DE2263123B2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines kupferplattierten aluminiumdrahts - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines kupferplattierten aluminiumdrahtsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kupferplattierten Aluminiumdrahts, bei dem nach
einer Reinigungsbehandlung ein Kupferstreifen in zylindrischer Form um einen Aluminiumkern gelegt und
unter Schutzgas zusammengeschweißt wird und der kupferumhüllte Aluminiumdraht sodann in einer Ziehvorrichtung
unter Verwendung eines Raupenabzuges auf einen geringeren Durchmesser kaltgezogen wird.
Bei üblichen Drahtziehmethoden wird die Gestalt der Düse so ausgewählt, daß die Kraft, die für das
Drahtziehen durch die Düse erforderlich ist. auf einen Minimalwert gesenkt werden kann. Nach verschiedenen
Untersuchungen bezüglich der Beziehung zwischen der Zugspannung und der Gestalt der Düse sowie bezüglich
der Beziehung zwischen der metallurgischen Bindung des Plattierungsdrahts und der Gestalt der
Düse konnte bestätigt werden, daß die Zugspannung einen Minimalwert an einem bestimmten Düsenneigungswinkel
einer Düse zeigt. Bei einer gewöhnlichen Drahtziehoperation wird eine Düse verwendet, die
einen Düsenneigungswinkel (etwa 20°) hat, der eine minimale Ziehspannung gewährleistet. Wenn der Düsenneigungswinkel
weiter vermindert wird, nimmt die Zugspannung erheblich zu, was auf die Reibung zwischen
der Wand der Düse und dem Draht zurückzuführen ist, während auf der anderen Seite eine Zunahme
des Düsenneigungswinkels zu einer Zunahme der Zugspannung führt, welche auf die erhöhten inneren Scherspannungen
zurückzuführen ist.
Die üblichen bezüglich der Ziehkraft optimalen Düsenneigungswinkel
sind aber für die Erzielung einer metallurgischen Bindung zwischen den Plattierpartnern
nicht optimal, da es bei Verwendung einer gewöhnlichen Düse, deren Düsenneigungswinkel etwa 20° beträgt,
erforderlich ist, die Querschnittsfläche um 90% oder mehr zu vermindern, um die erforderliche metallurgische
Bindung zwischen dem Kupfer und dem Muminium zu bewerkstelligen.
Verfahren zur Herstellung von kupferplattierten Aluminiumdrähten sind beispielsweise aus der DT-OS
16 02 285 und der DT-OS 19 07 107 bereits bekannt. Da keine der obengenannten Druckschriften Hinweise auf
die Verformungsbedingungen in der Zugdüse enthält. ist davon auszugehen, daß die bei den bekannten Verfahren
angewendeten Düsenneigungswinkel in dem von der Fachwelt bislang offensichtlich für zweckmäßig
gehaltenen Bereich von etwa 20° liegen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von kupferplattiertem Aluminiumdraht
zur Verfügung zu stellen, bei welchem eine metallische Bindung zwischen einem Aluminiumkern und einem
Kupferstreifen erhalten werden kann, ohne daß im Verlauf des Herstellungsprozesses auf eine Wärmebehandlung
zurückgegriffen werden muß. Dabei soll weiterhin selbst bei der Anwendung eines Biegeprozesses
kein Aufbrechen der Bindung zwischen dem Aluminiumkern und der Kupferplattierung sowie keine Rißbildung
in der Kupferplattierung bewirkt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der oben beschriebenen Art dadurch gelöst,
daß man den Durchmesser des kupferplattierten Aluminiumdrahts durch eine Düse mit einem Düsenneigungswinkel
von 35 bis 55° vermindert.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben. Der
Hauptvorteil besteht darin, daß durch Unterwerfung eines Plattierungsdrahts, der mit einem Aluminiumkern
und einer Kupferplattierung gebildet worden isi. einem Reduktionsprozeß bei einer Temperatur unterhalb
2000C durch eine Düse, die einen großen Düsennei-
gungswinkel besitzt, ein kupferplattierter Aluminiumdraht
mit einer starken metallurgischen Bindung zwischen den zwei Metallen erhalten werden kann, ohne
daß die Anwendung einer Wärmebehandlung erfolgt, so daß selbst, wenn der Draht e-nem Biegevorgang
od. dgl unterworfen wird, in der Metallplattierung keine Ritibildung bewirkt wird. In der nachfolgenden Beschreibung
soll die Bezeichnung »ReduKtionsp-ozeß« den Vorgriig bezeichnen, bei welchem sowohl die
Druckdii.se als auch die Zugdüse verwendet werden.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt, der eine Ausführungsform
der in der Reduktionszone verwendeten Zugdüse darstellt.
F i g. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zugspannung und dem Düsenneigungswinkel (α)
darstellt, und
F i g. 3 und 4 Querschnitte, welche Ausführungsformen des in der Schweißstufe verwendeten hermetisehen
Abschirmungskastens darstellen.
Die verwendete Zugdüse ist in F i g. 1 dargestellt. Darin bedeutet das Bezugszeichen 80 ein Gehäuse
einer druckgeschmierten Zieheinrichtung, welche eine Bremsdüse 81 umfaßt, welche auf der Eintrittsseite angebracht
ist, wo der Metalldraht in das Gehäuse eingeführt wird. Die Einrichtung umfaßt auch eine Dimensionierungsdüse
82, welche auf der Austrittsseite des Gehäuses angebracht ist. Ein Schmieröl 84 wird in die
Kammer eingepreßt, welche in dem Gehäuse 80 definiert ist, wozu eine von außen vorgesehene Pumpe 83
verwendet wird. Der kupferplattierte Aluminiumdraht wird in Gegenwart eines Schmieröls 84 durch die Dimensionierungsdüse
82 mit einem großen Düsenneisungswinkel gezogen. Während herkömmliche Methoden
der druckrjeschmierien Ziehung eine Düse verwenden,
deren Düsenneigungswinkel in der Nähe von 20° liegt und die einfach zur Durchmesserreduktionsoperation
verwendet wird, verwendet die druckgeschmierte Zieheinrichtung, die bei dem Verfahren der Erfindung
eingesetzt wird, eine Dimensionierungsdüse 82, deren Düsenneigungswinkel so erhöht worden ist, daß eine
vollständige Bindung zwischen dem Plattierungsmetal! und dem Kernmetall des kupferplattierten Aluminiumdrahts
erzielt werden kann, wenn dieser durch die Dimensionierungsdüse 82 gezogen wird.
Bei üblichen Drahtziehmethoden wird die Gestalt der Düse so ausgewählt, daß die Kraft, die für das
Drahtziehen durch die Düse erforderlich ist, auf einen Minirnalwert gesenkt werden kann. Nach verschiede- 5"
nen Untersuchungen bezüglich der Beziehung zwischen der 2!ugspannung und der Gestalt der Düse sowie bezüglich
der Beziehung zwischen der metallurgischen Bindung des Plattierungsdrahtes und der Gestalt der
Düse konnte bestätigt werden, daß die Zugspannung einen Minimalwert an einem bestimmten Düsenneigungswinkel
einer Düse zeigt. Bei einer gewöhnlichen Drahtziehoperation wird eine Düse verwendet, die
einen Düsenneigungswinkel (etwa 20°) hat, der eine minimale Ziehspannung gewährleistet. Diese Tatsache ist
in F i g. 2 gezeigt. Es wird ersichtlich, daß, wenn der Düsenneigungswinkel weiter vermindert wird, die Zugspannung
erheblich zunimmt, was auf die Reibung zwischen der Wand der Düse und dem Draht zurückzuführen
ist, während auf der anderen Seite eine Zunahme des Düsenneigungswinkels zu einer Zunahme der Zugspannung
führt, welche auf die erhöhten inneren Scherzurückzuführen ist.
Hinsichtlich der metallurgischen Bindung in dem plattierten Draht ist geschlossen worden, daß ein plastischer
Fluß zu der Bildung der Bindung zwischen den Metallen beiträgt. Wenn daher die Metalle einer Deformierung
in einer solchen Weise ausgesetzt werden, daß ein maximaler plastischer Fluß zwischen den Metallen
gewährleistet wird, dann kann eine Bindung leichter erzielt werden als in einem Falle, wo die Deformation mit
einem geringeren plastischen Fluß vorgenommen wird.
Die vorliegende Erfindung wurde auf Grund dieser Erkenntnis entwickelt. Wenn eine Drahtziehung zu
einer Erhöhung der inneren Scherspannungen ausgebildet war und daher ein plastischer Fluß zwischen den
zwei Metallen durch die Verwendung eines ausnehmend großen Düsenneigungswinkels auf die Herstellung
eines kupferplattierten Aluminiumdrahts angewendet wurde, dann wurde eine vollständige metallurgische
Bindung zwischen dem Kupfer und dem Aluminium mit einer 80%igen Flächenverminderung beim
Ziehen mit einem Düsenneigungswinkel von beispielsweise 45° erzielt. Wenn auf der anderen Seite die
Drahtziehung mit einer gewöhnlichen Düse (deren Düsenneigungswinkel etwa 20° betrug) betrieben wurde,
dann war es erforderlich, die Querschnittsfläche um 90% oder mehr zu vermindern, um die erforderliche
metallurgische Bindung zwischen dem Kupfer und dem Aluminium zu bewerkstelligen. Der Wert des Düsenneigungswinkels,
der die erforderliche metallurgische Bindung zwischen dem Plattierungsmetall und dem
Kernmetall des Plattierungsdrahts bewerkstelligen kann, war zwischen 35 und 55°. Wenn der Düsenneigungswinkel
weniger als 35° beträgt, dann würde das Ergebnis das gleiche sein, als erhältlich wäre mit einer
gewöhnlichen Düse (deren Düsenneigungwinkel etwa 20° beträgt), während, wenn der Düsenneigungswinkel
größer als 55° wäre, es erforderlich wäre, die Menge der Querschnittsverminderung je Durchlauf zu verringern,
da sonst die plattierende Metallschicht reißen würde, wodurch das Drahtziehen selbst unmöglich gemacht
werden würde.
Obgleich die obigen Erläuterungen hinsichtlich eines Kaltziehens gemacht wurden, kann, wenn ein Warmziehprozeß
verwendet wird, welcher eine Düse mit einem Düsenneigungswmkel zwischen 35 und 55° verwendet,
die Bildung einer Bindung zwischen dem Kupfer und dem Aluminium weiter erleichtert werden. Beispielsweise,
wenn das Ziehen des Drahtes bei Temperaturen von 150 bis 200°C vorgenommen wurde, wo keine
Bildung von intermetallischen Verbindungen erfolgen würde, wurde die Bildung einer festen Bindung
zwischen dem Kupferstreifen und dem Aluminiumkern mit einer Gesamtreduktion der Querschnittsfläche von
weniger als 70% erzielt. In diesem Falle sollte jedoch beachtet werden, daß. wenn das Drahtziehen zur
Durchmesserreduktion bei einer Temperatur von mehr als 200°C durchgeführt wird, sich intermetallische Verbindungen
zwischen dem Kupfer und dem Aluminium bilden würder,, wodurch die Gefahr der Verminderung
der Zähigkeit des erhaltenen plattierten Drahts gegeben wäre.
Die Schweißzone umfaßt eine Formdüse 16, die so ausgestaltet ist, daß der Kupferstreifen um den Aluminiumkern
in seiner zylindrischen Form gehalten wird, sowie eine Schweißvorrichtung 17, z. B. einen TIG-Bogenschweißapparat
oder einen Plasmabogenschweißapparat, wobei beide innerhalb des Abschirmkastens 15
angeordnet sind. Der Abschirmkasten 15 ist mit einem Inertgas (ζ. Β. Argon, Helium, Kohlendioxid, Stickstoff
oder einem Gemisch daraus) zu einem Druck oberhalb Atmosphärendruck (z. B. mehr als 0,1 mm Wasser) gefüllt,
so daß darin eine inerte Gasatmosphäre aufrechterhalten wird, welche die Oxidation der Metalle
verhindert. In dieser Schweißzone wird der um den Aluminiumkern herumgelegte Kupferstreifen, der
durch die Formdüse 16, wie oben beschrieben, in der zylindrischen Form gehalten wird, und der Saum des
Kupferstreifens durch den Schweißapparat 17 zusammengeschweißt. Die Konstruktion des Abschirmkastens
15 und anderer Teile wird an Hand der F i g. 3 und 4 beschrieben.
In der F i g. 3 bezeichnet 9 den Kupferstreifen in der
Form eines Plattierungsrohrs. Die Richtung der Bewegung ist durch einen Pfeil angegeben; 16 bedeutet die
Formdüse, 17 den Schweißbrenner, 15 den Abschirmkasten, 50 einen Balg, der den Abschirmkasten 15 mit
dem Schweißbrenner 17 verbindet. Der Balg 50 kann aus jedem beliebigen Material bestehen, vorausgesetzt,
daß es federnd ist. So kann er z. B. aus einer Kautschukplatte mit einer in der Mitte gebildeten zylindrischen
öffnung bestehen, welche einen Durchmesser besitzt, der geringfügig geringer ist als derjenige des
Schweißbrenners 17.
Es kann jedoch ein Abstand von etwa 3 mm vorgesehen sein, ohne daß die Wirksamkeit der Abschirmung
beeinträchtigt wird. Ein solcher Abstand hat die Wirkung, daß die Wanderung des Schweißbrenners 17
leichter wird. Die Bezugszeichen 51 und 52 bezeichnen den Eintritt und den Austritt für das Kupferplattierungsrohr.
Der Durchmesser des Eintritts 51 und des Austritts 52 kann so ausgewählt sein, daß ein Spalt von
etwa 5 mm auf allen Seiten hinsichtlich des Kupferplattierungsrohrs 9 existiert. Das Bezugszeichen 53 bezeichnet
den Spalt des Kupferplattierungsrohrs, der zusammengeschweißt werden sollte, nachdem es die
Formdüse 16 durchlaufen hai. Die Minimaidimension des Abschirmkastens 15 sollte vorzugsweise so sein,
daß er von dem Teil von 53 bis zu der vollständig geschweißten Verbindung der Kupferhülle geht. Dies gestattet,
daß das inerte Gas hineinfließt und daß eine inerte Gasatmosphäre entlang der inneren Oberfläche
des Kupferplattierungsrohrs aufrechterhalten wird, wodurch die Bildung eines Oxidfilms an der verschweißten
Verbindung auf der inneren Oberfläche des Kupferplattierungsrohrs sowie an der Oberfläche des Aluminiumkerns
verhindert wird. Der Abschirmkasten 15 kann mit einer Einlaßöffnung 54 für das Inertgas, wie in
F i g. 4 gezeigt, versehen sein. Während diese Inertgaseinlaßöffnung 54 als Hilfseinlaß dient, um den vorgewählten
Druck des inerten Gases in dem Abschirmkasten 15 aufrechtzuerhalten, kann die Anordnung der
Einlaßöffnung 54 in der Nähe des Einganges 51 zu einem guten Ergebnis führen, da hierdurch der Abschirmeffekt
erheblich auf Grund der Vcrhangwirkung des eingeführten Gases verbessert wird. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet Führungswalzen. Der Abschirmkasten
15 bedeckt nur eine Schweißzone, so daß der Verbrauch an Inertgas vermindert werden kann und
zur gleichen Zeit der Betriebsprozeß vereinfacht werden kann.
Wenn die Schweißoperation beendet ist, dann besteht immer noch ein Abstand bzw. Spalt zwischen der
Kupferhülle und dem Aluminiumkern. Dieser Abstand wird in einer Reduktionszone entfernt.
Im Anschluß an diese Druck- bzw. Ziehoperatioi
wird der kupferplattierte Aluminiumdraht 20 in eim Nachbehandlungszone geleitet, wo das Schmiermittc
auf der Oberfläche der Kupferplattierung in einem or ganischen Lösungsmitteltank entfernt wird, beispiels
weise in einem Tank, der mit Trichloräthyien ode
Perchloräthylen gefüllt ist. Der auf diese Weise gerei nigte kupferplattierte Aluminiumdraht wird durch ein«
Raupe aufgenommen, von welcher er in einem großer Trog aufgenommen wird. Der kupferplattierte Alumini
umdraht, der in dem Trog aufgenommen worden isi wird sodann in eine Ziehzone eingeleitet. In diese
Zone wird eine vollständige und gesunde metallurgi sehe Bindung zwischen dem Aluminiumkern und dei
Kupferbedeckung erzielt. Während in der obigen Be Schreibung der kupferplattierte Aluminiumdraht, der ir
dem Trog aufgenommen worden ist, nach der Durch messerverringerungsoperation (Quetschung) durch di<
Düse einer veiteren Durchmesserverringerungsopera tion (Ziehung) durch die Düse 24 unterworfen worder
ist, ist jedoch die vorliegende Erfindung nicht auf diesi
Methode beschränkt. Der kupferplattierte Aluminium draht, der durch die Düse gequetscht worden ist. kam
auch direkt durch die Düse 24 gezogen werden, wöbe die Verwendung dieser Tröge eliminiert wird. Dk
Durchmesserreduktion wird bei einer Temperatur un terhalb 200°C durch eine Düse 24, deren Düsennei
gungswinkel im Bereich von 35 bis 55° liegt, durchge führt. Die Ziehzone verwendet ein geradliniges Draht
ziehsystem, welches eine Kombination eines Paars vor Trögen mit einem Durchmesser von mindesntens 2 η
(der Trog an der Zuführungsseite und der Trog an dei Aufnahmeseite) sowie eine raupenartige Aufnahmevorrichtung.
Der Grund ist, daß während der Reduktioi des Durchmessers des kupferplattierten Aluminium
drahts bis zu einem Punkt, der eine vollständige metal lurgische Bindung zwischen dem Kupfer und dem Alu
minium bewerkstelligt, eine Bearbeitungserhärtung unc daher eine erhebliche Verminderung der Ziehbarkei
der Kupferplattierung bewirkt werden, die kombinierte Verwendung der Düse 24 mit einem Düsenneigungs
winkel von 35 bis 55° und des geradlinigen Drahtzieh systems die Durchmesserreduktion gestattet, ohne da[
eine Prozeßwärmebehandlung oder eine Prozeßvergü Hing erforderlich ist, welche die Bildung von interme
tallischen Verbindungen bewirken könnte, und ohm daß eine Verschlechterung der Ziehbarkeit der Kupfer
plattierung erfolgt. Somit kann die angestrebte metal lurgische Bindung zwischen der Kupferplattierung unc
dem Aluminiumkern bewerkstelligt werden.
Die kombinierte Verwendung einer solchen speziel ausgebildeten Düse und eines Drahtziehsystems ist bis
lang bei herkömmlichen Methoden noch nicht versuch worden, es wurde bislang immer als wesentlich angese
hen. eine Vergütungsbehandlung einzuschließen. In Falle einer Zugringmethode ohne eine Vergütungsbe
handlung ergab die Zuführung einer Biegespannung zi der Zugspannung einen Bruch der Kupferplattierung
so daß keine zufriedenstellende Drahtziehung möglicl
war. Ferner ergibt die Verwendung eines Prozeßvergü tens die nachteilige Bildung von Kupfer-Aluminium
zwischenmetallischen Verbindungen, wie oben be schrieben wurde.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung eines kupferplattierten Aluminiumdrahts, bei dem nach einer Reinigungsbehandlung
ein Kupferstreifen in zylindrischer Form um einen Aluminiumkern gelegt und unter Schutzgas zusammengeschweißt wird und der
kupferumhüllte Aluminiumdraht sodann in einer Ziehvorrichtung unter Verwendung eines Raupenabzugs
auf einen geringeren Durchmesser kaltgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß
man den Durchmesser des kupferplattierten Aluminiumdrahts durch eine Düse mit einem Düsenneigungswinkel
von 35 bis 55° ve-mindert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß aer Aluminiumkern aus Weichalumitiium besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennleichnet,
daß man den Aluminiumkern und den Kupferstreifen jeweils einer Oberflächenreinigungsfcehandlung
unterwirft, welche aus der Entfernung von Verschmutzungen, wie ölen und Schmutz, auf
ilen Oberflächen der Metalle besteht, und daß man »odann wäscht und den Oxidfilm auf den Oberflä-Chen
der Metalle entfernt, indem man mit einer oder mehreren Bürsten aus feinen Metalldrähten
bürstet, um eine Vorbereitung für weitere Prozeßttufen vorzunehmen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Saum des Kupferstreifens in
Gegenwart von Heliumgas, Argongas, Kohlendioxid und Stickstoffgas oder einem Gemisch davon als
Inertgas und bei einem Überdruck von mehr als 0,1 mm Wassersäule zusammenschweißt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den kupferplattierten Aluminiumdraht
durch eine Düse mit einem Düsenneigungswinkel zwischen 35 und 55° einem druckgeschmierten
Ziehen unterwirft.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie
eine Schweißvorrichtung enthält, welche einen Abschirmkasten (15), der auf einer Seite einen Eingang
(51) für einen Kupferstreifen, der in Längsrichtung auf einen Aluminiumkern aufgebracht wird, und auf
der anderen Seite einen Ausgang (52) für den Kupferstreifen besitzt, eine Vielzahl von Formdüsen
(16), die aufeinanderfolgend innerhalb des Abschirmkastens (15) von dem Eingang (51) in Riehtung
auf den Ausgang (52) angeordnet sind, und einen Schweißbrenner (17) aufweist.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 5, gekennzeichnet
durch ein Gehäuse (80), eine Bremsdüse (81), welche auf der Eingangsseite des Gehäuses (80) angeordnet
ist, und eine Dimensionierungsdüse (82), welche einen großen Düsenneigungswinkel besitzt und die
auf der Ausgangsseite des Gehäuses (80) angeordnet ist, wobei ein Schmieröl unter Druck in einen
Raum eingepreßt wird, welcher zwischen den Düsen (81,82) und dem Gehäuse (80) gebildet wird.
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