DE2263123C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines kupferplattierten Aluminiumdrahts - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines kupferplattierten AluminiumdrahtsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kupferplattiertcn Aluminiumdrahts, bei dem nach
einer Reinigungsbehandlung ein Kupferstreifen in zylindrischer Form um einen Aluminiumkern gelegt und
unter Schutzgas zusammengeschweißt wird und der kupferumhüllte Aluminiumdraht sodann in einer Ziehvorrichtung
unter Verwendung eines Raupenabzuges auf einen geringeren Durchmesser kaltgezogen wird.
Bei üblichen Drahtziehmethoden wird die Gestalt der Düse so ausgewählt, daß die Kraft, die für das
Drahtziehen durch die Düse erforderlich ist, auf einen
ίο Minimalwert gesenkt werden kann. Nach verschiedenen
Untersuchungen bezüglich der Beziehung zwischen der Zugspannung und der Gestalt der Düse sowie bezüglich
der Beziehung zwischen der metallurgischen Bindung des Plattierungsdrahts und der Gestalt der
Düse konnte bestätigt werden, daß die Zugspannung einen Minimalwert an einem bestimmten Düsenneigungswinkel
einer Düse zeigt. Bei einer gewöhnlichen Drahtziehoperation wird eine Düse verwendet, die
einen Düsenneigungsw'inkel (etwa 20°) hat, der eine minimale
Ziehspannung gewährleistet. Wenn der Düsenneigungswinkel weiter vermindert wird, nimmt die
Zugspannung erheblich zu, was auf die Reibung zwischen der Wand der Düse und dem Draht zurückzuführen
ist, während auf der anderen Seite eine Zunahme des Düsenneigungswinkels zu einer Zunahme der Zugspannung
führt, welche auf die erhöhten inneren Scherspannungen zurückzuführen ist.
Die üblichen bezüglich der Ziehkraft optimalen Düsenneigungswinkel
sind aber für die Erzielung einer metallurgischen Bindung zwischen den Plattierpartnern
nicht optimal, da es bei Verwendung einer gewöhnlichen Düse, deren Düsenneigungswinkel etwa 20° beträgt,
erforderlich ist, die Querschnittsfläche um 90% oder mehr zu vermindern, um die erforderliche metallurgische
Bindung zwischen dem Kupfer und dem Aluminium zu bewerkstelligen.
Verfahren zur Herstellung von kupferplattierten Aluminiumdrähten sind beispielsweise aus der DE-OS
16 02 285 und der DE-OS 19 07 107 bereits bekannt. Da
keine der obengenannten Druckschriften Hinweise auf die Verformungsbedingungen in der Zugdüse enthält,
ist davon auszugehen, daß die bei den bekannten Verfahren angewendeten Düsenneigungswinkel in dem
von der Fachwelt bislang offensichtlich für zweckmäßig gehaltenen Bereich von etwa 20° liegen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von kupferplattiertem Aluminiumdraht
zur Verfugung zu stellen, bei welchem eine metallische Bindung zwischen einem Aluminiumkern und einem
Kupferstreifen erhalten werden kann, ohne daß im Verlauf des Herstellungsprozesses auf eine Wärmebehandlung
zurückgegriffen werden muß. Dabei soll weiterhin selbst bei der Anwendung eines Biegeprozesses
kein Aufbrechen der Bindung zwischen dem Aluminiumkern und der Kupferplattierung sowie keine Rißbildung
in der Kupferplattierung bewirkt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der oben beschriebenen Art dadurch gelöst,
daß man den Durchmesser des kupferplattierten AIuminiumdrahts durch eine Düse mit einem Düsenneigungswinkel
von 35 bis 55° vermindert.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben. Der
Hauptvorteil besteht darin, daß durch Unterwerfung
(>s eines Plattierungsdrahts, der mit einem Aluminiumkern
und einer Kupferplattierung gebildet worden ist. einem Reduktionsprozeß bei einer Temperatur unterhalb
200°C durch eine Düse, die einen großen Düsennei-
gungswinkel besitzt, ein kupferplattierter Aluminiumdraht mit einer starken metallurgischen Bindung zwischen
den zwei Metallen erhalten werden kann, ohne daß die Anwendung einer Wärmebehandlung erfolgt,
so daß selbst, wenn der Draht einem Biegevorgang od. dgl. unterworfen wird, in der Metallplatiierung keine
Rißbildung bewirkt wird. In der nachfolgenden Beschreibung
soll die Bezeichnung »Pcduktionsprozeß« den Vorgang bezeichnen, bei welchem sowohl die
Druckdüse als auch die Zugdüse verwendet werden.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen n'-.her erläutert. Et, zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt, der eine Ausführungsform der in der Reduktionszone verwendeten Zugdüse darstellt,
F i g. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zugspannung und dem Düsenneigungswinkel (λ)
darstellt, und
F i g. 3 und 4 Querschnitte, welche Ausführungsformen des in der SchweiBstufe verwendeten hermetisehen
Abschirmungskastens darstellen.
Die verwendete Zugdüse ist in F i g. 1 dargestellt. Darin bedeutet das Bezugszeichen 80 ein Gehäuse
einer druckgeschmierten Zieheinrichtung, welche eine
Bremsdüse 81 umfaßt, welche auf der Eintrittsseite angebracht ist, wo der Metalldraht in das Gehäuse eingeführt
wird. Die Einrichtung umfaßt auch eine Dimensionierungsdüse 82, welche auf der Austrittsseite des Gehäuses
angebracht ist. Ein Schmieröl 84 wire in die Kammer eingepreßt, welche in dem Gehäuse 80 definiert
ist, wozu eine von außen vorgesehene Pumpe 83 verwendet wird. Der kupferplattierte Aluminiumdraht
wird in Gegenwart eines Schmieröls 84 durch die Dimensionierungsdüse 82 mit einem großen Düsenneigungswinkel
gezogen. Während herkömmliche Mcthoden der druckgeschmierten Ziehung eine Düse verwenden,
deren Düsenneigungswinkel in der Nähe von 20° liegt und die einfach zur Durchmesserreduktionsoperation
verwendet wird, verwendet die druckgeschmierte Zieheinrichtung, die bei dem Verfahren der Erfindung
eingesetzt wird, eine Dimensionierungsdüse 82, deren Düsenneigungswinkel so erhöht worden ist, daß eine
vollständige Bindung zwischen dem Plattierungsmetall und dem Kernmetall des kupfcrphiitierten Aluminiumdrahts
erzielt werden kann, wenn dieser durch die Dimensionierungsdüse 82 gezogen wird.
Bei üblichen Drahtziehmethoden wird die Gestalt der Düse so ausgewählt, daß die Kraft, die für das
Drahtziehen durch die Düse erforderlich ist, auf einen Minimalwert gesenkt werden kann. Nach verschiedenen
Untersuchungen bezüglich der Beziehung zwischen der Zugspannung und der Gestalt der Düse sowie bezüglich
der Beziehung zwischen der metallurgischen Bindung des Plattierungsdrahtes und der Gestalt der
Düse konnte bestätigt werden, daß die Zugspannung einen Minimalwert an einem bestimmten Düsenneigungswinkel
einer Düse zeigt. Bei einer gewöhnlichen Drahtziehoperation wird eine Düse verwendet, die
einen Düsenneigungswinkel (etwa 20°) hat, der eine minimale Ziehspannung gewährleistet. Diese Tatsache ist
in F i g. 2 gezeigt. Es wird ersichtlich, daß, wenn der Düsenneigungswinkel weiter vermindert wird, die Zugspannung
erheblich zunimmt, was auf die Reibung zwischen der Wand der Düse und dem Draht zurückzuführen
ist, wahrend auf der anderen Seite eine Zunahme <\s
des Düsenneigungswinkels zu einer Zunahme der Zugspannung führt, welche auf die erhöhten inneren Scherspannungen
zurückzuführen ist.
Hinsichtlich der metallurgischen Bindung in dem plattierten Draht ist geschlossen worden, daß ein plastischer
Fluß zu der Bildung der Bindung zwischen den Metallen beiträgt. Wenn daher die Metalle einer Deformierung
in einer solchen Weise ausgesetzt werden, daß ein maximaler plastischer Fluß zwischen den Metallen
gewährleistet wird, dann kann eine Bindung leichter erzieh werden als in einem Falle, wo die Deformation mit
einem geringeren plastischen Fluß vorgenommen wird.
Die vorliegende Erfindung wurde auf Grund dieser Erkenntnis entwickelt. Wenn eine Drahtziehung zu
einer Erhöhung der inneren Scherspannungen ausgebildet war und daher ein plastischer Fluß zwischen den
zwei Metallen durch die Verwendung eines ausnehmend großen Düsenneigungswinkels auf die Herstellung
eines kupferplattierten Aluminiumdrahts angewendet wurde, dann wurde eine vollständige metallurgische
Bindung zwischen dem Kupfer und dem Aluminium mit einer 80%igen Flächenverminderung beim
Ziehen mit einem Düsenneigungswinkel von beispielsweise 45° erzielt. Wenn auf der anderen Seite die
Drahtziehung mit einer gewöhnlichen Düse (deren Düsenneigungswinkel etwa 20° betrug) betrieben wurde,
dann war es erforderlich, die Querschnittsfläche um 90% oder mehr zu vermindern, um die erforderliche
metallurgische Bindung zwischen dem Kupfer und dem Aluminium zu bewerkstelligen. Der Wert des Düsenneigungswinkels,
der die erforderliche metallurgische Bindung zwischen dem Plattierungsmetall und dem
Kernmetall des Plattierungsdrahts bewerkstelligen kann, war zwischen 35 und 55°. Wenn der Düsenneigungswinkel
weniger als 35° beträgt, dann würde das Ergebnis das gleiche sein, als erhältlich wäre mit einer
gewöhnlichen Düse (deren Düsenncigungwinkel etwa 20° beträgt), während, wenn der Düsenneigungswinkel
größer als 55° wäre, es erforderlich wäre, die Menge der Querschnittsverminderung je Durchlauf zu verringern,
da sonst die plattierende Metallschicht reißen würde, wodurch das Drahtziehen selbst unmöglich gemacht
werden würde.
Obgleich die obigen Erläuterungen hinsichtlich eines
Kaltziehens gemacht wurden, kann, wenn ein Warmziehprozeß verwendet wird, welcher eine Düse mit
einem Düsenneigungswinkel zwischen 35 und 55° verwendet, die Bildung einer Bindung zwischen dem Kupfer
und dem Aluminium weiter erleichtert werden. Beispielsweise, wenn das Ziehen des Drahtes bei Temperaturen
von 150 bis 2000C vorgenommen wurde, wo keine
Bildung von intermetallischen Verbindungen erfolgen würde, wurde die Bildung einer festen Bindung
zwischen dem Kupferstreifen und dem Aluminiumkern mit einer Gesamtreduktion der Querschnittsfläche von
weniger als 70% erzielt. In diesem Falle sollte jedoch beachtet werden, daß, wenn das Drahtziehen zur
Durchmesserreduktion bei einer Temperatur von mehr als 2000C durchgeführt wird, sich intermetallische Verbindungen
zwischen dem Kupfer und dem Aluminium bilden würden, wodurch die Gefahr der Verminderung
der Zähigkeit des erhaltenen plattierten Drahts gegeben wäre.
Die Schweißzone umfaßt eine Formdüse 16, die so ausgestaltet ist, daß der Kupferstreifen um den Aluminiumkern
in seiner zylindrischen Form gehalten wird, sowie eine Schweißvorrichtung 17, z. B. einen TlG-Bogenschweißapparat
oder einen Plasmabogensehweißapparat, wobei beide innerhalb des Abschirmkastens 15
angeordnet sind. Der Abschirmkasien i1? ist mit einem
Inertgas (ζ. Β. Argon, Helium, Kohlendioxid. Stickstoff
oder einem Gemisch daraus) zu einem Druck oberhalb Almosphärendruek (z. B. mehr als 0,1 mm Wasser) gefüllt,
so daß darin eine inerte Gasatmosphäre aufrechterhalten wird, welche die Oxidation der Metalle
verhindert. In dieser Schweißzone wird der um den '
Aluminiumkern herumgelegte Kupferstreifen, der durch die Formdüse 16. wie oben beschrieben, in der
zylindrische;". Form gehalten wird, und der Saum des Kunieisfeiiens durch den Schweißapparat 17 zusammengeschweißt.
Die Konstruktion des Abschirmkastens 15 und anderer Teile wird an Hand der F i g. 3
und 4 beschrieben.
In der F i g. 3 bezeichnet 9 den Kupferstreifen in der
Form eines Plattierungsrohrs. Die Richtung der Bewegung ist durch einen Pfeil angegeben; 16 bedeutet die
Formdüse. 17 den Schweißbrenner, 15 den Abschirmkasten,
50 einen Balg, der den Abschirmkasten 15 mit dem Schweißbrenner 17 verbindet. Der Balg 50 kann
aus jedem beliebigen Material bestehen, vorausgesetzt, daß es federnd ist. So kann er z. B. aus einer Kautschukplatte
mit einer in der Mitte gebildeten zylindrichen Öffnung bestehen, welche einen Durchmesser
besit?t. der geringfügig geringer ist als derjenige des Schweißbrenners 17.
Es kann jedoch ein Abstand von etwa 3 mm vorgesehen sein, ohne daß die Wirksamkeit der Abschirmung
beeinträchtigt wird. Ein solcher Abstand hat die Wirkung, daß die Wanderung des Schweißbrenners 17
leichter wird. Die Bezugszeichen 51 und 52 bezeichnen den Eintritt und den Austritt für das Kupferplattierungsrohr.
Der Durchmesser des Eintritts 51 und des Austritts 52 kann so ausgewählt sein, daß ein Spalt von
etwa 5 mm auf allen Seiten hinsichtlich des Kupferplattierungsrohrs 9 existiert. Das Bezugszeichen 53 be
zeichnet den Spalt des Kupt'erpiattierungsrohrs, der zusammengeschweißt
werden sollte, nachdem es die Formdüse 16 durchlaufen hat. Die Minimaldimension des Abschirmkastens 15 sollte vorzugsweise so sein,
daß er von dem Teil von 53 bis zu der vollständig geschweißten
Verbindung der Kupferhülle geht. Dies gestattet, daß das inerte Gas hineinfließt und daß eine
inerte Gasatmosphäre entlang der inneren Oberfläche des Kupferplaitierungsrohrs aufrechterhalten wird, wodurch
die Bildung eines Oxidfilms an der verschweißten Verbindung auf der inneren Oberfläche des Kupferplattierungsrohrs
sowie an der Oberfläche des Aluminiumkerns verhindert wird. Der Abschirmkasten 15 kann
mit einer Einlaßöffnung 54 für das Inertgas, wie in F i g. 4 gezeigt, versehen sein. Während diese Incrtgasemlaßöffnung
54 als Hilfseinlaß dient, um den vorgewählten Druck des inerten Gases in dem Abschirmkasten
15 aufrechtzuerhalten, kann die Anordnung der Einlaßöffnung 54 in der Nähe des Einganges 51 zu
einem guten Ergebnis führen, da hierdurch der Abschirmeffekt erheblich auf Grund der Vorhangwirkung
des eingeführten Gases verbessert wird. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet Führungswalzen. Der Abschirmkasten
15 bedeckt nur eine Schweißzone, so daß der Verbrauch an Inertgas vermindert werden kann und
zur gleichen Zeit der Betriebsprozeß vereinfacht werden kann.
Wenn die Schweißoperation beendet ist. dann besteht immer noch ein Abstand bzw. Spalt zwischen der
Kupferhülle und dem Aluminiumkern. Dieser Abstand wird in einer Reduktions/one entfernt.
Im Anschluß an chose Druck b/w. Ziehopcraiior
wird der kupferpliiuierie Aluminiiimdraht 20 in eine
Nachbehandliingsz'inc geleitet, wo das Schmierinilte
auf der Oberfläche der Kiipl'crpbtliening in einem organischen
Lösungsmittdtank einlernt wird, beispielsweise
in einem Tank, der mit Trichlorethylen oder
Perchlorathylen gefüllt ist. Der auf diese Weise jreivinigte
kiipferplattierte Aluniiimimdr-M wird durch eine
Raupe abgenommen, von welcher er in einem großen Trog aufgenommen wird Der kiipferplattierle Aluminiiimdrahi.
der in dem Trog aufgenommen worden ist wird sodann in eine Ziehzone eingeleitet. In dieser
Zone wird eine vollständige und gesunde metallurgische
Bindung zwischen dem Aluminiumkern und der Kupferbedeckung erzieh. Während in der obigen Beschreibung
der kuplerplattierte Aluminiumdraht. der in
dem Trog aufgenommen worden ist. nach der Durchmesserverringerungsoperation (Quetschung) durch die
Düse einer weiteren Durchmesserverringerungsoperation (Ziehung) durch die Düse 24 unterworfen worden
ist. ist jedoch die vorliegende Erfindung nicht auf diese Methode beschränkt. Der kupferplattierte Aluminiumdraht,
der durch die Düse gequetscht worden ist. kann auch direkt durch die Düse 24 gezogen werden, wobei
die Verwendung dieser Tröge eliminiert wird. Die Durchmesserreduktion wird bei einer Temperatur unterhalb
200'C durch eine Düse 24. deren Düsenneigungswinkel im Bereich von 35 bis 55 liegt, durchgeführt.
Die Ziehzone verwendet ein geradliniges Drahtziehsystem.
welches eine Kombination eines Paars von Trögen mit einem Durchmesser von mindesntens 2 m
(der Trog an der Zuführungsseitc und der Trog an der Aufnahmeseile) sowie eine raupenartige Aufnahmevorrichtung.
Der Grund ist, daß während der Reduktion des Durchmessers des kupferplattierten Aluminiumdrahts
bis zu einem Punkt, der eine vollständige metallurgische Bindung zwischen dem Kupfer und dem Aluminium
bewerkstelligt, eine Bearbeitungserhärtung und daher eine erhebliche Verminderung der Ziehbarkeit
der Kupferpiattierung bewirkt werden, die kombinierte Verwendung der Düse 24 mit einem Düsenneigungswinkel
von 35 bis 55° und des geradlinigen Drahtziehsystems die Durchmesserreduktion gestattet, ohne daß
eine Prozeßwärmebehandlung oder eine Prozeßvergütung erforderlich ist, welche die Bildung von intermetallischen
Verbindungen bewirken könnte, und ohne daß eine Verschlechterung der Ziehbarkeit der Kupferplattierung
erfolgt. Somit kann die angestrebte metallurgische Bindung zwischen der Kupferpiattierung und
dem Aluminiumkern bewerkstelligt werden.
Die kombinierte Verwendung einer solchen spezieil ausgebildeten Düse und eines Drahtziehsystems ist bislang
bei herkömmlichen Methoden noch nicht versucht worden, es wurde bislang immer als wesentlich angesehen,
eine Vergütungsbehandlung einzuschließen. Im Falle einer Zugringmethode ohne eine Vergütungsbehandlung
ergab die Zuführung einer Biegespannung zu der Zugspannung einen Bruch der Kupferpiattierung
so daß keine zufriedenstellende Drahtziehung möglich war. Ferner ergibt die Verwendung eines Prozeßvergütens
die nachteilige Bildung von Kupfer-Aluminiumzwischenmetallischen Verbindungen, wie oben beschrieben
wurde.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung eines kupferplattierten
Aluminiumdrahts, bei dem nach einer Reinigungsbehandlung ein Kupferstreifen in zylindrischer
Form um einen Aluminiumkern gelegt und unter Schutzgas zusammengeschweißt wird und der
kupferumhüllte Aluininiumdraht sodann in einer Ziehvorrichtung unter Verwendung eines Raupenabzugs
auf einen geringeren Durchmesser kaltgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man den Durchmesser des kupferplattierten Aluminiumdrahts
durch eine Düse mis einem Düsenneigungswinkel von 35 bis 55° vermindert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumkern aus Weichaluminium
besteht.
3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß man den Aluminiumkern und den
Kupferstreifen jeweils einer Oberflächenreinigungsbehandlung unterwirft, welche aus der Entfernung
von Verschmutzungen, wie ölen und Schmutz, auf den Oberflächen der Metalle besteht, und daß man
sodann wäscht und den Oxidfilm auf den Oberflächen der Metalle entfernt, indem man mit einer
oder mehreren Bürsten aus feinen Metalldrähten bürstet, um eine Vorbereitung für weitere Prozeßstufen
vorzunehmen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Saum des Kupferstreifens in
Gegenwart von Heliumgas, Argongas, Kohlendioxid und Stickstoffgas oder einem Gemisch davon als
Inertgas und bei einem Überdruck von mehr als 0,1 mm Wassersäule zusammenschweißt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den kupferplattierten Aluminiumdraht
durch eine Düse mit einem Düsenneigungswinkel zwischen 35 und 55° einem druckgeschmierten
Ziehen unterwirft.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie
eine Schweißvorrichtung enthält, welche einen Abschirmkasten (15), der auf einer Seite einen Eingang
(51) für einen Kupferstreifen, der in Längsrichtung auf einen Aluminiumkern aufgebracht wird, und auf
der anderen Seite einen Ausgang (52) für den Kupferstreifen besitzt, eine Vielzahl von Formdüsen
(16), die aufeinanderfolgend innerhalb des Abschirmkastens (15) von dem Eingang (51) in Richtung
auf den Ausgang (52) angeordnet sind, und einen Schweißbrenner (17) aufweist.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 5, gekennzeichnet
durch ein Gehäuse (80), eine Bremsdüse (81), welche auf der Eingangsseite des Gehäuses (80) angeordnei
ist, und eine Dimensionierungsdüse (82), welche einen großen Düsenneigungswinkel besitzt und die
auf der Ausgangsseite des Gehäuses (80) angeordnet ist, wobei ein Schmieröl unter Druck in einen
Raum eingepreßt wird, welcher zwischen den Düsen (81,82) und dem Gehäuse (80) gebildet wird.
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