DE3427034C2 - Verwendung eines durch Bor bzw. Lithium desoxidierten sauerstofffreien Kupfers für Hohlprofile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines durch Bor bzw. Lithium desoxidierten sauerstofffreien Kupfers als Werkstoff für die Herstellung von Hohlprofilen, insbesondere innenge­ kühlten elektrischen Leitern, durch Strangpressen des sauer­ stofffreien Kupfers über ein Brückenwerkzeug.

Die Forderung nach immer größeren Leistungen pro Volumenein­ heit bei elektrischen Maschinen, Induktionsöfen, Magnetspulen und ähnlichen Anlagen macht die Verwendung besonderer Werk­ stoffe 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 not­ wendig machen, um die Verluste zu reduzieren, die thermischen Ungleichheiten kleinzuhalten und die sich oft sehr unangenehm auswirkenden Längenänderungen in beherrschbare Grenzen zu­ bringen. Von einer gewissen Leistungsdichte an genügt die in­ direkte Kühlung solcher Leiterelemente nicht mehr. Aus diesen Gründen ist man zur direkten Kühlung der Kupferleiter überge­ gangen, d. h. zur Leiterinnenkühlung. Zu diesem Zweck wurden speziell ausgebildete Hohlprofile entwickelt. An diese Hohl­ profile 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 mecha­ nische Festigkeit gefordert, die verhindert, daß sich das Hohlprofil unter Einwirkung von großen Zentrifugalkräften verformt. Eine hohe elektrische Leitfähigkeit soll eine über­ mäßige Erwärmung der Leiterprofile verhindern.

In der Veröffentlichung "PRO-METAL", Nr. 87, Juni 1962, Sei­ ten 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 bei­ den Metallströme wieder vereinigt und verschweißen dort unter starkem Druck. Nach dem Pressen werden die Hohlprofile in ei­ nem oder mehreren Zügen auf die gewünschte Endform gebracht, wobei zwischen den einzelnen Zügen gegebenenfalls blankge­ glüht wird.

Als Werkstoff für solche Hohlleiter wird in der genannten Veröffentlichung 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 Elek­ trolytkupfer. Sein Gehalt an Sauerstoff beträgt etwa 0,02 bis 0,04 Gew.-%. Dieser hohe Sauerstoffgehalt kann zur gefürchte­ ten Wasserstoffkrankheit führen, was insbesondere bei Schweiß- und Lötarbeiten zu beachten ist. Sauerstofffreies Kupfer, d. h. Kupfer mit keinem an Kupfer gebundenen Sauer­ stoff hat einen etwa zehnmal geringeren Sauerstoffgehalt, ist gegen Wasserstoffsprödigkeit unempfindlich, hat eine etwas höhere Erweichungstemperatur, aber im allgemeinen eine um etwa 1% niedrige Leitfähigkeit.

Durch Bor oder Lithium desoxidierte sauerstofffreie Kupfer­ qualitäten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sind grund­ sätzlich bekannt (DE 27 35 416 A1, US-PS 2 183 592, US-PS 1 923 955). Diese bekannten Kupferlegierungen sind aber bis­ her nicht für das Strangpressen von Hohlprofilen über ein Brückenwerkzeug verwendet worden. Der Kupfergehalt des in DIN 1708 genormten Hüttenkupfers beträgt mindestens 99,90 Gew.-%, wobei das Desoxidationsmittel, üblicherweise ist dies Phos­ phor, in der Größenordnung von 0,003 Gew.-% vorliegen soll. Bei der Verarbeitung dieser Kupfersorten mittels Brückenwerk­ zeugen kann es zur Ausbildung von Fehlern im Bereich der ver­ schweißenden Materialströme kommen. Als Ursache für diese Fehler kommen in erster Linie Sauerstoffanreicherungen im Schweißnahtbereich in Frage, in denen sich bei Zwischen­ glühungen bzw. Endglühungen in wasserstoffhaltiger Atmosphäre ein wasserstoffkrankes Gefüge ausbildet, welches zur Rißbil­ dung führen kann. Der Sauerstoff gelangt beispielsweise über die an der Blockoberfläche haftenden Oxide, die sich beim Er­ wärmen bzw. Zubringen des Blocks zur Presse insbesondere an der Stirnfläche gebildet haben, in die Schweißnaht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff be­ reitzustellen, der sich über ein Brückenwerkzeug zu einem Hohlprofil verpressen läßt, ohne daß es zu Fehlern in der durch den Brückensteg verursachten Preßschweißnaht kommt. Der Werkstoff soll darüber hinaus eine hohe elektrische Leitfä­ higkeit aufweisen und gegen Wasserstoffversprödung unempfind­ lich sein.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in der Verwendung eines durch Bor- bzw. Lithium desoxidierten sauerstofffreien Kup­ fers, das Bor bzw. Lithium in einer Menge von 0,01 bis 0,05 Gew.-% aufweist und dessen elektrische Leitfähigkeit minde­ stens 95% IACS beträgt, als Werkstoff für die Herstellung von Hohlprofilen, insbesondere innengekühlten elektrischen Leitern, durch Strangpressen des sauerstofffreien Kupfers über ein Brückenwerkzeug. Vorzugsweise beträgt die elektri­ sche Leitfähigkeit des erfindungsgemäß zu verwendenden sauer­ stofffreien Kupfers mehr als 100% IACS.

Neben den sich aus der Aufgabenstellung direkt ergebenden Vorteilen wurde beobachtet, daß ein bedeutend geringerer Zun­ deranfall auf der Oberfläche des gepreßten Profils vorhanden war. Darüber hinaus trat eine wesentlich geringere Oxidanrei­ cherung 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 das erfindungsgemäß zu verwendende sauerstofffreie Kupfer entfallen kann. Weiterhin zeichnet sich das strangge­ preßte Profil durch eine wesentlich glattere Oberfläche aus. Auch wurde festgestellt, daß das Gefüge im Bereich der Schweißnaht feinkörniger ausfiel als bei den bisher verwende­ ten Werkstoffen.

Mit besonderem Vorteil weist das sauerstofffreie Kupfer Bor bzw. Lithium in einer Größenordnung von 0,015 bis 0,25 Gew.-% auf. Bevorzugt eignet sich diese Legierung als Werkstoff zur Herstellung von Leitern, die einer hohen elektrischen Bela­ stung ausgesetzt wird.

Ein besonders zweckmäßiges Verfahren zur Herstellung des er­ findungsgemäß zu verwendenden sauerstofffreien Kupfers be­ steht darin, daß man der Kupferschmelze das Desoxidationsmit­ tel unmittelbar vor dem Gießen in Form einer das Desoxidati­ onsmittel 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 redu­ zieren, z. B. in der feuerfesten Auskleidung enthaltene Me­ talloxide, wobei dann diese Metalle in die Schmelze eingehen und die Leitfähigkeit in unzulässiger Weise verringern kön­ nen. So ist es beispielsweise möglich, daß das Bor oder Li­ thium, Silizium oder auch Eisen aus den Stampfmassen der Tie­ gel reduziert. Aus diesem Grunde soll die Berührungszeit der Schmelze bzw. des Desoxidationsmittels mit solchen Tiegelaus­ kleidungen möglichst gering gehalten werden. Es ist daher be­ sonders günstig, die Vorlegierung direkt in den Gießstrahl zu geben. Als Desoxidationsmittel kann beispielsweise eine Kup­ fer-Bor-Legierung verwendet werden, deren Boranteil zwischen 1,5 und 5 Gew.-% liegt. Der Boranteil sollte so bemessen sein, daß einerseits keine großen Mengen an kalter Vorlegierung der Schmelze zugegeben werden müssen, andererseits die Vorlegie­ rung bezüglich ihres spezifischen Gewichts nicht wesentlich leichter ist als die Kupferschmelze, so daß sich eine innige Vermischung der beiden Komponenten ergibt.

Die Erfindung wird anhand der in den Fig. 1 und 2 schema­ tisch dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläu­ tert.

In der Fig. 1 ist eine Preßvorrichtung dargestellt, welche aus einem Blockaufnehmer bzw. Rezipienten 1 besteht, in den der Block 2 aus dem erfindungsgemäß zu verwendenden sauer­ stofffreiem Kupfer eingebracht wird. Mittels eines Preßstem­ pels 3 wird der Block 2 gegen den Brückensteg 4 gedrückt und in zwei Teilströme unterteilt. Der Brückensteg 4 weist bei­ spielsweise zwei Dornansätze 5 und 6 auf, welche die Kanäle 7 und 8 im fertigen Profil 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 10 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 hochwarm­ festen Werkstoff hergestellt sein.

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

Bei einem Versuch wurden mehrere Versuchsblöcke in einer Stranggießanlage gegossen. Als Ausgangsmaterial wurden Kup­ ferkathoden verwendet, die mit einer Kupfer-Bor-Legierung mit 2 Gew.-% Bor desoxidiert wurden. Die Blöcke hatten einen Durchmesser von 180 mm und eine Länge von 300 bis 400 mm. Diese Blöcke wurden auf 900°C erwärmt und in einer Vorrich­ tung gemäß Fig. 1 zu einem Hohlprofil verpreßt. Leitfähig­ keitsuntersuchungen an dem gepreßten Profil ergaben eine elektrische Leitfähigkeit von über 100% IACS (entsprechend einem Wert größer 58 m/Ω mm²). Der Borgehalt des Kupferwerk­ stoffs betrug 0,02 Gew.-%. 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.

Das erfindungsgemäß zu verwendende sauerstofffreie Kupfer läßt sich mit gleichem Vorteil auch zur Herstellung von Hohl­ profilen einsetzen, die generell aus Gründen der Quer­ schnittsform nur über Brückenwerkzeuge gepreßt werden können, d. h. Hohlprofile mit drei oder vier Bohrungen bzw. Hohlpro­ file mit ungleicher Masseverteilung.

Claims (2)

1. Verwendung eines durch Bor bzw. Lithium desoxidierten sauerstofffreien Kupfers, das Bor bzw. Lithium in einer Menge von 0,01 bis 0,05 Gew.-%, vorzugsweise von 0,015 bis 0,025 Gew.-%, aufweist und dessen elektrische Leitfä­ higkeit mindestens 95% IACS beträgt, als Werkstoff für die Herstellung von Hohlprofilen, insbesondere innenge­ kühlten elektrischen Leitern, durch Strangpressen des sauerstofffreien Kupfers über ein Brückenwerkzeug.

2. Verwendung eines durch Bor bzw. Lithium desoxidierten sauerstofffreien Kupfers nach Anspruch 1, dessen elektri­ sche Leitfähigkeit mehr als 100% IACS beträgt, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.