Wie wählt man die richtigen Materialien für kontinuierliche Heißextrusionsdüsen für Kupfer aus?

In der Kupferverarbeitungsindustrie ist die kontinuierliche Warmextrusion eine Kerntechnologie zur Herstellung kritischer Profile wie Kupferstäbe und -drähte. Die Auswahl des Matrizenmaterials wirkt sich direkt auf Produktionseffizienz, Produktqualität und Gesamtkosten aus. Dieser Artikel analysiert die Einschränkungen herkömmlicher Formstähle aus Sicht der tatsächlichen Produktionsanforderungen, erläutert die Vorteile von Kobaltlegierungen und bietet Unternehmen anhand von Anwendungsfällen professionelle Beratung bei der Materialauswahl für kontinuierliche Warmextrusionsmatrizen aus Kupfer.

Definition der Materialanforderungen für die kontinuierliche Heißextrusion von Kupfer

Kernanforderungen an Werkzeuge in der Industrie

Kupferstangen und -drähte finden breite Anwendung in der Energieübertragung, im Schienenverkehr, in elektronischen Geräten und anderen Bereichen. Ihre Produktion basiert auf dem effizienten Betrieb horizontaler kontinuierlicher Heißstrangpressen. Diese Maschinen verarbeiten Kupferbarren in einem ununterbrochenen Strangpressprozess zu Profilen mit spezifischen Querschnitten. Dabei werden extrem hohe Anforderungen an die Formstabilität, Verschleißfestigkeit und Präzisionshaltefähigkeit gestellt – die Formen müssen über lange Produktionszeiten hinweg eine gleichbleibende Leistung erbringen, um einheitliche Produktspezifikationen zu gewährleisten.

Herausforderungen im Betriebsumfeld der Form

Die Betriebsbedingungen beim kontinuierlichen Heißextrudieren von Kupferwerkstoffen sind extrem rau: Die Formen müssen dauerhaft Temperaturen von 500–600 °C, Extrusionsdrücken von Hunderten von Megapascal und starker Reibung durch den Kupferfluss standhalten. Unter solchen Bedingungen sind die Hochtemperaturhärte, der Verschleiß und die thermische Ermüdungsbeständigkeit der Form die wichtigsten Messgrößen für ihre Leistung. Mängel in diesen Eigenschaften können zu Produktionsunterbrechungen oder Produktausschuss führen.

Nachteile herkömmlicher Formstähle

Leistungsmängel von H11-, H13- und H21-Stählen

Lange Zeit wurden Warmarbeitsformstähle der Güten H11, H13 und H21 häufig für die Kupferextrusion verwendet. Bei der kontinuierlichen Warmextrusion kommt es jedoch zu einer starken Entkohlung bei hohen Temperaturen. Bei Temperaturen über 500 °C oxidieren Kohlenstoffelemente auf der Stahloberfläche leicht und gehen verloren, was die Oberflächenhärte rapide verringert und den Formverschleiß beschleunigt. Bei Temperaturen über 600 °C sinkt die Härte dieser Stähle stark, sodass die für die Extrusion erforderliche strukturelle Festigkeit nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Dies wirkt sich direkt auf die Maßgenauigkeit des Kupfermaterials aus. Häufige Heiz- und Abkühlzyklen führen zu Wechselspannungen in der Form, die zur Bildung von Mikrorissen führen, die sich allmählich ausbreiten und letztendlich zu einem vorzeitigen Formversagen führen.

Warum ist Kobaltlegierung die bevorzugte Wahl für Kupfer-Warmextrusionsformen?

Vorteile der Materialeigenschaften

ST 3, ein typischer Vertreter von Kobaltlegierungen, besitzt eine ausgezeichnete Festigkeit und Zähigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, wodurch es sich besonders für die rauen Umgebungen der kontinuierlichen Heißextrusion von Kupfermaterialien eignet. Bei Temperaturen über 600 °C behält die ST 3-Legierung eine Härte von 40–45 HRC bei, die mit steigender Temperatur allmählich abnimmt, wodurch ein steiler Abfall vermieden wird und die strukturelle Stabilität unter langfristigen Hochtemperaturbedingungen gewährleistet wird. Seine Verschleißfestigkeit beruht auf der Stärkung der der Legierung innewohnenden intermetallischen Verbindung und nicht auf Carbiden. Infolgedessen ist seine Verschleißfestigkeit unter Hochtemperaturreibungsbedingungen 3–5-mal so hoch wie die von H13-Stahl, wodurch es dem durch Kupfermaterialfluss verursachten Oberflächenverschleiß wirksam widersteht. Kobaltlegierungen können häufigen Temperaturschwankungen standhalten, wodurch das Auftreten von thermischen Spannungsrissen reduziert und der stabile Betriebszyklus der Form erheblich verlängert wird.

Indische Kundenfallstudie

Ein indisches Kupferverarbeitungsunternehmen hatte bei der Auswahl der Formmaterialien zunächst erhebliche Bedenken hinsichtlich der hohen Kosten der ST 3-Legierung. Wir stellten ein engagiertes Team zusammen, das in den Formkonstruktionsprozess eingriff: Durch 3D-Modellierung optimierten wir die Formkanalstruktur, reduzierten die Materialstärke in den Kernarbeitsbereichen und führten für die Warmmontage ein Verfahren ein, das ST3 und H13 kombinierte. Dadurch verringerten wir den Materialverbrauch an Kobaltlegierungen bei gleichbleibender Festigkeit.

Nach dem Testen der optimierten ST 3-Legierungsform konnte der Kunde eine deutliche Verbesserung der Produktionseffizienz feststellen. Obwohl die Kosten pro Form stiegen, erzielte das Unternehmen insgesamt Kosteneinsparungen.

Auswahl des richtigen Formmaterials zur Steigerung der Effizienz der Kupferproduktion

Die effiziente Produktion von Kupferwerkstoffen durch kontinuierliches Warmextrusionsverfahren erfordert leistungsstarke Formwerkstoffe. Die Leistungseinschränkungen herkömmlicher Formstähle in Umgebungen mit hohen Temperaturen und hohem Verschleiß stellen einen Engpass dar, der die industrielle Entwicklung hemmt. Kobaltlegierungen bieten mit ihrer hervorragenden Warmhärte, Verschleißfestigkeit und Wärmeermüdungsbeständigkeit eine ideale Lösung für diese Herausforderung.

Wenn Sie mit Problemen wie einer kurzen Lebensdauer der Form oder einer instabilen Produktion konfrontiert sind, kontaktieren Sie uns bitte für eine individuelle Lösung.