DE1527835A1

DE1527835A1 - Vorrichtung zum Extrudieren einer relativ weichen Metallschicht auf einen harten Kerndraht

Info

Publication number: DE1527835A1
Application number: DE19661527835
Authority: DE
Inventors: Hope William F; Lang Ernest U
Original assignee: National Standard Co
Current assignee: National Standard Co
Priority date: 1965-11-01
Filing date: 1966-10-31
Publication date: 1970-04-09
Also published as: US3399557A; GB1117998A

Description

DR. EULE DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

θ MÜNCHEN 2. H1LBLESTRASSE 2O

Dr. Eule Dr. Berg DIpUn₉. Stopf S MOnchen 2, HilblertraBe 20 Ihr Zeichen _{Unjer Zeichen}

vi/Gd u 519 31. OKt. 1966

Anwaltsakten-Nr«, 14 519

National-Standard Company, Niles, Michigan, U.S.A.

^t! Vorrichtung zum Extrudieren einer relativ weichen Metallschicht auf einen harten Kerndraht.··

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Extrudieren einer relativ weichen Metallbeschichtung auf einen harten Metalldrahtkern, derart, dass die Beschichtung fest an den Kern gebunden wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Extrudieren von Aluminium auf Stahldraht zur Herstellung eines elektrischen Leiterdrahtes,

00Ö815/QS04 - 2 .

welcher dünner gezogen werden kann, ohne dass die Bindung zwischen dem Kern und der Beschichtung Schaden nimmt.

Extrudieren von weichem Metall auf einen Stahldraht mit fester Bindung zwischen der extrudierten Beschichtung und dem Stahlkern, insbesondere das Extrudieren einer dicken Aluminiumbeschichtung auf einen Stahldraht zur Herstellung eines Aluminium-belegten Stahldrahtes mit fester Bindung zwischen Stahl und Aluminium, wurde bisher nicht in industriellem Umfange ausgeführt.

Aluminium-überzogener Stahldraht wird viel verwendet, speziell als elektrischer Leiterdraht als Ersatz für Kupfer-überzogenen Stahldraht. Bisher wurde aber eine zufriedenstellende Verbindung zwischen dem Aluminium und dem Stahl nur durch heisses Eintauchen erreicht. Durch heisses Eintauchen mit Aluminium überzogener Stahldraht ist wertlos als elektrischer Leiter, da eine brüchige Aluminium-Eisenlegierung entsteht, welche geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt.

Bereits 1906 wurde im USA-Patent 814,731 ein Verfahren zum Extrudieren von Aluminium auf Stahldraht vorgeschlagen, utr Aluminium beschichtete Leiterdrähte herzustellen. Trotz der einleuchtenden Vorteile derartigen Materials hat bis heute niemand erfolgreich dieses Material in industriellem Umfange hergestellt. Extrudierverfahren und Extrudiermatrizen, die sich bei anderen Materialien als geeignet erwiesen,

009815/0604 ,

haben sich zur Herstellung von aluminaumüberzogenem Stahldraht mit ausreichender Verbindung ζτ-ischen Aluminium und Ütahl als unzureichend erwiesen, es sei denn, man arbeitet mit so geringen Geschwindigkeiten, dass das Verfahren nicht wirtschaftlich genutzt werden kenn. Die Vorrichtung gemäss Erfindung erlaubt die Herstellung eines Aluminium-beschichteten Stahldrahtes, bei dem die Verbindung besser ist, als die mit den herkömmlichen Extrudiervorrichtungen erreichbare. Die Erfindung ist von grosser Bedeutung für die Herstellung von Aluuinium-bezogenem otahldraht in industriellem Maßstab.

Nachfolgend ist eine bevorzugte Ausführung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung als erläuterndes Beispiel beschrieben«

Fi|-, 1 zeigt einen vertikalen L'ittellängsschnitt einer Lxtrudiermatrize und einer Jiatrizenhalterung gemäes Erfindung, sowie einen Teil einer herkömmlichen hydraulischen Presse, in welcher die Ii'atrizenkoifhalterungangebracht ist. Der Schnitt entspricht im wesentlichen der Lini^ 1-1 der Fi₁**· 2.

Fig. 2 zeigt einen vertikalen Teilschnitt verbesserten JuaÖstabeB, Ler Schnitt entspricht im wesentlichen der Linie 2-2 der Fi_fe-. 1.

lift« ? zeigt einen Teilschnitt durch dip Extrudiermatrize in vergrössprtet! Maßstäbe. Der S?»:nitt ent ει rieht im liohpri der Liniet -. ?. acr xi_;r« 2.

009815/oea.V

Wie aus der Zeichnung, insbesondere auc Fig_e 1 ersichtlich, besteht die Vorrichtung aus einer herkömmlichen hydraulischen (nicht gezeigten) 150-Tonnen-Presse mit einem Kolben 7. In der Vorrichtung befindet sich die Matrizenkopfhalterung 8 mit einer Aushöhlung 9 zur Aufnahme des Matrizenblockes 10 und des Oberbloaks 11. Uer-Matrizenblock besitzt eine Quer~ bohrung zur Aufnahme der Matrizenkopfanordnung, welche Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. In den Blöcken 10 und 11 bilden vertikale Bohrungen eine Ausnehmung 12 für einen 35 mm-Block aus weichem Metall, welches durch den Kolben 7 nach unten gepresst und extrudif-rt werden kann. Der vom Presskolben 7 ausgeübte Druck wird auf übliche Weise gesteuert, um den gewünschten Druck auf den Block 13 ausüben zu können. Die Matrizenhalterung 8 besitzt elektrische Heizelemente 14, welche, angeschlossen über einen herkömmlichen einstellbaren thermostatischen Regelschalter 15, die Temperatur für die Heizelemente 14 regeln, um den Block auf einer gewählten Temperatur halten zu können. Zweckmässig befindet sich ein Thermoelement für den Schalter im wesentlichem in Kontakt mit dem Block 13. Der gleiche Effekt kann aber auch erreicht werden, wenn man das Thermoelement an anderer Stelle der Halterung anordnet und so einstellt, dass die Wahl des anderen Ortes für das Thermoelement kompensiert wird. Ein Ringkanal 16 steht mit der Aussparung 12 in Verbindung, ebenso mit einer Extrudiermatrizenkopfanordnung 17. Di··· ist in der Querbohrung des Matrizenblockes 10 gelagert.

009815/0604 , ~J~_A1

BAD ORIGINAL

Wie aus Fig. 1 und Fig, 2 zu ersehen, ist am unteren Ende der Aussparung 12 ein Stromteiler eingebaut, welcher das Metall veranlasst, unter dem Druck des Kolbens 7 um die Matrizenkopfanordnung 17 herum in den Ringkanal 16 zu f Hessen.

Am besten ist die Metrizenkopfanordnung in Fig»1 und 3 ersichtlich» Sie weist eine Führungsmatrizenhalterung 19 auf, in welcher mit Preßsitz fest die Führungsmatrize 20 sitzt, ausserdem einen Extrudiermatfizenhalter 21, in welchem mit Preßsitz eine Extrudiermatrize 22 sitzt. Der Zwischenraum zwischen den Matrizen bildet eine ringförmige Stromführung 23ο Mit der Stromführung 23 steht der Ringkanal 16 durch sechs Eintrittsöffnungen 24- In Verbindung. Diese Eintrittsöffnungen führen durch die Führungsmatrizenhalterung 19, welche die Führungsmatrize 20 umgibt. Damit bestimmte Abmessungen der Eintrittsstromführung 23 bestimmt festgelegt und unveränderlich gehalten werden können, sitzt ein Aussenendteil 19a der Führungsmatrizenhalterung 19 mit strammem Gleitsitz um die Extrudiermatrize 22. Die Innenenden der zwei Matrizenhalter 19 und 21 stossen längs einer Trennfuge L aneinander.

Die Matrizenhalterung 19 und die Matrizenhalterung 21 bzw. ihre äusseren Enden besitzen - wie aus Fig. 1 ersichtlich Bunde 19b bzw. 21b. Diese Bunde sitzen in Erweiterungen an den Enden der Bohrungen. Die Extrudiermatrizenanordnung.ist

-OO981S/O0CU " ⁶ "

fest in den Matrizenblock 1ü durch Gewindebuohsen 25 unl 26 eingespannt. Diese Buchsen sind in G ewindebo ladungen der Matrizenhalterung 8 eingeschraubt und drücken fest gegen die tfunde 19b bzw,21b.

Wie aus Fig» 3 ersichtlich, besitzt die Führungsmatrize eine axiale Eintrittsbohrung 27, durch welche ein zu beschichtender Draht W mit strammem Gleitsitz geführt ist, so dass er in die ,Extrudiermatrize 22 genau zentriert zu der Achse der Extrudierbohrung 28 der Extrudiermatrize eintritt.

Die kegelförmige Stromführung 23 ist innen durch eine kugelstumpfförmige äussere Führungefläche 29 der Führungsmatrize und aussen durch eine abgeschrägte Führungsfläche 30 der Extrudiermatrize begrenzt. Die in Fig, 3 dargestellten Winkel und die Längen der Stromführungsflächen stellen ein Optimum für einen besonderen Kerndrahtdurchmesser und besondere Überzugsdicke dar und müssen geändert werden, wenn mit anderem Druck und anderer Schichtdicke beste Resultate erreicht werden sollen,, Der Extrudierdurchlass G zwischen der Kante 29a der Führungsoberfläche 29 und der Kante 30a der Führungsoberfläche 30 neigt dort, wo der Kerndraht W dem grössten Druck unterworfen ist, dazu, den Draht abzuklemmen. Die Bemessung dieses Raumes muss daher genau eingehalten werden. Aus diesem Grunde liegen die Halter 19 und 21 aneinander an. Soll ein 4,8 mm-Stahldraht mit Aluminium für elektrische Leiterzwecke in der Stärke von 0,33 mm überzogen

00S81S/06Q4 - 7--

werden, so muss der Extrudierdurchlass zwischen u,2 und 0,3 mm gehalten werden. Die innere Führungsfläche 29 steht mit der Horizontalen in einem Winkel von 30°, während die äussere Führung«fläche 30 um 30° zur Vertikalen geneigt ist.

Der Eintritt des zu extrudierenden -I/etalls durch den ringförmigen Kanal 16 und die sechs verteilten uffnungen 24 bewirkt eine Druckdifferenz zwischen dem Ausseren und dem Inneren der Extrudiermatrizenanordnung, die einen gleichmassigen Aluminiumfluss von allen Seiten ergibt.

Ein anderer wichtiger Factor in dor Eintrittskonstruktion ist in der Tatsache begründet, das· Aluminium dazu neigt, auf der Aussenseite entlang der Matrizenoberfläche ein« schwarze Oxydechicht zu bilden, welche nicht zufriedenstellend an den Kerndraht gebunden werden kann. Die Konstruktion des Ringkanals 16, der Eintrittsöffnungen 24 und der zusammenlaufenden Ringpaßsage 23 erzeugen eine gewisse Turbulenz Ib Aluminium, welche dazu neigt, jeden Aluminiumfilm zu zerstören und im Aluminiumkörier zu verteilen, wo er derart verteilt ist, dass er keinerlei .Bindungsprobleme ergibt.

Dme Aluminium des Blockes 1* wird mittels des Kelsens 7 durch den Ringkanal 16, die Eintrittsöffnunge» 24 und aie konische Führung 23 so gepresst, dass es den Draht 1 konzentrisch im Extrudiermatrizeneintritt umgibt. Es wird in der Matrize in engen Kontakt mit dem Draht 1 gepresst,

BAD 009815/0604

wenn der Draht mittels eines (nicht gezeigten) Spills durch die Matrize gezogen wird. Auf diese Weise wird eine Aluminiumschicht S auf dem Draht gebildet.

Viie aus Fig* 3 ersichtlich, stellt die Kante 30a der vertieften Fläche 30 der Extrudiermatrize 22 das abgeschrägte Einlassende einer konisfchen Pressbohrung 31a der Extrudiermatrize dar und der Abschnitt 31 geht bei der Kante 31a in einen kurzen, nicht abgeschrägten Matrizenteil 32 über.

Dieses nicht abgeschrägte Matrizenteil hat eine Ausgangskante 32a, wo sich die Extrudiermatrize scharf zur Bohrung 33 erweitert, in welche der beschichtete Draht frei geht.

Bestimmte Abmessungscharakteristiken der Extrudiermatrize sind für die Herstellung zufriedenstellender mit Aluminium überzogener Stehldrähte wesentlich. Zur Vereinfachung und einfach zur Verallgemeinerung der Abmessungscharakteristiken wird die Dicke der endgültigen Hülle S auf dem Draht als eine Bezugsgrösse verwendet. Sie wird mit dem Buchstaben "t" der Fig. 3 der Zeichnung bezeichnet, Offensichtlich ist die Abmessung t gleich dem Radius des unabgcschrägten i'eiles 32 der JExtrudiermatrizenbohrung abzüglich des Radius des Kerndrahtes W. Beim Eintritt 30a der Pressbohrung 31 der Extrudiermatrize ist die Dicke des Aluminiums gleich dem Radius des Eintrittsendee 23 abzüglich des Radius des Drahtes, Die Konizität der Matrize in der Bohrung 31 soll nicht weniger

009815/0604 ^BAD Of?^IQINAL

als. etwa 1 : 48 (das entspricht dem eingeschlossenen Winkel der gegenüberliegenden Seiten der Bohrung 1^Ο11'3") und nicht mehr als etwa 5 : 96 (das entspricht dem eingeschlossenen Winkel der gegenüberliegenden Seiten der Bohrung 2°59'3") betragen. Die praktischen Grenzen liegen also zwischen 1°1ü^f und 3 ο Eine normale konische Reibahle erzeugt eine Konizität von 1 : 48ο Die kleine Konizität ist für Drähte erforderlich, deren Querschnitt nach üxtrudierung 2ü bis 30?έ Aluminium aufweist, während die grösste Konizität für Drähte mit 6u bis "JQfi Aluminium erforderlich ist. Die Konizität kann einfach durch die folgende Formel ermittelt werden :

Konizität = . ₁₂

Die Gesamtlänge (L) der konischen und nicht-konischen Teile der Extrudiermatrize (von Kante 30a zu Kante 32a,) wird durch die.Formel ausgedrückt ί

L = . t + 4.t

wobei S Prozent der Weichmetallanteil der Querschnittsflache des beschichteten Drahtes ist. Der nicht-konische Teil 32 muss etwa 1,5 t betragen.

.Beispiele zur Formel für die totale Länge L seien folgende :

- 10 -

00 981 S/060 4

1. für S « 2ü wird L « -|g| . t + 4. t = 6t

2. für S = 40 wird L = -~i . t + 4.t = 8 t

1 U/o

3. für a - 60 wird L = -2^ . t + 4.t = 1ü t

Jede wesentliche Abweichung von L von den abgeleiteten jorir.elwerten wird zu einem unzureichenden Erzeugnis führen. Der relativ schmale Winkel der ötromführung 23 gegen die Vertikale in V-erbindung mit dem sehr flachen Konus der Extrudiermatrize verringert jeden Vorschub des Drahtes einzig durch Extrudier~ druck auf ein Mindestmass, weil der Druck in einem relativ grossen Winkel zur Oberfläche des Drahtes wirkt und somit nur eine kleine Vorwärtskomponente der Bewegung auf den Draht wirken kann. Die Vorwärtskomponente der Bewegung wird durch Ziehen mittels eines Spills unterstützt.

Bei einer für Vorrichtungen gemäss Erfindung typischen Beschichtung wurde ein sauberer ütahldraht von 3,18 mm Durchmesser mit einem Überzug von 0,33 mm Dicke t Aluminium für elektrische Leiterzwecke versehen, bolch ein Draht besitzt eine yuerschnittßflache von 0,115 cm mit etwa 34> Aluminium. Der Aluminiumblock 13 soll annähernd eine Temperatur von 546⁰O haben. Der vom Kolben 7 ausgeübte Druck soll 35oO bis 4900 kg/om betragen. Bei Abweichungen im Aluminiumtyp und im Stahlkern können die Temperaturen von obigen Angaben ab-

00981.6/0604 "¹¹ "

weichen. Der Druck auf den Block kann bis auf 8800 kg/cm anwachsen.

Die Extrudiertemperatur beeinflusst die Härte des Kerndrahtes. Diese Tatsache ist von grösster Wichtigkeit für eine feste Bindung. Damit die Zugfestigkeit auf das gewünschte Mass erhöht wird, muss der Draht nach dem Extrudieren kaltgezogen werden. Zu beachten ist jedoch, dass beim Ziehen in der Stahlaluminiumgrenzschicht eine sehr hohe Spannung erzeugt wird, welche bestrebt ist, die Bindung zu zerstören und das Aluainium vom Kern abzustreifen.

Die vorliegende detaillierte Beschreibung ist nur zur Klarheit des Verständnisses gegeben. Sie ist nicht in beschränkendem Sinne aufzufassen, da Abwandlungen für den Fachmann offensichtlich sind.

Patentansprüche : 009816/0606

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Beschichten eines harten Metallkerndrahtes durch Extrudieren eincis Weichmetallüberzuges und Verbinden desselben mit den Kerndraht, mit einer Führungsmatrize und einer Extrudiermatrize, die im Abstand voneinander angeordnet sind und mit einander zugewandten Oberflächen eine zur Matrizenachse konzentrische, konische ringförmige Weichmetallflussführung bilden, wobei eine Eintrittsführung in der Führungsmatrize vorgesehen ist, in welcher eine harte Metalldrahtseele beim Eintritt in den Matrizenkoj'f konzentrisch zn den Matrizenachsen eng geführt wird, und eine zur Matrizenachse konzentrische, konische Pressbohrung in der Extrudiermatrize vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die konische Pressbohrung der Extrudiermatrize ein nicht konischer Matrizenteil anschliesst, dessen Durchmesser gleich dem des fertigen Drahtes ist und dass die Gesamtlänge der konischen Pressbohrung und des

S ^CA

nicht konischen Matrizenteils etwa gleich ■—?£ t M t ist, wobei S der Quersohnittsanteil und t die Dicke der fteichmetallschicht des fertigen Drahtes ist.

2. Vorrichtung, nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsmatrize in einer röhrenförmigen Führungsmatrizenhalt erung befestigt ist, der eine Anzahl radialer Eintrittsb'ffnungen aufweist, durch welche weiches Letall

009815/0604

* 13 BAD ORIGINAL

in die Matrize aus einem ringfUrrnigen Flusskanal gelangt, und dass eine röhrenförmige Extrudiermatrizenhalterung, in welcher die Extrudiermatrize befestigt ist, mit einer Einrichtung zum Halten eines vorherbestimmten Abstandes zwischen der Führungsmatrize und der Extrudiermatrize versehen ist ο

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrudiermatrize aus einem Ende der Extrudiermatrizenhalterung herausragt, dass ein Endteil der Führungsmatrizenhalt erung stramm auf dem hervorragenden Teil der Extrudiermatrize sitzt und dass die Führungsmatrizenhalterung und die Extrudiermatrizenhalterung mit ihren Enden aneinander anstossen, um einen bestimmten Abstand zwischen der Führungsmatrize und der Extrudiermatrize zu halten.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konizität der konischen Pressbohrung ungefähr -jtä· . 12 beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des nicht konischen Extrudiermatrizenteiles etwa bei 1,5 . t liegt.

009815/0604

i
Lee