EP2808873A1 - Elektrisch leitfähiger Draht und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP2808873A1
EP2808873A1 EP13305693.7A EP13305693A EP2808873A1 EP 2808873 A1 EP2808873 A1 EP 2808873A1 EP 13305693 A EP13305693 A EP 13305693A EP 2808873 A1 EP2808873 A1 EP 2808873A1
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    • H01B13/0016—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables for heat treatment

Definitions

  • the invention relates to a built-up on the basis of copper, electrically conductive wire and a method for its preparation.
  • Such a wire is used for example for electrical conductors in different forms.
  • Such a wire containing copper conductors have long been known for a variety of applications. They are used, for example, in electrical connection lines, in communications cables and in high-voltage or high-voltage cables.
  • copper conductors can have different cross sections. They can be designed as a solid conductor or as a stranded conductor, in which a larger number of copper wires is stranded together.
  • the material used for the copper conductors may also have different properties depending on the application, on the one hand, for example, a good electrical conductivity and on the other hand, for example, a high mechanical strength to be achieved.
  • electrically conductive copper conductors can also be combined with aluminum and copper conductors with high mechanical strength are connected to steel elements, for example. In all cases, the copper conductor is specifically designed according to the requirements of the respective application.
  • the invention has for its object to provide a copper-containing, electrically conductive wire and a manufacturing method for the same, which can be easily adapted to different properties.
  • a wire which has a core and a metallically connected thereto and the same surrounding layer, in which the core has a proportion between 20% and 50% of the cross section of the wire, while the layer has a corresponding, between 80% and 50% of the wire cross section, the core on the one hand and the layer surrounding it on the other hand being made of different materials based on copper.
  • either the core of unalloyed copper and the same surrounding layer may consist of a copper alloy or vice versa.
  • the term "unalloyed copper" as a material for the wire in the context of the invention basically describes a copper material as defined in the standard DIN EN 1977: 2013-04 (Tables 1 and 2).
  • either the core may consist of a first copper alloy and the same surrounding layer of a second copper alloy with respect to the first copper alloy other alloy material or vice versa.
  • the wire according to the invention thus consists either of unalloyed copper and a copper alloy or of two different copper alloys. It is thus constructed in both cases of two different copper materials, wherein it can be carried out by varying the proportions of different copper materials with different properties. Only the two different copper-based materials are used for this purpose, which alone, with their variable proportions on the overall cross-section of the wire and their exchangeable arrangement in the core or in the same surrounding layer, enable the different properties of the wire. Different properties are the electrical conductivity on the one hand and the mechanical properties on the other hand. A larger proportion of copper leads to improved electrical conductivity, while an increased proportion of a copper alloy affects the mechanical properties of the wire.
  • a core is first prefabricated, which consists of either unalloyed copper or a copper alloy.
  • the core is then pulled through a bath containing the material intended for the outer layer in a molten state in which a layer is applied all around, for example, in a core of unalloyed copper from a Copper alloy and a core of a copper alloy consists of unalloyed copper.
  • a layer is applied all around, for example, in a core of unalloyed copper from a Copper alloy and a core of a copper alloy consists of unalloyed copper.
  • the existing of the core and the same layer surrounding wire can be supplied after leaving the bath to reduce its diameter of a roller unit.
  • the diameter of the wire can be reduced to an advantage in an additional pulling device substantially to an extent with which it is suitable for the production of an existing of a plurality of wires electrical stranded conductor.
  • Targeted annealing also allows the core surrounding layer of the wire to be annealed while the core remains hard, for example. However, it is also possible to soften the core while leaving the material of the outer layer hard.
  • Fig. 1 is a cross section of an electrically conductive wire D is shown, which has a core 1 and a surrounding the same layer 2.
  • Core 1 and layer 2 are metallically bonded together. They consist of different materials based on copper.
  • the core 1 consists of unalloyed copper, while the layer 2 consists of a copper alloy.
  • This embodiment of the wire D can be varied by replacing the two materials specified.
  • the core 1 then consists of a copper alloy while the layer 2 consists of unalloyed copper.
  • alloy materials for the copper alloy can be used with advantage silver or tin or magnesium. These alloy materials cause compared to the use of only unalloyed copper improved mechanical properties of the wire D, in particular based on its tensile strength, breaking strength and / or its alternating bending strength.
  • core 1 and layer 2 consist of two different copper alloys, for which the alloying materials specified in the foregoing can be used and which, analogously to the first embodiment of the wire D, can be inserted either in the core 1 or in the layer 2.
  • the core 1 may consist of a copper-tin alloy and the layer 2 may consist of a copper-silver alloy or vice versa.
  • the tensile strength of the wire D increases, while its electrical conductivity is not significantly affected.
  • a contrast increased tensile strength of the wire D results, for example, when using tin in the copper alloy, but with reduced electrical conductivity.
  • the addition of magnesium to the copper alloy increases, for example, the alternating bending property of the wire D, at an electrical conductivity corresponding to the copper alloy with tin as alloy material.
  • core 1 and layer 2 may be different for the same dimensions of the wire D.
  • the core 1 has a proportion between 20% and 50% of the total cross section of the wire D.
  • the proportion of the layer 2 is then between 80% and 50%.
  • the wire D can accordingly Fig. 2
  • Fig. 2 For example, be prepared as follows:
  • a prefabricated, wire-shaped core 1 made of unalloyed copper, for example, withdrawn in the direction of arrow P from a coil not shown with and a bath 3, in which contain a copper alloy in a molten state is.
  • the core 1 is pulled through the bath 3, whereby the layer 2 is applied all around it. It combines metallically with the core 1.
  • the thickness of the layer 2 is set by the speed at which the core 1 is pulled through the bath 3. This means that the slower the core 1 is drawn through the bath 3, the thicker the layer 2 is.
  • This method applies analogously to a core 1 made of the copper alloy and a unalloyed copper in the molten state containing bath 3 to produce the layer 2. It applies analogously to the second embodiment of the wire 2 with two different copper alloys.
  • the finished after leaving the bath 3 wire D could be wound up after sufficient cooling of the layer 2 on a spool. However, it can be pulled with advantage initially by a roller unit 4, in which the diameter of the wire D is reduced and at the same time the metallic composite between the core 1 and layer 2 are solidified.
  • the wire D can additionally also by a in Fig. 2 drawn dashed drawing device 5 are drawn in which its diameter is significantly reduced.
  • a wire for example, with a diameter of 0.1 mm can be advantageously processed with a larger number of equal sized wires, for example, to a stranded electrical conductor.
  • the properties of the wire D can be further adjusted by targeted annealing, for example, to obtain a "semi-hard" wire.
  • the core 1 remain hard, while the layer 2 is annealed to influence its expansion or flexibility properties. But it is also possible to glow softly the core 1 and the layer 2 of it unaffected, that is hard to leave.
  • the core 1 made of unalloyed copper or a copper alloy has a diameter of 4.89 mm. Its cross-sectional area is thus 18.81 mm 2 .
  • the proportion of the core 1 in the total cross section of the wire D is therefore 37%.
  • the existing of a copper alloy or unalloyed copper layer 2 has a thickness of 1.55 mm. It has a cross-sectional area of 31.45 mm and a proportion of 63% of the total cross section of the wire D.

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Abstract

Es wird ein elektrisch leitfähiger Draht (D) angegeben, welcher auf der Basis von Kupfer aufgebaut ist und welcher einen Kern (1) sowie eine metallisch mit demselben verbundene und denselben rundum umgebende Schicht (2) aufweist. Der Kern (1) hat einen zwischen 20 % und 50 % liegenden Anteil am Querschnitt des Drahtes, während die Schicht (2) einen korrespondierenden, zwischen 80 % und 50 % liegenden Anteil am Drahtquerschnitt aufweist. Der Kern (1) einerseits und die denselben umgebende Schicht (2) andererseits bestehen aus unterschiedlichen Materialien auf der Basis von Kupfer

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen auf der Basis von Kupfer aufgebauten, elektrisch leitfähigen Draht und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
  • Ein derartiger Draht wird beispielsweise für elektrische Leiter in unterschiedlichen Formen eingesetzt. Einen solchen Draht enthaltende Kupferleiter sind seit langer Zeit für unterschiedlichste Anwendungen bekannt. Sie werden beispielsweise in elektrischen Verbindungsleitungen, in Nachrichtenkabeln und in Starkstrom- bzw. Hochspannungskabeln eingesetzt. Je nach Einsatzgebiet können Kupferleiter unterschiedliche Querschnitte haben. Sie können als Massivleiter oder auch als Litzenleiter ausgeführt sein, in denen eine größere Anzahl von Kupferdrähten miteinander verseilt ist. Das für die Kupferleiter verwendete Material kann in Abhängigkeit vom Einsatzfall auch unterschiedliche Eigenschaften haben, wobei einerseits beispielsweise eine gute elektrische Leitfähigkeit und andererseits beispielsweise eine hohe mechanische Festigkeit erreicht werden sollen. Elektrisch gut leitende Kupferleiter können beispielsweise auch mit Aluminium kombiniert werden und Kupferleiter mit hoher mechanischer Festigkeit sind beispielsweise mit Stahlelementen verbunden. In allen Fällen ist der Kupferleiter gezielt entsprechend den Anforderungen des jeweiligen Einsatzzwecks aufgebaut.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kupfer enthaltenden, elektrisch leitfähigen Draht und ein Herstellungsverfahren für denselben anzugeben, der auf einfache Weise an unterschiedliche Eigenschaften angepaßt werden kann.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Draht angegeben, welcher einen Kern und eine metallisch mit demselben verbundene und denselben rundum umgebende Schicht aufweist, bei welchem der Kern einen zwischen 20 % und 50 % liegenden Anteil am Querschnitt des Drahtes hat, während die Schicht einen korrespondierenden, zwischen 80 % und 50 % liegenden Anteil am Drahtquerschnitt aufweist, wobei der Kern einerseits und die denselben umgebende Schicht andererseits aus unterschiedlichen Materialien auf der Basis von Kupfer bestehen.
  • In einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Drahtes kann entweder der Kern aus unlegiertem Kupfer und die denselben umgebende Schicht aus einer Kupferlegierung bestehen oder umgekehrt. Die Bezeichnung "unlegiertes Kupfer" als Material für den Draht beschreibt im Sinne der Erfindung grundsätzlich ein Kupfermaterial wie es in der Norm DIN EN 1977: 2013-04 (Tabellen 1 und 2) definiert ist.
  • In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Drahtes kann entweder der Kern aus einer ersten Kupferlegierung und die denselben umgebende Schicht aus einer zweiten Kupferlegierung mit gegenüber der ersten Kupferlegierung anderem Legierungsmaterial bestehen oder umgekehrt.
  • Der Draht nach der Erfindung besteht also entweder aus unlegiertem Kupfer und einer Kupferlegierung oder aus zwei unterschiedlichen Kupferlegierungen. Er ist damit in beiden Fällen aus zwei unterschiedlichen Kupfermaterialien aufgebaut, wobei er durch Variation der Anteile der unterschiedlichen Kupfermaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften ausgeführt werden kann. Es werden dazu lediglich die beiden unterschiedlichen, auf Kupfer basierende Materialien eingesetzt, die allein mit ihren variablen Anteilen am Gesamtquerschnitt des Drahtes sowie ihrer austauschbaren Anordnung im Kern oder in der denselben umgebenden Schicht die unterschiedlichen Eigenschaften des Drahtes ermöglichen. Unterschiedliche Eigenschaften sind dabei die elektrische Leitfähigkeit einerseits und die mechanischen Eigenschaften andererseits. Ein größerer Anteil an Kupfer führt zu einer verbesserten elektrischen Leitfähigkeit, während ein erhöhter Anteil einer Kupferlegierung die mechanischen Eigenschaften des Drahtes beeinflußt.
  • Zur Herstellung des Drahtes wird in bevorzugter Ausführungsform zunächst ein Kern vorgefertigt, der entweder aus unlegiertem Kupfer oder aus einer Kupferlegierung besteht. Der Kern wird anschließend durch ein das für die äußere Schicht vorgesehene Material in schmelzflüssigem Zustand enthaltendes Bad hindurchgezogen, in welchem rundum eine Schicht auf denselben aufgebracht wird, die beispielsweise bei einem Kern aus unlegiertem Kupfer aus einer Kupferlegierung und bei einem Kern aus einer Kupferlegierung aus unlegiertem Kupfer besteht. Das gilt analog auch, wenn für den Kern und die denselben umgebende Schicht zwei unterschiedliche Kupferlegierungen eingesetzt werden.
  • Der aus dem Kern und der denselben umgebenden Schicht bestehende Draht kann nach Verlassen des Bades zur Reduzierung seines Durchmessers einer Walzeneinheit zugeführt werden.
  • Der Durchmesser des Drahtes kann mit Vorteil in einer zusätzlichen Ziehvorrichtung wesentlich auf ein Maß reduziert werden, mit welchem er zur Herstellung eines aus einer Vielzahl von Drähten bestehenden elektrischen Litzenleiters geeignet ist.
  • Durch gezieltes Glühen kann außerdem beispielsweise die den Kern umgebende Schicht des Drahtes weichgeglüht werden, während der Kern hart bleibt. Es ist aber auch möglich, den Kern weich zu glühen, während das Material der äußeren Schicht hart bleibt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindungsgegenstände einschließlich eines Verfahrens zur Herstellung derselben sind in den Zeichnungen dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 einen Schnitt durch einen Draht nach der Erfindung.
    • Fig. 2 schematisch eine Anordnung für ein Verfahren zur Herstellung eines Drahtes nach Fig. 1.
  • In Fig. 1 ist ein Querschnitt eines elektrisch leitfähigen Drahtes D dargestellt, der einen Kern 1 und eine denselben rundum umgebende Schicht 2 aufweist. Kern 1 und Schicht 2 sind metallisch miteinander verbunden. Sie bestehen aus unterschiedlichen Materialien auf der Basis von Kupfer.
  • In einer ersten Ausführungsform des Drahtes D besteht der Kern 1 aus unlegiertem Kupfer, während die Schicht 2 aus einer Kupferlegierung besteht. Diese Ausführungsform des Drahtes D kann durch Austausch der beiden angegebenen Materialien variiert sein. Der Kern 1 besteht dann aus einer Kupferlegierung während die Schicht 2 aus unlegiertem Kupfer besteht.
  • Als Legierungsmaterialien für die Kupferlegierung können mit Vorteil Silber oder Zinn oder Magnesium eingesetzt werden. Diese Legierungsmaterialien bewirken gegenüber dem Einsatz von nur unlegiertem Kupfer verbesserte mechanische Eigenschaften des Drahtes D, insbesondere bezogen auf dessen Zugfestigkeit, seine Bruchkraft und/oder seine Wechselbiegefestigkeit.
  • In einer zweiten Ausführungsform des Drahtes D bestehen Kern 1 und Schicht 2 aus zwei unterschiedlichen Kupferlegierungen, für welche die im Vorangehenden angegebenen Legierungsmaterialien eingesetzt werden können und die analog zur ersten Ausführungsform des Drahtes D wahlweise im Kern 1 oder in der Schicht 2 eingesetzt sein können. So können beispielsweise der Kern 1 aus einer Kupfer-ZinnLegierung und die Schicht 2 aus einer Kupfer-Silber-Legierung bestehen oder umgekehrt.
  • Bei einer Silber enthaltenden Kupferlegierung erhöht sich beispielsweise insbesondere die Zugfestigkeit des Drahtes D, während seine elektrische Leitfähigkeit nicht wesentlich beeinflußt wird. Eine demgegenüber erhöhte Zugfestigkeit des Drahtes D ergibt sich beispielsweise bei Einsatz von Zinn in der Kupferlegierung, bei allerdings verringerter elektrischer Leitfähigkeit. Der Zusatz von Magnesium zur Kupferlegierung erhöht beispielsweise die Wechselbiegeeigenschaft des Drahtes D, bei einer elektrischen Leitfähigkeit, welche der Kupferlegierung mit Zinn als Legierungsmaterial entspricht.
  • Die Abmessungen von Kern 1 und Schicht 2 können bei gleichbleibenden Abmessungen des Drahtes D unterschiedlich sein. So hat der Kern 1 in allen Ausführungsformen einen zwischen 20 % und 50 % liegenden Anteil am Gesamtquerschnitt des Drahtes D. Der Anteil der Schicht 2 liegt dann zwischen 80 % und 50 %.
  • Der Draht D kann entsprechend Fig. 2 beispielsweise wie folgt hergestellt werden:
  • Ein vorgefertigter, drahtförmiger Kern 1 aus unlegiertem Kupfer wird beispielsweise in Richtung des Pfeiles P von einer nicht mit dargestellten Spule abgezogen und einem Bad 3 zugeführt, in dem eine Kupferlegierung in schmelzflüssigem Zustand enthalten ist. Der Kern 1 wird durch das Bad 3 hindurchgezogen, wodurch die Schicht 2 rundum auf denselben aufgebracht wird. Sie verbindet sich metallisch mit dem Kern 1. Die Dicke der Schicht 2 wird dabei über die Geschwindigkeit eingestellt, mit welcher der Kern 1 durch das Bad 3 gezogen wird. Das bedeutet, daß die Schicht 2 um so dicker ist, je langsamer der Kern 1 durch das Bad 3 gezogen wird. Dieses Verfahren gilt analog für einen Kern 1 aus der Kupferlegierung und ein unlegiertes Kupfer in schmelzflüssigem Zustand enthaltendes Bad 3 zur Erzeugung der Schicht 2. Es gilt analog auch für die zweite Ausführungsform des Drahtes 2 mit zwei unterschiedlichen Kupferlegierungen.
  • Der nach dem Verlassen des Bades 3 fertige Draht D könnte nach ausreichender Abkühlung der Schicht 2 auf eine Spule aufgewickelt werden. Er kann aber mit Vorteil zunächst noch durch eine Walzeneinheit 4 gezogen werden, in welcher der Durchmesser des Drahtes D reduziert und gleichzeitig der metallische Verbund zwischen Kern 1 und Schicht 2 verfestigt werden.
  • Der Draht D kann zusätzlich auch noch durch eine in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnete Ziehvorrichtung 5 gezogen werden, in welcher sein Durchmesser deutlich reduziert wird. Ein solcher Draht mit beispielsweise einem Durchmesser von 0,1 mm kann mit Vorteil mit einer größeren Anzahl von gleich bemessenen Drähten beispielsweise zu einem elektrischen Litzenleiter verarbeitet werden.
  • Die Eigenschaften des Drahtes D können weiterhin durch gezieltes Glühen eingestellt werde, um beispielsweise einen "halbharten" Draht zu erhalten. Dabei kann beispielsweise für einen Draht D mit erhöhter Festigkeit der Kern 1 hart bleiben, während die Schicht 2 zur Beeinflussung ihrer Dehnungs- bzw. Flexibilitätseigenschaften weichgeglüht wird. Es ist aber auch möglich, den Kern 1 weich zu glühen und die Schicht 2 davon unbeeinflußt, also hart zu belassen.
  • Im Folgenden wird ein Beispiel für den Aufbau des Drahtes D mit Abmessungen angegeben, die er nach Verlassen der Walzeneinheit 4 hat. Sein Durchmesser beträgt in diesem Beispiel 8,0 mm:
  • Der aus unlegiertem Kupfer oder aus einer Kupferlegierung bestehende Kern 1 hat einen Durchmesser von 4,89 mm. Seine Querschnittsfläche beträgt damit 18,81 mm2.
  • Der Anteil des Kerns 1 am Gesamtquerschnitt des Drahtes D liegt dementsprechend bei 37 %. Die aus einer Kupferlegierung oder aus unlegiertem Kupfer bestehende Schicht 2 hat eine Dicke von 1,55 mm. Sie hat eine Querschnittsfläche von 31,45 mm und einen Anteil von 63 % am Gesamtquerschnitt des Drahtes D.

Claims (12)

  1. Elektrisch leitfähiger Draht (D), welcher auf der Basis von Kupfer aufgebaut ist und welcher einen Kern (1) sowie eine metallisch mit demselben verbundene und denselben rundum umgebende Schicht (2) aufweist, bei welchem der Kern (1) einen zwischen 20 % und 50 % liegenden Anteil am Querschnitt des Drahtes hat, während die Schicht (2) einen korrespondierenden, zwischen 80 % und 50 % liegenden Anteil am Drahtquerschnitt aufweist, wobei der Kern (1) einerseits und die denselben umgebende Schicht (2) andererseits aus unterschiedlichen Materialien auf der Basis von Kupfer bestehen.
  2. Draht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Materialien unlegiertes Kupfer und/oder eine Kupferlegierung sind.
  3. Draht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Kern (1) aus unlegiertem Kupfer und die denselben umgebende Schicht (2) aus einer Kupferlegierung besteht oder umgekehrt.
  4. Draht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Kern (1) aus einer ersten Kupferlegierung und die denselben umgebende Schicht (2) aus einer zweiten Kupferlegierung mit gegenüber der ersten Kupferlegierung anderem Legierungsmaterial besteht oder umgekehrt.
  5. Draht nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierungsmaterial für die Kupferlegierung Silber eingesetzt ist.
  6. Draht nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierungsmaterial für die Kupferlegierung Zinn eingesetzt ist.
  7. Draht nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierungsmaterial für die Kupferlegierung Magnesium eingesetzt ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Drahtes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kern (1) im fertigen Draht (D) umgebende Schicht (2) in einem das entsprechende Material in schmelzflüssigem Zustand enthaltenden Bad (3) auf den vorgefertigten Kern (1) aufgebracht wird, der dazu durch das Bad gezogen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (D) nach Aufbringung der den Kern (1) umgebenden Schicht (2) zur Reduzierung seines Durchmessers durch eine Walzeneinheit (4) bewegt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (D) einem Glühprozeß unterzogen wird, durch welchen die den Kern (1) umgebende Schicht (2) ohne Einwirkung auf den Kern weich geglüht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (D) einem Glühprozeß unterzogen wird, durch welchen der Kern (1) ohne Einwirkung auf die denselben umgebende Schicht (2) weich geglüht wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Drahtes (D) in einer Ziehvorrichtung (5) weiter reduziert wird.
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