EP3473352B1 - Verfahren zum herstellen eines kupferprofils und kupferprofil - Google Patents
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- C23C2/36—Elongated material
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a copper profile, in particular a copper wire, from a matrix element, the matrix element having at least one filament. Furthermore, the invention relates to a copper profile.
- Various methods are known for producing a copper wire from a metal matrix composite (MMC).
- MMC metal matrix composite
- fibers or particles are infiltrated by vacuum and / or pressure, particles are stirred into the melt and then further processed by casting and forming processes.
- Powder metallurgical processes can also be used in which powder mixtures are sintered or sintering or forging of ropes made of metal and non-metal fibers.
- Coating from a gas phase (PVD / CVD), electrolytic deposition or plasma spraying can also be used.
- the electrical conductivity is significantly reduced by using alloys and / or by reshaping a copper profile. Furthermore, the processing of higher-strength alloys into wires a diameter of ⁇ 0.3mm is becoming more and more complex due to the low formability.
- a device for the continuous dew molding of a cast rod in which a core wire of, for example, 7.15 mm made of metal is moved upwards by means of pinch rollers through a hole in the bottom of a crucible in such a way that another molten metal in the crucible attaches to the core wire and a Cast rod is molded.
- the deposit occurs with a solidification direction perpendicular to the core wire axis and below the melt level in the crucible.
- a rod is made of a metal / metal composite material but germ MMC.
- the US 2003/0029902 A1 discloses a method in which fiber-reinforced metal matrix wires for reinforcing a casting are inserted into the casting mold and the latter is subsequently filled with molten metal.
- the WO 96/27 456 A1 discloses a method of producing a metal strand in which a metal band is passed through passed the bottom of a container filled with melt and after the crystallization of the melt is drawn off over rollers arranged above the container.
- the opening in the bottom is designed as a slot-shaped channel and the belt speed is selected so that a meniscus with conical radii of curvature forms in the region of the mouth of the channel at the bottom of the container to melt, so that the meniscus extends from a two-phase area Part of liquid metal and solid metallic crystals and is located below the liquid level on the start channel.
- the US 5 736 199 A describes a method for producing a copper profile.
- a disadvantage of the abovementioned processes and the generally known processes for producing fine wires with a diameter of ⁇ 0.3 mm are the large number of necessary process steps, in particular cast wire rod production, up-casting, coarse wire drawing, medium wire drawing and fine wire drawing as well as multiple heat treatment.
- the object of the invention is to improve the prior art.
- a copper matrix composite wire can thus be produced directly in a single process step by passing the matrix element through the copper melt.
- the conventional process steps such as for wire rod, up-casting, coarse wire drawing and / or fine wire drawing, are eliminated.
- the method according to the invention therefore produces copper profiles and in particular copper wires made of MMC, which have optimized material properties with regard to tensile strength, electrical conductivity and fatigue strength as well as density. It is particularly advantageous that a copper wire is produced free from forming processes, which provides an optimized electrical conductivity.
- An essential idea of the invention is based on the fact that a matrix element is guided through the copper melt by means of an opening in a crucible with copper melt in such a way that the solidification of the copper applied to the matrix element is unaffected by liquid copper in the Crucible takes place and thereby the copper profile is formed directly.
- a copper matrix wire is thus produced directly in a single process step.
- a "copper profile” is in particular an elongated component made of copper and the matrix element.
- a copper profile has, in particular, the same cross section and / or the same surface quality over its entire length.
- a copper profile is in particular a wire, in particular fine wire, a strip and / or a rod made of a composite copper matrix element.
- a “copper wire” is understood to mean in particular a thin, long and flexible metal and / or copper alloy.
- a copper wire can in particular have a circular cross-section or another cross-sectional shape.
- a copper wire can in particular also be a flat, square and / or profile wire.
- the copper wire has in particular a diameter of 0.1 mm to 30 mm, preferably 0.2 mm to 0.5 mm.
- the copper wire has in particular a matrix element and thus forms from a copper-non-metal composite material.
- a “matrix element” is in particular an elongated element which is free of copper and / or copper alloys or metal.
- the matrix element has in particular at least one filament.
- a filament means in particular a single fiber of any length.
- a filament has in particular an inorganic or organic substance.
- a filament can be, for example, a textile, glass, carbon and / or ceramic fiber.
- the filament and / or matrix element preferably has a surface property which attracts melt.
- a “copper crucible” is also called a crucible, in particular a container that is open on one side and in particular. Solid copper in particular can be melted in a melting furnace in a copper crucible.
- the copper crucible has, in particular, liquid copper, through which the matrix element is guided through an opening.
- An "opening" is in particular a non-closed point in the bottom of the copper crucible and thus a passage through the bottom of the copper crucible.
- the opening has in particular any cross section.
- the opening is preferably adapted to the matrix element being carried out in such a way that liquid copper cannot pass out of the copper crucible through the opening and / or run out.
- the opening is designed, for example, as a round hole and in the case of a tape as an elongated hole.
- Liquid copper is understood to mean in particular copper and / or copper alloy in the liquid state, so that the liquid copper is flowable.
- Solidification of the applied copper on the matrix element free of the liquid copper in the filled copper crucible means in particular that copper already applied to the matrix element is not or only slightly influenced by the liquid copper in the filled copper crucible when it solidifies. In this way, a defined cooling and solidification of the melt takes place at the upper end of the meniscus. This effect leads in particular to the formation of the solidification front over the melt surface and parallel to it. The direction of solidification takes place in particular against the direction of movement of the filament.
- an endless MMC wire and / or an endless copper profile of any length can be produced.
- the copper profile is continuously manufactured with a high, consistent surface quality.
- a specific diameter of the finished copper profile and in particular a very small MMC wire diameter can be produced via a speed during continuous drawing.
- the method according to the invention can be used in particular to produce a wire with an MMC in which the diameter of which it is manufactured can essentially be freely selected and in particular ⁇ 0.3 mm.
- a quasi-endless wire with any length and at least one filament can be produced.
- an MMC wire is produced directly from a copper melt by pulling a matrix element without further process steps.
- “Pulling” is understood in particular to mean the exertion of a force in the direction of a power source.
- tensile stress is applied to the matrix element and / or the filament during drawing.
- the matrix element and / or filament in particular is pulled through the opening and the molten copper of the filled copper crucible.
- pulling is to be understood in particular in the sense of leading.
- a direction of solidification of the applied copper on the matrix element is aligned along or parallel to a longitudinal axis of the matrix element.
- the applied copper thus solidifies along the longitudinal axis of the matrix element, so that a solidification profile can be formed along the matrix element.
- the direction of solidification is therefore opposite to the direction of pull, as a result of which the extent of the solidification front and the thickness of the solidified copper on the matrix element can be influenced by the speed at which it is carried out and / or pulled.
- the matrix element with the applied copper is brought out of the copper melt above the liquid level of the liquid copper by carrying out and / or pulling, and the solidification takes place outside the liquid copper above the liquid level.
- a "solidification direction” is in particular the direction in which the applied copper solidifies onto the matrix element. If, for example, the matrix element is pulled upwards out of the copper crucible with the filled liquid copper into the surrounding atmosphere, the direction of solidification is in particular opposite to the direction of pull, i.e. towards the melt, and aligned vertically. In particular, a stationary solidification front is established.
- a “longitudinal axis” is in particular the length of the longest dimension of the matrix element.
- a longitudinal axis is thus in particular the axis running in the longitudinal direction of the matrix element.
- the longitudinal axis of the matrix element is aligned vertically, so that a free meniscus made of applied copper forms around the matrix element on and / or above a liquid level of the liquid copper in the filled copper crucible.
- a free meniscus made of applied copper is thus formed around the matrix element, the free meniscus having a self-stabilizing round cross section. This reduces or avoids any post-processing steps.
- the trained meniscus means that small particles, such as scale and / or crucible material, can collect on the lower base of the meniscus and sink into the liquid copper in the filled copper crucible, so that the area of the solidification front remains free of particles.
- a wire surface is basically formed that is smooth and free of particles.
- the solidification of the applied copper on the matrix element can be influenced not only via the drawing speed of the matrix element, but also by deliberately influencing the meniscus.
- the design of the copper crucible filled with liquid copper such as the liquid level of the liquid copper, the design of the opening in the bottom of the crucible, the temperature and viscosity of the liquid copper, the formation and shape of the meniscus, since this is arranged above the liquid level of the liquid copper in the crucible and thus largely in the surrounding atmosphere, by further parameters , such as the ambient temperature, air pressure and the like, as well as influenced by the temperature of the matrix element on the solidification front.
- the crucible design and shape as well as the type of filament have a stabilizing effect on the meniscus.
- the meniscus tapers continuously in the direction of drawing to the thickness of the solidified copper on the matrix element.
- a “meniscus” is understood in particular to mean a curvature on the surface of a liquid.
- the meniscus forms in particular on the liquid surface of the liquid copper in the filled copper crucible due to the passage and / or pulling of the matrix element through the liquid copper and the breakthrough of the matrix element through the liquid surface of the liquid copper.
- the formation of the meniscus is particularly due to the interaction between the liquid level and the surface of the matrix element with the applied copper.
- the meniscus in particular has a convex shape at the top of the solidification front and a concave shape at the bottom to the liquid level. In particular is on the solidification front, the curvature of the meniscus maximally and decreases as the liquid level approaches.
- a "free meniscus” means in particular that the meniscus itself is not within the liquid copper in the filled copper crucible, but largely in the surrounding atmosphere. The free meniscus is in particular only in contact with the liquid copper liquid level in the filled copper crucible at its lower base.
- the “liquid level” is in particular the liquid level of the liquid copper in the filled copper crucible.
- the liquid level also called the liquid surface, represents in particular the interface between the liquid copper and the surrounding atmosphere arranged above it.
- the opening is covered by the liquid copper.
- the matrix element is immediately and immediately surrounded by liquid copper when it is introduced into the opening of the copper crucible. Furthermore, the copper melt cannot escape through the opening from the copper crucible due to utilization of the surface tension of the copper melt.
- the matrix element has further filaments and / or a bundle of filaments.
- the proportion of filaments and / or fibers in the MMC profile and / or wire can thus be increased. Furthermore, multifilaments and tied, twisted, braided and / or otherwise connected filaments in particular can be used in a filament bundle. As a result, the tensile strength and fatigue strength can be increased and the density and weight of the manufactured copper profile and / or wire can be reduced.
- the matrix element has an inorganic fiber, in particular a carbon fiber and / or a silicon carbide fiber.
- carbon fiber (also “carbon fiber”) is an industrially manufactured fiber from carbon-containing starting material, which is converted into graphite-like carbon by adapted chemical reactions.
- a "silicon carbide fiber” is in particular a fiber made of a chemical compound of silicon and carbon belonging to the group of carbides.
- a silicon carbide fiber is, in particular, a ceramic fiber.
- a filament or several filaments have a diameter between 3pm and 30pm, especially between 6pm and 20pm.
- the filament or the filaments and thus the matrix element have a suitable geometry in order in particular to produce fine MMC wires with a final maximum wire diameter of 300 300 ⁇ m.
- the process is carried out under a protective gas atmosphere.
- the air in the surrounding atmosphere and especially the oxygen in the air can be displaced by the protective gas.
- the quality of the copper profile and / or wire produced can be further increased.
- a thickness of the copper profile is set by means of a drawing speed of the matrix element and / or a temperature control, in particular a vertical temperature control.
- the temperature control can support and / or specifically influence a solidification profile in the longitudinal direction of the matrix element and thus in the direction of drawing.
- the thickness of the copper profile can be specifically adjusted via the drawing speed and / or temperature control.
- the temperature control is designed to be vertically variable. This can influence the shape and extent of the meniscus as well as the solidification area.
- a “temperature control” is understood to mean in particular a regulation of the temperature. Temperature control can in particular involve cooling and / or heating. The temperature control can in particular be made uniform and / or variable over the length of the matrix element with the applied copper.
- a “vertical tempering” is understood in particular to mean that the tempering is oriented vertically and thus runs along the longitudinal axis of the matrix element and the direction of solidification.
- the temperature control has in particular individual heating elements and / or cooling elements.
- the heating elements as well as the cooling elements can be configured actively and / or passively. As “active heating elements", for example, heat radiators based on gas or electrical energy are used.
- a “passive Tempering” can take place, for example, by supplying waste heat.
- the cooling elements can be active or passive.
- cooling fins are used, which are arranged in spatial proximity to the matrix element with the applied copper.
- A” Peltier for example, can be used as an” active cooling element " Materials with certain thermal properties, such as heat reflection or heat conduction, can also be used for temperature control.
- the object is achieved by a copper profile, in particular a copper wire, the copper profile being produced using a previously described method.
- a copper profile, in particular copper wire, is thus provided, which is manufactured in a single manufacturing step by means of the method according to the invention. It is particularly advantageous that the method according to the invention is used to produce a copper profile which has a very uniform copper cladding of constant thickness and constant properties over any length. Above all, the surface of the copper profile and / or wire is very smooth and free of particles such as scale. Therefore, post-processing steps of the manufactured copper profile and / or wire can be dispensed with. In particular, thin copper wires with a diameter of less than 0.3 mm can be produced in fewer steps than in the prior art.
- a thickness of the copper profile is ⁇ 0.3 mm.
- a copper profile and / or copper wire made of MMC with a diameter of ⁇ 0.3 mm is thus produced in a single process step.
- fine wires are produced which cannot be manufactured with these small wire diameters and high surface quality by other manufacturing processes, for example a thawing process.
- a crucible 107 has an opening 108 on the bottom.
- a silicon carbide filament 103 with a diameter of 15 pm is passed vertically upward through the opening 108 by means of a unidirectional unwinding and winding unit, not shown.
- the crucible 107 is arranged in a melting furnace, not shown, and has a copper melt 105 in its interior.
- the unidirectional unwinding and winding unit pulls on the silicon carbide filament 103 in the pulling direction 111 and moves it continuously through the opening 108 and the copper melt 105 arranged above it in the crucible 107.
- the opening 108 has a circular profile with a diameter of 0.2 mm. This ensures that the copper melt 105 does not exit vertically downward through the opening 108 via the opening 108.
- the area around the opening 108 has a material with a repellent wetting behavior.
- a meniscus 113 is formed from molten copper, which is continuously applied to the silicon carbide filament 103.
- the continuous pulling in the direction of drawing 111 forms a solidification front (transition from liquid to solid copper) at the transition from the meniscus 113 to the regular cross section of the MMC wire 101.
- a self-stabilizing round cross section of the applied copper is formed on the silicon carbide filament 103.
- any smaller particles such as scale, crucible material and the like, collect on a lower base of the meniscus 113 to the copper melt 105, whereby the area of the solidification front remains free of particles.
- a surface of the manufactured MMC wire 101 is thus achieved which is very uniform and smooth and free of particles.
- a reheating zone 109 follows, through which the MMC wire 101 is pulled further.
- the reheating zone 109 has individual heating and cooling elements, via which a corresponding temperature profile is impressed on the meniscus and the MMC wire 101. As a result, a defined solidification profile is impressed on the MMC wire 101 and the surface quality is further improved.
- the entire manufacturing process of the MMC wire 101 takes place under a protective gas atmosphere, so that in particular no oxygen diffuses into the manufactured MMC wire 101.
- the diameter of the manufactured MMC wire 101 is determined via a drawing speed in the drawing direction 111 and the set temperature profile of the reheating zone 109.
- an MMC wire 101 is continuously manufactured with very high surface qualities and a uniform wire diameter of 130 pm, without further post-treatment steps subsequently being necessary.
- an inexpensive and fast manufacturing method for manufacturing MMC wire 101 is provided.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kupferprofils, insbesondere eines Kupferdrahtes, aus einem Matrixelement, wobei das Matrixelement mindestens ein Filament aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kupferprofil.
- Zur Herstellung von einem Kupferdraht aus einem Metall-Matrix-Composit (MMC) sind verschiedene Verfahren bekannt. Beim schmelzmetallurgischen Prozess erfolgt eine Infiltration von Fasern oder Partikeln durch Vakuum und/oder Druck, ein Einrühren von Partikeln in die Schmelze und anschließende Weiterverarbeitung durch Gieß- und Umformverfahren. Ebenso können pulvermetallurgische Prozesse verwendet werden, bei denen Pulvermixturen gesintert werden oder ein Sintern oder Schmieden von Tauen aus Metall- und Nichtmetallfasern erfolgt. Auch kann ein Beschichten aus einer Gasphase (PVD/CVD), elektrolytisches Abscheiden oder Plasmaspritzen angewandt werden.
- Im Allgemeinen benötigen alle diese Herstellungsverfahren mehrere Verfahrensschritte wie Gieß-Walz-Drahtherstellung, Grobdrahtzug und/oder Feindrahtzug.
- Zudem reduziert sich die elektrische Leitfähigkeit durch das Verwenden von Legierungen und/oder durch Umformen eines Kupferprofils erheblich. Des Weiteren wird die Verarbeitung von höherfesten Legierungen zu Drähten mit einem Durchmesser < 0,3mmm durch die geringe Umformbarkeit immer aufwändiger.
- In der
DE 36 38 249 C2 wird eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Tauformen eines Gussstabes offenbart, bei der ein Kerndraht von beispielsweise 7,15mm aus Metall mittels Klemmrollen durch ein Loch im Boden eines Tiegels derart nach oben bewegt wird, dass sich ein anderes geschmolzenes Metall im Tiegel an den Kerndraht anlagert und ein Gussstab geformt wird. Somit erfolgt hier die Anlagerung mit einer Erstarrungsrichtung senkrecht zur Kerndrahtachse und unterhalb des Schmelzespiegels im Tiegel. Zudem wird lediglich ein Stab aus einem Metall-/Metallverbundwerkstoff jedoch keim MMC hergestellt. - Aus der
US 5,736,194 A ist ein Verfahren zur Druckinfiltration einer Faservorform mit einem Matrixmaterial bekannt, bei dem ein Bad mit geschmolzenem Metall als Matrixmaterial innerhalb einer Druckkammer angeordnet ist und die Faservorform durch drei verschiedene Mündungen gezogen wird. Hierbei taucht die erste Ausgangsöffnung in das geschmolzene Metallbad ein und beeinflusst dadurch direkt die Ausbildung und die Oberflächenqualität der vorbeschichteten Faservorform. - Die
US 2003/0029902 A1 offenbart ein Verfahren, bei welchem faserverstärkte Metallmatrixdrähte zum Verstärken eines Gussteils in die Gussform eingelegt und letztere anschließend mit geschmolzenem Metall gefüllt wird. - Die
WO 96/27 456 A1 US 5 736 199 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kupferprofils beschrieben. - Nachteilig bei den oben genannten Verfahren sowie den allgemein bekannten Verfahren zur Herstellung von Feindrähten mit einem Durchmesser < 0,3mm sind die Vielzahl an notwendigen Verfahrensschritten, insbesondere Gieß-Walzdraht-Herstellung, Up-Casting, Grobdrahtzug, Mitteldrahtzug und Feindrahtzug sowie eine mehrfache Wärmebehandlung.
- Ein einfach durchführbares und kostengünstiges Verfahren zum Herstellen eines Kupferdrahtes aus Metall-Matrix-Composit und somit einem Kupfer-Nichtmetall-Verbundwerkstoff ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
- Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
- Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kupferprofils, insbesondere eines Kupferdrahtes, aus einem Matrixelement, wobei das Matrixelement mindestens ein Filament aufweist, mit folgendem Schritt:
- Durchführen des Matrixelementes durch eine Öffnung eines mit flüssigem Kupfer gefüllten Kupfertiegels derart, dass flüssiges Kupfer auf dem Matrixelement aufgebracht wird und das aufgebrachte Kupfer auf dem Matrixelement frei von dem flüssigen Kupfer vom gefüllten Kupfertiegel derart erstarrt, dass direkt das Kupferprofil ausgebildet wird.
- Mit dem erfinderischen Verfahren ist somit ein Kupfer-Matrix-Composit-Draht direkt in einem einzigen Verfahrensschritt durch das Durchführen des Matrixelementes durch die Kupferschmelze herstellbar. Folglich entfallen die herkömmlichen Verfahrensschritte wie beim Gieß-Walzdraht, Up-Casting, Grobdrahtzug und/oder Feindrahtzug.
- Mithin werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Kupferprofile und insbesondere Kupferdrähte aus MMC hergestellt, die in Bezug auf Zugfestigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Dauerschwingfestigkeit sowie Dichte optimierte Materialeigenschaften aufweisen. Es ist besonders vorteilhaft, dass ein Kupferdraht frei von Umformprozessen hergestellt wird, welcher eine optimierte elektrische Leitfähigkeit bereitstellt.
- Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass ein Matrixelement mittels einer Öffnung in einem Tiegel mit Kupferschmelze derart durch die Kupferschmelze geführt wird, dass das Erstarren des auf dem Matrixelement aufgebrachten Kupfers unbeeinflusst von flüssigem Kupfer im Tiegel erfolgt und dadurch direkt das Kupferprofil ausgebildet wird. Somit wird ein Kupfer-Matrix-Draht direkt in einem einzigen Verfahrensschritt gefertigt.
- Ein "Kupferprofil" ist insbesondere ein längliches Bauteil aus Kupfer und dem Matrixelement. Ein Kupferprofil weist insbesondere über seine gesamte Länge einen gleichen Querschnitt und/oder eine gleiche Oberflächenqualität auf. Bei einem Kupferprofil handelt es sich insbesondere um einen Draht, insbesondere Feindraht, ein Band und/oder einen Stab aus einem Verbundwerkstoff Kupfer-Matrixelement.
- Unter einem "Kupferdraht" wird insbesondere ein dünn, lang und biegsam geformtes Metall und/oder Kupferlegierung verstanden. Ein Kupferdraht kann insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt oder eine andere Querschnittsform aufweisen. Bei einem Kupferdraht kann es sich insbesondere auch um einen Flach-, Vierkant- und/oder Profildraht handeln. Der Kupferdraht weist insbesondere einen Durchmesser von 0,1mm bis 30mm, bevorzugt 0,2mm bis 0,5mm auf. Der Kupferdraht weist insbesondere ein Matrixelement auf und bildet somit aus einem Kupfer-Nichtmetall-Verbundwerkstoff.
- Ein "Matrixelement" ist insbesondere ein längliches Element, welches frei von Kupfer und/oder Kupferlegierungen oder Metall ist. Das Matrixelement weist insbesondere mindestens ein Filament auf.
- Unter "Filament" wird insbesondere eine einzelne Faser beliebiger Länge verstanden. Ein Filament weist insbesondere einen anorganischen oder organischen Stoff auf. Bei einem Filament kann es sich beispielsweise um eine Textil-, Glas-, Kohlenstoff- und/oder Keramikfaser handeln. Bevorzugt weist das Filament und/oder Matrixelement eine Oberflächeneigenschaft auf, welche Schmelze anzieht.
- Ein "Kupfertiegel" auch Schmelztiegel genannt ist insbesondere ein einseitig und insbesondere offener Behälter. In einem Kupfertiegel kann insbesondere festes Kupfer in einem Schmelzeofen geschmolzen werden. Der Kupfertiegel weist insbesondere flüssiges Kupfer auf, durch welches das Matrixelement durch eine Öffnung geführt wird.
- Eine "Öffnung" ist insbesondere eine nichtverschlossene Stelle im Boden des Kupfertiegels und somit ein Durchlass durch den Boden des Kupfertiegels. Die Öffnung weist insbesondere einen beliebigen Querschnitt auf. Bevorzugt ist die Öffnung an das durchgeführte Matrixelement derart angepasst, dass flüssiges Kupfer aus dem Kupfertiegel nicht durch die Öffnung nach außen dringen und/oder auslaufen kann. Im Falle eines zu fertigenden Drahtes ist die Öffnung beispielsweise als rundes Loch und im Falle eines zu fertigenden Bandes als Langloch ausgeführt.
- Unter "flüssigem Kupfer" wird insbesondere Kupfer und/oder Kupferlegierung im flüssigen Aggregatzustand verstanden, sodass das flüssige Kupfer fließfähig ist.
- Unter "Erstarren des aufgebrachten Kupfers auf dem Matrixelement frei von dem flüssigen Kupfer im gefüllten Kupfertiegel" wird insbesondere verstanden, dass bereits auf dem Matrixelement aufgebrachtes Kupfer bei seinem Erstarren nicht oder nur im geringen Maße von dem flüssigen Kupfer im gefüllten Kupfertiegel beeinflusst wird. Somit erfolgt ein definiertes Abkühlen und Erstarren der Schmelze am oberen Ende des Meniskus. Dieser Effekt führt insbesondere zur einer Ausbildung der Erstarrungsfront über der Schmelzoberfläche und parallel zu dieser. Die Erstarrungsrichtung erfolgt dabei insbesondere entgegen der Bewegungsrichtung des Filaments.
- In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens erfolgt das Durchführen durch ein kontinuierliches Ziehen.
- Dadurch, dass das Matrixelement kontinuierlich durch die Öffnung des mit flüssigen Kupfers gefüllten Kupfertiegels gezogen wird, ist ein endloser MMC-Draht und/oder ein endloses Kupferprofil beliebiger Länge herstellbar. Zudem wird das Kupferprofil kontinuierlich mit einer hohen, gleichbleibenden Oberflächenqualität gefertigt.
- Es ist besonders vorteilhaft, dass über eine Geschwindigkeit beim kontinuierlichen Ziehen ein spezifischer Durchmesser des gefertigten Kupferprofils und insbesondere ein sehr geringer MMC-Drahtdurchmesser gefertigt werden kann.
- Vor allem wird alleinig durch das Ziehen des Matrixelementes durch den mit flüssigem Kupfer gefüllten Kupfertiegel das Kupferprofil gefertigt. Somit liegt ein sehr kostengünstiges und einstufiges Verfahren zum Fertigen eines Kupferprofils aus MMC-Verbundwerkstoff vor.
- Folglich kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere ein Draht mit einem MMC hergestellt werden, bei dem sein gefertigter Durchmesser im Wesentlichen frei wählbar ist und insbesondere < 0,3mm sein kann. Zudem kann ein quasi endloser Draht mit beliebiger Länge und mindestens einem Filament hergestellt werden.
- Es ist besonders vorteilhaft, dass ein MMC-Draht durch Ziehen eines Matrixelementes direkt aus einer Kupferschmelze ohne weitere Verfahrensschritte gefertigt wird.
- Unter "Ziehen" wird insbesondere ein Ausüben einer Kraft in Richtung einer Kraftquelle verstanden. Beim Ziehen wird insbesondere eine Zugspannung auf das Matrixelement und/oder das Filament aufgebracht. Beim Ziehen wird insbesondere das Matrixelement und/oder Filament durch die Öffnung und das geschmolzene Kupfer des gefüllten Kupfertiegels gezogen. Somit ist Ziehen insbesondere im Sinne von Führen zu verstehen.
- Um ein optimales Erstarren des aufgebrachten Kupfers auf dem Matrixelement zu erreichen, wird eine Erstarrungsrichtung des aufgebrachten Kupfers auf dem Matrixelement längs oder parallel einer Längsachse des Matrixelementes ausgerichtet.
- Somit erfolgt das Erstarren des aufgebrachten Kupfers entlang der Längsachse des Matrixelementes, sodass ein Erstarrungsprofil entlang des Matrixelementes ausgebildet werden kann.
- Mithin ist die Erstarrungsrichtung entgegengesetzt zur Zugrichtung, wodurch die Ausdehnung der Erstarrungsfront sowie die Dicke des erstarrten Kupfers auf dem Matrixelement durch die Geschwindigkeit des Durchführens und/oder Ziehens beeinflusst werden kann.
- Es ist besonders vorteilhaft, wenn durch das Durchführen und/oder Ziehen das Matrixelement mit dem aufgebrachten Kupfer oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des flüssigen Kupfers aus der Kupferschmelze herausgebracht und das Erstarren außerhalb des flüssigen Kupfers oberhalb des Flüssigkeitsspiegels erfolgt.
- Eine "Erstarrungsrichtung" ist insbesondere die Richtung, in der das Erstarren des aufgebrachten Kupfers auf das Matrixelement erfolgt. Wird beispielsweise das Matrixelement nach oben aus dem Kupfertiegel mit dem gefüllten flüssigen Kupfer hinaus in die umgebende Atmosphäre gezogen, so ist die Erstarrungsrichtung insbesondere entgegen der Zugrichtung, d.h. in Richtung der Schmelze, und vertikal ausgerichtet. Somit etabliert sich insbesondere eine stationäre Erstarrungsfront.
- Folglich ist ein fortlaufender gerichteter Erstarrungsprozess des aufgebrachten Kupfers auf dem Matrixelement realisierbar.
- Eine "Längsachse" ist insbesondere die Länge der längsten Ausdehnung des Matrixelementes. Eine Längsachse ist somit insbesondere die in der Längsrichtung des Matrixelementes verlaufende Achse.
- In einer weiteren Gestaltungsform des Verfahrens wird die Längsachse des Matrixelementes vertikal ausgerichtet, sodass sich ein freier Meniskus aus aufgebrachtem Kupfer um das Matrixelement am und/oder oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels des flüssigen Kupfers im gefüllten Kupfertiegel ausbildet.
- Somit wird ein freier Meniskus aus aufgebrachtem Kupfer um das Matrixelement ausgebildet, wobei der freie Meniskus einen selbststabilisierenden runden Querschnitt aufweist. Dadurch werden eventuelle Nachbearbeitungsschritte reduziert oder vermieden.
- Zudem führt der ausgebildete Meniskus dazu, dass sich an der unteren Basis des Meniskus kleine Partikel, wie Zunder und/oder Tiegelmaterial, sammeln können und in das flüssige Kupfer im gefüllten Kupfertiegel absinken, sodass der Bereich der Erstarrungsfront frei von Partikeln bleibt. Folglich wird grundsätzlich eine Drahtoberfläche ausgebildet, welche glatt und frei von Partikeln ist.
- Des Weiteren kann nicht nur über die Ziehgeschwindigkeit des Matrixelementes, sondern auch durch gezielte Beeinflussung des Meniskus das Erstarren des aufgebrachten Kupfers auf dem Matrixelement beeinflusst werden. Neben der Ausgestaltung des mit flüssigen Kupfers gefüllten Kupfertiegels, wie die Flüssigkeitshöhe des flüssigen Kupfers, die Ausgestaltung der Öffnung im Kupfertiegelboden, die Temperatur und Viskosität des flüssigen Kupfers, wird die Ausbildung und Form des Meniskus, da dieser oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des flüssigen Kupfers in den Kupfertiegel und somit weitgehend in der umgebenden Atmosphäre angeordnet ist, durch weitere Parameter, wie die Umgebungstemperatur, den Luftdruck und ähnliches, sowie durch die Temperatur des Matrixelementes an der Erstarrungsfront beeinflusst. Insbesondere die Tiegelausgestaltung und -form sowie die Art des Filaments wirken sich stabilisierend auf den Meniskus aus.
- Es ist insbesondere Vorteilhaft, dass sich der Meniskus in Ziehrichtung kontinuierlich auf die Dicke des erstarrten Kupfers auf dem Matrixelement verjüngt.
- Unter einem "Meniskus" wird insbesondere eine Wölbung an der Oberfläche einer Flüssigkeit verstanden. Der Meniskus bildet sich insbesondere an der Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen Kupfers im gefüllten Kupfertiegel aufgrund des Durchführens und/oder Ziehens des Matrixelementes durch das flüssige Kupfer und des Durchbrechens des Matrixelementes durch die Flüssigkeitsoberfläche des flüssigen Kupfers aus. Somit geht die Ausbildung des Meniskus insbesondere auch auf die Wechselwirkung zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und der Oberfläche des Matrixelementes mit dem aufgebrachten Kupfer zurück. Der Meniskus weist insbesondere oben an der Erstarrungsfront eine konvexe und unten zum Flüssigkeitsspiegel eine konkave Form auf. Insbesondere ist an der Erstarrungsfront die Krümmung des Meniskus maximal und nimmt mit Annäherung an den Flüssigkeitsspiegel ab.
- Ein "freier Meniskus" bedeutet insbesondere, dass der Meniskus selbst sich nicht innerhalb des flüssigen Kupfers im gefüllten Kupfertiegel, sondern weitgehend in der umgebenden Atmosphäre befindet. Der freie Meniskus ist insbesondere nur an seiner unteren Basis im Kontakt zum Flüssigkeitsspiegel des flüssigen Kupfers im gefüllten Kupfertiegel.
- Der "Flüssigkeitsspiegel" ist insbesondere der Flüssigkeitsstand des flüssigen Kupfers im gefüllten Kupfertiegel. Der Flüssigkeitsspiegel, auch Flüssigkeitsoberfläche genannt, stellt insbesondere die Grenzfläche zwischen dem flüssigen Kupfer und der darüber angeordneten Umgebungsatmosphäre dar.
- Um ein gleichmäßiges Aufbringen des Kupfers auf dem Matrixelement zu realisieren, ist die Öffnung durch das flüssige Kupfer bedeckt.
- Somit wird das Matrixelement beim Einbringen in die Öffnung des Kupfertiegels direkt und sofort von flüssigem Kupfer umgeben. Des Weiteren kann die Kupferschmelze aufgrund einer Ausnutzung der Oberflächenspannung der Kupferschmelze nicht durch die Öffnung aus dem Kupfertiegel austreten.
- Neben der Oberflächenspannung wird ein Auslaufen des flüssigen Kupfers aus dem Kupfertiegel auch durch eine geometrische Abstimmung zwischen dem Matrixelement und der Öffnung erreicht.
- In einer weiteren Gestaltungsform des Verfahrens weist das Matrixelement weitere Filamente und/oder ein Filamentbündel auf.
- Somit kann der Anteil der Filamente und/oder Fasern am MMC-Profil und/oder -Draht erhöht werden. Des Weiteren können insbesondere Multifilamente und vertaute, gedrehte, geflochtene und/oder andersartig verbundene Filamente in einem Filamentbündel verwendet werden. Dadurch kann die Zugfestigkeit und Dauerschwenkfestigkeit erhöht sowie die Dichte und das Gewicht des gefertigten Kupferprofils und/oder Drahtes verringert werden.
- Um optimale Eigenschaften des gefertigten Kupferprofils und/oder -drahtes einzustellen, weist das Matrixelement eine anorganische Faser, insbesondere eine Kohlenstofffaser und/oder eine Siliziumcarbidfaser auf.
- Eine "Kohlenstofffaser" (auch "Karbonfaser") ist eine industriell hergestellte Faser aus kohlenstoffhaltigem Ausgangsmaterial, welche durch angepasste chemische Reaktionen in graphitartig angeordneten Kohlenstoff umgewandelt wird.
- Eine "Siliziumcarbidfaser" ist insbesondere eine Faser aus einer zur Gruppe der Carbide gehörenden chemischen Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff. Bei einer Siliziumcarbidfaser handelt es sich insbesondere um eine keramische Faser.
- In einer weiteren Gestaltungsform des Verfahrens weist ein Filament oder weisen mehrere Filamente einen Durchmesser zwischen 3pm und 30pm, besonders zwischen 6pm und 20pm, auf.
- Folglich weist das Filament oder weisen die Filamente und somit das Matrixelement eine geeignete Geometrie auf, um insbesondere feine MMC-Drähte mit einem finalen maximalen Drahtdurchmesser von ≤ 300pm zu fertigen.
- Um eine Zunderbildung und/oder ein Verschlacken der flüssigen Kupferschmelze zu verhindern sowie optimale Oberflächeneigenschaften des Kupferprofils und/oder -drahtes zu fertigen, wird das Verfahren unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt.
- Somit kann insbesondere die Luft der umgebenden Atmosphäre und vor allem der Sauerstoff der Luft durch das Schutzgas verdrängt werden.
- Folglich kann die Qualität des gefertigten Kupferprofils und/oder -drahtes weiter erhöht werden.
- In einer weiteren Gestaltungsform des Verfahrens wird eine Dicke des Kupferprofils mittels einer Ziehgeschwindigkeit des Matrixelementes und/oder einer Temperierung, insbesondere einer vertikalen Temperierung, eingestellt.
- Dadurch wird ein definiertes Abkühlen und Erstarren des aufgebrachten Kupfers auf dem Matrixelement und folglich eine definierte Dicke des Kupferprofils erzielt. Vor allem kann durch die Temperierung ein Erstarrungsprofil in Längsrichtung des Matrixelementes und somit in Ziehrichtung durch die Temperierung unterstützt und/oder gezielt beeinflusst werden.
- Es ist besonders vorteilhaft, dass die Dicke des Kupferprofils über die Ziehgeschwindigkeit und/oder eine Temperaturführung gezielt einstellbar ist.
- Um eine sich kontinuierlich ändernde, abgestufte Temperierung entlang der Erstarrungsrichtung und/oder Ziehrichtung zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die Temperierung vertikal veränderlich ausgestaltet ist. Dadurch kann sowohl die Form und Ausdehnung des Meniskus als auch des Erstarrungsbereiches beeinflusst werden.
- Unter einer "Temperierung" wird insbesondere eine Regelung der Temperatur verstanden. Bei einer Temperierung kann es sich insbesondere um ein Abkühlen und/oder Erwärmen handeln. Die Temperierung kann insbesondere gleichmäßig und/oder veränderlich über die Länge des Matrixelementes mit dem aufgebrachten Kupfer ausgestaltet werden. Unter einer "vertikalen Temperierung" wird insbesondere verstanden, dass die Temperierung vertikal ausgerichtet ist und somit entlang der Längsachse des Matrixelementes und der Erstarrungsrichtung verläuft. Die Temperierung weist insbesondere einzelne Heizelemente und/oder Kühlelemente auf. Die Heizelemente als auch die Kühlelemente können aktiv und/oder passiv ausgestaltet sein. Als "aktive Heizelemente" werden beispielsweise Wärmestrahler auf Basis von Gas oder elektrischer Energie eingesetzt. Eine "passive Temperierung" kann beispielsweise durch Zuleitung von Abwärme erfolgen. Ebenso können die Kühlelemente aktiv oder passiv sein. Als "passives Kühlelement" werden Kühlrippen eingesetzt, welche in räumlicher Nähe zum Matrixelement mit dem aufgebrachten Kupfer angeordnet werden. Als "aktives Kühlelement" kann beispielsweise ein Peltier-Element eingesetzt werden. Auch können zusätzlich Materialien mit bestimmten Wärmeeigenschaften, wie beispielsweise Wärmereflexion oder Wärmeleitung, zur Temperierung eingesetzt werden.
- In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Kupferprofil, insbesondere einen Kupferdraht, wobei das Kupferprofil mittels eines zuvor beschriebenen Verfahrens hergestellt ist.
- Somit wird ein Kupferprofil, insbesondere Kupferdraht, bereitgestellt, welches oder welcher in einem einzigen Herstellungsschritt mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gefertigt wird. Es ist besonders vorteilhaft, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kupferprofil hergestellt wird, welches über eine beliebige Länge eine sehr gleichmäßige Kupferumhüllung konstanter Dicke und konstanter Eigenschaften aufweist. Vor allem ist dadurch die Oberfläche des Kupferprofils und/oder -drahtes sehr glatt und frei von Partikeln, wie beispielsweise Zunder. Deshalb kann auf Nachbearbeitungsschritte des gefertigten Kupferprofils und/oder -drahtes verzichtet werden. Insbesondere können dünne Kupferdrähte mit einem Durchmesser kleiner 0,3mm gegenüber dem Stand der Technik in weniger Schritten hergestellt werden.
- In einer weiteren Ausführungsform des Kupferprofils ist eine Dicke des Kupferprofils < 0,3mm.
- Somit ist in einem einzigen Verfahrensschritt ein Kupferprofil und/oder Kupferdraht aus MMC mit einem Durchmesser von ≤ 0,3mm gefertigt. Folglich werden Feindrähte gefertigt, welche durch andere Herstellungsverfahren, beispielsweise einem Tauverfahren, nicht mit diesen kleinen Drahtdurchmessern und hohen Oberflächenqualität fertigbar sind.
- Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt die einzige
- Figur 1
- eine stark schematische Schnittdarstellung eines Kupfertiegels, bei dem ein Siliziumcarbid-Filament gezogen wird, sodass ein MMC-Draht hergestellt ist.
- Ein Schmelztiegel 107 weist bodenseitig eine Öffnung 108 auf. Durch die Öffnung 108 wird ein Siliziumcarbid-Filament 103 mit einem Durchmesser von 15pm vertikal nach oben mittels einer nicht gezeigten unidirektionalen Ab- und Aufspuleinheit geführt. Der Schmelztiegel 107 ist in einem nicht gezeigten Schmelzeofen angeordnet und weist in seinem Inneren eine Kupferschmelze 105 auf. Mittels der unidirektionalen Ab- und Aufspuleinheit wird in Ziehrichtung 111 an dem Siliziumcarbid-Filament 103 gezogen und dieses kontinuierlich durch die Öffnung 108 und die darüber angeordnete Kupferschmelze 105 im Schmelztiegel 107 bewegt.
- Zur Fertigung eines MMC-Drahtes 101 weist die Öffnung 108 ein kreisrundes Profil mit einem Durchmesser von 0,2mm auf. Dies gewährleistet, dass die Kupferschmelze 105 über die Öffnung 108 nicht vertikal nach unten durch die Öffnung 108 austritt. Zudem weist der Bereich um die Öffnung 108 ein Material mit einem abweisenden Benetzungsverhalten auf.
- Beim Austritt des Siliziumcarbid-Filamentes 103 an einer Flüssigkeitsoberfläche der Kupferschmelze 105 in die umgebende Atmosphäre bildet sich ein Meniskus 113 aus schmelzflüssigem Kupfer aus, welches kontinuierlich auf das Siliziumcarbid-Filament 103 aufgebracht wird. Durch das kontinuierliche Ziehen in Ziehrichtung 111 bildet sich eine Erstarrungsfront (Übergang flüssiges zu festes Kupfer) am Übergang des Meniskus 113 zum regulären Querschnitt des MMC-Drahtes 101 aus. Durch ein gezieltes Führen des Meniskus 113 bildet sich ein selbststabilisierender runder Querschnitt des aufgebrachten Kupfers auf dem Siliziumcarbid-Filament 103 aus.
- Durch das gezielte Führen des Meniskus 113 sammeln sich eventuell vorhandene kleinere Partikel, wie Zunder, Tiegelmaterial und ähnliches, an einer unteren Basis des Meniskus 113 zur Kupferschmelze 105, wodurch der Bereich der Erstarrungsfront frei von Partikeln bleibt. Mithin wird eine Oberfläche des gefertigten MMC-Drahtes 101 erzielt, welche sehr gleichmäßig und glatt sowie frei von Partikeln ist.
- In Ziehrichtung 111 folgt nach dem Ausbilden des Meniskus 113 eine Nachwärmzone 109, durch welche der MMC-Draht 101 weiter gezogen wird. Die Nachwärmzone 109 weist einzelne Heiz- und Kühlelemente auf, über welche ein entsprechendes Temperaturprofil dem Meniskus und den MMC-Draht 101 aufgeprägt wird. Dadurch wird dem MMC-Draht 101 ein definiertes Erstarrungsprofil aufgeprägt und die Oberflächenqualität weiter verbessert.
- Der gesamte Herstellungsprozess des MMC-Drahtes 101 erfolgt unter einer Schutzgasatmosphäre, sodass insbesondere kein Sauerstoff in den gefertigten MMC-Draht 101 hineindiffundiert.
- Über eine Ziehgeschwindigkeit in Ziehrichtung 111 und das eingestellte Temperierungsprofil der Nachwärmzone 109 wird der Durchmesser des gefertigten MMC-Drahtes 101 festgelegt.
- Somit wird in einem einzigen Verfahrensschritt ein MMC-Draht 101 kontinuierlich mit sehr hohen Oberflächenqualitäten und einem gleichmäßigen Drahtdurchmesser von 130pm gefertigt, ohne dass anschließend weitere Nachbehandlungsschritte notwendig sind. Folglich wird ein kostengünstiges und schnelles Fertigungsverfahren zum Fertigen von MMC-Draht 101 bereitgestellt.
-
- 101
- MMC-Draht (Metall-Matrix-Composit-Draht)
- 103
- Siliziumcarbid-Filament
- 105
- Kupferschmelze
- 107
- Schmelztiegel
- 108
- Öffnung
- 109
- Nachwärmzone
- 111
- Ziehrichtung
- 113
- Meniskus
Claims (12)
- Verfahren zum Herstellen eines Kupferprofils, insbesondere eines Kupferdrahtes (101), aus einem Matrixelement (103), wobei das Matrixelement mindestens ein Filament aufweist, mit folgenden Schritt- Durchführen des Matrixelementes durch eine Öffnung (108) eines mit flüssigen Kupfer (105) gefüllten Kupfertiegels (107) derart, dass flüssiges Kupfer auf dem Matrixelement aufgebracht wird und das aufgebrachte Kupfer auf dem Matrixelement frei von dem flüssigen Kupfer im gefüllten Kupfertiegel derart erstarrt, dass direkt das Kupferprofil ausgebildet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchführen durch ein kontinuierliches Ziehen erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung durch das flüssige Kupfer bedeckt ist.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixelement weitere Filamente und/oder ein Filamentbündel aufweist.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixelement eine anorganische Faser, insbesondere eine Kohlenstofffaser und/oder eine Siliziumcarbidfaser, aufweist.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filament oder mehrere Filamente einen Durchmesser zwischen 3pm und 30pm, bevorzugt zwischen 6µm und 20µm, aufweist oder aufweisen.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixelement mit einer äußerlich exponierten Schicht oder frei von einer äußerlich exponierten Schicht, wobei die exponierte Schicht durch das Filament getragen wird, einen Kontaktwinkel mit flüssigen Kupfer von 15° bis 120°, vorzugsweise größer als 30° ausbildet.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kupfertiegel parallel mehrere Kupferprofile gleichzeitig gezogen werden.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke des Kupferprofils mittels einer Ziehgeschwindigkeit des Matrixelementes und/oder einer Temperierung (109), insbesondere einer vertikalen Temperierung, eingestellt wird.
- Kupferprofil, insbesondere Kupferdraht, wobei das Kupferprofil mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt ist.
- Kupferprofil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke des Kupferprofils kleiner 0,3mm ist.
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