Titanummantelte Stromschienen

Titanummantelte Kupferschienen werden überall dort eingesetzt, wo hoher Korrosionsschutz und hohe Strombelastbarkeit entscheidend sind, beispielsweise in der Elektrochemie, in der Chlor-Alkali-Elektrolyse, in Verzinkungs-oder Verchromungsanlagen. Immer strengere Umweltauflagen und teure Entsorgung verlangen den Einsatz von umweltfreundlichen Technologien. Titanummantelte Kupferschienen können in fluoridfreien Elektrolyten bei der Hart- und Glanzverchromung anstatt Bleianoden eingesetzt werden. Das bei der Verchromung mit Bleianoden anfallende unerwünschte Bleichromat entsteht erst gar nicht. Weitere Anwendungsbereiche sind dimensionsstabile Anoden in der Chlor-Alkali-Elektrolyse oder als Stromzuführung bei den verschiedensten galvanischen Beschichtungsverfahren.

Auf dem Markt sind zwei verschiedene Qualitäten anzutreffen. Zum einen auf einen Kupferkern aufgezogene Titanhüllen, die keine metallurgische Verbindung zwischen Kern und Haut aufweisen. Hierbei bleiben die Gefüge von Kupfer und Titan getrennt. Lufteinschlüsse zwischen Hülle und Kern sind nicht zu vermeiden. Die Folge sind hohe Übergangswiderstände und eine daraus resultierende hohe elektrische Verlustleistung zwischen Titanhülle und Kupferkern.

Eine optimale Lösung sind titanummantelte Kupferstangen, die mittels Verbundstrangpressen hergestellt werden. Dieses viel Erfahrung erfordernde Verfahren garantiert eine optimale Vermischung durch Diffusion von Kupferkern und Titanmantel an den Grenzschichten. Hier spricht man von einem metallurgisch verbundenen Gefüge oder einer metallurgischen Verbindung. Führt man an metallurgisch verbundenem Kupfer-Titan eine Spannungsabfallberechnung durch, fließt in die Berechnung nur die Schichtdicke des Titans (0,5 bis 2 mm) als Länge ein. Das Ergebnis ist ein sehr geringer elektrischer Widerstand und daraus folgend ein sehr geringer Spannungsabfall. Bei einer Schichtdicke von 0,5 mm liegt der Spannungsabfall oft nur im mV-Bereich. Hohe Qualität rechnet sich auch bei Verbundwerkstoffen. Es entstehen keine außerplanmäßigen Beeinträchtigungen und die Lebensdauer ist um ein Vielfaches höher als bei nicht metallurgisch gebundener Qualität. Wie aber unterscheidet man nun als Kunde, ob die Qualität des Verbundes optimal und von hoher Qualität ist?

Verschiedene Prüfverfahren geben Aufschluss über die tatsächliche Qualität des Verbundes. Einfach, aber effektiv ist der so genannte Spalttest. Man erhält mit diesem Test rasch einen ersten Überblick über die Qualität des Verbundes. Es wird versucht, einen Meißel zwischen Titanschicht und Kupferkern zu treiben. Lassen sich die Schichten trennen, liegt eine minderwertige Verbindung vor. Metallurgische Verbindungen von hoher Qualität verformen sich maximal, ohne dabei Schaden zu nehmen.

Ein weiterer Test ist die Torsionsprüfung. Streifen aus dem Material des Verbundstoffs werden mehrmals um die eigene Achse gedrallt. Es darf keine Separation der Werkstoffe erfolgen. Bei einer guten Qualität des Verbundstoffs lassen sich die Schichten von Kupfer und Titan nicht voneinander trennen, auch nicht durch Torsion. Das bedeutet, dass metallurgisch verbundene titanummantelte Kupferschienen auch bei relativ engen Biegeradien eingesetzt werden können.

Aufwändigere Testverfahren, die von wenigen guten Herstellern angeboten werden, sind die Thermoschockprüfung und die Ultraschallprüfung. Bei derThermoschockprüfung wird der zu prüfende Verbundstoff eine Stunde lang bei 520 °C geglüht und anschließend in einem Wasserbad abgeschreckt. Dieser Vorgang wird bis zu 40 Mal wiederholt. Hierbei darf sich der Titanmantel nicht vom Kupferkern lösen.

Aufgrund der Hitzeresistenz des Verbundes können metallurgisch verbundene Stäbe direkt mit Iridium, Platin oder Mischoxiden beschichtet werden. Dieser Prozess erfordert eine Wärmebehandlung mit vielen Zyklen bei hohen Temperantren. In den letzten Jahren hat sich die Ultraschallprüfung als Qualitätskontrolle durchgesetzt. Durch eine höhere Effektivität der Prüftechnik können bestimmte Fehlerarten, zum Beispiel Risse oder Bindefehler, nachgewiesen werden. Die Ultraschalluntersuchung liefert sofort eine Aussage zu Eigenschaften von Verbunden in Form einer Ja-Nein-Aussage, aber keine Aussage über die Intensität der Verbindung. Der Schallstrahl des Ultraschalls breitet sich aufgrund seiner Eigenschaften gerichtet aus wie Licht. Beugungserscheinungen treten nur dann auf, wenn die verursachenden Hindernisse die Größenordnung der Wellenlänge haben. Ultraschallwellen werden von Metallen kaum absorbiert. Es wird die Eigenschaft der Reflexion von Schallwellen ausgenutzt, die an Grenzflächen, aber auch an Fehlstellen auftritt. Treten keine Reflexionen auf, kann von einer optimalen metallurgischen Bindung ausgegangen werden.

Titanummantelte metallurgisch verbundene Werkstoffe sind außergewöhnlich belastbar. Deshalb können andere Titanteile problemlos mit dem ummantelten Titan verschweißt werden, ohne dass der Verbund beschädigt wird. Als Verfahren eignen sich sowohl WlG- als auch Laser- oder Punktschweißen. Der fachgerechte Anschluss von titanummantelten Kupferstangen wirft immer wieder Fragen auf. Landläufig besteht die Auffassung, Kontaktflächen von schlecht leitendem Titan zu befreien. Dies geschieht durch Fräsen oder Drehen. Vordergründig scheint dieser Ansatz logisch. Die Leitfähigkeit von Kupfer beträgt 58 m/(Ohm · mm²) die von Titan dagegen nur 2,2 m/(Ohm · mm²). Das bedeutet, dass ein Kupferdraht von 1 mm2 Querschnitt und 58 m Länge einen Widerstand von 1 Ohm hat. Bei Titan ist ein vergleichbarer Widerstand schon bei 2,2 m Länge erreicht.

Die Realität sieht aber anders aus; zum Beispiel müssen Umgebungseinflüsse bewertet werden. Die von Titan befreiten Kupferkontaktflächen korrodieren durch den Kontakt mit aggressiven Säuren, Dämpfen und Kondensaten in der Galvanoanwendung. Das Kupfer an den ­Anschlussflächen wird durch Korrosion zerfressen. Die sich daraus ergebenden Punktberührungen an den Kontaktflächen sorgen für schlechte Stromübertragung. Der aufwändigere und teurere Titanmantel wird daher heute nicht mehr entfernt, sondern als hochwertiger Korrosionsschutz genutzt.