DE2263123B2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines kupferplattierten aluminiumdrahts - Google Patents

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)

Patentansprüche:

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.