DE2208270B2 - Tandemzieh- und glühverfahren für elektrischen Leiterdraht sowie Schmiermittel für das Verfahren und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es aus der DE-PS 8 78 504 bekannt ist, sowie auf ein Schmiermittel für dieses Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Für die Verwendung von Aluminium anstelle von Kupfer als Leitermaterial für elektrische Kabel spricht zunächst, daß Bauxit in vielen Ländern vorhanden und praktisch unerschöpflich ist, wohingegen die Kupfervorräte sowohl auf wenige Lagerstätten konzentriert als auch nur in beschränkter Menge verfügbar sind. Aluminium ist daher billiger, leichter zu beschaffen und geringeren Preisschwankungen als Kupfer unterworfen. Bislang war jedoch der Einsatz von technisch reinem Aluminium für elektrische Adern auf Grund verhältnismäßig schlechter mechanischer Eigenschaften hinsichtlich eines geringen Dehnungskoeffizienten und einer hohen Materialermüdung in Verbindung mit nicht ausreichend hoher Streckgrenze und Zugfestigkeit begrenzt. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Aluminiumleiterdraht wurden Legierungswerkstoffe wie beispielsweise Silizium, Kupfer und Magnesium, reinem Aluminium hinzugefügt, doch zeigten diese Legierungen generell eine verhältnismäßig schlechte elektrische Leitfähigkeit. Andere Versuche zielten darauf ab, in ähnlicher Weise wie für Kupfer- und Stahldrähte durch aufeinanderfolgende Warmziehschritte mit zwischengeschalteten Erwärmungs- und Abkühlungsschnitten die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumleiterdrähten zu verbessern (DE-PS 78 504). Mit keinem dieser Versuche gelang es jedoch, einen Aluminiumdraht mit verhältnismäßig hoher Ermüdungsfestigkeit und verhältnismäßig hohen Dehnungskoeffizienten in Verbindung mit einer hohen

Streckgrenze und hoher Zugfestigkeit zu erzielen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art eine wesentliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eines elektrischen Aluminiumleiterdrah-

tes, insbesondere hinsichtlich hoher Ermüdungsfestigkeit und eines hohen Dehnungskoeffizienten zusammen mit hoher Streckgrenze und Zugfestigkeit zu erreichen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Patentansprüchen bis 4. Ein für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignetes Schmiermittel ist in dem Patent-

anspruch 5 angegeben, während im Patentanspruch 6

eine vom Stand der Technik nach der US-Patentschrift 36 968 ausgehende Vorrichtung zum Durchführen des

erfindungsgemäßen Verfahrens gekennzeichnet ist.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich erstmalig ein elektrischer Aluminiumleiterdraht herstellen, welcher gleichermaßen eine verhältnismäßig hohe Ermüdungsfestigkeit, einen hohen Dehnungskoeffizienten, eine hohe Streckgrenze und eine hohe Zugfestigkeit

besitzt und daher bei nachrichtentechnischen Anwendungen die dort fast ausschließlich verwendeten Kupferleiterdrähte in befriedigender Weise ersetzen kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Produktionsstraße zum Herstellen von elektrischem Aluminiumleiterdraht nach dem erfindurigsgemäßen Verfahren,

F i g. 2 und 3 eine Ansicht bzw. eine Draufsicht auf ein erfindungswesentliches Detail der Produktionsstraße nach F ig. 1,

F i g. 4 und 5 Diagramme mechanischer Parameter für einen nach einem bekannten Verfahren (Fig.4) und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Aluminiumleiterdraht und

Fig.6 ein elektrisches Blockschaltbild einer geschvyindigkeitsabhängigen Steuerungseinrichtung für die Widerstandserhitzung des Aluminiumleiterdrahtes bei dessen Bearbeitung auf der Produktionsstraße nach Fig. 1.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Produktionsstraße 22 wird ein aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehender, elektrischer Leiterdraht 21 sukzessiv durch einzelne Bearbeitungsstationen 26,27, 28, 29,31, 33 und 38 hindurchbewegt, um kontinuierlich eine isolierte elektrische Ader 23 zu erzeugen, deren leitender Teil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung besteht

Der das Ausgangserzeugnis für das durch die Produktionsstraße 22 veranschaulichte erfindungsgc* mäße Verfahren darstellende Leiterdraht 21 wird beispielsweise durch Auswalzen einer Aluminiumstange von 9,5 mm Durchmesser auf einen Draht mit einem Durchmesser von 2,6 oder 3,2 mm hergestellt. Der Draht 21 wird zunächst von einer Vorratstrommel 24 einem mehrkalibrigen Drahtzug 26 zugeführt, wo in mehreren Kaltziehvorrichtungen eine stufenweise Durchmesserreduktion des Drahtes 21 erfolgt. Und zwar werden aufeinanderfolgende Drahtabschnitte von 3,2 mm Stärke von der Vorratstrommel 24 durch ein Abstreifrohr eines Drahtträgers 40 zu der Plattform 45 hochgezogen, auf welcher die Bearbeitungsstationen der Produktionsstraße 22 aufgestellt sind. Bevor der Draht 21 in den Drahtzug 26 einläuft, wird er von einem Grenzwertmelder 42 abgetastet, der im Falle eines Hängenbleibens des Drahtes 21 über ein Magnetventil ein Schermesser 43 betätigt, um den Draht 21 an dem Austritt aus dem Drahtzug 26 abzutrennen. Das Abziehen des Drahtes 21 von der Vorratstrommel 24 erfolgt durch mehrere Reibrollen 39, welche auch den Draht 21 durch mehrere Kaltziehvorrichtungen 41 hindurchziehen. Die Ziehvorrichtungen 41 weisen nicht dargestellte Durchgänge mit fortschreitend abnehmendem Innendurchmesser auf, welche den Drahtdurchmesser auf einen Wert in der Nähe des gewünschten Fertigdurchmessers reduzieren, beispielsweise von 3,2 mm oder 2,6 mm auf 0,9 mm. Die Zugfestigkeit des Drahtes 21 beträgt bei einem aus Reinaluminium bestehenden Draht nach erfolgtem Kaltziehschritt in dem Drahtzug 26 etwa 1900kp/cm², während die Streckgrenze bei etwa 1690 kp/cm² und der Dehnungskoeffizient bei etwa 1,5 liegen. Ein derartiger Draht würde aufgrund des relativ niedrigen Dehnungskoeffizienten den beim Verseilen des Drahtes zu einem Kabel auftretenden Biegebeanspruchungen nicht gewachsen sein und brechen. Nach Verlassen des Drahtzugs 26 tritt der Draht 21 in ein erstes Reinigungsbad 27 ein, wo mit Hilfe eines Lösungsmittels wie beispielsweise Trichlorotrifluoroäthan der kaltgezogene Draht 21 von anhaftenden, beim Kaltziehvorgang verwendeten Substanzen gereinigt wird, die ansonsten bei der nachfolgenden Widerstandserhitzung des Drahtes 21 verrauchen oder verkohlen würden. Das Bad 27 kann mit einem nicht dargestellten Ultraschallgenerator in Vibration versetzt werden, um den Reinigungsvorgang zu unterstützen. Ferner kann das Bad 27 im geschlossenen Kreislauf mit ίο zwei, auf geringem Unterdruck gehaltenen Reinigungsbehältern, einem Wärmeaustauscher, einem Verdampfer, einem Kondensor und einem Kohlenstoffabsorber in nicht dargestellter Weise verbunden sein, um schädliche, durch den niedrigen Siedepunkt des Lösungsmittels entstehende Dämpfe zu reduzieren und um das verhältnismäßig teure, verbrauchte Lösungsmittel wiederzugewinnen.

Nach erfolgter Reinigung in dem Bad 27 werden die aufeinanderfolgenden Abschnitte des Drahtes 21 zur Heizeinrichtung 28 weiterbewegt, wo der Draht 21 mittels induktiver Widerstandsheizung auf eine Temperatur von beispielsweise 342° C erhitzt wird. Wie aus Fig.2 näher hervorgeht, wird der Draht 21 in der Heizeinrichtung 28 unter eine ortsfeste drehbare Führungsrolle 44 sowie über eine justierbare, drehbare Führungsrolle 46 aus nichtleitendem Material geleitet, bevor er in einer Schleife um zwei Rollen 47, 48 aus nichtleitendem Material gelenkt und schließlich unterhalb einer Rolle 49 herausgeführt wird. Die einsteilbare Rolle 48 ist in einem gekrümmten Schlitz 50 angebracht, welcher die Einstellung des Drahtschlupfes bezüglich der Rolle 47 gestattet indem der Winkel geändert wird, unter welchem der Draht 21 die Rolle 47 erreicht. Die Umfangsflächen der Rollen 47, 48 sind jeweils durch V-förmige Nuten 53 bzw. 54 gebildet, welche mit Isoliermaterial beschichtet sind, beispielsweise Chromoxid. Die Nut 53 in der oberen Rolle 47 gewährleistet, daß die einlaufenden Drahtabschnitte 41 die austretenden Drahtabschnitte 52 über eine größere Länge der austretenden Drahtabschnitte 52 überdecken, um einen optimalen Berührungswiderstand zwischen den aufeinanderfolgenden Abschnitten des Drahtes 21 zu erhalten und eine ausreichende Reibung zwischen den Drahtabschnitten und der Rolle 47 zu gewährleisten. Die Heizeinrichtung 28 ist mit einem Transformator 56 bestückt welcher den Schleifenabschnitt 55 des Drahtes 21 erwärmt, wenn aufeinanderfolgende Drahtabschnitte durch Öffnungen 57 im Eisenkern 58 des Transformators 56 hindurchlaufen. Der Eisenkern 58 ist so mit einer Wicklung 59 versehen, welche ein magnetisches Wechselfeld in dem Kern 58 induziert, welches seinerseits in dem Schleifenabschnitt 55 des Drahtes 21 einen Strom hervorruft, der den Draht 21 erhitzt. Da sich der einlaufende Drahtabschnitt 51 und der austretende Drahtabschnitt 52 kontinuierlich überlappen, wird eine Streuung des im Schleifenabschnitt 55 induzierten Stroms auf andere Drahtabschnitte 21 vermieden. Die elektrisch isolierende Beschichtung der Rollen 47, 48 verhindert eine Lichtbogenbildung zwischen den Rollen 47, 48 und dem Draht 21. Des weiteren sind bei der Heizeinrichtung 2β Vorkehrungen getroffen, um Änderungen der Drahtgeschwindigkeit automatisch auszugleichen. Für die gegenseitige Beziehung zwischen der elektrischen Spannung der Heizeinrichtung 28 und der Drahtgeschwindigkeit gilt bekanntlich, daß die Spannung proportional zur Quadratwurzel aus der Drahtgeschwindigkeit, unabhängig vom Drahtdurchmesser und abhängig von der gewünschten

Drahttemperatur ist. Zur automatischen Spannungssteuerung der Heizeinrichtung 28 ist bei der Produktionsstraße 22 eine Erfassungseinrichtung 60 (F i g. 6) für Drahtgeschwindigkeitsabweichungen vorgesehen, die eine zwischen der Primärwicklung 59 und der einen Klemme einer 440-Hz-Wechselspannungsquelle angeordnete Antiparallelschaltung zweier Thyristoren 61 aufweist, die eine Phasenanschnittssteuerung der Transformatorspannung ermöglicht. Hierzu sind die Steuerelektroden 64 der Thyristoren 61 über Steuerleitungen 63 mit einer Zündschaltung 62 verbunden, welche gemäß Fig.6 von einem an einem Steuerpult angebrachten Potentiometer 65 mit einem Sollwert und von einem über einen Antriebsmotor 67 riemengetriebenen Tachometer 66 mit einem Istwert beaufschlagt wird, der proportional der Quadratwurzel aus der Drahtgeschwindigkeit ist. Das aus dem Sollwert-Istwertvergleich gewonnene Fehlersignal wird von der Zündschaltung 62 in einen entsprechenden Phasenanschnittswinkel umgesetzt, so daß der Mittelwert der Transformatorspannung von der Abweichung der Drahtgeschwindigkeit verstellt und damit die Heiztemperatur des Drahtes 21 automatisch an die Drahtgeschwindigkeit angepaßt wird.

Nach erfolgter Erhitzung wird der Draht 21 über ein mit Rollen 68,69,70,73, einer Lagerbuchse 71 und einer Pendelstange 72 bestücktes Pendellaufwerk 29 einem zweiten Drahtzug 31 zugeführt, welcher das Kernstück für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.

Wie aus den F i g. 2 und 3 hervorgeht, tritt der erhitzte Draht 21 mit einer Temperatur oberhalb seiner Rekristallisationstemperatur durch eine in einer vorderen Wandung 76 eines Schmiermitteltanks 75 des Drahtzugs 31 angebrachte Dichtungsöffnung 74 ein und verläuft von dort zu einer Ziehvorrichtung 77, die ein kurzes Stück hinter der Dichtungsöffnung 74 innerhalb des Tanks 75 angebracht ist. Die Ziehvorrichtung 77 kann auf einem Ultraschallgenerator 78 befestigt sein. Durch Vibration des Drahtes 21 und durch Umrühren des im Tank 75 eingefüllten Schmiermittels können die erforderliche Ziehkraft verringert und die Oberflächenbeschaffenheit des Drahtes 21 verbessert werden. Die Ziehvorrichtung 77 reduziert den Drahtdurchmesser fast auf den gewünschten Endwert, welcher beispielsweise bei etwa 7,35 mm liegt. Durch diesen Warmziehvorgang besitzt der Draht 21 indessen keine optimalen Eigenschaften. Versuche haben gezeigt, daß sich bei einem lediglich warmgezogenen Draht 21 nur der Dehnungskoeffizient, nicht aber die Streckgrenze und so die Zugfestigkeit verbessert

Der Draht 21 wird innerhalb des Tanks 75 von einer keramischen oder aus Stahl bestehenden Reibrolle 79 vorwärts bewegt, die in dem Tank 75 hinter der Ziehvorrichtung 77 angeordnet ist Nach Durchlaufen des Tanks 75 tritt der Draht 21 durch ein Wischwerkzeug 80 aus, das in einer rückwärtigen Wandung 81 des Tanks 75 angebracht ist Das Wischwerkzeug 80 behandelt die Oberfläche des Drahtes 21 abschließend, was zu einer Durchmesserreduzierung des Drahtes 21 m> um etwa 2^5 χ 10~² mm führt Gleichzeitig bewirkt das Wischwerkzeug 80 eine Entfernung des größten Teils des an dem Draht 21 anhaftenden Schmiermittels 32. Die Reibrolle 79 dient zusätzlich zur Wärmeableitung der Restwärme des Drahts 21 an das Schmiermittel 32.

Der Tank 75 ist nur teilweise mit dem Schmiermittel 32 gefüllt, welches über einen Einlaß 82 in einer Seitenwandung 83 (Fig.3) in den Tank 75 eingeleitet wird. Der Schmiermittelpegel des Tanks 75 wird durch eine Überlaufkammer 84 (F i g. 3) auf einem gewünschten, konstanten Wert gehalten. Die Überlaufkammer 84 weist eine Wandung 86 auf, welche die Drahtbewegungsbahn etwas überragt. Bei Eintritt des Schmiermittels 32 in den Tank 75 steigt dieses in dem Tank 75 hoch und läuft stetig über die Wandung 86 in die Kammer 84, von wo es durch einen Ablauf 87 (F i g. 3) im Boden der Kammer 84 austritt. Das Schmiermittel 32 gelangt von dort über eine schematisch in Fig.3 dargestellte Rohrleitung 88 in ein nicht dargestelltes zentrales Filtersystem, wo es gereinigt und durch den Einlaß 82 in den Tank 75 zurückgepumpt wird.

Die Temperatur des im Kreislauf zirkulierenden Schmiermittels 32 kann durch bedarfsweise Einschaltung eines Heizelementes 93 oder eines Kühlelementes 94 (F i g. 3) über eine nicht dargestellte Zentralversorgung gesteuert werden. Auf diese Weise kann eine gleichförmige Schmiermitteltemperatur aufrechterhalten werden, wobei das Schmiermittel 32 stetig durch den Tank 75 zirkuliert wird, um einen Gleichgewichtstemperaturzustand zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Die mit hoher Drehzahl umlaufende Reibrolle 79 steigert die Turbulenz in dem zirkulierenden Schmiermittel 32, was wiederum den Wärmeübergang zwischen dem Draht 21 und dem Schmiermittel 32 erhöht und das Schmiermittel auf praktisch konstanter Temperatur in unmittelbarer Nähe der Ziehvorrichtung 77 hält.

Wenn Aluminiumdraht durch einen einzigen Warmziehschritt einer Querschnittsreduzierung von etwa 20% unterworfen wird, so zeigte sich, daß eine Einstellung der Schmiermitteltemperatur auf etwa 49°C zu einem Draht mit sehr günstigen Kennwerten führte. Ferner zeigten die Versuche, daß die Drahttemperatur beim Eintritt des Drahtes in den Drahtzug 31 bei etwa 314°C und beim Austritt aus dem Drahtzug 31 zwischen 121-C und 166° C liegt Während des Durchlaufs durch den Drahtzug 31 fällt somit die Drahttemperatur um etwa 150" C infolge des Wärmeübergangs zwischen Draht 21 und Schmiermittel 32 bzw. Reibrolle 79 ab. Die Temperatur des Schmiermittels 32 erreicht nach der Anlaufphase infolge des Wärmeüberganges vom Draht 21 einen Wert von etwa 150⁰C.

Die erwähnten Versuche wurden auf einer Versuchsanlage durchgeführt, bei der das Schmiermittel 32 auf eine Temperatur im Bereich von 121⁰C erhitzt wurde. Die Versuche zeigten, daß die Verwendung eines Heizelementes 93 nicht unbedingt erforderlich ist. Ferner wurde auf der Versuchsanlage eine Versuchsreihe gefahren, bei der das Schmiermittel 32 lediglich auf Temperaturen im Bereich zwischen 38° C und 54° C anstatt auf Temperaturen im Bereich zwischen 93° C und 121°C aufgeheizt wurde. Es zeigte sich, daß der niedrigere Temperaturbereich durchaus zufriedenstellende Ergebnisse lieferte. Und zwar befindet sich nach der Anlaufphase der Produktionsstraße 22 der erhitzte Draht 21 auf einer Temperatur, die ausreichend hoch ist, um Wärme auf das Schmiermittel 32 zu übertragen und dessen Temperatur anzuheben. Obgleich das Schmiermittel 32 Teil eines zirkulierenden Zentralsystems ist, ist die Wärmeübertragung ausreichend groß, um die Schmiermitteltemperatur gegenüber der Temperatur des Versorgungssystems anzuheben. Der Drahtzug 31 befindet sich räumlich so dicht an der Heizeinrichtung 28, daß bei der Bewegung der aufeinanderfolgenden Drahtabschnitte von der Heizeinrichtung 28 zu dem Drahtzug 31 sehr wenig Wärme verlorengeht Ferner wirkt die Reibrolle 79 als Wärmeableitung und

überträgt in wirksamer Weise eine gewisse, von den darauf aufgewickelten Drahtabschnitten aufgenommene Wärmemenge auf das Schmiermittel 32.

Bei den genannten Versuchen wurde festgestellt, daß die kontinuierliche automatische Steuerung der Heizeinrichtung 28 sowie der Wärmeverlust in den aufeinanderfolgenden Drahtabschnitten zwischen der Heizeinrichtung 28 und dem Drahtzug 31 von Bedeutung ist. Und zwar wird durch die genannte Steuerung sichergestellt, daß die Drahttemperatur beim Einlauf des Drahtes 21 in den Drahtzug 31 im wesentlichen gleich der erreichten Temperatur beim Erhitzen in der Heizeinrichtung 28 und im allgemeinen größer als die Rekristallisationstemperatur des Drahtmaterials ist. Eine Steuerung muß auch über das Schmiermittel 32 und den vom Draht 21 im Schmiermittel 32 zurückgelegten Weg erfolgen, um sicherzustellen, daß die Temperatur des Drahtes 21 nach Verlassen des Schmiermittels 32 im Bereich zwischen etwa 121 und 166° C liegt.

Die Erfassungseinrichtung 60 regelt entsprechend den vorstehenden Erläuterungen die Drahttemperatur bei dessen Erhitzung mittels der Heizeinrichtung 28. Diese Regelung gestattet zusammen mit dem vorgegebenen Abstand zwischen der Heizeinrichtung 28 und dem Drahtzug 31 sowie zusammen mit der Möglichkeit einer Steuerung der Schmiermitteltemperatur zu jedem Produktionszeitpunkt einschließlich der Anlaufphase die erforderliche Steuerung der Temperatur des Drahtes 21.

Der Draht 21 tritt aus dem Drahtzug 31 in einem teilweise erhärteten Zustand aus. Wenn der Draht 21 aus einem für elektrische Leitungen geeigneten Aluminium besteht, wird die Streckgrenze des Drahtes 21 durch den Drahtzug 31 beispielsweise von 423kp/cm² auf etwa 915 kp/cm² gesteigert, während sich die Zugfestigkeit von 775 kp/cm² auf etwa 1058 kp/cm² erhöht und sich der Dehnungskoeffizient von etwa 25 auf etwa 10 reduziert

Durch Verringerung der Temperatur des Drahtes 21 nach Durchlaufen des Drahtzugs 31 ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß sich auf dem kühleren Draht 21 besser eine nicht gezeigte Isolierung mit Hilfe des Extruders 34 aufbringen läßt Falls der Draht 21 zu kühl ist wirkt er als Wärmespeicher, so daß das aus Kunststoff bestehende Isolierungsmaterial an der Drahtoberfläche erstarrt, bevor das gewünschte Maß an Haftung erzielt wird. Falls der Draht 21 zu heiß ist fließt das Isolierungsmaterial in mikroskopische Fehlerstellen der Drahtoberflächen, wodurch sich eine übermäßige Haftung ergibt. Aus diesem Grund muß die Temperatur des aus dem Drahtzug 31 austretenden Drahtes 21 vor seinem Einlaufen in den Extruder 34 genau gesteuert werden. Hierzu können Heiz- oder Kühleinrichtungen 25 zwischen dem Drahtzug 31 und dem Extruder 34 an jeder Seite eines Reinigungsbades 33 vorgesehen sein, in welchem der Draht 21 nach Verlassen des Drahtzugs 31 von Schmiermittel 32 gereinigt und gekühlt wird. Als Reinigungsmittel kann wiederum Trichlorotrifluoräthan vorgesehen werden. Der gereinigte und gekühlte Draht 21 wird dann durch einen Extruderkopf 97 geführt, um dort auf den fertig kalibrierten Draht einen Isolationsmantel aufzubringen. Falls dem aufextrudierten Isolationsmaterial ein Treibmittel zugesetzt wird, müssen die Extrudertemperaturen genauer gesteuert werden, beispielsweise innerhalb einer Toleranz von ±23°C, im Gegensatz zu Extruder-Temperaturtoleranzen von ±11°C bei einem Isolationsmaterial ohne Treibmittel.

Die aus Draht 21 und Isolationsmantel bestehende, isolierte Ader 23 wird anschließend durch ein Rohr 35 geführt, durch das Wasser mit einer geregelten Temperatur geleitet wird, um den aufextrudierten Is^'-nionsmantel abzukühlen und zu verfestigen. Das Wasser tritt in das Rohr 35 an einem Einlaß 98 ein, durchströmt das Rohr und gelangt von dort in Wassertanks 101, 102. Bei einem Aluminiumleiterdraht mit einer Stärke von 1,15 mm strömt das Kühlwasser im

ίο Rohr 35 entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Ader 23, wohingegen bei einem Aluminiumleiterdraht mit einer Stärke von 0,8 mm der Wasserstrom gleichgerichtet ist. Bei den erwähnten Versuchen auf der Versuchsanlage wurden Aluminiumleiterdrähte mit einer Stärke von 1,15 mm verarbeitet.

Zum Abziehen des Drahtes 21 bzw. der isolierten Ader 23 ist am Ende der Plattform 45 eine wassergekühlte Abziehvorrichtung 38 vorgesehen, die genutete, motorgetriebene Unterrollen 103, 104 und eine Oberrolle 106 aufweist. Hinter der Rolle 106 ist ein üblicher Blankdrahtanzeiger 107 angebracht, welcher die nicht mit Isolationsmaterial bedeckten Flächen des Drahtes 21 anzeigt Ferner sind noch andere übliche Meßgeräte, beispielsweise eine Durchmesserlehre 108 zur Messung des Aderdurchmessers, sowie mehrere, positiv vorgespannte Elektroden 109 zur Anzeige von Porendefekten der Aderisolation vorgesehen, um die isolierte Ader 23 zu prüfen, bevor sie auf zwei axial ausgerichteten, motorgetriebenen Trommeln 111 einer mit hoher Drehzahl laufenden Aufnahmeeinrichtung 37 aufgewickelt wird. Zwischen der Abziehvorrichtung 38 und der Aufnahmeeinrichtung 37 sind zwei Laufwerke 112, 113 mit Pendelrollen 117, 118 bzw. 114, 116 angebracht, um Änderungen der Abzugsgeschwindigkeit der Ader 23 auszugleichen.

In F i g. 4 sind Diagramme für die Zugfestigkeit, die Streckgrenze sowie den Dehnungskoeffizienten eines nach dem Stand der Technik hergestellten Aluminiumleiterdrahtes mit einer Stärke von 0,8 mm in Abhängigkeit von der Häufigkeit des Auftretens eines vorgegebenen Zustandes dargestellt. Bei seiner Herstellung wurde der Aluminiumleiterdraht auf eine Stärke von 0,81 mm kaltgezogen, anschließend erhitzt und danach auf seinen reduzierten Enddurchmesser von 0,91 mm warmgezogen. Gemäß Fig.4 beträgt die mittlere Streckgrenze etwa 900 kp/cm², während der mittlere Dehnungskoeffizient bei etwa 4,7 liegt.

F i g. 5 zeigt ein ähnliches Diagramm wie F i g. 4 für einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Aluminiumleiterdraht mit einem Durchmesser von 0,8 mm. Wie F i g. 5 zeigt besitzt dieser A.luminiumleiterdraht eine mittlere Streckgrenze von etwa 942 kp/cm², eine mittlere Zugfestigkeit von etwa 1055 kp/cm² und einen mittleren Dehnungskoeffizienten von etwa 10. Damit ergab sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine leichte Erhöhung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit während der mittlere Dehnungskoeffizient von etwa 4J auf etwa 10 gesteigert wurde.

Zur Erzeugung eines für elektrische Anwendungen geeigneten Aluminiumleiterdrahtes mit einem Durchmesser von 0,81 mm bei etwa 16 m/sec entsprechend den Kennwerten gemäß Fig.5 wird kaltgezogener Draht von 33 oder 2,6 mm von der Vorratstrommel gemäß F i g. 1 abgezogen und in dem Drahtzug 26 auf 0,91 mm gezogen. Infolge der wiederholten Durchläufe durch die Ziehvorrichtungen 41 des Drahtzuges 26 wird der Aluminiumleiterdraht 21 zusätzlich kaltverformt

wodurch die Innenspannung des Drahtes 21 bis zu einem Punkt steigert, wo der Draht auf die Temperaturzunahme in der Heizeinrichtung 28 rasch anspricht. Beim Durchlauf durch die Heizeinrichtung 28 erhöht sich die Drahttemperatur von etwa 82⁰C auf eine Temperatur im Bereich zwischen 332 und 360⁰C, wodurch sich der Großteil der Innenspannungen des Drahtes 21 verliert und der Draht 21 extrem duktil wird. Beispielsweise kann der Draht 21 bei einer Abzugs&cschwindigkeit von 12,8m/sec über eine Schleifenlänge in der Heizeinrichtung 28 von 3,8 m auf die erforderliche Temperatur erhitzt werden, wobei der Transformator 56 mit einer Frequenz von 60 Hz, einer Spannung von 54 Volt und einem Strom von 160A betrieben wird. Dabei wird durch die Erfassungseinrichtungen 60 sichergestellt, daß die Temperatur des Drahtes 21 bei Eintritt in den Schmiermitteltank 75 einen Wert zumindest gleich der Rekristallisationstemperatur des Aluminiums besitzt. Durch die in dem Schmiermitteltank 75 angebrachte Ziehvorrichtung 77 erfährt der Aluminiumleiterdraht 21 eine Querschnittsreduzierung von etwa 20%, wobei er sich während des Eintauchens in das Schmiermittel 32 noch von dem Heizschritt her auf erhöhter Temperatur befindet. Als Schmiermittel 32 wird üblicherweise ein Mineralöl mit oxidationsreduzierenden Zusätzen verwendet. Das in dem Drahtzug 31 zirkulierende Schmiermittel 32 wird generell auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten, damit die Temperatur des Drahtes 21 beim Durchlaufen durch die Ziehvorrichtung 77 nicht unter 93°C, d.h. unter die Rekristallisationstemperatur von Reinaluminium abfällt. Der günstigste Schmiermitteltemperaturbereich im Tank 75 liegt im betrachteten Beispielsfalle bei etwa 71°C.

Versuche zeigten, daß die Temperatur des Drahtes 21 von etwa 82° C auf einen Bereich zwischen 332° C und 360° C während des Heizschrittes ansteigt und um etwa 15O°C fällt, bevor der Draht 21 aus dem Drahtzug 31 austritt. Damit wird die Temperatur des Drahtes 21 bei dessen Aufenthalt im Drahtzug 31 bezüglich der Rekristallisationstemperatur des Drahtmaterials gesteuert

Bei einem Versuchsaufbau des Tanks 75 betrug der Abstand der Ziehvorrichtung 77 von der vorderen Tankwandung 10 cm, während der Abstand zwischen der Ziehvorrichtung 77 und der Reibrolle 79 (Durchmesser 78 mm) 28 cm betrug. Zwischen der Reibrolle 79 und dem Wischwerkzeug 80 legte der Draht 21 eine Strecke von 20 cm zurück. Das Wischwerkzeug 80 reduzierte den Drahtquerschnitt um etwa 1,5 χ 10"² mm oder weniger. Der Draht 21 verlief etwa 38 mm unterhalb des Schmiermittelspiegels.

Die Produktionsstraße 22 besitzt einen großen Anpassungsspielraum für Drähte mit verschiedenen Eigenschaften, und zwar dadurch, daß die Ziehgeschwindigkeiten, die Heizdauer, die Heiztemperatur usw, die prozentuale Querschnittsverringerung und die Temperatur des Schmiermittels 32 verändert werden können. Durch Steuerung der genannten Parameter lassen sich die Kurven gemäß F i g. 5 in gewünschter Weise verändern.

Nach erfolgter Extrusion des Isolationsmaterials auf den Draht 21 und im Anschluß an die Kühlung der isolierten Ader 23 im Rohr 35 erfolgt mittels der Rollen 103,104,106, der Reibrolle 38, des Blankdrahtanzeigers 107 und der verschiedenen Rollen 114,116,117,118 eine Rückwärtsbiegung der Ader 23, wodurch die Belastung innerhalb des Drahtes 21 vergleichmäßigt sowie der Dehnungskoeffizie.it und die Ermüdungsfestigkeit der Ader 23 erhöht wird.
Bei einem weiteren Versuchslauf wurde als Drahtmaterial eine Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung aus 0,75% Eisen, 0,14% Magnesium, 0,08% Silizium und 99,03% Aluminium verarbeitet. Die fertige Ader mit einem Drahtdurchmesser von 0,4 mm zeigte eine Streckgrenze von 1340kp/cm², eine Zugfestigkeit

ίο von 1547 kp/cm² und einen Dehnungskoeffizienten von 4. Die Heiztemperatur betrug etwa 314°C bei einer Transformatorfrequenz von 60 Hz; die Drahtabzugsgeschwindigkeit lag zwischen 10 m/s und 15 m/s; die Heizschleife besaß eine Länge von 3,05 m.

Die Beispiele zeigen insgesamt, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten elektrischen Aluminiumleiter mechanische Eigenschaften aufweisen, die den Eigenschaften der nach dem Stand der Technik hergestellten Aluminiumleiter überlegen sind. Ursächlich für diesen technischen Erfolg ist die Temperatursteuerung des Drahtes 21 zwischen seinem Eintritt in den Drahtzug 26 und seinem Eintritt in den Extruder 34. Und zwar wird der Draht 21 in dem Drahtzug 26 kaltgezogen und dann schlagartig aufgeheizt, wodurch die Drahttemperatur von etwa 82° C auf etwa 332° C bis 360° C ansteigt. Durch diese Erhitzung erfolgt eine Rekristallisation des Drahtmaterials, wodurch die kristallisierte Kornstruktur wieder aufgebaut und in gewissem Umfang die unerwünschten Folgen des Kaltziehschrittes vor dem abschließenden Warmziehschritt beseitigt werden. Für ein volles Kornwachstum befindet sich jedoch der Draht 21 zu kurz in der Heizeinrichtung 21. Wesentlich ist jedoch, daß der erhitzte und teilweise wieder kristallisierte Draht 21 mit einer Temperatur von etwa 314°C, d.h. generell oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Aluminiums in den Drahtzug 31 einläuft. Die Rekristallisationstemperatur von Reinaluminium liegt zwar bei etwa 93° C, doch steigt sie aufgrund von Verunreinigungen auf den Bereich von etwa 260° C. Wenn sich die Temperatur des Schmiermittels 32 auf etwa 71 °C befindet und so gesteuert wird, daß sie unterhalb der Rekristallisationstemperatur von Aluminium liegt, tritt der warmgezogene Draht 21 mit einer Temperatur zwischen 121° C und 166° C aus dem Schmiermitteltank 75 aus. Der Draht 21 hat dann eine generell feine Kornstruktur mit einer etwas ausgezogenen Kornstruktur im Kernbereich. Diese feine Kornstruktur ist möglicherweise für die verbesserten mechanischen Eigenschaften mit ursächlich. Vermutlich tritt beim Warmziehen zumindest ein gewisses Maß an Dehnungshärtung an den Randzonen des Drahtes 21 auf, wodurch die Zugfestigkeit und Streckgrenze verbessert werden, während die Duktilität nicht reduziert wird.

Als Regelparameter für die Eigenschaften des Drahtes 21 kommen die Durchlaufstrecke des Drahtes 21 innerhalb des Schmiermittels 32, die Abzugsgeschwindigkeit des Drahtes 21, die Temperatur des Schmiermittels 32, der gegenseitige Abstand der einzelnen Bearbeitungsstationen sowie die prozentuale Querschnittsverringerung beim Warmziehen in Betracht

Es versteht sich, daß mit dem im vorstehenden Zusammenhang gebrauchten Ausdruck »Aluminium« bei Fehlen anderweitiger Angaben gleichermaßen Reinaluminium oder eine Aluminiumlegierung mit Aluminium als Hauptbestandteil gemeint ist

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Tandemzieh- und -glühverfahren für elektrischen Leiterdraht aus handelsüblichem Aluminium mit einem für elektrische Leiter geeigneten Reinheitsgrad, bei dem der Querschnitt des Drahtes durch mehrere Ziehschritte verringert und der Draht zwischen wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Ziehschritten abschnittsweise elektrisch erhitzt sowie vor oder nach wenigstens einem Ziehschritt abschnittsweise abgekühlt wird, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Schritte:

a) der Di-aht wird nach dem ersten, kalten Ziehschritt auf eine Temperatur im Bereich zwischen 315° C und 360⁰C gleich oder größer der Rekristallisierungstemperatur des verwendeten Reinaluminiums erwärmt, und

b) der Draht wird im warmen Zustand und nach Aufbringen eines auf eine Temperatur im Bereich zwischen 38°C und 121°C erwärmten Schmiermittels in einem zweiten Ziehschritt auf den Enddurchmesser warmgezogen, wobei die anschließende Abkühlung des Drahtes in dem Schmiermittel so geregelt wird, daß der Draht auf eine Streckgrenze im Bereich zwischen 900 kg/cm² und 1012 kg/cm², eine Bruchfestigkeit im Bereich zwischen 1005 kg/cm² und 1100 kg/cm² und einen Längungsgrad im Bereich zwischen 8% und 12% bei relativ hohem Biegewiderstand verfestigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Kaltziehen des Drahtes der Drahtquerschnitt von anfänglich 2,6 mm auf 0,9 mm verringert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht nach dem Warmziehen mit einem Trichlorotrifluoräthan enthaltenden Reinigungsmittel gereinigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht in dem auf eine Temperatur im Bereich zwischen 4° C und 10° C erwärmten Trichlorotrifluoräthan auf eine Temperatur im Bereich zwischen 39° C und 115° C abgekühlt wird und daß auf den abgekühlten Draht ein Polyäthylenmantel extrudiert wird.

5. Schmiermittel für das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Mineralöl mit Zusätzen zur Verringerung der Oxydation besteht

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit wenigstens zwei hintereinander angeordneten Ziehvorrichtungen, zwischen denen eine Widerstandsheizung zum elektrischen Erhitzen aufeinanderfolgender, kaltgezogener Drahtabschnitte angeordnet ist, und mit zwei, hinter jeder Ziehvorrichtung angeordneten Reinigungsbädern, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ziehvorrichtung (77) in einem Schmiermitteltank (75) knapp hinter dessen Drahteintrittsöffnung

(74) angeordnet ist, daß der Schmiermitteltank (75) im geschlossenen Kreislauf mit einer Kühl/Heiz-Einrichtung (93,94) verbunden ist und daß zwischen der zweiten Ziehvorrichtung (77) und der Drahtaustrittsöffnung (Wischwerkzeug 80) des Schmiermitteltanks

(75) eine von dem Schmiermittel gebildete Kühlstrecke vorgesehen ist.