DE4118004A1

DE4118004A1 - Verfahren zur herstellung von mit einer schicht aus aluminium plattiertem strangfoermigem gut

Info

Publication number: DE4118004A1
Application number: DE4118004A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Ziemek
Original assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1991-06-01
Filing date: 1991-06-01
Publication date: 1992-12-03
Also published as: US5249731A; JPH05177248A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit einer Schicht aus Aluminium plattiertem strangförmigem Gut.

Ein bekanntes Verfahren zum Beschichten vom zum Beispiel Stahldrähten mit Aluminium besteht darin, daß ein gereinigter mit einem Flußmittel beschichteter Stahldraht durch ein Aluminiumbad hindurchgezogen wird. Dabei entstehen an der Grenzfläche Stahl-Aluminium spröde intermetallische Verbindungen, die die Verwendung solcher Drähte stark begrenzen. Außerdem ist die Beschichtungsdicke sehr gering.

Es ist auch versucht worden, einen Stahldraht durch Extrusion mit Aluminium zu beschichten, jedoch hat diese Vorgehensweise sich nicht durchsetzen können, da eine Bindung der Metalle nur bei sehr geringen Fertigungsgeschwindigkeiten möglich war.

Aus der US-PS 31 67 857 ist ein Verfahren zum Plattieren von Stahldrähten mit Aluminium bekannt, bei dem ein längseinlaufendes Aluminiumband um einen Stahldraht in kontinuierlicher Weise herumgeformt und durch ein Preßrollenpaar mit diesem verbunden wird. Der Stahldraht ist mit Zink beschichtet, da Zink leichter eine Diffusionsbindung mit Aluminium eingeht als Stahl. Darüber hinaus wird der Stahldraht auf 200 bis 300°C erwärmt. Zur Beseitung der Oxidschicht von dem Aluminiumband wird dieses blankgebürstet.

Für eine kontinuierliche Arbeitsweise ist dieses Verfahren jedoch nicht geeignet, da ein andauerndes Abbürsten nicht möglich ist, da sich die Bürsten abnutzen und sich mit dem Abrieb zusetzen. Außerdem muß befürchtet werden, daß die metallisch blanke Oberfläche wegen der hohen Affinität des Aluminiums zu Sauerstoff schlagartig oxidiert.

Ein ähnliches Verfahren ist aus der DE-AS 14 52 437 bekannt, Hier wird vorgeschlagen, das Aluminiumband zu bürsten bzw. sandzustrahlen. Aus den obengenannten Gründen ist auch dieses Verfahren nicht durchführbar.

Für die Herstellung von aluminiumplattierten Stahldrähten hat sich letztlich nur das sogenannte Alumoweldverfahren auf dem Markt durchsetzen können. Dort wird der Stahldraht mit Aluminiumpulver umhüllt und das Aluminiumpulver gezündet. Das Aluminium schmilzt dabei und scheidet sich als Schicht auf dem Stahldraht ab. Auch dieses Verfahren ist relativ aufwendig und führt zu entsprechend hohen Preisen für den umhüllten Draht.

Der vorliegenden Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem ein langgestrecktes metallisches Gut, zum Beispiel ein Draht mit einem Aluminiumband umhüllt und in nachfolgenden Arbeitsschritten der Draht und die Aluminiumschicht ohne wesentliche Wärmezufuhr metallisch miteinander verbunden werden und bei dem ohne aufwendige Maßnahmen ein fester metallischer Verbund zwischen dem Draht und der Ummantelung hergestellt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:

a) ein von einer Vorratsspule kontinuierlich abgezogenes Aluminiumband wird um den kontinuierlich bewegten Strang zu einem Schlitzrohr mit einem wesentlich größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Stranges geformt,
b) die Längsnaht des Schlitzrohres wird verschweißt,
c) in dem Ringspalt zwischen dem Strang und dem Aluminiumrohr wird eine Atmosphäre aus Schutzgas oder reduzierendem Gas aufrechterhalten,
d) das Aluminiumrohr wird um mindestens 20% in seinem Durchmesser reduziert,
e) das im Durchmesser reduzierte Aluminiumrohr wird auf den Strang heruntergezogen,
f) der plattierte Strang wird um mindestens 10% in seinem Durchmesser reduziert.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer kontinuierlichen Fertigung, d. h. zu einer Fertigung von plattierten Drähten von nahezu unendlicher Länge. Von wesentlichem Vorteil ist ferner, daß die Wanddicke der Plattierschicht über den Umfang gesehen vollkommen gleich ist. Die metallische Bindung ist für die meisten Anwendungsfälle solcher Drähte vollkommen ausreichend.

Dadurch, daß das Aluminiumband um den Strang mit einem wesentlich größeren Durchmesser herumgeformt und zu einem Rohr verschweißt wird, entsteht die Möglichkeit, das Rohr durch an sich bekannte Werkzeuge wie Matrizen, Türkenkopf oder Walzen um mindestens 20% im Durchmesser zu reduzieren. Durch diese Reduzierung verändert sich die innere Oberfläche des Aluminiumrohres in der Weise, daß sich der Umfang verringert und die Länge sich entsprechend erhöht. Da jedoch nur der plastisch verformbare Werkstoff Aluminium diese Formänderungen mitmachen kann, nicht jedoch die auf seiner Oberfläche vorhandene harte, nicht verformbare Aluminiumoxidschicht, führt die Reduzierung dazu, daß die Aluminiumoxidschicht stellenweise aufreißt bzw. abblättert. Durch die Stauchung der Aluminiumoxidschicht in Umfangsrichtung und die Streckung der Aluminiumoxidschicht in Längsrichtung wird die Verbindung zwischen der einen Aluminiumoberfläche und der Aluminiumoxidschicht aufgebrochen. Es entstehen an der inneren Oberfläche Bereiche von blankem Aluminium und Inseln von Aluminiumoxid. Da in dem Ringspalt zwischen dem Aluminiumrohr und dem Strang eine Atmosphäre aus Schutzgas, zum Beispiel Argon, Helium oder reduzierendem Gas, zum Beispiel Wasserstoff aufrechterhalten wird, wird eine sofortige "Wiederoxidation" der metallisch blanken Bereiche unterbunden. Bei den abschließenden Arbeitsgängen werden diese metallisch blanken Aluminiumbereiche mit der Oberfläche des Stranges kaltverschweißt. Durch den letzten Arbeitsgang - einer Querschnittsreduzierung um zumindest 10% - muß eine so starke Bindung der Oberflächen erfolgen, daß der ummantelte Draht auf eine Spule aufgewickelt und weiteren Behandlungsstufen zugeführt werden kann, ohne daß es zu einer Ablösung und damit zu einer Beschädigung der Aluminiumschicht durch Biegen kommt.

Neben der blanken Oberfläche des Aluminiumrohres ist auch eine metallisch blanke Oberfläche des Stranges erforderlich. Deshalb wird der Strang, der ein Draht aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder Stahl ist, vor der Ummantelung gereinigt. Neben einem Schälen haben sich Bürsten und Sandstrahlen als besonders geeignet erwiesen. Durch das Bürsten bzw. Sandstrahlen wird die Oberfläche des Drahtes aufgerauht, wodurch bei dem Ummanteln eine zusätzliche mechanische Verklammerung auftritt. Damit eine einwandfreie Schweißnaht erzielt wird, ist es zweckmäßig, das Aluminiumband zumindest jedoch die Bandkanten soweit zu erwärmen, daß an dem Aluminiumband anhaftende Fett- bzw. Ölreste verdampft werden. Das Erwärmen bringt darüber hinaus noch den Vorteil, daß die Aluminiumoxidschicht spröder wird, da bei der Erwärmung Wasser aus dem Aluminiumoxid ausgetrieben wird. Der Effekt des Abplatzens der Oxidschicht wird dadurch noch verstärkt. Sollen nur die Bandkanten erwärmt werden, wird diese vorteilhaft durch einen Laser bewirkt.

Das Verschweißen der Längsnaht erfolgt durch Lichtbogenschweißen unter Schutzgas (WIG-Schweißen). Dieses Verfahren gestattet hohe Fertigungsgeschwindigkeiten.

Damit ein Eindringen von Sauerstoff in dem Ringspalt weitestgehend unterbunden wird, ist nach einem weiteren Gedanken der Erfindung vorgesehen, daß das Schutz- oder Reduktionsgas mit einem leichten Überdruck in dem Ringspalt vorherrscht.

Wichtig bei der Reduzierung des Durchmessers des Aluminiumrohres ist, daß diese so stark durchgeführt wird, daß durch die Durchmesserverringerung und die dadurch sich ergebende Streckung des Rohres die an der Innenwand des Aluminiumrohres anhaftende Oxidschicht aufgebrochen wird.

Mindestens 40% der inneren Oberfläche des Aluminiumrohres sollten von der Oxidschicht befreit werden, damit eine ausreichende Verbindung des Drahtes mit der Aluminiumumhüllung durch Kaltverschweißen entsteht. Die Reduzierung des Durchmessers wird vorteilhafterweise in mehreren Stufen hintereinander an dem geradlinig geführten Aluminiumrohr durchgeführt. Wie an sich bekannt, besteht jede Stufe aus einem Verformungswerkzeug, zum Beispiel einer Matrize und einer Abzugseinrichtung. Bei der letzten Behandlungsstufe ist die Abzugseinrichtung eine sogenannte Ziehscheibe, da für die 10%ige Querschnittsreduzierung größere Ziehkräfte erforderlich sind als beim Hohlziehen des Aluminiumrohres.

Der auf diese Weise hergestellte Verbunddraht kann weiteren Behandlungen unterzogen werden, wie zum Beispiel weiteren Querschnittsreduzierungen und Glühvorgängen. Durch diese Maßnahmen wird der Verbund noch verbessert.

Die Erfindung ist anhand des in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Ein von einer Vorratsspule 1 ablaufendes Aluminiumband 2 wird in an sich bekannter Weise mit einem nicht dargestellten Formwerkzeug zu einem Schlitzrohr 3 verformt und mittels einer Lichtbogenschweißvorrichtung 4 unter Schutzgas (WIG- Schweißeinrichtung) zu einem Rohr 5 verschweißt. In das noch offene Schlitzrohr 3 wird ein von einer Vorratsspule 6 abgezogener Stahldraht 7 eingefahren. Das Aluminiumrohr 5 wird mittels einer ersten Matrize 8 um ca. 20-25% im Durchmesser reduziert, ohne daß die Wanddicke abnimmt (Hohlzug). Die hierfür erforderliche Ziehkraft wird von einem sogenannten Spannzangenabzug 9 aufgebracht. In einer zweiten Ziehstufe, die aus einer Matrize 10 und einem dahinter angeordneten Spannzangenabzug 11 besteht, wird das Aluminiumrohr 5 soweit im Durchmesser reduziert, daß es auf der Oberfläche des Stahldrahtes 7 satt aufliegt. Unter Umständen kann es erforderlich sein, das Ziehen des Aluminiumrohres 5 in mehr als zwei Stufen durchzuführen.

Mittels einer weiteren Matrize 12 wird der ummantelte Draht 13 um ca. 15% im Querschnitt reduziert, d. h. sowohl der Durchmesser des Stahldrahtes 7 als auch die Wanddicke des ihn umhüllenden Aluminiumrohres wird reduziert. Da für diesen Schritt wesentlich höhere Verformungskräfte als beim Hohlziehen des Aluminiumrohres allein erforderlich sind, ist eine angetriebene Ziehtrommel 14 vorgesehen, auf deren Umfangsfläche der ummantelte Draht in mehreren Windungen aufgewickelt ist. Von der Ziehtrommel 14 wird der Draht auf eine angetriebene Vorratsspule 15 aufgewickelt.

Bei der Reduzierung des Aluminiumrohres 5 in der ersten Matrize erfolgt sowohl eine Reduzierung des Durchmessers als auch eine Längung des Aluminiumrohres 5. Da die spröde Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche des Aluminiumrohres 5 diese Verformung nicht mitmachen kann, reißt diese stellenweise auf, so daß Bereiche mit einer blanken oxidfreien Oberfläche entstehen. Diese blanken Bereiche werden beim letzten Zug, d. h. bei der Matrize 12 mit dem Stahldraht 7 kaltverschweißt. Diese Kaltverschweißung wird in nachfolgenden Ziehoperationen weitergeführt. Damit nun keine Oxidation der von Oxid befreiten blanken Oberfläche auftritt - Aluminium hat eine sehr große Affinität zu Sauerstoff und überzieht sich an der Luft bei Normaltemperatur sofort mit einer Oxidschicht - wird im Ringspalt zwischen dem Stahldraht 7 und dem Aluminiumrohr 5 eine Schutzgasatmosphäre aus Argon, Helium o. ä. oder eine Atmosphäre aus reduzierendem Gas, z. B. Wasserstoff aufrechterhalten (s. Gasflasche 16). Diese Atmosphäre herrscht bis in den Bereich der Matrize 12 vor, d. h. bis die Aluminiumschicht mit dem Stahldraht 7 hohlraumfrei verbunden ist. Die in dem Ringspalt vorherrschende Schutz-/Reduktionsgasatmosphäre steht unter einem leichten Überdruck, um ein Eindringen von Luftsauerstoff zu verhindern.

Der auf die Vorratsspule 15 aufgewickelte ummantelte Draht kann weiteren Verarbeitungsstufen zugeführt werden. So kann es sinnvoll sein, auf einer Drahtziehmaschine den Draht noch weiter im Querschnitt zu reduzieren. Auch eine Glühung, um das durch die Kaltverformung aufgehärtete Gefüge des ummantelten Drahtes aufzuheben (Weichglühen) bzw. das Gefüge des Stahldrahtes zu verbessern (Patentieren), kann erforderlich sein. Sowohl durch die weiteren Ziehvorgänge als auch durch das Glühen wird der Verbund zwischen Stahl und Aluminium noch verbessert.

Zur Erzielung eines besseren Verbundes können einige Maßnahmen vorgenommen werden. So ist es zum Beispiel sinnvoll, die Reinigung des Stahldrahtes 7 durch Bürsten oder Sandstrahlen vorzunehmen. Dadurch wird die Oberfläche des Stahldrahtes 7 aufgerauht und eine bessere Haftung der Schichten erreicht.

Das Aluminiumband 2 kann zwischen dem Ablauf 1 und der Formstufe erwärmt werden, um einmal auf der Bandoberfläche befindliche Fettreste zu verdampfen und dadurch die Qualität der Schweißnaht zu verbessern, zum anderen die Oxidschicht spröder zu machen. Bei Oxidschichten, die bereits längere Zeit auf der Oberfläche von Aluminium vorhanden sind, handelt es sich strenggenommen nicht um reine Al₂O₃ (Aluminiumoxid)- Schichten, sondern diese enthalten meistens Wasser in Form von Kristallwasser, welches bei der Erwärmung des Bandes ausgetrieben. Es tritt eine gewünschte Versprödung der Oxidschicht auf.

Nimmt man ersatzweise das Verhältnis der Längen bei der Reduzierung des Rohres als Maß für das Verhältnis von oxidbedeckter Kontaktfläche zu oxidfreier Kontaktfläche, dann ergibt sich:

worin

l₂ = Länge des Rohres nach dem Ziehen,
l₁ = Länge des Rohres vor dem Ziehen,
F_p = plattierbare (oxidfreie) Oberfläche,
F_o = oxidbehaftete Oberfläche.

Ein Verbund durch Kaltverschweißen zwischen Stahl und Aluminium bzw. Kupfer und Aluminium ist möglich, wenn

ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von mit einer Schicht aus Aluminium plattiertem strangförmigem Gut aus einem metallischen Werkstoff, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) ein von einer Vorratsspule kontinuierlich abgezogenes Aluminiumband wird um den kontinuierlich bewegten Strang zu einem Schlitzrohr mit einem wesentlich größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Stranges geformt,
b) die Längsnaht des Schlitzrohres wird verschweißt,
c) in dem Ringspalt zwischen dem Strang und dem Aluminiumrohr wird eine Atmosphäre aus Schutzgas oder reduzierendem Gas aufrechterhalten,
d) das Aluminiumrohr wird um mindestens 20% in seinem Durchmesser reduziert,
e) das im Durchmesser reduzierte Aluminiumrohr wird auf den Strang heruntergezogen,
f) der plattierte Strang wird um mindestens 10% in seinem Querschnitt reduziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strangförmige Gut ein Draht aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder Stahl ist und vor der Ummantelung gereinigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumband oder das Schlitzrohr zumindest jedoch die zu verschweißenden Bandkanten soweit erwärmt werden, daß an dem Aluminiumband anhaftende Fett- bzw. Ölreste verdampft werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung durch einen Laserstrahl bewirkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen der Längsnaht des Schlitzrohres durch Lichtbogenschutzgasschweißen (WIG- Schweißen) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutz- oder Reduktionsgas mit einem leichten Überdruck in dem Ringspalt vorherrscht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung des Durchmessers des Aluminiumrohres so stark durchgeführt wird, daß durch die Durchmesserverringerung und die dadurch sich ergebende Streckung des Rohres, die an der Innenwand des Aluminiumrohres anhaftende Oxidschicht aufgebrochen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 40% der inneren Oberfläche des Aluminiumrohres von der Oxidschicht befreit werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung des Durchmessers in mehreren Stufen hintereinander an dem geradlinig geführten Aluminiumrohr durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das zu plattierende strangförmige Gut vor dem Ummanteln sandgestrahlt wird.