DE602006000576T2

DE602006000576T2 - Kabel mit Innenleiter aus Aluminium

Info

Publication number: DE602006000576T2
Application number: DE602006000576T
Authority: DE
Inventors: Christian-Eric 59141 Bruzek; Christophe 62800 Brismalein; Pascal 02300 Carpentier
Original assignee: Nexans SA
Current assignee: Nexans SA
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2026-04-20
Also published as: DE602006000576D1; EP1717020A1; ES2302311T3; FR2884738A1; EP1717020B1; FR2884738B1; US20070000127A1; ATE387312T1; JP2006313745A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kabels bestehend aus einem Verbund von im wesentlichen identischen Drähten, wobei der Innenleiter jedes Drahtes aus Aluminium hergestellt ist. Die Erfindung hat auch das Kabel zum Ziel, das sich aus der Durchführung des Verfahrens ergibt. Dieses Kabel, das vorteilhafterweise im Bereich der Luftfahrt eingesetzt wird, weist im Vergleich zu den Kabeln im Stand der Technik eine höhere Lebensdauer und verbesserte mechanische Eigenschaften auf.
Hauptsächlich wegen der Frage der Gewichtszunahme werden die Kabel mit Innenleiter aus Kupfer, einem Metall, das die Elektrizität sehr gut leitet, oft durch Kabel mit einem Innenleiter aus Aluminium ersetzt, der mit einer Kupferschicht überzogen ist, die ungefähr 15% des Kabeldurchmessers ausmacht, wobei das Aluminium somit ungefähr 85% des Kabeldurchmessers ausmacht.
Bei den herkömmlichen Ausführungsarten des mit Kupfer überzogenen Innenleiters aus Aluminium handelt es sich um die Technik des Durchlaufschweißens (Kaltschweißen) von mit Kupferbändern überzogenem Aluminiumwalzdraht (eine mit dem "Kabelmetall"-Verfahren bezeichnete Technik) und die Technik des hydrostatischen Kaltpressens. Um die Oxidation des Kupfers während der Isolierung des Kabels zu verhindern, wird üblicherweise eine dünne Nickelschicht von ungefähr einem μm auf die Kupferschicht aufgebracht. Doch die Aluminiumkabel weisen in mechanischer und elektrischer Hinsicht Nachteile auf.
Eine erste Schwierigkeit ergibt sich aus der Tatsache, dass die mechanischen Eigenschaften nach Wärmealterung eines mit Kupfer überzogenen Aluminiumkabels weniger gut sind als eines Leiters, der nur aus Aluminium oder nur aus Kupfer besteht, insbesondere im Hinblick auf die Möglichkeit der Längung und Biegung. Die Verminderung der Möglichkeit der Längung und Biegung wurde von den Autoren der vorliegenden Erfindung bei verkupferten Aluminiumkabeln festgestellt, insbesondere nach den letzten Herstellungsarbeitsgängen und der Wärmealterung über einen langen Zeitraum.
Eine zweite Schwierigkeit ergibt sich aus der Verringerung der Lebensdauer des Innenleiters aus Aluminium, die aus der Verschlechterung seiner elektrischen Eigenschaften resultiert. Es wurde nämlich festgestellt, dass sich der spezifische elektrische Widerstand des Kabels im Laufe der Zeit erhöht, bis er nicht akzeptable Werte erreicht. Ein ähnliches Phänomen wurde in dem Patent US 5 704 993 für Kabel mit einem Innenleiter (der aber nicht aus Aluminium besteht) beschrieben, der mit einer Metallschicht überzogen ist. Nach einer ersten Ausführungsart besteht der Innenleiter aus Kohlenstoffstahl und die Metallschicht besteht aus Kupfer, Nickel, Silber oder Gold. Nach einer zweiten Ausführungsart besteht der Innenleiter aus Kupfer und die Metallschicht besteht aus Kohlenstoffstahl. Eine dünne Schicht aus Niob, Vanadium oder Tantal wurde zwischen dem Innenleiter und der Metallschicht eingefügt. Diese dünne Schicht dient als Diffusionsbarriere, welche die Diffusion des Kupfers in den Kohlenstoffstahl verhindert. Doch in diesem US-Patent wird angegeben, dass ein Versuch der Herstellung eines Leiters aus Aluminium und Kohlenstoffstahl gescheitert ist.
Die Patentanmeldung WO 94/13866 A bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für ein elektrisches Kabel, das aus einer zentralen Ader aus Aluminium, einer Zwischenschicht aus Kupfer und aus einer Zinnschicht besteht. Das Ziel ist es, die Lötbarkeit des Aluminiumdrahtes beim Schweißen mit Zinnlegierung zu verbessern.
Das US-Patent 2.075.332 bezieht sich allgemein auf ein Gerät zum Aufbringen einer Metallschicht auf einen Metalldraht durch Elektrolyse. Dieses Patent bezieht sich nicht auf Leiter aus Aluminium.
Das US-Patent 3.867.265 beschreibt ein Verfahren zum Aufbringen einer Nickelschicht, Kupferschicht, Zinnschicht oder Kadmiumschicht auf einen Leiter aus Aluminium oder auf Aluminiumbasis durch Elektrolyse. In diesem Dokument wird jedoch das Aufbringen einer Zwischenschicht nicht erwähnt.
In keinem der oben erwähnten Dokumente wird eine Kabelstruktur beschrieben, wie sie in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird.
Mit der vorliegenden Erfindung sollen die beiden Nachteile, nämlich die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und die Verringerung der Lebensdauer eines Kabels, bestehend aus einem Drahtverbund, beseitigt werden, wobei jedes von ihnen aus einem zentralen Leiter oder Innenleiter aus Aluminium besteht, der mit einer Kupferschicht überzogen ist.
Genauer gesagt, wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kabels vorgeschlagen, das aus einem Drahtverbund besteht, wobei jeder Draht einen Innenleiter aus Aluminium aufweist, der mit einer Kupferschicht überzogen ist, und das Verfahren die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erlaubt, insbesondere der Längung und der Biegung des Kabels, sowie die Erhöhung seiner Lebensdauer. Das Verfahren besteht darin, zwischen dem zentralen Leiter oder Innenleiter und der Kupferschicht eine Zwischenschicht aus Nickel, Niob, Tantal oder Vanadium einzufügen.
Um die Oxidation des Kupfers während der Isolierung des Kabels zu vermeiden, wird üblicherweise eine dünne Nickelschicht von ungefähr einem μm auf die Kupferschicht aufgebracht.
Bei den Techniken, die für die Herstellung des Leiters verwendet werden, kann es sich um folgende handeln: die Technik der galvanischen Beschichtung, die Technik des Überzugs oder des Durchlaufschweißens von Bändern oder eines Rohres, die Technik des hydrostatischen Pressens oder des Kaltextrudierens oder Heißextrudierens von Bändern oder eines Rohres oder die isostatische Heißkompression. Es ist möglich, jeweils zwei dieser Techniken zur Herstellung der Drähte zu verwenden: eine Technik, mit der die Metallzwischenschicht aufgebracht wird und die andere Technik, mit der die Kupferschicht aufgebracht wird. Man kann auch dieselbe Technik für das Aufbringen beider Schichten verwenden.
Der Querschnitt der Metallzwischenschicht aus Nickel, Niob, Tantal oder Vanadium liegt vorteilhafterweise zwischen 0,01 und 5% des Gesamtquerschnittes des Drahtes. Diese Obergrenze von 5% ist keine technische, sondern eine wirtschaftliche Grenze, da eine Erhöhung der Stärke eine Erhöhung der Herstellungskosten hervorrufen würde.
Der Querschnitt der Kupferschicht eines jeden Drahtes liegt vorzugsweise zwischen 10% und 30% des Gesamtquerschnittes des Drahtes.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart wird ein Walzdraht, der den Leiter darstellt, kalt gereckt oder gezogen, um das Kabel herzustellen.
Eine zusätzliche Nickelschicht wird vorteilhafterweise auf die Kupferschicht aufgebracht, um die Oxidation des Kupfers zu verhindern.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsarten der Erfindung, die beispielhaft genannt sind, ohne dass dies jedoch einschränkend zu verstehen ist.
Nach den herkömmlichen Verfahren im Stand der Technik erfolgt die Herstellung eines Kabels aus Aluminium gemäß einem ersten Verfahren aus im wesentlichen identischen Walzdrähten aus Aluminium, die mit zwei Bändern aus Kupfer überzogen sind, wobei das Ganze durchlaufgeschweißt ist und verkupferte Aluminiumdrähte bildet. Die Metallverbindung zwischen dem Kupfer und dem Aluminium ist durch Walzen und Ziehen der Einheit gewährleistet. Nach einem anderen Verfahren wird ein verkupferter Aluminiumstab aus einem Kupferrohr hergestellt, das einen Aluminiumstab umgibt. Die Querschnittsreduzierung erfolgt durch eine hydraulische Presse, was eine gute Metallverbindung zwischen dem Kupfer und dem Aluminium gewährleistet. Die verkupferten Aluminiumdrähte, die man auf diese Art und Weise erhält, werden anschließend zwei Stunden bei 200°C geglüht und danach zu einem Kabel zusammengefügt, welches mit Hilfe eines Mantels aus Isolierkunststoff, wie beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethylen), isoliert und 10 Minuten bei ungefähr 370°C erhitzt wird. Die Erfinder haben eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des verkupferten Aluminiums festgestellt, insbesondere beim Biegen und bei der Bruchdehnung. Für die Kabel im Stand der Technik beträgt die Bruchdehnung nach der Isolierung ungefähr 3%. Die Bruchdehnung wird definiert als Prozentsatz der Bruchdehnung, die das Kabel aushalten kann, ohne zu brechen. Gemäß der Erfindung kommt es zu dieser Verschlechterung nicht oder nur in gemäßigter Form, wenn eine dünne Metallzwischenschicht aus Nickel, Niob, Tantal oder Vanadium zwischen dem Aluminium und dem Kupfer eingefügt wird. In diesem Fall haben die Erfinder Dehnungswerte von mehr als 8 erhalten, die sogar über 10% hinausgehen konnten. Das Kabel ist also reißfester und biegefester und deshalb ist seine Lebensdauer höher.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann verschiedene Formen annehmen.
Nach einer Ausführungsart erfolgt die Herstellung eines Aluminiumkabels aus einem Aluminiumdraht, der durch kontinuierliches galvanisches Beschichten mit Nickel überzogen und anschließend durch kontinuierliches galvanisches Beschichten mit Kupfer überzogen wird. Auf die Kupferschicht wird durch galvanisches Beschichten eine Nickel-Antioxidationsschicht aufgebracht. Anschließend erfolgt das Drahtziehen, um einen Draht mit einem Durchmesser von beispielsweise ungefähr 0,2 mm zu erhalten.
Gemäß einer anderen Ausführungsart geht man von einem zylindrischen Aluminiumstab aus, der beispielsweise einen Durchmesser zwischen ungefähr 40 und 60 mm besitzt und zwischen 1 und 5 m lang ist. Eine Nickelschicht von beispielsweise 20 μm wird vorzugsweise durch galvanisches Vernickeln (im Gegensatz zu chemischem Vernickeln, bei dem die Geschwindigkeit für die Aufbringung des Nickels langsamer ist) auf die zylindrische Oberfläche des Aluminiumstabes aufgebracht. Der auf diese Art und Weise vernickelte Aluminiumstab wird in ein Kupferrohr, das dieselbe Länge aufweist wie der Aluminiumstab, platziert, wobei der Innendurchmesser des Rohres etwas größer ist als der Durchmesser des Aluminiumstabes. Was die Stärke des Kupferrohres angeht, so wird diese vorteilhafterweise so gewählt, dass das Kupfer im Querschnitt gegenüber dem Aluminiumquerschnitt ungefähr 15% ausmacht. In dem zuvor gewählten Beispiel eines Aluminiumstabes mit einem Durchmesser von 40 mm beträgt die Stärke des Kupferrohres ungefähr 1,6 mm.
Die Einheit, die aus dem vernickelten Aluminiumstab gebildet wird, der mit dem Kupferrohr umgeben ist, wird anschließend kalt gereckt mit Zwischenglühen, bis ein Außendurchmesser des Kupferrohres von ungefähr 8 mm erreicht ist, danach bis zu einem Durchmesser von ungefähr 1,8 mm gezogen und geglüht. Anschließend wird eine Nickelschicht auf das Kupfer aufgetragen, um seine Oxidation zu vermeiden. Danach wird dieser Durchmesser von 1,8 mm reduziert, bis durch Ziehen ungefähr 0,2 mm erreicht sind.
Nach einer weiteren Ausführungsart des Verfahrens ersetzt Niob den Nickel zwischen dem Aluminium und dem Kupfer. Niobbänder einer Stärke zwischen beispielsweise 25 und 400 μm umgeben den Aluminiumstab mit einem Durchmesser von beispielsweise 50 mm und einer Länge von 1 bis 5 m, um ihn vollständig zu umschließen. Diese Bänder können mit dem Aluminiumstab verschweißt sein. Wie zuvor, wird ein Kupferrohr um den von Niob umgebenen Aluminiumstab angebracht, und anschließend kalt gereckt. Danach wird die Einheit auf einen Durchmesser von 1,8 mm gezogen. Eine Nickel-Antioxidationsschicht wird durch galvanisches Beschichten auf das so gereckte Kupferrohr aufgebracht. Anschließend erfolgt das Ziehen, um einen Draht mit einem Durchmesser von ungefähr 0,2 mm zu erhalten.
Nach einer weiteren Ausführungsart wird das Recken durch Extrudieren der Einheit ersetzt, die aus dem Aluminiumstab besteht, der von der Zwischenschicht aus Nickel, Niob, Tantal oder Vanadium umgeben und in einem Kupferrohr platziert ist. Der Durchmesser des Aluminiumstabes kann beispielsweise 500 mm betragen, die Stärke der Zwischenschicht kann 0,6 mm betragen und das Kupferrohr kann eine Stärke von 20 mm aufweisen. Durch Extrudieren erhält man einen Draht mit einem Durchmesser von ungefähr 8 mm, den man auf einen Zwischendurchmesser reduziert, um eine dünne Nickelschicht durch galvanisches Beschichten aufzubringen; anschließend wird der Draht durch Ziehen auf ungefähr 0,2 mm reduziert. Das Extrudieren kann in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen kalt geschehen, doch in diesem Fall muss die Düse bei sehr hohen Drücken arbeiten können. Es ist also oft vorzuziehen, in einem einzigen heißen Arbeitsgang vorzugehen, so dass man mit niedrigeren Extrusionsdrücken arbeiten kann.
Das derart durch Verdrahtung mit einem Drahtverbund hergestellte Kabel wird mittels eines Kunststoffmantels isoliert und für 10 Minuten auf ungefähr 370°C erhitzt. Dehnungs- und Biegeoperationen, die nach diesen letzten Arbeitsgängen durchgeführt worden sind, haben eine Verbesserung gegenüber identischen verkupferten Kabeln aus Aluminium gezeigt, die jedoch keine Zwischenschicht aus Nickel, Niob, Tantal oder Vanadium besaßen. Wie zuvor angegeben, erhielt man bei den erfindungsgemäß hergestellten Aluminiumkabeln Dehnungswerte von mehr als 8% im Vergleich zu Werten in der Größenordnung von 3% bei herkömmlichen Kabeln ohne diese Zwischenschicht.
Neben den Vorteilen der Erhaltung der Dehnungs- und Biegemerkmale des mit Niob, Nickel, Tantal oder Vanadium überzogenen Aluminiums, haben sich die elektrischen Eigenschaften des Kabels, insbesondere seine Leitfähigkeit, nach Wärmealterung verbessert. Die dünne Zwischenschicht wirkt wie eine Diffusionsbarriere, die verhindert, dass das Kupfer in das Aluminium diffundiert und umgekehrt das Aluminium in das Kupfer. Auf diese Art und Weise wird die Bildung einer mit Kupfer vermischten Aluminiumschicht verhindert, die zwischen dem Aluminiumleiter und der Kupferschicht angeordnet ist. Diese Aluminium-/Kupfermischschicht ist die Ursache für die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften, insbesondere der Leitfähigkeit der Aluminiumkabel. Dank der zwischen dem Aluminium und dem Kupfer eingefügten Zwischenschicht erhöht sich die Lebensdauer des Kabels.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der Tatsache, dass die Drähte nach dem Aufbringen der verschiedenen Schichten gezogen werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kabels, das aus einem Drahtverbund besteht, wobei jedes einen zentralen, mit einer Kupferschicht beschichteten Leiter aus Aluminium umfasst, wobei das Verfahren eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, vor allem der Längung und der Biegung, des Kabels erlaubt und die Verlängerung seiner Lebensdauer, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, eine Zwischenschicht zwischen den zentralen Leiter und der Kupferschicht anzubringen, wobei die Zwischenschicht aus einem Metall gefertigt ist, das aus dem Nickel, dem Niobium, dem Tantal oder dem Vanadium ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickel-Zwischenschicht durch galvanische Vernickelung aufgebracht ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Nickel-Zwischenschicht jedes Drahts zwischen inklusive 0,01 und 5% des Durchmessers insgesamt des Drahts beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschicht durch galvanische Verkupferung aufgebracht ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kupferschicht jedes Drahts zwischen inklusive 10 und 30% des Durchmessers insgesamt des Drahts beträgt.
Verfahren nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Niobium-, Tantal- oder Vanadium-Zwischenschicht durch Umwickelung des zentralen Aluminiumleiters mit Niobium-, Tantal- oder Vanadiumbändern durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Niobium-, Tantal- oder Vanadium-Zwischenschicht jedes Drahts eine Dicke zwischen inklusive 0,01 und 5% des Durchmessers insgesamt des Drahts hat.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht auf einen Aluminiumstab aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Zwischenschicht bedeckte Aluminiumstab durchlaufgeschweißt wird, danach kalt gereckt und danach gezogen, um das Kabel herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Zwischenschicht bedeckte Aluminiumstab in eine Kupferrohr mit einem Innendurchmesser platziert wird, der etwas größer ist als der Durchmesser des Aluminiumstabs.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe, die von dem mit der Zwischenschicht bedeckten und in das Kupferrohr platzierten Aluminiumstab gebildet wird, zunächst kalt gereckt und danach gezogen wird, um das Kabel herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe, die von dem mit der Zwischenschicht bedeckten und in das Kupferrohr platzierten Aluminiumstab gebildet wird, zunächst kalt oder warm extrudiert, danach gereckt und danach gezogen wird, um das Kabel herzustellen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Kupferschicht eine zusätzliche Nickelschicht aufgebracht wird, um die Oxidation des Kupfers zu verhindern.
Aluminiumkabel, das verbesserte mechanische Eigenschaften, vor allem im Hinblick auf Längung und Biegung, und eine längere Lebensdauer aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es gemäß dem Verfahren hergestellt wird, das in einem der vorangehenden Ansprüche beschrieben ist.