DE19622111A1 - Verfahren zur Herstellung eines Leiterstabs und Leiterstab - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Her­ stellung eines Leiterstabs mit einem Kern aus einem Kup­ ferwerkstoff und einem Mantel aus Titan und andererseits einen solchen Leiterstab.

Solche Leiterstäbe werden insbesondere für die Herstellung der Stromleiter von Elektroden für industrielle Anwendungen benötigt. Kupfer hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Schon geringe Verunreinigungen können jedoch die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers stark herabsetzen.

Die Fertigung der Leiterstäbe erfolgt durch Pressen eines Verbundbolzens aus Kupfer mit einer Titanhülse. Die Preß­ temperatur liegt dabei unterhalb von 875°C, da ansonsten ein Eutektikum zwischen Titan und Kupfer eintritt. Dies kann zu einer Verschlechterung des Verbunds zwischen Kupfer und Titan und zu einer frühzeitigen Alterung der späteren Elektrode bei Überhitzung oder Lufteintritt führen.

Die Stromzuführung an die Leiterstäbe wird in der Regel durch eine Schraub- oder Lötverbindung hergestellt. Hier liegt ein Problem darin, daß reines Kupfer weich ist und sich deshalb nur schlecht zerspanen läßt. Der Werkstoff neigt zum soge­ nannten Schmieren. Die Herstellung eines stabilen und bestän­ digen Kontaktanschlusses ist daher aufwendig und konnte in der Vergangenheit nicht immer zufriedenstellend gelöst wer­ den.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Auf­ gabe zugrunde, ein ökonomisches Verfahren zur Herstellung ei­ nes titanummantelten Leiterstabs mit einem hochfesten Kern aus einem Kupferwerkstoff zu schaffen, wobei eutektische Re­ aktionen zwischen Kupferwerkstoff und Titan vermieden werden. Darüber hinaus zielt die Erfindung auf einen Leiterstab mit einem hochfesten Kern ab, an dem ein stabiler Kontaktanschluß hergestellt werden kann.

Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch ein Ver­ fahren nach Anspruch 1 gelöst.

Kernpunkt der Erfindung bildet die Maßnahme, zwischen dem Kern aus Kupferwerkstoff und dem Mantel aus Titan eine Diffu­ sionssperre vorzusehen, welche eutektische Reaktionen zwi­ schen den beiden Metallen vermeidet.

Grundsätzlich kann weiterhin reines Kupfer als Kern ein­ gesetzt werden. Im Rahmen der Erfindung sollen jedoch insbe­ sondere hochfeste Kupferlegierungen zum Einsatz kommen.

Zunächst wird ein Ausgangsbolzen hergestellt. Dazu wird ein Bolzenkern aus Kupferwerkstoff mit einer Diffusionssperre versehen. Auch wenn unterschiedliche Ausbildungen der Diffu­ sionssperre denkbar sind, wird diese zweckmäßigerweise von einer paßgenau an den Bolzenkern angepaßten metallischen rohrartigen Hülse gebildet. Wichtig ist, daß das Material der Diffusionssperre unterhalb der Preßtemperatur von ca. 1000°C kein Eutetikum mit Kupfer und/oder Titan bildet. Es bietet sich daher an, für die Diffusionssperre die Werkstoffe Eisen oder Nickel einzusetzen. Über die Diffusionssperre wird an­ schließend der Mantel aus Titan gezogen.

Der so gebildete Ausgangsbolzen wird auf Preßtemperatur von ca. 1000°C erwärmt und anschließend strangförmig verpreßt und auf bedarfsgerechte Längenabschnitte geteilt.

Zweckmäßig schließt sich an das strangförmige Verpressen eine weitere Querschnittsformung des Strangs an. Dies geschieht üblicherweise durch Ziehen oder Walzen, wie dies in Anspruch 2 charakterisiert ist.

Durch die Eingliederung der Diffusionssperre können eutekti­ sche Reaktionen zwischen dem Kupferwerkstoff und dem Titan zuverlässig vermieden werden. Auf diese Weise können Leiter­ stäbe hoher Qualität hergestellt werden, wobei Kupferwerk­ stoffe als Kern verwandt werden können, die wegen der eutek­ tischen Reaktion bisher nicht eingesetzt werden konnten.

Zur Verbesserung des Preßvorgangs kann der Ausgangsbolzen ge­ mäß den Merkmalen des Anspruchs 3 zusätzlich mit einer äuße­ ren Schmierhülle versehen werden.

Als praktisch vorteilhaft hat sich erwiesen, die Schmierhülle aus Eisen zu bilden. Dazu wird der Ausgangsbolzen in ein paß­ genau bereitgestelltes Eisenrohr eingebettet. Grundsätzlich kann die Schmierhülle aber auch von einem Kupferblech oder aus Nickel bzw. einer Nickellegierung gebildet werden. Denk­ bar ist auch der Einsatz von sogenannten Schmiergläsern.

Durch die Schmierhülle kann vermieden werden, daß das zum Fressen neigende Titan beim Preßvorgang durch Riefen- oder Freßmarkenbildung beschädigt wird.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 wird der Bolzenkern aus einer hochfesten Kupferlegierung gebildet.

Denkbar ist der Einsatz von Kupfer-Chrom-Legierungen oder Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierungen. Diese sind hochfest und aushärtbar. Desweiteren weisen sie eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Der Vorteil der Verwendung einer hochfe­ sten Kupferlegierung liegt in der gegenüber reinem Kupfer hö­ heren Härte und besseren Bearbeitbarkeit. Dementsprechend können die Leiterstäbe hergestellt werden mit gut leitenden und hochbeständigen Kontaktanschlüssen für die Stromzulei­ tung.

Nach den im Anspruch 5 charakterisierten Verfahrensschritten können der Strang oder die einzelnen Leiterstäbe einer zu­ sätzlichen Wärmebehandlung unterworfen werden.

Zweckmäßig wird das durch den Preßvorgang hergestellte Ver­ bundmaterial nach dem Pressen einem Lösungsglühen unterzogen. Hierdurch werden ausgeschiedene Bestandteile gelöst, um die Bildung versprödender intermetallischer Phasen zu vermeiden.

Falls erforderlich, können auch weitere Wärmebehandlungs­ schritte vorgenommen werden, um beispielsweise die Festigkeit zu steigern oder innere Spannungen abzubauen.

Anspruch 6 sieht vor, den Strang nach dem Ziehen einer Werk­ stoffprüfung zu unterziehen. So können Fehler im Inneren des Strangs festgestellt werden. Auch wenn unterschiedliche Prüf­ verfahren denkbar sind, bietet sich die Ultraschallprüfung an. Diese läßt sich sehr gut in das erfindungsgemäße Verfah­ ren einbinden.

Zur Herstellung eines Kontaktanschlusses für eine Strom­ zuführung kann die den Kern eines Leiterstabs umgebende Um­ hüllung bereichsweise entfernt werden. Hierzu werden die äu­ ßeren Schichten bis zum Kern abgedreht. Nach dem Abdrehen kann der freigelegte Kern mit einem Außengewinde versehen werden (Anspruch 7).

Der erfindungsgemäße Leiterstab ist gegenständlich in den Merkmalen des Anspruchs 8 charakterisiert.

Wichtig ist, daß der Kern von einer hochfesten Kupferle­ gierung gebildet ist. Dies ermöglicht die Herstellung guter und fester Kontaktanschlüsse. Ein Vorteil ist darin zu sehen, daß eine Verbesserung des Stromübergangs erreicht wird. Vor­ teilhaft ist weiterhin, daß auch der Austausch von im Einsatz befindlichen montierten Elektroden besser möglich ist. Erfin­ dungswesentlich ist weiterhin die Diffusionssperre zwischen dem Kern und dem Mantel, da diese nachteilige Gefügeverände­ rungen im Grenzbereich verhindert. Der erfindungsgemäße Lei­ terstab ist daher von hoher Qualität und alterungsbeständig.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Verfahrensablaufs und einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Ver­ fahrens;

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Leiterstab im vertikalen Längsschnitt und

Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der Fig. 2 entlang der Linie III-III.

Die Fig. 1 zeigt technisch generalisiert den Herstel­ lungsprozeß eines titanummantelten Leiterstabs 1.

Hierzu wird zunächst ein Ausgangsbolzen 2 hergestellt mit ei­ nem Bolzenkern 3 aus einer hochfesten aushärtbaren Kup­ ferlegierung und einem Mantel 4 aus Titan. Um den Aus­ gangsbolzen 2 bei der Lösungstemperatur der aushärtbaren Kupferlegierung verpressen zu können, wird als Diffu­ sionssperre 5 zwischen dem Bolzenkern 3 und dem Mantel 4 ein Eisenrohr 6 eingedreht. Eisen bildet unterhalb der Preßtempe­ ratur von ca. 1000°C kein Eutektikum mit Kupfer und Titan.

Auf den Bolzenkern 3 wird deshalb zunächst das Eisenrohr 6 geschoben. Danach folgt ein den Mantel 4 bildendes Titanrohr 7. Als äußere Schmierhülle 8 wird ein weiteres Eisenrohr 9 vorgesehen.

Das Titanrohr 7 und die Eisenrohre 6, 9 werden in einem vor­ geschalteten Arbeitsgang durch rohrförmiges Umformen und an­ schließendes Längsnahtverschweißen des Blechs 10 aus Titan bzw. der Bleche 11, 12 aus Eisen hergestellt.

Der Ausgangsbolzen 2 wird im nächsten Verfahrensschritt in einem Ofen 13 auf die Preßtemperatur von ca. 1000°C erwärmt und anschließend in einer Presse 14 zu einem Strang 15 ver­ preßt.

Im darauf folgenden Arbeitsgang wird der Strang 15 in einer′ Matrize 16 auf den Endquerschnitt 15′ gezogen. Hieran schließt sich eine Werkstoffprüfung mittels Ultraschallgerät 17 an. Auf diese Weise können Fehler im Inneren des Strangs 15 ermittelt werden.

In einer Sägevorrichtung 18 wird der Strang 15 zu den Leiter­ stäben 1 mit Fixlängen geteilt. Dabei werden zuvor festge­ stellte fehlerhafte Abschnitte des Strangs 15 berücksichtigt und ausgesondert. Anschließend erfolgt eine weitere Kontrolle mit Endabnahme und Versand.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Leiterstabs 19. Die Darstellungen sind nicht maßstäblich zu verstehen.

Der Leiterstab 19 weist einen Kern 20 aus einer Kupferle­ gierung und eine Umhüllung 21 auf. Die Umhüllung 21 wird von einer hülsenartigen Diffusionssperre 22 aus einem Nickelrohr und einem Mantel 23 aus Titan gebildet. Bei der für den Kern 20 verwendeten Kupferlegierung handelt es sich um eine hoch­ feste aushärtbare Kupfer-Chrom-Legierung.

An einem Ende 24 weist der Leiterstab 19 einen Schrauban­ schluß 25 auf. Zu dessen Herstellung ist die Umhüllung 21 be­ reichsweise bis zum Kern 20 abgedreht und auf den frei­ gelegten Bereich 26 ein Außengewinde 27 gerollt worden. Der Schraubanschluß 25 gewährleistet eine einwandfreie hochfeste Montage der Stromzuführung und einen sehr guten Stromüber­ gang.

Bezugszeichenliste

1 Leiterstab
2 Ausgangsbolzen
3 Bolzenkern
4 Mantel
5 Diffusionssperre
6 Eisenrohr
7 Titanrohr
8 Schmierhülle
9 Eisenrohr
10 Blech
11 Blech
12 Blech
13 Ofen
14 Presse
15 Strang
16 Matrize
17 Ultraschallgerät
18 Sägevorrichtung
19 Leiterstab
20 Kern
21 Umhüllung
22 Diffusionssperre
23 Mantel
24 Ende
25 Schraubanschluß
26 freigelegter Bereich
27 Außengewinde

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines Leiterstabs mit einem Kern aus einem Kupferwerkstoff und einem Mantel aus Ti­ tan, mit folgenden Maßnahmen:

• - Herstellen eines Ausgangsbolzens (2), wobei ein Bolzenkern (3) aus Kupferwerkstoff mit einem Mantel (4) aus Titan umhüllt und zwischen dem Bolzenkern (3) und dem Mantel (4) eine eine eutektische Reak­ tion vermeidende Diffusionssperre (5) vorgesehen wird;
• - Erwärmen des Ausgangsbolzens (2) auf Preßtempera­ tur;
• - strangförmiges Pressen des Ausgangsbolzens (2);
• - Teilen des Strangs (15) in bedarfsgerechte Leiter­ stäbe (1).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strang (15) vor dem Teilen einer weiteren Quer­ schnittsformung durch Ziehen oder Walzen unterzogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ausgangsbolzen (2) mit einer äußeren Schmierhülle (8) versehen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Bolzenkern (3) aus einer hochfe­ sten Kupferlegierung gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strang (15) oder der Leiterstab (1) einer Wärmebehandlung unterworfen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Strang (15) nach dem Ziehen einer Werkstoffprüfung unterzogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die den Kern (20) umgebende Umhüllung (21) bereichsweise entfernt und der freigelegte Kern (26) mit einem Außengewinde (27) versehen wird.

8. Leiterstab mit einem Kern aus einem Kupferwerkstoff und einem Mantel aus Titan, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3, 20) von einer hochfesten Kupferlegierung gebil­ det und zwischen den Kern (3, 20) und den Mantel (4, 23) eine eutektische Reaktionen zwischen der Kupferlegierung und dem Titan verhindernde hülsenartige Diffusionssperre (5, 22) eingegliedert ist.