DE102005060809B3 - Elektrischer Verbundleiter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung und damit der Verbundleiter besteht aus einer Basislegierung aus CuAg mit einem Ag-Anteil von 0,08 bis 0,12% und einer im Querschnitt des Verbundleiters randseitig (14) oder kernseitig (20, 22) vorhandenen Legierung aus CuMg mit einem Mg-Anteil von 0,1 bis 0,7%. Vorzugsweise wird ein Fahrdraht 10 (Rillenfahrdraht oder trolley wire) vorgeschlagen, der im Kern 20 einen Draht aus CuMg 0,1...0,7 enthält und von einem Mantel aus CuAg 0,1 umgeben ist. Als Herstellverfahren wird der Holton-Conform-Cladding-Prozess vorgeschlagen, welcher beispielsweise in der EP 0 125 788 A2 beschrieben ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektrischen Verbundleiter, insbesondere Fahrdraht.
• Es sind verschiedentliche Vorschläge gemacht worden, Verbundleiter (insbesondere Fahrdraht) bezüglich ihrer mechanischen Festigkeit zu verbessern, wobei jedoch eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit nicht eintreten soll. Hierbei sind beispielsweise zu Kupferleitmaterial weitere Legierungspartner hinzugefügt worden, die zu einer mechanischen Verfestigung des Leitermaterials beitragen und unter Beteiligung von beispielsweise Silber die elektrische Leitfähigkeit nicht wesentlich absinkt.
• Weite Anwendbarkeit zur Herstellung von Stangen, Profilen und Hohlkörpern haben Strangpress-Anlagen gefunden, die unter der Bezeichnung Conform-Verfahren (= continuos forming) nach Holton in der Fachwelt bekannt sind. Ältere Anlagen gehen auf eine Erfindung zurück, die in der DE 221169 C2 beschrieben sind. Die Prägung der Bezeichnung Holton Conform geht auf eine Firma Holton Machinery Ltd. zurück, von der beispielsweise die Anmeldung EP 0494 755 A1 stammt. Die Umhüllung von langgestrecktem Gut wird mit conform cladding bezeichnet. Eine Variante des Strangpress-Verfahrens findet sich beispielsweise in EP 0125 788 A2 . Die Bezeichnung CONFORM ist als EU-Marke Nr. 297044 geschützt.
• Verbundleiter sind in der elektrischen Leitungstechnik bekannt, wobei sehr spezielle Leiter in der Supraleitungstechnik eingesetzt werden. Ein Beispiel eines Verbundleiters mit Filamentleitern zum Einsatz in der HF-Technik ist in der US 2003/0089518 A1 beschrieben. Ein Fahrdraht mit besonderer Korrosionsbeschichtung findet sich in der JP 01175535 A .
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, den Aufbau eines elektrischen Verbundleiters (und Herstellverfahren dafür) anzugeben, welcher ebenfalls zu einer mechanischen Verbesserung führt, ohne wesentlichen Verlust an elektrischer Leitfähigkeit.
• Die Lösung der Aufgabe wird im Hauptanspruch angegeben. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen formuliert. Das Herstellverfahren wird in einem Nebenanspruch definiert.
• Der vorgeschlagene Verbundleiter übertrifft in seinen mechanischen und elektrischen Eigenschaften bisher verfügbare Materialien. Gleichzeitig ist er in einem weiten Bereich anpassbar an verschiedene Anforderungen. Damit erhöht sich die Flexibilität des Herstellungsprozesses und die Erweiterung der Produktvielfalt.
• Die Erfindung und damit der Verbundleiter besteht aus einer Basislegierung aus CuAg mit einem Ag-Anteil von 0,08 bis 0,12 % und der Rand oder der Kern des Verbundleiters aus einer Legierung aus CuMg mit einem Mg-Anteil von 0,1 bis 0,7 % besteht.
• Weitere Ausgestaltungen bestehen in folgendem:
  Der Mg-Anteil der CuMg-Legierung ist vorzugsweise 0,5 % Mg. Vorzugsweise ist der Silberanteil in der Basislegierung 0,1 % Ag.
• Der Flächenanteil der kernseitig vorhandenen Legierung am Querschnitt des Verbundleiters liegt zwischen 10 und 80 %. Vorzugsweise soll der Flächenanteil einer im Kern vorhandenen CuMg-Legierung 50 % sein.
• Der Aufbau des Kerns kann aus einem einzigen oder aus mehreren Drahtsträngen bestehen.
• Falls mehrere Drahtstränge kernseitig vorhanden sind, haben die Drahtstränge etwa denselben Querschnitt.
• Der Verbundleiter kann als Runddraht oder als Profildraht, insbesondere als Fahrdraht ausgebildet sein.
• Als Herstellverfahren wird beispielsweise der Holton-Conform-Prozeß vorgeschlagen. Das Mantelmaterial wird in (zwei) Umfangsnuten eines Extrusionsrades eingebracht, wobei durch hohe Reibung an einem Gegenlager ein fließfähiges, röhrenförmiges Gebilde erzeugt wird, welches als Umkleidung des Kernmaterials aus der Extruderöffnung austritt. Das Kernmaterial wird durch einen hohlen Portaldorn tangential zum Extrusionsrad eingeschoben; das Mantelmaterial umhüllt das Kernmaterial. Anschließend wird das Produkt auf Endmaß heruntergezogen.
• Bei der Erfindung wird die hohe Verfestigungsfähigkeit und die gute Leitfähigkeit von CuMg-Legierungen in Kombination mit der hohen Leitfähigkeit, mittlerer Verfestigungsfähigkeit und gutem Verschleißverhalten von CuAg-Legierungen genutzt. Damit kann der physikalisch begrenzte Bereich der herkömmlichen, nur aus einer Legierung bestehenden Fahrdrähte aus den genannten Legierungen bezüglich Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit deutlich erweitert werden. Insbesondere gegenüber den vorbekannten Verbundfahrdrähten aus Staku (stahlummantelter Kupfer-Draht) ist der vorgeschlagene Verbundfahrdraht neben seiner besseren elektrischen Leitfähigkeit nicht korrosionsanfällig und auch werthaltiger recyclingfähig.
• Als Fahrdraht ist ein Rillenfahrdraht herstellbar, der im Kern mindestens einen Draht aus CuMg 0,1...0,7 enthält und von einem Mantel aus CuAg 0,1 umgeben ist. Der Kerndraht kann rund sein oder dem äußeren Profil des Mantels (Ri-Profil) mehr oder weniger angepasst sein. Der Flächenanteil des Kerndrahtes im Querschnitt des Verbundleiters kann in weiten Grenzen variieren. Der Kerndraht zeichnet sich dadurch aus, dass er mittels unterschiedlicher Kaltumformgrade auf eine gewünschte Festigkeit eingestellt wird und mit dieser Festigkeit in den Verbund eingebracht wird. Durch eine (beispielsweise) nach dem Holton-Conformprozeß angewendete Kaltumformung erfolgt eine weitere Verfestigung des Verbundfahrdrahtes. Damit ist eine Variabilität der einstellbaren Produkteigenschaften (speziell der Festigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit) möglich. Weiterhin ist abhängig von den gewünschten Eigenschaften des Verbundfahrdrahtes eine endprofilnahe Fertigung mit reduziertem Ziehaufwand möglich.
• Die Materialpaarung ist jedoch auch in anderer Form möglich, wo im Kern mindestens ein Draht aus CuAg 0,1 eingebettet ist, und der Kern von einem Mantel aus CuMg 0,1...0,7 umgeben ist.
• Vorteilhaft für die Verlegeeigenschaften des Fahrdrahtes (geringe bzw. verminderte Welligkeit nach dem Abrollen von der Kabelrolle) dürfte sich auswirken, dass bei Anwendung eines relativ hohen Kaltumformgrades nach dem Holton-Conformprozeß die Verfestigung des Cu-Ag-Mantels bereits im Bereich der Sättigung (thermodynamisches Gleichgewicht) liegt und die Festigkeit des Mantels insgesamt deutlich unter der des Kerndrahtes liegt. Weiterhin ist die Homogenität des Gefüges des hochfesten Kerndrahtes wesentlich höher als vergleichsweise eines herkömmlichen Fahrdrahtes aus einem einzigen Werkstoff, wodurch gleichmäßigere mechanische Eigenschaften über die Fahrdrahtlänge erzielt werden können.
• Als Materialeigenschaften kann man abschätzen, dass beispielsweise bei einem Flächenanteil des Kerndrahts von 25 % aus CuMg 0,5 sich eine Leitfähigkeit von 90 % IACS (52 MS m^–1) sowie eine Zugfestigkeit mindestens von 435 N/mm² und bei einem Flächenanteil des Kerndrahts von 50 % aus CuMg 0,5 sich eine Leitfähigkeit von 81 % IACS (47 MS m^–1) und eine Zugfestigkeit von 490 N/mm² ergibt.
• Mittels konventionellem Herstellverfahren wird ein Kerndraht (rund oder als Profildraht) mit definierter (hoher) Festigkeit und Leitfähigkeit aus einer CuMg-Legierung (z.B. CuMg 0,5) hergestellt. Dieser Kerndraht wird in einem Holton-Conform-Cladding-Verfahren mit dem sehr gut leitfähigen Werkstoff CuAg 0,1 ummantelt. Während der Prozessführung sollte vorzugsweise verhindert werden, dass der Kerndraht bei der entstehenden thermischen Belastung rekristallisiert. Der entstandene Verbunddraht wird durch weitere Ziehschritte in seine endgültige Profilform gebracht und dabei weiter verfestigt. Abhängig vom erforderlichen Querschnittsanteil kann der Kerndraht als Rund- oder Profildraht eingebracht werden. Der Herstellprozess ist so zu steuern, dass im Rand- oder Mantelbereich nahe der Oberfläche des Verbundleiters keine Kerndrähte zu liegen kommen, so dass in der Mantelzone von etwa 10 % des Durchmessers kein Kerndraht vorhanden ist.
• Die Erfindung wird in zwei Zeichnungen dargestellt, die im einzelnen zeigen:
• 1 Querschnitt eines Fahrdrahts mit Einzelstrang und
• 2 Querschnitt eines Fahrdrahts mit mehreren eingebetteten Drahtsträngen.
• 1 zeigt einen Fahrdraht 10 (Rillenfahrdraht oder trolley wire) – entsprechend DIN EN 50149, der im Kern 20 einen Draht aus CuMg 0,1...0,7 enthält und von einem Mantel aus CuAg 0,1 umgeben ist. Der Kerndraht 20 kann rund sein (1) oder dem äußeren Profil des Mantels (Ri-Profil) entsprechend mehr oder weniger angepasst sein, was zeichnerisch nicht dargestellt ist. Der Flächenanteil des Kerndrahtes im Querschnitt des Verbundleiters kann in weiten Grenzen variieren (10 ... 80 %). Wenn kernseitig eine CuMg-Legierung vorgesehen ist, soll der Flächenanteil dieser CuMg-Legierung vorzugsweise 50 % sein.
• 2 zeigt einen Fahrdraht 12, der im Kern mehrere Drahtstränge 22 enthält, die mehr oder weniger regelmäßig verteilt sind. Die Drahtstränge 22 stammen vorzugsweise aus einem Drahtvorrat mit einheitlichem Durchmesser, so dass auch die eingebetteten Drahtstränge etwa einheitlichen Querschnitt haben, soweit sie nicht in der Herstellphase eine unterschiedliche Verformung erfahren. Die Drahtstränge können jedoch auch nichtrunden Querschnitt haben. Beispielsweise könnten folgende Dimensionen vorgesehen sein. Querschnitt für den Kerndraht 4 mm². Bei einem Flächenanteil der Kerndrähte von 50 % müssten bei einem Rillenfahrdraht (nach der oben genannten Norm) mit einem Querschnitt von ca. 120 mm² etwa 15 Kerndrähte eingebracht werden.

Claims (7)

1. Elektrischer Verbundleiter bestehend aus einer Basislegierung aus CuAg mit einem Ag-Anteil von 0,08 bis 0,12 %, bei dem der Rand (14) oder der Kern (20, 22) des Verbundleiters (10, 12) aus einer Legierung aus CuMg mit einem Mg-Anteil von 0,1 bis 0,7 % besteht.
2. Verbundleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenanteil des Kerns (20,22) am Querschnitt des Verbundleiters (10, 12) zwischen 10 und 80 % liegt.
3. Verbundleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (20, 22) aus mindestens einem Strang (20) besteht.
4. Verbundleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kern mehrere Drahtstränge (22) angeordnet sind und die Drahtstränge (22) etwa denselben Querschnitt haben.
5. Verbundleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundleiter runden Querschnitt hat.
6. Verbundleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundleiter als Rillendraht (10, 12), insbesondere als Fahrdraht ausgebildet ist.
7. Verbundleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Mantelzone von etwa 10 % des Durchmessers kein Kerndraht vorhanden ist.