ELEKTRISCHER VERBUNDLEITER UND HERSTELLVERFAHREN DAFÜR

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen elektrischen Verbundleiter, insbesondere Fahrdraht, und ein Herstellverfahren dafür.

[0002] Es sind verschiedene 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.

Stand der Technik

[0003] Verbundleiter und zugehörige Herstellverfahren sind bekannt. Für unterschiedliche Anwendungsfälle in der elektrischen Leitungstechnik wurden schon entsprechend unterschiedliche Gestaltungen vorgeschlagen. Sehr spezielle Anwendungen werden in der Supraleitungstechnik verlangt. Weite Anwendbarkeit zur Herstellung von Stangen, Profilen und Hohlkörpern haben Strangpress-Anlagen gefunden, die unter der Bezeichnung Conform-Verfahren (= continuos forming) bekannt sind. Ältere Anlagen gehen auf eine Erfindung zurück, die in der DE 221169C2 beschrieben sind. Namentlich prägend ist die Bezeichnung Holton Conform für das Verfahren geworden, da dies auf eine Firma Holton zurückgeht, von der beispielsweise die Anmeldung EP 0494 755 A1 stammt. Die Umhüllung von langgestrecktem Gut wird mit conform cladding bezeichnet. Neuere Varianten der Herstelltechnik findet sich beispielsweise in EP 0125 788 A2. Die JP-A-02 267 811 offenbart einer elektrischen Verbundleiter mit einem Kern aus einer Basislegierung aus CuAg und einem Rand aus Cu.

Aufgabenstellung

[0004] Es ist die Aufgabe der Erfindung, den Aufbau eines elektrischen Verbundleiters und ein Herstellverfahren dafür anzugeben, um einen Leiter mit maximaler elektrischer Leitfähigkeit und bester mechanischer Festigkeit zu erhalten.

[0005] Die Lösung der Aufgabe wird im Hauptanspruch angegeben. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen formuliert. Das Herstellverfahren wird in einem Nebenanspruch definiert.

Die Erfindung

[0006] Der vorgeschlagene Verbundleiter übertrifft in seinen mechanischen und elektrischen Eigenschaften die bisher verfügbaren Materialien. Gleichzeitig ist er in einem weiten Bereich anpassbar an verschiedene Anforderungen. Damit erhöht sich die Flexibilität des Herstellungsprozesses und die Erweiterung der Produktvielfalt.

[0007] 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 besteht aus einer Legierung aus CuMg mit einem Mg-Anteil von 0,1 bis 0,7 %.

Weitere Ausgestaltungen bestehen in folgendem:

[0008] Der Mg-Anteil der CuMg-Legierung ist vorzugsweise 0,5 % Mg. Vorzugsweise ist der Silberanteil in der Basislegierung 0,1 % Ag.

[0009] 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.

[0010] Der Aufbau des Kerns kann aus einem einzigen oder aus mehreren Drahtsträngen bestehen.

[0011] Falls mehrere Drahtstränge kernseitig vorhanden sind, haben die Drahtstränge untereinander etwa denselben Durchmesser.

[0012] Der Verbundleiter kann in unterschiedlichen Querschnitten hergestellt werden. Solche Querschnitte können sein: kreisrund zur Herstellung eines Runddrahtes, etwa rechteckig zur Herstellung einer Stromschiene oder profiliert für einen Profildraht. Als bevorzugtes Einsatzgebiet eines Profildrahtes sollen Fahrdrähte (trolley wires) angesprochen werden. In diesem Zusammenhang wird auf die Norm EN 50149 verwiesen, in der Fahrdrähte standardisiert sind.

[0013] Zum Herstellen des erfindungsgemäßen Verbundleiters wird der bekannte Strang-Press-Prozess vorgeschlagen. Es handelt sich um die Herstellung von Stäben oder Drähten über Extrusion. 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 durch einen oder mehrere Ziehsteine geführt und auf Endmaß heruntergezogen. Es wurde schon erwähnt, dass geeignete Strangpress-Anlagen auf dem Markt sind.

[0014] 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 Fahrdrähte, die nur aus einer Legierung bestehen, mit den vorgeschlagenen Legierungspartnern 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 recycling-fähig.

[0015] 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 zusätzliche nach dem Holton-Conform-Strangpressen (beispielsweise) 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.

[0016] 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.

[0017] 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-Conform-Prozeß die Verfestigung des CuAg-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.

[0018] 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.

Herstellverfahren

[0019] 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. Die Oberfläche des oder der Kerndrähte wird sorgfältig von Fremd- oder Korrosionsschichten befreit, beispielsweise durch chemische Behandlung. Bei Kerndrähten mit fremdstofffreier, aktivierter Oberfläche ist sicher gestellt, dass eine gute Materialverbindung zum Ummantelungswerkstoff herstellbar ist. Die Oberflächenreinigung ist wichtig, damit im weiteren Umformprozess die enge Materialverbindung zwischen Kerndraht und Ummantelung erhalten bleibt.

[0020] Ein so hergestellter und vorbehandelter Kerndraht wird in einem 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 Querschnittsverringerung im Ziehprozess hat Einfluss auf die Endfestigkeit des Produkts. Um einen Fahrdraht herzustellen, der für den Einsatz für Hochgeschwindigkeitsbahnen geeignet ist, wird eine relativ hohe Querschnittsreduzierung vorgenommen. Solche Fahrdrähte werden mit besonders hoher Zugspannung montiert, so dass sie dem Andruck eines Stromabnehmers nur gering ausweichen und eine hohe Wellenausbreitungsgeschwindigkeit dieses Anhubes gewährleisten. Es ist also eine hohe mechanische Festigkeit Voraussetzung für die Anwendung.

[0021] Es wurde angesprochen, dass Verbundleiter nach der Erfindung auch als Stromschienen einsetzbar sind. Stromschienen werden in elektrischen Verteileranlagen stationär eingesetzt, so dass für diese Anwendung die mechanische Festigkeit nur eine nebengeordnete Rolle spielt.

Figurenbeschreibung

[0022] Die Erfindung wird in drei Zeichnungen dargestellt, die im einzelnen zeigen:

Fig. 1

den Querschnitt eines Runddrahts mit mehreren Kerndrähten,

Fig. 2

den Querschnitt eines Fahrdrahts mit nur einem Kerndraht und

Fig. 3

den Querschnitt eines Fahrdrahts mit mehreren eingebetteten Drahtsträngen.

[0023] In der Figur 1 ist ein Runddraht 12 gezeichnet, in dem mehrere Kerndrähte 22 liegen. Die Einzeldrähte 22 sind unregelmäßig im Material 14 verteilt und liegen mit Abstand von der Oberfläche des Runddrahts, so dass eine kerndrahtfreie Randzone vorhanden ist. Die Regelmäßigkeit der Einzeldrahtverteilung hängt von dem verwendeten Herstellverfahren ab, und ist dementsprechend steuerbar.

[0024] Fig. 2 zeigt einen Fahrdraht 10 (Rillenfahrdraht oder trolley wire) - entsprechend EN 50149, der im Kern 20 einen Draht aus CuMg 0,1...0,7 enthält und von einem Mantel 14 aus CuAg 0,1 umgeben ist. Der Kerndraht 20 stammt von einem runden Draht, der durch die Profilierung mit verformt wurde, wodurch er einen birnenförmigen Querschnitt erhalten hat. Es ist unmittelbar verständlich, dass die Querschnittsform des Kerndrahts von der Stärke der Verformung und der Form des stranggepreßten Ausgangsprofils abhängt, so dass auch Fahrdrähte herstellbar sind, die einen noch fast runden Kerndraht aufweisen.

[0025] Der Flächenanteil des Kerndrahtes im Querschnitt des Verbundleiters kann in weiten Grenzen variieren (10 bis 80 %). Wenn kernseitig eine CuMg-Legierung vorgesehen ist, soll der Flächenanteil dieser CuMg-Legierung vorzugsweise 50 % sein.

[0026] Fig. 3 zeigt einen Fahrdraht 11, 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.

[0027] Als Zahlenbeispiel für einen Fahrdraht sei noch angegeben: 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.

Ansprüche

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, 11, 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 Anteil des Leiterkerns (20,22) an der Querschnittsfläche des Verbundleiters (10,11,12) 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 (12) runden Querschnitt hat.

6. Verbundleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundleiter als Rillendraht (10, 11), insbesondere als Fahrdraht ausgebildet ist.

7. Verbundleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Mantelzone von etwa 10 % des Durchmessers kein Drahtstrang vorhanden ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Verbundleiters mit einer Legierungspaarung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte:

o mindestens ein Drahtstrang (22) wird aus einer ersten Legierung hergestellt,

o mindestens ein Drahtstrang (22) wird in eine Strangpress-Anlage eingeführt und mit einer Ummantelung (14) aus einer zweiten Legierung versehen,

o der hergestellte Verbundleiter (10,11,12) wird mindestens einmal durch einen Ziehstein gezogen und dabei auf endgültige Profilform gebracht wobei entweder die erste Legierung eine Legierung aus CuAg mit einem Ag-Anteil von 0,08 bis 0,12 % und die zweite Legierung eine Legierung aus CuMg mit einem Mg-Anteil von 0,1 bis 0,7 % ist, oder die erste Legierung eine Legierung aus CuMg mit einem Mg-Anteil von 0,1 bis 0,7 % und die zweite Legierung eine Legierung aus CuAg mit einem Ag-Anteil von 0,08 bis 0,12 % ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Verbundleiters nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des oder der Drahtstränge (22) vor der Ummantelung von einer Fremdstoffschicht befreit wird.

Claims

1. Electrical composite conductor consisting of a CuAg alloy base having an Ag content of 0,08 % to 0,12 %, in which the edge (14) or the core (20, 22) of the composite conductor (10, 11, 12) consists of a CuMg alloy having an Mg content of 0,1 % to 0,7 %.

2. Composite conductor according to claim 1, characterised in that a proportion of the conductor core (20, 22) in the cross-section of the composite conductor (10, 11, 12) is between 10 % and 80 %.

3. Composite conductor according to either claim 1 or claim 2, characterised in that the core (20, 22) consists of at least one strand (20).

4. Composite conductor according to any one of the preceding claims, characterised in that a plurality of wire strands (22) are arranged in the core and the wire strands (22) have approximately the same cross-section.

5. Composite conductor according to any one of the preceding claims, characterised in that the composite conductor (12) has a round cross-section.

6. Composite conductor according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the composite conductor is constructed as a grooved wire (10, 11), in particular as a trolley wire.

7. Composite conductor according to any one of the preceding claims, characterised in that no core wire is present in a cladding region of approximately 10 % of the diameter.

8. Method for producing a composite conductor with an alloy pairing according to claim 1, characterised by the steps of:

- producing at least one wire strand (22) from a first alloy,

- introducing at least one wire strand (22) into an extrusion apparatus and providing said strand with a cladding (14) made of a second alloy,

- pulling the produced composite conductor (10, 11, 12) through a drawing die at least once, thus bringing said conductor into the final profile shape thereof,

wherein either the first alloy is a CuAg alloy with an Ag content of between 0,08 % and 0,12 % and the second alloy is a CuMg alloy with a Mg content of between 0,1 % and 0,7 %, or the first alloy is a CuMg alloy with a Mg content of between 0,1 % and 0,7 % and the second alloy is a CuAg alloy with an Ag content of between 0,08 % and 0,12 %.

9. Method for producing a composite conductor according to claim 10, characterised in that the surface of the wire strand(s) (22) is freed of a layer of foreign substances before being clad.

Revendications

1. Conducteur électrique composite formé d'un alliage de base en CuAg contenant une proportion d'Ag comprise entre 0,08 et 0,12%, dans lequel le bord (14) ou l'âme (20, 22) du conducteur composite (10, 11, 12) est formé(e) d'un alliage en CuMg contenant une proportion de Mg comprise entre 0,1 et 0,7%.

2. Conducteur composite selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une proportion de l'âme du conducteur (20, 22) dans l'aire de section transversale du conducteur composite (10, 11, 12) est comprise entre 10 et 80%.

3. Conducteur composite selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'âme (20, 22) est formée d'au moins un brin (20).

4. Conducteur composite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que plusieurs brins de fil (22) sont disposés dans l'âme et les brins de fil (22) ont à peu près la même section transversale.

5. Conducteur composite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le conducteur composite (12) a une section transversale ronde.

6. Conducteur composite selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le conducteur composite est exécuté en tant que fil rainuré (10, 11), notamment en tant que fil de contact.

7. Conducteur composite selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'aucun brin de fil n'est présent dans une zone périphérique correspondant à peu près à 10% du diamètre.

8. Procédé de fabrication d'un conducteur composite comprenant un couple d'alliages selon la revendication 1, caractérisé par les étapes suivantes:

- au moins un brin de fil (22) est fabriqué dans un premier alliage,

- au moins un brin de fil (22) est introduit dans une installation d'extrudeuse et pourvu d'un enrobage (14) formé d'un deuxième alliage,

- le conducteur composite (10, 11, 12) fabriqué est étiré au moins une fois à travers une filière, ce qui lui confère sa forme profilée définitive,

le premier alliage étant un alliage en CuAg contenant une proportion d'Ag comprise entre 0,08 et 0,12% et le deuxième alliage étant un alliage en CuMg contenant une proportion de Mg comprise entre 0,1 et 0,7% ; ou bien le premier alliage étant un alliage en CuMg contenant une proportion de Mg comprise entre 0,1 et 0,7% et le deuxième alliage étant un alliage en CuAg contenant une proportion d'Ag comprise entre 0,08 et 0,12%.

9. Procédé de fabrication d'un conducteur composite selon la revendication 10, caractérisé par le fait que la surface du ou des brin(s) de fil (22) est débarrassée d'une couche de matière étrangère avant l'enrobage.

Zeichnung