Halbzeug aus Kupfer und Kupferlegierungen

Halbzeugherstellung

Der Produktionsablauf der Halbzeugherstellung lässt sich grob vereinfacht in die Stufen Schmelzen und Gießen, Warmumformen, Kaltumformen oft verbunden mit einer Wärmebehandlung und Endbearbeitung einteilen.

Schmelzen und Gießen

Die Halbzeugproduktion beginnt mit dem Erschmelzen der Kupferwerkstoffe und Vergießen zu bestimmten Formaten, z.B. zu Walzplatten, Pressbolzen usw. Das Schmelzen und Gießen erfolgt nach einem genau vorab festgelegten Fertigungsprogramm. Sowohl der Metalleinsatz wie auch die Einhaltung der Legierungszusammensetzung wird vor dem Abgießen streng überwacht. Die Analyse zur Legierungsüberwachung und Kontrolle auf eventuelle Verunreinigungen erfolgt mit Hilfe von Analyse-Automaten (Spektralanalyse) und einem Rohrpostsystem innerhalb von 2 Minuten, so dass jederzeit die Schmelze vor dem Gießen noch korrigiert werden kann. Das Erschmelzen erfolgt in elektrischen Induktionsöfen und die Formate werden auf modernen Stranggießanlagen gegossen. Dabei werden Walzplatten vorzugsweise im halbkontinuierlichen Strangguss, Pressbolzen dagegen im kontinuierlichen Strangguss gefertigt.

Warmumformen

Die Warmumformung von Kupferwerkstoffen erfolgt oberhalb der Rekristallisations-temperatur. Dabei liegen die Rekristallisationstemperaturen für Kupfer und Kupfer-legierungen abhängig von der Werkstoffzusammensetzung zwischen 750 °C und 950 °C. Bei der Warmumformung können infolge der Rekristallisation keine Verfestigungen auftreten, sondern es werden vorhandene Kaltverfestigungen dauernd abgebaut (Weichglühung). Außerdem sinkt im Allgemeinen der Formänderungswiderstand der Metalle mit steigender Temperatur.

Die verschiedenen Kupferwerkstoffe haben unterschiedliche Warmformungseigenschaften. Bei den homogenen, einphasigen Kupferlegierungen nimmt ausgehend von reinem Kupfer mit steigendem Legierungsanteil der Formänderungswiderstand zu. Jedoch haben die heterogenen Legierungen des Systems CuZn bzw. CuAl einen geringeren Formänderungswiderstand, da der neu auftretende β-Mischkristall besser warmumformbar ist als der α-Mischkristall. Die besten Warmformungseigenschaften haben in der Reihenfolge der Eignung heterogenes Messing mit mindestens 37 % Zn-Anteil, unlegiertes Kupfer, und auch CuAl-Legierungen, während CuSn-, CuSnPb-, CuNiZn- und  CuNi-Legierungen schwerer warmumformbar sind. Dabei zeichnet sich Messing im Bereich der β-Phase durch einen sehr niedrigen Formänderungswiderstand aus.

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Kaltumformen

Bei der Kaltumformung, die unterhalb der Rekristallisationstemperatur stattfindet, steigt die Formänderungsfestigkeit mit zunehmender Umformung an (Kaltverfestigung). Da der α-Mischkristall die besten Kaltformungseigenschaften aufweist, sind neben unlegiertem Kupfer die homogenen Kupferlegierungen am besten kaltformbar. Dabei gilt als Faustformel, dass, mit Ausnahme von Kupfer-Nickel-Legierungen, die Verfestigungsfähigkeit der Kupferwerkstoffe durch die relative Höhe der Festigkeit im weichen Zustand bestimmt wird. Mit zunehmender Kaltumformung nimmt die Festigkeit des Werkstoffes zu, seine Dehnung und damit auch sein Umformvermögen ab.
Ausgezeichnet kaltumformbar sind reines unlegiertes Kupfer und die hoch kupferhaltigen Kupfer-Zink-Legierungen. Aber auch die Kupfer-Nickel-Legierungen, die meisten niedriglegierten Kupferlegierungen und die Kupfer-Zinn-Legierungen lassen sich relativ gut kalt umformen. Schwieriger kaltumformbar sind jedoch die Kupfer-Aluminium-, die hoch blei- oder hoch zinnhaltigen Kupfer-Blei-Zinn-Legierungen und auch Kupfer-Zink-Legierungen mit hohen Zinkgehalten, die β- und (α-β)-Messingsorten.

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Herstellung von Blechen und Bändern

Ausgangsmaterial für die Fertigung von Blechen und Bändern sind auf halbkontinuierlichen Stranggussanlagen gefertigte Gussplatten. Diese haben eine Länge von ca. 5 m, eine Breite von 600 bis 800 mm und eine Dicke von ca. 120 mm. Bei schwer warmformbaren Werkstoffen, z.B. Kupfer-Zinn-Knetlegierungen, aber auch bei geringeren Fertigungsmengen aus wirtschaftlichen Gründen bei anderen Kupferwerkstoffen wird häufig von einem auf einer horizontalen Anlage stranggegossenem Band, z.B. 600 mm breit, 25 mm dick, ausgegangen. In diesem Fall entfallen die sonst erforderlichen Produktionsschritte "Anwärmen" und "Warmwalzen".
Zum Warmwalzen werden die Brammen auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur erwärmt. Auf einem Reversier-Duo werden sodann die Brammen auf 1/10 ihrer Ausgangsdicke heruntergewalzt. Zur Entfernung der Gusshaut und des Zunders werden auf jeder Seite einige Zehntel Millimeter abgefräst.
Die Vorwalzbänder, ca. 10 mm dick, werden in mehreren Stichen kalt heruntergewalzt, je nach Umformungsvermögen, auf Dicken von 2 bis 3 mm. Bei dickeren Abmessungen aus schwer umformbaren Kupferwerkstoffen sind ein- oder mehrmalige Zwischenglühungen mit den dazugehörigen Beiz- und Trockenprozessen erforderlich. Dünnere Abmessungen werden im Durchlauf-Schwebeofen unter Schutzgas zwischengeglüht, so dass der Beizprozess entfallen kann. Bei den Zwischenglühungen (Rekristallisation) wird das gute Umformvermögen wieder hergestellt und die Kaltverfestigung aufgehoben. Anschließend erfolgt kalt das Fertigwalzen, bei schmalen Bändern und schwer umformbaren Kupferwerkstoffen auf reversierenden Mehrrollen-Walzwerken.

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Gießwalzdraht aus Kupfer
Gießwalzdraht aus Kupfer

Herstellung von Drähten

Als Ausgangsmaterial hat sich heute Gießwalzdraht durchgesetzt. In einem Prozess werden Kupferkathoden niedergeschmolzen und nach dem SOUTHWIRE- oder HAZELETT-Verfahren zu Drähten gegossen und in gleicher Hitze zu Drähten , z.B. ∅ 12 mm, heruntergewalzt. Dabei liegen die Ringgewichte üblicherweise bei 5 bis 8 t. Dadurch wird die Energie, die früher für das Erwärmen von Drahtbarren erforderlich war, eingespart.
In Grob- und Feinzieh-Maschinen wird der Gießwalzdraht meist ohne Zwischenglühungen an die Endabmessungen gezogen. Bei den Ziehmaschinen handelt es sich um einen Mehrfachzug, bei dem viele Züge hintereinander geschaltet sind. Da bei Drahtzug große Querschnittsreduzierungen erfolgen, sind die Ziehgeschwindigkeiten der Endstufen sehr hoch. Die Spulgeschwindigkeiten betragen 40 bis 60 m/s. Oft wird der Draht im harten Zustand ausgeliefert, da er bei der Lackdraht-Herstellung ohnehin geglüht werden muss. Falls geglüht wird, erfolgt die Wärmebehandlung unter Schutzgas, um Beizprozesse zu erübrigen.

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Herstellung von Stangen und Profilen

Bei der Herstellung von Stangen und Profilen wird von stranggegossenen Pressbolzen mit Durchmessern von ca. ∅ 150 bis 300 mm, 200 bis 800 mm lang, ausgegangen. Diese werden im Induktions- oder Gasofen auf Strangpresstemperatur, einer Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur, erwärmt. Anschließend werden die erhitzten Bolzen auf einer Strangpresse in einen geeigneten Querschnitt gepresst. Die Form des Stranges wird durch die Öffnung des Werkzeuges (Matrize) auf der Austrittsseite der Presse vorgegeben. Bei großen Stangenquerschnitten und Profilen wird das Material in geraden, gestreckten Längen belassen, kleinere Stangenquerschnitte werden aufgehaspelt.
Durch die hohe Temperatur beim Pressen oxidieren die Oberflächen der Stangen oder Profile. Die Oxidschicht wird durch Beizen entfernt, bei geraden Längen durch Tauchen in ein Beizbad, bei gehaspelten Stangen kontinuierlich durch ein Beizbad laufend. Das stranggepresste Material wird anschließend bis zum Endprodukt i.a. nur noch kalt umgeformt.
Stangen aus Ringmaterial werden auf kombinierten Maschinen kontinuierlich gezogen. Dabei laufen die Fertigungsprozesse Ziehen, Prüfen, Ablängen, Richten in einer Anlage hintereinander ab. Stangen in geraden Längen und Profile werden auf Langziehbänken gezogen. In vielen Fällen werden jedoch Stangen mit großen Querschnitten und Profile nach dem Prüfen, Einteilen und Richten auch im Presszustand ausgeliefert. Gezogene Stangen und Profile werden auf Richtmaschinen auf Geradheit, letztere auch hinsichtlich Profilform gerichtet. Geprüft werden Stangen und Profile auf Fehlerfreiheit des Materials und auf Einhaltung der Formtoleranzen.

Herstellung von Rohren

Kupferrohre können nach verschiedenen Fertigungsverfahren hergestellt werden. Bei den beiden gebräuchlichsten Verfahren werden entweder stranggegossene Blöcke erhitzt und in einer Strangpresse zu Vorrohren verpresst oder in einem Pilgerwalzwerk heruntergewalzt. Danach erfolgt eine Reihe von Zügen, die überwiegend im Ring auf Trommelziehmaschinen durchgeführt werden, ein Kaltpilgern kann vorgeschaltet werden. Nach dem letzten Zug werden in kombinierten Maschinen die Ringrohre gerichtet, im Durchlauf die Rohre durch Wirbelstromprüfung auf Fehlerfreiheit geprüft und abgelängt. Dabei erfolgt das Ablängen bei weichen Rohren zu Ringen und bei harten Rohren in geraden Längen.
Rohre aus Kupferlegierungen, z.B. aus Kupfer-Nickel-Legierungen, werden auf einer Strangpresse mit Hilfe eines Dorns zu relativ dünnen Vorrohren gepresst. Diese Rohre werden dann auf Geradeaus-Ziehbänken, eventuell mit Zwischenglühungen, auf Endmaß gezogen.
Die Fertigung geschweißter Rohre aus Kupferwerkstoffen hat sich in Deutschland nicht durchgesetzt.

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