EP2128305A1 - Metallischer Verbunddraht mit wenigstens zwei metallischen Schichten - Google Patents

Metallischer Verbunddraht mit wenigstens zwei metallischen Schichten Download PDF

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EP2128305A1
EP2128305A1 EP09450072A EP09450072A EP2128305A1 EP 2128305 A1 EP2128305 A1 EP 2128305A1 EP 09450072 A EP09450072 A EP 09450072A EP 09450072 A EP09450072 A EP 09450072A EP 2128305 A1 EP2128305 A1 EP 2128305A1
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metal wire
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composite metal
layer
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EP09450072A
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Ewald Koppensteiner
Rudolf Schrayvogel
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HPW Metallwerk GmbH
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Gebauer and Griller Metallwerk GmbH
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Publication date
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    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
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    • B21C37/04—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of bars or wire
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • Y10T428/12861—Group VIII or IB metal-base component
    • Y10T428/12903—Cu-base component
    • Y10T428/1291—Next to Co-, Cu-, or Ni-base component

Definitions

  • CCS copper clad steel
  • CCA copper clad aluminum
  • ACS aluminum clad steel
  • ICN iron clad nickel
  • Dumet composite copper clad FeNi42 / 47
  • CCA composite wires also have the disadvantage of low strength.
  • the invention is therefore based on the object to provide a metal composite wire available that meets the requirements set as well as possible.
  • composite wires can be produced which meet the requirements mentioned above. That is, this alloy and second layer (preferably copper layer) can be coordinated so that both the tensile strength, the bending fatigue strength and the conductivity are sufficiently high. It can also be made a good connection between the individual layers, which is important for the strength properties of the composite wire.
  • the alloy constituents By choosing the alloy constituents, it is also possible to achieve high corrosion resistance in corrosive, for example saline, aqueous media, and that is because not only the two individual components are inherently stable, but moreover both components in the electrochemical series close to each other are found, which is why in the presence of electrolytes, the susceptibility to corrosion is very low.
  • a layer of the non-ferrous metal alloy is an inner layer and an outer layer is a copper layer.
  • the area fraction of the layer of Cu is preferably 20-80%, preferably 65-70%, of the total cross-sectional area of the composite wire. With a Cu area ratio in these ranges, both favorable mechanical properties and electrical properties can be achieved and, as mentioned above, a good further processability of the composite wire is given.
  • the metallic composite wire according to the invention has a round cross-section, since this cross-sectional shape is used very frequently.
  • the core layer is made of the non-ferrous metal alloy and the outermost layer is made of copper. With such a composite wire, the demands made can meet particularly well.
  • the metallic composite wire according to the invention is preferably used in signal lines in motor vehicle construction and therefore preferably has a cross-sectional area of 0.05 to 0.5 mm 2.
  • the non-ferrous metal alloy preferably contains the following components in the proportions indicated below (in% by weight): Ni 3.0% to 28% Fe 1.5% to 15% Mn 1.5% to 10% Cu Rest, wherein the sum of the selected proportions 100% by weight, since an alloy with said constituents in the above-mentioned areas particularly well meets the requirements initially stated.
  • the non-ferrous metal alloy particularly preferably contains the following ingredients in the proportions indicated below (in weight%): Ni 5.0% to 20% Fe 2.0% to 12% Mn 2.0% to 8th % Cu Rest, the sum of the proportions chosen being 100% by weight.
  • the non-ferrous metal alloy most preferably contains the following ingredients in the proportions indicated below (in weight%): Ni 6.0% to 13% Fe 2.1% to 8th % Mn 2.5 % to 6% Cu rest the sum of the proportions chosen being 100% by weight.
  • the non-ferrous metal alloy contains the following constituents in the proportions indicated below (in% by weight): Ni 7.620% Fe 3.570% Mn 3.760% C 0.002% Si 0.023% mg 0.015% Ti 0.310% S 0.007% P 0.002% Cu 84.691%.
  • This can be achieved by either stationary annealing (T 200 - 500 ° C) or by in-line annealing (conductive, inductive, etc.) at diameter-dependent speeds and temperatures, both in a non-oxidizing atmosphere.
  • a ⁇ 200 12 % ,
  • the elongation at break correlates with the bending fatigue strength
  • the latter can also be adjusted in a targeted manner in such composite wires with hard and soft components.
  • the 0.40 and 0.50 mm diameter bare composite wires have a high flex life of significantly> 300 flexures (180 °, over 10 mm mandrel, at 200 g load weight, 60 cycles per sec Minute) until breakage.
  • an inner component can be annealed, while the others remain hard as long as the recrystallization temperatures of the components sufficiently differ.
  • the composite wire according to the above example has a resistivity of 0.026 Ohm mm 2 / m, which corresponds to approximately 38.5 SE (Siemens units) and thus about 65% IACS, so about 65% of the conductivity of copper.
  • the compound wire with components according to the above example in the hard inside variant can, because of this combination of its corrosive, electrical and mechanical properties, e.g. be used as conductors in cables and lines, preferably where signal currents (low current) are to be routed, and where it can not be ruled out that the conductor in the contact area is exposed to aggressive media (for example salt spray water).
  • aggressive media for example salt spray water
  • this composite wire is not only ductile or solid, but combines both properties, it is also suitable as a single conductor to replace a copper strand of larger cross-section, while maintaining the required conductivity, ductile properties (such as bending fatigue strength) and comparable strength / yield strength compared to a larger diameter Cu strand.
  • such a composite wire with an outside diameter of 0.50 mm / cross-section 0.22 mm 2 is suitable for replacing a copper strand with a total cross-section of 0.50 mm 2, an outside diameter of 0.40 mm / cross-section 0.13 mm 2 or even one with an outside diameter of 0.30 mm / cross-section
  • 0.07 mm 2 can replace a copper strand with a total cross section of 0.35 mm2.

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Abstract

Ein metallischer Verbunddraht weist wenigstens zwei metallische Schichten auf. Eine Schicht, vorzugsweise die innere Schicht ist eine Nicht-Eisen-Metall-Legierung und eine zweite Schicht, vorzugsweise die äußerste Schicht, besteht aus Kupfer.

Description

  • Für verschiedene Anwendungen besteht die Forderung nach elektrischen Leitern bzw. Drähten, welche gute elektrischen Eigenschaften, also einen geringen Widerstand, und eine hohe mechanische Festigkeit, insbesondere eine hohe Zugfestigkeit und Biegewechselfestigkeit, aufweisen. Zusätzlich sollen diese widerstandsfähig gegen Korrosion sein.
  • Bekannte Produkte sind CCS-Verbunddrähte (copper clad steel), CCA-Verbunddrähte (copper clad aluminum), ACS-Verbunddrähte (aluminium clad steel), ICN-Verbunddrähte (iron clad nickel), sowie Dumet-Verbunddrähte (copper clad FeNi42/47), welche aber oft nicht ausreichend korrosionsbeständig sind, bzw. nicht die gewünschten mechanischen Eigenschaften aufweisen. Es handelt sich dabei um Verbunddrähte mit einem Kerndraht aus Stahl, FeNi42/47, Reinnickel oder Aluminium, der mit einer Schicht aus Kupfer bzw. Aluminium bzw. Eisen ummantelt ist. Sofern ein solcher Kerndraht einem korrosiven Medium wie zum Beispiel Salzwasser ausgesetzt ist, korrodiert er sehr rasch, wodurch solche Verbunddrähte in verschiedenen Anwendungsfällen nicht verwendbar sind. CCA-Verbunddrähte haben weiters den Nachteil geringer Festigkeit.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen metallischen Verbunddraht zur Verfügung zu stellen, der den eingangs gestellten Anforderungen möglichst gut genügt.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit einem metallischen Verbunddraht mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Durch Verwendung einer Nicht-Eisen-Metall-Legierung für wenigstens eine Schicht und vorzugsweise Kupfer für eine zweite Schicht können Verbunddrähte hergestellt werden, welche den einleitend genannten Forderungen entsprechen. D.h. diese Legierung und zweite Schicht (vorzugsweise Kupferschicht) können so aufeinander abgestimmt werden, dass sowohl die Zugfestigkeit, die Biegewechselfestigkeit als auch die Leitfähigkeit ausreichend hoch sind. Es kann auch eine gute Verbindung zwischen den einzelnen Schichten hergestellt werden, was für die Festigkeitseigenschaften des Verbunddrahtes wichtig ist.
  • Durch die Wahl der Legierungsbestandteile kann auch ein hoher Korrosionswiderstand in korrosiven, zum Beispiel salzhaltigen wässrigen Medien, erreicht werden, und zwar deshalb, weil nicht nur die beiden einzelnen Komponenten jede für sich gut beständig sind, sondern darüber hinaus auch beide Komponenten in der elektrochemischen Spannungsreihe nahe nebeneinander zu finden sind, weswegen auch in Anwesenheit von Elektrolyten die Korrosionsanfälligkeit sehr gering ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Schicht aus der Nicht-Eisen-Metall-Legierung eine innere Schicht und eine äußere Schicht eine Kupferschicht. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die verwendeten Technologien zum Verbinden der elektrischen Leiter bzw. Drähte mit elektrischen Verbindern, Kabelklemmen und dergleichen, welche auf Kupferdrähte abgestimmt sind, unverändert weiter angewandt werden können.
  • Bevorzugt beträgt der Flächenanteil der Schicht aus Cu 20 - 80%, vorzugsweise 65 - 70%, der Gesamtquerschnittsfläche des Verbunddrahtes. Bei einem Cu-Flächenanteil in diesen Bereichen sind sowohl günstige mechanische Eigenschaften als auch elektrische Eigenschaften erzielbar und es ist auch wie vorstehend erwähnt eine gute Weiterverarbeitbarkeit des Verbunddrahtes gegeben.
  • Bevorzugt weist der erfindungsgemäße metallische Verbunddraht einen runden Querschnitt auf, da diese Querschnittsform sehr häufig zum Einsatz kommt. In diesem Fall ist bevorzugt, wenn die Kernschicht aus der Nicht-Eisen-Metall-Legierung und die äußerste Schicht aus Kupfer besteht. Mit einem derartigen Verbunddraht lassen sich die gestellten Forderungen besonders gut erfüllen.
  • Es sind aber auch andere Querschnittsformen denkbar, beispielsweise in Form von Flach- oder Profildrähten, sowie Bändern.
  • Der erfindungsgemäße metallische Verbunddraht kommt bevorzugt bei Signalleitungen im Kraftfahrzeugbau zum Einsatz und weist daher vorzugsweise eine Querschnittsfläche von 0,05 bis 0,5 mm2 auf.
  • Die Nicht-Eisen-Metall-Legierung enthält bevorzugt die folgenden Bestandteile in den nachstehend angegebenen Anteilen (in Gewichts-%):
    Ni 3,0% bis 28%
    Fe 1,5% bis 15%
    Mn 1,5% bis 10%
    Cu Rest,
    wobei die Summe der gewählten Anteile 100 Gewichts-% ergibt, da eine Legierung mit den genannten Bestandteilen in den genannten Bereichen den eingangs gestellten Anforderungen besonders gut entspricht.
  • Die Nicht-Eisen-Metall-Legierung enthält besonders bevorzugt die folgenden Bestandteile in den nachstehend angegebenen Anteilen (in Gewichts-%):
    Ni 5,0 % bis 20 %
    Fe 2,0 % bis 12 %
    Mn 2,0 % bis 8 %
    Cu Rest,
    wobei die Summe der gewählten Anteile 100 Gewichts-% ergibt.
  • Die Nicht-Eisen-Metall-Legierung enthält ganz besonders bevorzugt die folgenden Bestandteile in den nachstehend angegebenen Anteilen (in Gewichts-%):
    Ni 6,0 % bis 13 %
    Fe 2,1 % bis 8 %
    Mn 2,5 % bis 6 %
    Cu Rest
    wobei die Summe der gewählten Anteile 100 Gewichts-% ergibt.
  • In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Nicht-Eisen-Metall-Legierung die folgenden Bestandteile in den nachstehend angegebenen Anteilen (in Gewichts-%):
    Ni 7,620%
    Fe 3,570%
    Mn 3,760%
    C 0,002%
    Si 0,023%
    Mg 0,015%
    Ti 0,310%
    S 0,007%
    P 0,002%
    Cu 84,691%.
  • Solch ein Verbunddraht weist folgende mechanischen Werte auf:
    • im weichgeglühten Zustand: sehr gute Duktilität, (nach Glühung bei 700°C Bruchdehnung A200 = 27%), bei gleichzeitig rel. niedriger Festigkeit (370 MPa) und Streckgrenze (220 MPa)
    • im hartgezogenen Zustand: geringe Duktilität (A200 = 1%), dafür aber hoher Festigkeit (640 MPa) und Streckgrenze (600 MPa).
  • Es gibt Anwendungen, wo neben insgesamt guten Korrosionseigenschaften auch mechanische Werte gefordert sind, welche weder im weichgeglühten noch im kaltverfestigten Zustand beider Komponenten dieses Verbunddrahtes erreichbar sind, welche allerdings dann erreichbar sind, wenn in diesem Verbunddraht konkret nur das außenliegende Cu weichgeglüht wird, der innenliegende Kern aber nicht rekristallisiert wird.
  • Das ist realisierbar durch entweder stationäre Glühungen (T = 200 - 500°C) oder auch durch in-Linie Glühungen (konduktiv, induktiv, etc.) bei durchmesserabhängigen Geschwindigkeiten und Temperaturen, beides in nicht-oxidierender Atmosphäre.
  • Ein Verbunddraht mit Bestandteilen entsprechend vorstehendem Beispiel, bei dem eine Komponente weich, die andere hart ist, weist folgende mechanischen Werte auf (Außendurchmesser 0,40 bzw. 0,50 mm) : F ⁢ e ⁢ s ⁢ t ⁢ i ⁢ g ⁢ k ⁢ e ⁢ i ⁢ t = 450 M ⁢ P ⁢ a , S ⁢ t ⁢ r ⁢ e ⁢ c ⁢ k ⁢ g ⁢ r ⁢ e ⁢ n ⁢ z ⁢ e = 350 M ⁢ P ⁢ a , A ⁢ 200 = 12 % .
    Figure imgb0001
  • Voraussetzung dafür ist die bei der Erfindung erzielbare ausgezeichnete metallische Haftung der beiden Komponenten im Verbunddraht. Das ermöglicht ein "gegenseitiges Stützen" beider Komponenten, und damit eine Mittelung der mechanischen Werte beider Komponenten, welche zudem über die Wahl der Volumenanteile als auch über die Wahl der Werkstoffe gezielt einstellbar ist.
  • Da die Bruchdehnung z.B. mit der Biegewechselfestigkeit korreliert, ist auch letztere in solchen Verbunddrähten mit harten und weichen Komponenten ebenso gezielt einstellbar. Im vorstehenden Beispiel weisen die blanken Verbunddrähte mit 0,40 bzw. 0,50 mm Durchmesser eine hohe Biegewechselfestigkeit von deutlich > 300 Biegen (um 180°, über 10 mm Dorn, bei Belastungsgewicht von 200 g mit 60 Zyklen pro Minute) bis zum Bruch auf.
  • Je nach Auswahl der Komponenten im Verbund mit zwei oder mehreren Komponenten kann wahlweise ebenso eine innere Komponente weichgeglüht werden, während die anderen verformungshart bleiben, solange sich die Rekristallisationstemperaturen der Komponenten hinreichend unterscheiden.
  • Der Verbunddraht entsprechend vorstehendem Beispiel weist einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,026 Ohm mm2/m auf, das entspricht ca. 38,5 SE (Siemens-Einheiten) und damit ca. 65 % IACS, also ca. 65 % der Leitfähigkeit von Kupfer.
  • Der Verbunddraht mit Bestandteilen entsprechend vorstehendem Beispiel in der innen harten Variante kann wegen dieser Kombination seiner korrosiven, elektrischen sowie mechanischen Eigenschaften z.B. als Leiter in Kabeln und Leitungen eingesetzt werden, vorzugsweise dort, wo Signalströme (niedrige Stromstärke) zu leiten sind, und wo nicht ausgeschlossen werden kann, dass der Leiter im Kontaktbereich aggressiven Medien ausgesetzt ist (z.B. Salzspritzwasser).
  • Weil dieser Verbunddraht nicht nur entweder duktil oder fest ist, sondern beide Eigenschaften in sich vereint, ist er darüber hinaus dazu geeignet, als Einzelleiter eine Cu-Litze größeren Querschnittes zu ersetzen, dies unter Einhaltung der erforderlichen Leitfähigkeit, ausreichender duktiler Eigenschaften (wie Biegewechselfestigkeit) und vergleichbarer Festigkeit/Streckgrenze im Vergleich zu einer Cu-Litze größeren Querschnitts.
  • So ist ein solcher Verbunddraht mit Außendurchmesser 0.50 mm / Querschnitt 0.22 mm2 zum Beispiel geeignet, eine Cu-Litze mit Gesamtquerschnitt 0.50 mm2 zu ersetzen, ein solcher mit Außendurchmesser 0.40 mm / Querschnitt 0.13 mm2 oder sogar ein solcher mit Außendurchmesser 0,30 mm / Querschnitt 0,07 mm2 kann z.B. eine Cu-Litze mit Gesamtquerschnitt 0.35 mm2 ersetzen.
  • Daraus ergibt sich die Möglichkeit einer substantiellen Einsparung an Material, Platz und Gewicht, welche für verschiedene Anwendungen vorteilhaft ist.
  • In den Querschnittsbereichen <= 0.50 mm2 treten weiters bei Cu-Litzen bzw. Litzen generell an den kontaktierten Enden störende Langzeiteffekte auf (Lockerung der Verbindung / des Crimps), die bei Einsatz von Einzeldrähten nicht beobachtet wurden, ein weiterer wesentlicher Vorteil von Einzeldrähten gegenüber Litzen.

Claims (12)

  1. Metallischer Verbunddraht mit wenigstens zwei metallischen Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schicht eine Nicht-Eisen-Metall-Legierung ist.
  2. Metallischer Verbunddraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Schicht aus Kupfer besteht.
  3. Metallischer Verbunddraht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus der Nicht-Eisen-Metall-Legierung eine innere Schicht ist.
  4. Metallischer Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenanteil der Schicht aus Kupfer 20 - 80%, vorzugsweise 65 - 70%, der Gesamtquerschnittsfläche des Verbunddrahtes beträgt.
  5. Metallischer Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er einen runden Querschnitt aufweist.
  6. Metallischer Verbunddraht nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innerste Schicht aus der Nicht-Eisen-Metall-Legierung und die äußerste Schicht aus Kupfer besteht.
  7. Metallischer Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Querschnittsfläche von 0,05 bis 0,50 mm2 aufweist.
  8. Metallischer Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nicht-Eisen-Metall-Legierung die folgenden Bestandteile in den nachstehend angegebenen Anteilen (in Gewichts-%) enthält: Ni 3,0% bis 28% Fe 1,5% bis 15% Mn 1,5% bis 10% Cu Rest,
    wobei die Summe der gewählten Anteile 100 Gewichts-% ergibt.
  9. Metallischer Verbunddraht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nicht-Eisen-Metall-Legierung die folgenden Bestandteile in den nachstehend angegebenen Anteilen (in Gewichts-%) enthält: Ni 5,0% bis 20% Fe 2,0% bis 12% Mn 2,0% bis 8% Cu Rest,
    wobei die Summe der gewählten Anteile 100 Gewichts-% ergibt.
  10. Metallischer Verbunddraht nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nicht-Eisen-Metall-Legierung die folgenden Bestandteile in den nachstehend angegebenen Anteilen (in Gewichts-%) enthält: Ni 6,0% bis 13% Fe 2,1% bis 8% Mn 2,5% bis 6% Cu Rest,
    wobei die Summe der gewählten Anteile 100 Gewichts-% ergibt.
  11. Metallischer Verbunddraht nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nicht-Eisen-Metall-Legierung die folgenden Bestandteile in den nachstehend angegebenen Anteilen (in Gewichts-%) enthält: Ni 7,620% Fe 3,570% Mn 3,760% C 0,002% Si 0,023% Mg 0,015% Ti 0,310% S 0,007% P 0,002% Cu 84,691%.
  12. Metallischer Verbunddraht nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die außen liegende Schicht aus Kupfer weichgeglüht ist, die innen liegende Schicht aus der Nicht-Eisen-Metall-Legierung aber nicht rekristallisiert ist.
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