvorrichtung 12 zugeführt, die neben einer geeigneten Schäl- oder Putzvorrichtung 14 angeordnet ist, die eine dünne Metallschicht vom Umfang des Stahmaterials abhebt und hierdurch den Oxydüberzug und andere Verunreinigungen der Oberfläche entfernt. Gegebenenfalls kann auch eine andere Art der Reinigung, z.B. eiijte chemische Reinigung angewendet werden, um den Oxydüberzug zu entfernen und die Oberfläche des Stabes zu reinigen. Der Stab wird durch eine geeignete Antriebsvorrichtung, zu der die Haspel 15 und die Antriebsrollen 16 im Gehäuse 18 gehören, und von dort in das Rohr geführt. Die Teile 12, 14, 18 und 20 sind abgedichtet und mit einem geeigneten Durchgang miteinander verbunden. An da.s Rohr 20 ist ein Absaugerohr 22 und eine Vakuumpumpe angeschlossen, durch die im Durchgang Vakuum aufrecht erhalten wird. Der die Eintrittsöffnung enthaltende Teil oder die Buchse 26 ist in das obere Ende des Rohres 20 eingesetzt und ragt in den Tiegel 28, der durch eine geeignete Heizvorrichtung, z.B. eine elektrische Induktionsheizvorrichtung 30, bei der gewünschten erhöhten Temperatur gehalten wird. Der Strangträger 10 wird durch die Buchse 26 in den Tiegel 28 eingeführt, wo der Stab mit dem geschmolzenen Kupfer 31 in Berührung kommt, das an den Stab angegossen wird. Hierauf wird nachstehend näher eingegangen.
Geschmolzenes Kupfer wird dem Tiegel 28 vom Schmelzofen zugeführt, der durch mehrere Strahlungswärme abgebende elektrische Heizkörper 34 aus Siliciumcarbid erhitzt wird. Kathodenkupferplatten 35 oder ein anderes geeignetes Ausgangsmaterial mit niedrigem Sauerstoffgehalt wird dem Ofen 32 mit einer beliebigen geeigneten Vorrichtung, z.B. einem (nicht dargestellten) mechanischen Antrieb, zugeführt. Der Ofen ist zweckmäßig mit einem schrägen oder geneigten Teil 36 und einem damit zusammenhängenden waagerechten Abschnitt 38 versehen. Die Kathodenkupferplatten werden in den Abschnitt 36 des Ofens durch eine Klapptür eingesetzt und
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auf dem s chrägen Abschnitt allmählich geschmolzen, während sie dem waagerechten Abschnitt 38 zuwandern, wo sich ein Bad des geschmolzenen Metalls sammelt. Das geschmolzene Metall fließt «lurch den Durchgang 42 in den Angußtiegel 28, Das Niveau des geschmolzenen Metalls im Tiegel und die Strömungsgeschwindigkeit werden durch einen geeigneten Flüssigkeitsstandregler 44 von bekannter Bauart geregelte
Eine reduzierende Atmosphäre kann dem Ofen durch Leitung von einer (nicht dargestellten) Quelle zugeführt werden. Die reduzierende Atmosphäre senkt den Sauerstoffgehalt des Kupfers zweckmäßig auf weniger als 20 Teile pro Million und hält ihn bei diesem niedrigen Wert» Gegebenenfalls kann auch Graphit oder Holzkohle der Schmelze zugesetzt werden, um den Gehalt des im gesclmDlzenen Kupfer vorhandenen Sauerstoffs zu erniedrigen. Zweckmäßig wird eine inerte Atmosphäre, wie Stickstoff, oder eine leicht reduzierende Atmosphäre aus Wasserstoff und/oder Kohlenoxyd in Mischung mit Stickstoff über dem geschmolzenen Metall im Tiegel gehaltene Diese Atmosphäre kann dem Tiegel durch Leitung 49 vom Vorratsbehälter 50 zugeführt werden. Während der Strangträger 10 durch das Bad aus geschmolzenem Metall im Tiegel gezogen wird, setzt sich Kupfer progressiv am Strangträger an, wodurch ein Stabmaterial von größerem Durchmesser gebildet und das geschmolzene Metall fest mit dem Strangträger verbunden wird.
Ein langgestrecktes Rohr 52 ragt aus dem Tiegel 28 nach oben, Der gebildete Gußstab mit dem angegossenen Kupfer wird aus dem Tiegel dem Verlängerungsrohr zugeführt. Der aus dem Tiegel und dem Verlängerungsrohr austretende Gußstab hat eine verhältnismäßig hohe Temperatur, die dem Schmelzpunkt von Kupfer (1083°C) nahekommt, und wird durch die Kühlvorrichtung 54·, z.B. eine Wassersprühdüse, die im Kühlturm 55 angeordnet ist, etwas gekühlt, bevor der Stab durch den regelbaren Antriebsmotor 56 in das Gehäuse 58 geführt wird,
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wo der Stab gebogen und dann zu einem Walzgerüst geleitet wird, wo er warmverformt wird.
Kupfer ist jedoch durch Warmbrüchigkeit gekennzeichnet, so daß die Duktilität des Metalls bei Temperaturen über etwa 95O0C geringer wird. Der aus dem Verlängerungsrohr austretende Gußstab hat gewöhnlich eine Temperatur von etwa 105O0C. Damit er gebogen und anschließend warmverformt werden kann, wird er durch das aufgesprühte Wasser oder eine andere geeignete Vorrichtung auf eine Temperatur von etwa 95O0C oder etwas weniger gekühlt. Der Gußstab wird dann durch das Rohr 60 zum Gehäuse 62 geführt, das eine Losrolle 64 enthält, die die Geschwindigkeit des Walzwerks auf die Geschwindigkeit und Größe des in das Losrollengehäuse eintretenden Gußstabes abstimmt. Von dort wird der Stab durch das Walzwerk 66 geführt, wo sein Durchmesser durch mechanische Bearbeitung verringert wird. Die Zahl der Walzgerüste, die zur Warmverformung verwendet werden, hängt von der gewünschten Größenabnahme ab und kann von etwa 2 bis 8 Walzenpaaren oder mehr variieren. Im allgemeinen wird bei einer Stabtemperatur von etwa 650 bis 90O0C, vorzugsweise etwa 750 bis 8500C gewalzt. Die Stabtemperatur darf während des Walzens wegen der Warmbrüchigkeit nicht zu hoch sein. Andererseits ist es gewöhnlieh zweckmäßig, das Walzen bei einer Temperatur durchzuführen, die hoch genug ist, um eine Kaltverformung zu vermeiden, denn wenn der Stab kaltverformt wird, muß er anschließend angelassen werden, bevor er zu Draht gezogen werden kann. Aus diesen Gründen wird der Gußstab bei ungefähr der Temperatur warm·^ verformt, bei der Kupfer maximale Verformbarkeit hat.
Vom Walzwerk gelangt der Stab in das waagerechte Rohr 67, durch das eine mit hoher Geschwindigkeit umgewälzte Kühlmittellösung fließt, die dazu dient, den Stab abzuschrecken und ihn unter die Temperatur zu kühlen, bei der Kupfer an der Luft oxydiert. Im allgemeinen wird der Stab beim Austritt aus dem Rohr 67 auf eine Temperatur von weniger als
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10O0G, vorzugsweise auf etwa 30 bis 400C gekühlt« Der "blanke oxydfreie Stab kann dann durch einen Risseprüfer 68, z.B. einen "Magnatest" und dann zu einer Wickelanlage 69 geführt werden»
ftie vorstehend erwähnt, ist der aus dem Tiegel austretende Gußstab verhältnismäßig heiß, und die Oberfläche oxydiert schnell, wenn sie der Luft ausgesetzt wird« Aus diesem G-runde wird der Gußstab in einer geregelten reduzierenden Atmosphäre gehalten, bis er mechanisch bearbeitet und unter die Temperatur gekühlt wird, bei der Kupfer an der Luft oxydiert, deh. unter 1000G. Die Erfindung ist insofern bemerkenswert, als die Verformung, die gleichzeitig während des Angießens vorgenommen wird, ausschließlich unter der reduzierenden Atmosphäre durchgeführt wird. Gemäß der Erfindung wird die redazierende Atmosphäre aus Wasserstoff und Stickstoff dem Walzwerk durch den Eintritt 70 von einer beliebigen geeigneten (nicht dargestellten) Quelle zugeführt. Es ist jedoch zu bemerken, daß der Gußstab vom Tiegel bis zuDi Austritt aus dem Kühlrohr 67 vollständig eingeschlossen ist, so daß die reduzierende Atmosphäre den Stab umhüllt, während er durch den Kühlturm 55» das Gehäuse 58, das Rohr 60, das Gehäuse 62, das Walzwerk 66 und das Kühlrohr 67 läuft. Vorzugsweise werden mehrere Einlasse zur Einführung des reduzierenden Gases längs dieses Weges vorgesehen. In der Abbildung sind die Einlasse 70 am Gehäuse 58 und am Gehäuse 62 dargestellt. Auf diese Weise wird der heiße Kupferstab gegen die Luft geschützt, so daß eine Oxydation der Oberfläche während der Verformung im wesentlichen verhindert wird. In der Praxis sind jedoch die Vorrichtungen für den großtechnischen Betrieb verhältnismäßig groß, so daß sie nicht hermetisch abgedichtet werden können. Demzufolge kann eine geringe Luftmenge in die Umgebung, in der die mechanische Bearbeitung erfolgt, eindringen« Aus diesem Grunde stellt der vorhandene Wasserstoff eine Sicherung gegen jegliche Oxydation dar, die stattfinden könnte.
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Wasserstoff ist bekanntlich ein explosives Gas. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, nicht mehr als 15 Vol.-#, vorzugsweise nicht mehr als etwa 10 Vol.-$ Wasserstoff in der geregelten Atmosphäre zu verwenden. Die erforderliche Wasserstoffmenge hängt in erster Linie vom Wirkungsgrad der Anlage ab. Gegebenenfalls kann Wasserstoff in Kombination mit einer geringen Menge Kohlenoxyd als zweites Reduktionsmittel verwendet werden. Kohlenoxyd ist jedoch giftig und wird aus diesem Grunde nicht in Mengen von mehr als etwa 5 Vol.-$, vorzugsweise etwa 2 Vol.-#,. verwendet. Bei Verwendung von Kohlenoxyd in Mischung mit Wasserstoff darf das Gemisch nicht mehr als etwa 15 VoI,-"/>, vorzugsweise nicht mehr als etwa 10 Vol·-^ ausmachen. Eine geeignete Atmosphäre enthält Stickstoff, etwa 5 Vol.-56 Wasserstoff und 5 Vol.-96 Kohlenoxyd. Wenn die Umgebung im wesentlichen frei von Undichtigkeiten ist, durch die Luft eindringen kann, kann eine Atmosphäre verwendet werden, die aus Stickstoff, etwa 2 Vol.-96 Wasserstoff und 2 V0I.-96 Kohlenoxyd besteht.
Die Erfindung wird duarch den folgenden Versuch weiter veranschaulicht: Kupferstabmaterial wurde wie folgt hergestellt: Ein Strangträger aus Kupfer, der einen Durchmesser von 9»65 mm hatte, wurde durch ein Bad von geschmolzenem Kupfer geführt, das in einem Tiegel enthalten war. Der aus dem Tiegel austretende Stab hatte einen Durchmesser von 15»9 mm. Der heiße Stab wurde durch Aufsprühen von Wasser auf etwa 95O°C gekühlt und dann um etwa 135° gebogen, um ihn durch ein Kühlrohr und dann zu einer Geschwindigkeitsregelung mit Hilfe einer Losrolle und in da.a Walzwerk zu führen, wo der Stab bei etwa 8500C gewalzt und auf einen Durchmesser von 9t53 mm reduziert wurde. Der erhaltene warmverformte Stab, der auf einer Wickelmaschine aufgewickelt wurde, hatte hohe Qualität und eine im wesentlichen oxydfreie Oberfläche.
Außer der Gewinnung eines mechanisch warmverformteη Stabes, der praktisch keine oxydierte Oberfläche hat, hat die Er-
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findung zahlreiche weitere Vorteile, Beispielsweise ist es nicht erforderlich, den Kupferstab zu beizen, "bevor er zu Draht gezogen wird, wodurch Metall geapart und ein Arbeitsgang überflüssig wird. Ea wurde gefunden, daß die Oxydation der Oberfläche des heißen Gußstabes die Mitnahme von Material durch die Walzen verschlimmerte. Da die Oberflächenoxydation praktisch ausgeschaltet wird, ergibt sich eine entsprechende Verringerung oder Ausschaltung der Materialmitnahme durch die Walzen. Hierdurch werden wiederum Striemen und Oberflächenfehler auf dem Stab durch das von den Walzen mitgenommene Material verhindert. Es ist bemerkenswert, daß alle diese Vorteile erzielt werden, während das Stabma.terial bei seiner Bildung durch das Angußverfahren gleichzeitig mechanisch bearbeitet wird, wobei völlig unter einer geregelten reduzierenden Atmosphäre gearbeitet wird.
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Claims (5)

- ίο - Patentansprüche
1) Verfahren zur Herstellung von Halbzeug aus Kupfer durch Angießen an einen endlosen Strangträger, der kontinuierlich durch geschmolzenes Kupfer gezogen wird, das in einem Tiegel enthalten ist und hierbei an den Strangträger angegossen wird, und Abziehen des gebildeten Halbzeugs aus dem Tiegel, dadurch gekennzeichnet, daß man das gegossene Halbzeug auf eine Temperatur kühlt, die mechanische Bearbeitung des gegossenen Hablzeugs ohne Rißbildung ermöglicht, den Durchmesser des gegossenen Halbzeugs durch mechanische Bearbeitung verringert und das erhaltene bearbeitete Material unter die Temperatur kühlt, bei der Kupfer an der Luft oxydiert, wobei sämtliche Arbeitsgänge in einer Schutzatmosphäre aus Wasserstoff und Stickstoff durchgeführt werden und eine Oxydation des gegossenen Halbzeugs während der Arbeitsgänge im wesentlichen verhindert wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgasatmosphäre nicht mehr als 15 Vol.-#, vorzugsweise nicht mehr als 10 Vol.-^ Wasserstoff enthält.
3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Bearbeitung in einem Temperaturbereich von 650 bis 95O0C, vorzugsweise von 750 bis 8500C durchgeführt wird·
4) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die zweite Kühlung die Temperatur des gegossenen und bearbeiteten Halbzeugs auf weniger als etwa 1000C gesenkt wird.
5) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sohutzgasatmosphäre außerdem Kohlenoxyd enthält·
209814/030$ BADORtQtNAL
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