DE3427034A1

DE3427034A1 - Verwendung eines durch bor bzw. lithium desoxidierten sauerstofffreien kupfers fuer hohlprofile

Info

Publication number: DE3427034A1
Application number: DE19843427034
Authority: DE
Inventors: Meinhardt Dipl.-Ing. 4507 Hasbergen Hecht; Werner Dipl.-Ing. 4504 Georgsmarienhütte Rethmann
Original assignee: Kabel und Metallwerke Gutehoffnungshuette Ag 4500 Osnabrueck; KM Kabelmetal AG
Current assignee: KM Europa Metal AG
Priority date: 1984-07-21
Filing date: 1984-07-21
Publication date: 1986-01-23
Anticipated expiration: 2004-07-22
Also published as: FI86116B; IT1185267B; CH664977A5; FI852838L; CA1264947A; DE3427034C2; FR2568050A1; FI852838A0; GB8517939D0; FR2568050B1; FI86116C; GB2161832B; US4814235A; GB2161832A; ATA215585A; AT394466B; JPS6139309A; JPH0576721B2; IT8521590A0

Description

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Kabel- und Metallwerke ' Gutehoffnungshütte Aktiengesellschaft

20. Juli 1984 M 2-286

Verwendung eines durch Bor bzw. Lithium·'desoxidieren sauerstofffreien Kupfers für Hohlprofile

Die Erfindung betrifft über ein Brückenwerkzeug zu verpressende Hohlprofile, die eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 95 % IACS aufweisen sollen.

Die Forderung nach immer größeren Leistungen pro Volumeneinheit bei elektrischen Maschinen, Induktionsöfen, Magnetspulen und ähnlichen Anlagen macht die Verwendung besonderer Werkstoffe und Konstruktionen fast aller Bauteile, insbesondere aber der stromführenden Leiterelemente notwendig« Durch die hohe Strombelastung der Leiter treten Erwärmungen in einer solchen Größenordnung auf, die eine verstärkte Kühlung notwendig machen, um die Verluste zu reduzieren, die thermischen Ungleichhaiten kleinzuhalten und dia sich oft sehr unangenehm auswirkenden Längenänderungen in beherrschbare Grenzen zubringen. Von einer gewissen Leistungsdichte an genügt die indirekte Kühlung solcher Leiterelemente nicht mehr. Aus diesen Gründen ist man zur direkten Kühlung der Kupferleiter übergegangen, d. h. zur Leiterinnenkühlung. Zu diesem Zweck wurden speziell ausgebildete Hohlprofile entwickelt. An diese Hohlprofile werden eine Reihe von Anforderungen gestellt. Zunächst müssen die Hohlprofile absolut dicht sein, da sie üblicherweise mit Wasserstoffgas oder einem flüssigen Medium, z. B. Wasser, gekühlt werden. Weiterhin wird eine hohe mechanische

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Festigkeit gefordert, die verhindert, daß sich das Hohlprofil unter Einwirkung von großen Zentrifugalkräften verformt.. Eine hohe elektrische Leitfähigkeit soll eine übermäßige Erwärmung der Leiterprofile verhindern.

In "Prornetall" 1952, Seiten 678 bis 683, sind derartige Hohlprofile beschrieben. Als vorteilhafteste Herstellungsart für solche Hohlprofile wird das Strangpressen über ein Brückenwerkzeug beschrieben. Das erwärmte Kupfer wird um die Brücke herumgedrückt, die einen oder mehrere den oder die Hohlkanäle formende Dorne bzw. Dornansätze aufweist. Im Bereich der Matrize werden die beiden Metallströme wieder vereinigt und verschweißen dort unter starkem Dr.:ck. Nach dem Pressen werden die Hohlprofile in einem oder mehreren Zügen auf die gewünschte Endform gebracht, wobei zwischen den einzelnen Zügen gegebenenfalls .blankgeglüht wird.

Als Werkstoff für solche Hohlleiter wirdnn dieser Entgegenhaltung Elektrolytkupfer, sauerstofffreies Kupfer oder aber auch eine Kupfer-Silber-Legierung vorgeschlagen. Das preislich günstigste Kupfer, das gleichzeitig auch die höchste Leitfähigkeit besitzt, ist das handelsübliche Elektrolytkupfer. Sein Gehalt an Sauerstoff beträgt etwa 0,02 bis 0,04 %. Dieser hohe Sauerstoffgehalt kann zur gefürchteten Wasserstoffkrankneit führen, was insbesondere bei Schweiß- und Lötarbeiten zu beachten is^. Sauerstofffreies Kupfer, d. h. Kupfer mit keinem an Kupfer gebundenen Sauerstoff hat einen etwa 10 mal geringeren Sauerstoffgehalt, ist gegen Wasserstoffsprödigkeit unempfindlich, hat eins etwas höhere Erweichungstemperatur, aber im allgemeinen eine um etwa 1 % niedrigere Leitfähigkeit.

Sauerstofffreie desoxidierte Kupferqualitäten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sind in der DIN 1708 genormt. Der Kupfergehalt beträgt mindestens 99,90 %, wobei das Desoxidationsmittel, üblicherweise ist dies Phosphor, in der Größenordnung von 0,003 % vorliegen soll. Bei der Verarbeitung dieser Kupfersorten mittels Brückenwerkzeugen kann es zur Ausbildung von Fehlern im Bereich der verschweißenden Material ströme kommen. Als Ursache für diese Fehler kommen in erster Linie Sauerstoffanreicherungen im Schweißnahtbereich in Frage, in denen sich bei Zwischenglühungen bzw. Endglühungen in wasserstoffhaltiger Atmosphäre ein wasserstoffkrankes Gefüge ausbildet, welches zur Rißbildung führen kann. Der Sauerstoff gelangt beispielsweise über die an der ßlcckoberfläche Haftenden Oxide, die sich beim Erwärmen bzw. Zubringen des Blockes

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zur Presse insbesondere an der Stirnfläche gebildet haben, in die Schweißnaht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff zu finden, der sich über ein Brückenwerkzeug zu einem Hohlprofil verpressen läßt, ohne daß es zu Fehlern in der durch den Brückens.teg verursachten Preßschweißnaht kommt. Der Werkstoff soll darüber hinaus eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens '95 % IACS und Wasserstoffimmunität aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch Verwendung eines durch Bor bzw. Lithium desoxidierten sauerstoff frei en Kupfers gelöst. Wesentlich für die Erfindung ist, daß das Desoxidationsmittel Bor bzw. Lithium im fertigen Produkt in einer Menge von 0,01 bis 0,05 % vorliegt.

Neben den sich aus der Aufgabenstellung direkt ergebenden Vorteilen wurde beobachtet, daß ein bedeutend geringerer Zünderanfall auf der Oberfläche des gepreßten Profils vorhanden war. Darüber hinaus trat eine wesentlich geringere Oxidanreicherung auf dem Brückenwerkzeug auf. Diese Oxidanreicherung wird mit als Ursache für fehlerhafte Schweißnähte angesehen, wenn diese Oxide beispielsweise von dem Brückenwerkzeug in die Schweißzone fließen, um dies zu verhindern, mußte das Brückenwerkzeug häufiger ausgewechselt bzw. gereinigt werden, was durch die Verwendung des neuen Werkstoffes entfallen kann. Weiterhin zeichnet sich das ausgepreßte Profil durch eine wesentlich glattere Oberfläche aus. Auch wurde festgestellt, daß das Gefüge im Bereich der Schweißnaht feinkörniger ausfiel als bei den bisher verwendeten Werkstoffen.

Mit besonderem Vorteil liegt das Bor im fertigen Produkt in einer Größenordnung von 0,015 bis 0,25 % vor. Vorteilhaft läßt sich die Erfindung bei innengekühlten Leitern bei hoher elektrischer Belastung einsetzen.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Legierung gemäß der Lehre der Erfindung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man der Kupferschmelze das Desoxidationsmittel unmittelbar vor dem Gießen in Form einer das Desoxidationsmittel enthaltenden Vorlegierung vorzugsweise in der Gießrinne zugibt. Da die genannten Desoxidationsmittel Bor und Lithium eine sehr hohe Sauerstoffaffinität aufweisen, sind sie imstande, beispielsweise andere Metalloxide zu reduzieren, z. B. in aer feuerfesten Auskleidung enthaltene Metalloxide, wobei dann diese Metalle in die Schmelze eingehen und

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die Leitfähigkeit in unzulässiger Weise verringern können. So ist es beispielsweise möglich, daß das Bor oder Lithium, Silizium oder auch Eisen aus den Stampfmassen der Tiegel reduziert. Aus diesem Grunde soll die Berührungszeit der Schmelze bzw, des Desoxidationsmittels mit solchen Tiegelauskleidungen möglichst gering gehalten werden. Mit besonderem Vorteil gibt man deshalb die Vorlegierung in den Gießstrahl direkt ein. Als Desoxidationsmittel wird zweckmäßigerweise eine Kupfer-Bor-Legierung verwendet, bei der der Boranteii zwischen 1,5 und 5 % liegt. Der Boranteil ist so bemessen, daß einerseits keine großen Mengen an kalter Vorlegierung der Schmelze zugegeben werden nüssen, andererseits die Vorlegierung bezüglich ihres spezifischen Gewichüs nicht wesentlich leichter ist als die Kupferschmelze, so daß sich eine innige Vermischung der beiden Komponenten ergibt.

Die Erfindung ist anhand der in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert;-

In der Fig. 1 ist eine Preßvorrichtung dargestellt, welche aus einem Blockaufnehmer bzw. Rezipienten 1 besteht, in den dar Block 2 aus sauerstofffreiem Kupfer eingebracht wird. Mittels eines Preßstempels 3 wird der Block gegen den Brückensteg 4 gedruckt und in zwei Teilströme unterteilt. Der Brückensteg 4 weist beispielsweise zwei^Dornansätze 5 und 6 auf, welche die Kanäle 7 und 8 im fertigen Preßprofil 9 erzeugen. Die Kanäle 7 und 8 sind in der Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Die Außenabmessungen des fertigen Profils 9 werden durch die Matrize 10 bestimmt. Brückensteg 4 und Matrize werden durch die Druckplatte 11 im Werkzeugträger abgestützt. Da für die Verschweißung der beiden Teilströme hohe Drücke erforderlich sind - diese

Drücke werden durch geeignete Formgebung der Brücke erzeugt - und der Block 2 in etwa auf 900° C erwärmt ist, müssen sowohl der Brückensteg 4 als auch die Matrize 10 aus einem hochwarmfesten Werkstoff hergestellt sein.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein fertiges Profil 12, in dem zwei elliptische Kanäle 13 und 14 angeordnet sind. Gestrichelt dargestellt ist die Preßschweißnaht 15.

Bei einem Versuch wurden mehrere Versuchsblöcke in einer Stranggießanlage gegossen. Als Ausgangsmaterial wurden Kupferkathoden verwendet und mit einer Kupfer-Bor-Legierung mit 2 % Bor desoxidiert. Die Blöcke hatten einen Durch-

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messer von 180 mm und eine Länge von 300 bis 400 mm. Diese Blöcke wurden auf 900° C erwärmt und in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 zu einem Hohlprofil verpreßt. Leitfähigkeitsuntersuchungen an dem gepreßten Profil ergaben eine elektrische Leitfähigkeit von über 58 mA~2 mm². Der Restborgehalt betrug 0,02 %. Das auf diese Weise hergestellte Preßprofil wurde in mehreren Zügen auf das gewünschte Endmaß heruntergezogen, wobei zwischen den einzelnen Ziehvorgängen die Profile bei ca. 500° C in leicht reduzierter Atmosphäre weichgeglüht wurden.

An den fertig gezogenen Profilen wurden folgende Prüfungen vollzogen:

1- Makroätzung,

2. Biegeprüfung im Anlieferzustand,

3. Biegeprüfung nach Wasserstoffglühung (850° C/ 1/2 Stunde).

Bei der Makroätzung war die Lage der Schweißnaht in keinem Falle erkennbar. Weder die Biegeprüfung im Anlieferzustand noch die Biegeprüfung nach der Wasserstoffglühung führte zu einem Ausfall der Profile.

Die Erfindung läßt sich mit gleichem Vorteil anwenden für Profile, die generell aus Gründen der Querschnittsform nur über Brückenwerkzeuge gepreßt werden können, d. h. solche mit drei oder vier Bohrungen bzw. solche mit ungleicher Masseverteilung.

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Claims

Kabel- und Metallwerke Gutehof fnungstiütte Aktiengesellschaft > 20. Juli 1984 M 2-286 Patentansprüche

1. Verwendung eines durch Bor bzw. Lithium desoxidierten sauerstofffreien Kupfers als Werkstoff für über ein Brückenwerkzeug zu verpressende Hohlprofile mit der Haßgabe, daß das Bor bzw. Lithium im fertigen Produkt in einer Menge von 0,01 bis 0,05 Gew.-% vorliegt und die'"elektrische Leitfähigkeit des Kupfers im fertigen Hohlprofil mindestens 95 % IACS, vorzugsweise mehr als 100 % IACS, beträgt. ι

2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 0,015 bis 0,025 Gew.-% Bor im fertigen Produkt vorliegt.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2 für innengekühlte elektrische Leiter z. für Transformatorenspulen, Induktionsofenspulen, Magnetspulen und Generatoren.

4. Verfahren zur Herstellung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man der Kupferschmelze das Desoxidationsmittel unmittelbar vor dem Gießen in Form einer das Desoxidationsmittel enthaltenden Vorlegierung, vorzugsv/eise in der Gießrinne, zugibt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kupferschmelze mit einer Kupfer-Bor-Legierung mit 1,5 bis 5 Gew.-% desoxidiert.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Vorlegierung in. den Gießstrahl eingibt.

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