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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumdrähten, wobei ein höchstens 0,7% Verunreinigungen enthaltendes Hüttenaluminium geschmolzen wird, die Schmelze in einem kontinuierlichen Strom vergossen und zur Erstarrung gebracht wird, danach ein Draht mittels Walzen oder Pressen und durch darauffolgende Kaltbearbeitung aus dem festen Material hergestellt wird. Das erfindungsgemässe Verfahren, das in erster Linie beim kontinuierlichen Vergiessen des Aluminiums anwendbar ist, erlaubt es, durch sehr gute mechanische Eigenschaften gekennzeichnete Aluminiumdrähte aus Hüttenaluminium herzustellen.
Zur Herstellung von Aluminiumdrähten, die bei der Erzeugung von elektrischen Leitern und Kabeln verwendet werden, wird bei den bekannten Verfahren eine AI-Mg-Si-Legierung oder ein
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einer vorgeheizten Kokille, vergossen oder auf eine Giesswalze aufgebracht und nach erfolgter Erstarrung bis zum erforderlichen Querschnitt gewalzt oder gepresst. Das so hergestellte Halbzeug wird durch Kaltbearbeitung in die endgültige Form gebracht. Bei den üblichen Betriebsbedingungen kühlt das Material auf natürliche Weise ab, wobei die Geschwindigkeit der Abkühlung von der Umgebung und von anderen Bedingungen abhängt und im allgemeinen den Wert 102 kils nicht überschreitet.
Die Geschwindigkeit beeinflussende Faktoren sind unter anderem die Temperatur der Umgebung sowie des Materiales, die Zusammensetzung des Materiales und die Abmessungen des vergossenen Materialstromes usw.
Aluminiumdrähte werden in erster Linie zur Übertragung der elektrischen Energie verwendet.
In diesem Anwendungsgebiet ist das wichtigste, die möglichen, maximalen Werte der elektrischen Leitfähigkeit zu gewährleisten. Dazu trägt die Verminderung der Grösse der Verunreinigungen bei, weil die Atome der fremden Materialien in das Kristallgitter eingebaut werden und so die Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften des Materials verursachen. Mit der Verbesserung der Reinheit des Materials tritt jedoch eine Erscheinung immer stärker auf : je reiner das Aluminium ist, desto schlechter sind seine mechanischen Eigenschaften (insbesondere die Härte und die Zugfestigkeit). Daraus folgt, dass die Verbesserung der Reinheit des Hüttenaluminiums zur Erzeugung eines Aluminiums führt, das die geforderten mechanischen Parameter nicht aufweist.
Bei Aluminium mit 99, 5% iger Reinheit beträgt die Zugfestigkeit ohne Weichglühen etwa 130 N/mm2 und nach einem Weichglühen etwa 70 N/mm2, der spezifische Widerstand entsprechend 28, 7 bzw.
28, 2 n. mm2/m und die Dauerbiegezahl (Anzahl der Biegungen bis zum Bruch) entsprechen 0 bis 2, bzw. 0 bis 5. Die als Ausgangsmaterial auch in der Kabelindustrie verwendete vergütete Legierung AlMgSi (die etwa 98, 8% Al enthält) weist eine bessere Zugfestigkeit (etwa 330 N/mm2) und eine höhere Dauerbiegezahl (4) als das Aluminium erwähnter Reinheit auf, doch die elektrische Leitfähigkeit (mit einem Wert des spezifischen Wiederstands von etwa 33 n. mm2 Im) ist eindeutig schlechter. Die Herstellung des Aluminiums hoher Reinheit erfordert die Anwendung von kostspieligen Prozessen und daher ist dieser Weg, obwohl er zur Verbesserung der Leitfähigkeit geeignet ist, in der Massenproduktion aus finanziellen Gründen nicht annehmbar.
Zur Lösung des Widerspruchs zwischen den Veränderungen der elektrischen und mechanischen Eigenschaften ist die Anwendung sowohl von verschiedenen Stoffen in Legierungen als auch von Wärmebehandlungsprozessen bekannt. Bei der Erzeugung von Legierungen sind die genaue Dosierung der Legierungskomponenten und zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften die Anwendung der Wärmebehandlung nach einer anspruchsvollen Technologie erforderlich. Bei der Wärmebehandlung sollen die Temperaturen mit hoher Genauigkeit gewährleistet werden. Daher bildet die Wärmebehandlung einen anspruchsvollen Prozess, enthält mehrere Schritte, deren Anzahl und Parameter von den erzielten Stoffeigenschaften abhängig sind.
Aus der US-PS Nr. 4, 140, 549 ist bereits ein Verfahren zum kontinuierlichen Vergiessen einer Al-Cu'un'd einer Al-Cu-Fe-Legierung für elektrische Leiter beschrieben. Hier beträgt der Gehalt an Kupfer 0, 10 bis etwa 1, 0 Gew.-% und der Aluminiumgehalt liegt bei mindestens 98, 5 Gew.-%.
Bei diesem bekannten Verfahren wird die Legierung in eine Form gegossen und auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes abkühlen gelassen. Der verfestigte Formkörper wird dann warm verformt, u. zw. bei einer Temperatur, bei der intermetallische Verbindungen ausfallen.
Es wird also hier ein kristallines Gefüge durch eine Nachbehandlung verbessert.
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Bei der Erzeugung von Aluminium entsteht im allgemeinen das sogenannte Hüttenaluminium, das höchstens 0, 7% Verunreinigungen, u. a. Metalle aus der Gruppe der Übergangselemente (Fe, Co, Ni) enthält. Dieses Rohaluminium darf nicht, nach den bekannten Verfahren, zur Erzeugung von Drähten in der Kabelindustrie verwendet werden. Dazu sollte das Aluminium höherer Reinheit oder eine entsprechende Legierung benutzt werden, das mit anspruchsvoller, und deswegen kostspieligerer Technologie herzustellen ist.
Der Zweck der Erfindung besteht in der Ermöglichung der effektiven Anwendung des Hüttenaluminiums bei der Drahterzeugung. Ihre Aufgabe ist es, ein Verfahren zu schaffen, bei dem das Hüttenaluminium ohne Wärmebehandlung oder eventuell nach höchstens einmaliger einfacher Behandlung bei relativ niedrigen Temperaturen zur Herstellung von Aluminiumdrähten entsprechender mechanischer Eigenschaften verwendet werden kann.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die im Hüttenaluminium immer vorhandenen metallischen Verunreinigungen, und insbesondere das Eisen, Kobalt und Nickel unter bestimmten Bedingungen geeignet sind, physikalische Prozesse in Gang zu bringen, die schliesslich zur bedeutenden Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Aluminiums führen können. Das Wesen dieser Erkenntnis ist folgendermassen zu erklären :
Da das Hüttenaluminium unter seinen metallischen Verunreinigungen solche enthält, die in flüssigem Aluminium löslich sind, wie z. B.
Ti, Si, Ni, Fe, findet die Ausscheidung des festen Aluminiums als Phase beim Giessen nicht bei dem genau bestimmten Schmelzpunkt des reinen Aluminiums (d. h. bei 6600C) statt, sondern erfolgt während der Abkühlung in einem Temperaturbereich, dessen Anfangspunkt im wesentlichen mit dem von der Zusammensetzung abhängigen Schmelz-
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der sogenannten Differential-Thermoanalyse (in Abkürzung DTA) verfolgt werden kann, u. zw. so, dass die zu den einzelnen Temperaturwerten des kühlenden Hüttenaluminiums gehörenden Werte der Wärmeabgabe bestimmt werden. Derart kann ein Maximalpunkt des erwähnten exothermischen Prozesses definiert werden.
Am Ende dieses Prozesses ist die sogenannte Aluminiummatrix ausgebildet, die als aus Aluminium bestehendes, kristallines Gefüge die grundsätzlichen elektrischen Eigenschaften des Stoffes bestimmt. Bei den unter dem Maximalpunkt liegenden Temperaturen ist die Aluminiummatrix im wesentlichen ausgebildet, sie umfasst schon zumindest etwa 90% des Aluminiums. Unter dem Schmelzpunkt beginnt ein anderer exothermischer Prozess, der als zweiter exothermischer Prozess bezeichnet wird, worin eine feste Phase entsteht, die die Verunreinigungen umfasst und für die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften verantwortlich ist. Ihre Zusammensetzung entspricht im wesentlichen der des Eutektikums der im Hüttenaluminium vorhandenen Elemente.
Der Temperaturbereich des zweiten exothermischen Prozesses ist durch einen unter dem Schmelzpunkt liegenden, eine absolute Grenze von etwa 650 C nicht überschreitenden, oberen und einen unteren, im allgemeinen etwa 620 c betragenden Wert beschränkt.
Es ist festgestellt worden, dass, wenn die Zusammensetzung der letztgenannten festen Phasen in Richtung der metastabilen Eutektiken (der übersättigten Lösungen) geändert oder verschoben werden kann, eine bedeutende Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zu erwarten ist.
Es wurde gefunden, dass diese Verschiebung der Zusammensetzung durch bedeutende Steigerung der Abkühlungsgeschwindigkeit erreichbar ist. Es ist jedoch wichtig, dass die beschleunigte Kühlung unmittelbar nach der Unterschreitung des Schmelzpunktes des Hüttenaluminiums eingeleitet wird, weil dadurch das kristalline Gefüge des Aluminiums ungünstig abgeändert wird, u. zw. dadurch, dass eine Aluminiummatrix entsteht, deren elektrische Parameter nachteilige Werte haben.
Die ungünstige Einwirkung der Verunreinigungen kann so vermieden werden, dass die beschleunigte Kühlung im absteigenden Ast des ersterwähnten exothermischen Prozesses, d. h. bei einer unter dem Maximalpunkt liegenden Temperatur begonnen wird, wenn im natürlichen, oder gegebenenfalls durch Wärmezufuhr verlangsamten Abkühlungsprozess das erwünschte kristalline Gefüge der Aluminiummatrix schon im wesentlichen gebildet worden ist.
Unter Anwendung der obigen Erkenntnisse wurde ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-
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drähten erarbeitet, wonach höchstens 0, 7% Verunreinigungen enthaltendes, geschmolzenes Hüttenaluminium in einem kontinuierlichen Strom vergossen wird und nach einer auch natürliche Kühlung umfassenden Erstarrung der Draht mittels Walzen oder Pressen und danach unter Kaltbearbeitung hergestellt wird, wobei erfindungsgemäss ein Temperaturbereich eines exothermischen Prozesses festgelegt wird, in dem die Ausbildung einer die elektrischen Eigenschaften des festen Aluminiums bestimmenden Aluminiummatrix erfolgt, die Wärmeabgabe während des exothermischen Prozesses festgestellt wird und ein zur maximalen Wärmeabgabe gehörender Maximalpunkt bestimmt wird,
weiters beim Vergiessen die Temperatur des Hüttenaluminiums festgestellt wird und bei einer im Temperaturbereich unter dem Maximalpunkt liegenden Temperatur das Hüttenaluminium mit einem Kühlmittel solcher Wärmekapazität in Berührung gebracht wird, dass seine Abkühlung mit zumindest 2,5mal so hoher Geschwindigkeit erfolgt, gegenüber der des sonst stattfindenden spontanen Erstarrungsprozesses. Die natürliche Kühlung kann im allgemeinen bei dem vor der Drahterzeugung vorzunehmenden Vergiessen mit einer Geschwindigkeit unter 200 K/s angenommen werden.
Vorteilhaft beträgt die Geschwindigkeit der Abkühlung zumindest 103 K/s und der Anfangspunkt wird bei einem Temperaturwert gewählt, bei dem die Aluminiummatrix schon zu 90% gebildet worden ist.
Es ist auch vorteilhaft, dem Hüttenaluminium Wärmeenergie noch während des exothermischen Prozesses, also vor der Kühlung zuzuführen.
Eine als Weichglühen durchgeführte Wärmebehandlung ist zweckmässig, insbesondere im Temperaturbereich von 170 bis 290 C vorzunehmen. Da die Geschwindigkeit der Abkühlung - wegen der begrenzten Geschwindigkeit der Wärmeübergangsprozesse - von den Abmessungen abhängig ist, kann das erfindungsgemässe Verfahren nur bei relativ kleinen Querschnitten verwendet werden, wobei die zur Verfügung stehenden Kühlmittel eine bedeutende Beschleunigung des Kühlungsprozesses gewährleisten können.
Das erfindungsgemässe Verfahren soll vom geschmolzenen Aluminium ausgehen. Von diesem Gesichtspunkt aus betrachtet, ist es egal, ob das Schmelzen einen gewöhnlichen Schritt der Herstellung des Hüttenaluminiums bildet, oder ob ein festes Aluminium auf den Schmelzpunkt erhitzt wird und ob gegebenenfalls noch während des Abgiessens Wärmeenergie zugeführt wird.
Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens können unmittelbar aus Hüttenaluminium Aluminiumdrähte mit günstigen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, wobei die Aluminiumdrähte im wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften aufweisen, wie die nach den bekannten Verfahren aus den besten Rohstoffen hergestellten und in der Kabelindustrie verwendeten Drähte, jedoch ist bei den erfindungsgemäss hergestellten Drähten die Dauerbiegezahl bedeutend höher als bei den bekannten Aluminiumdrähten und nach einmaliger, einfacher Wärmebehandlung nähert sich diese jener der Kupferdrähte. Unter diesem Gesichtspunkt können die Aluminium- und Kupferdrähte sogar gleichwertig sein.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachstehend an einem Beispiel näher erläutert.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird Hüttenaluminium mit zumindest 99, 3%igem Al-Gehalt vergossen. Der Schmelzpunkt des Hüttenaluminiums ist von der Zusammensetzung abhängig und liegt zwischen 640 und 660 C.
Die Zusammensetzung ist beispielsweise die nachfolgende :
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<tb>
<tb> Gehalt, <SEP> %, <SEP> in
<tb> Komponente <SEP> Muster <SEP> 1 <SEP> Muster <SEP> 2
<tb> Al <SEP> 99,40 <SEP> 99,30
<tb> Fe <SEP> 0, <SEP> 35 <SEP> 0, <SEP> 35 <SEP>
<tb> Si <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 0, <SEP> 10
<tb> Cu <SEP> 0, <SEP> 02 <SEP> 0, <SEP> 02 <SEP>
<tb> Ti <SEP> + <SEP> V <SEP> + <SEP> Mn <SEP> + <SEP> Cr <SEP> 0,02 <SEP> 0,02
<tb> Co <SEP> 0, <SEP> 09 <SEP> - <SEP>
<tb> Ni-0, <SEP> 18 <SEP>
<tb> andere <SEP> Elemente <SEP> 0,02 <SEP> 0,03
<tb>
Das Hüttenaluminium wird geschmolzen (oder als geschmolzener Stoff zur Drahtherstellung in einem Giessgefäss zur Verfügung gestellt). Von dem Hüttenaluminium wird eine Probe genommen und an dieser der Ablauf der Kühlung ausgehend von der flüssigen Phase festgestellt.
Zur Beobachtung des Kühlungsvorganges ist z. B. die Methode der Differential-Thermoanalyse verwendbar, wobei die langsame Kühlung, nötigenfalls auch mittels Energiezuführung, gesichert wird, um die Beobachtungsbedingungen zu verbessern. Um die Einzelheiten des Kühlungsprozesses besser beobachten zu können, ist es zweckmässig, eine Kühlungsgeschwindigkeit von etwa 8 K/min zu verwenden. Während der langsamen Kühlung können zwei exothermische Prozesse im Temperaturbereich vom Schmelzpunkt bis 620 C beobachtet werden, von denen der erste, wie oben beschrieben wurde, der Ausscheidung der die elektrischen Eigenschaften bestimmenden Aluminiummatrix entspricht.
Bei diesem kann bei einer bestimmten Temperatur die maximale Wärmeabgabe beobachtet werden.
Diese Temperatur wird weiters als Maximalpunkt bezeichnet. Nach dem so festgelegten Temperaturpunkt des Prozesses wird, noch im Temperaturbereich des ersten exothermischen Prozesses, ein Temperaturwert bestimmt, der als Anfangspunkt der Beschleunigung der Kühlung gilt, und zweckmässig der 90%igen Ausbildung der Aluminiummatrix entspricht. Der zweite exothermische Prozess spielt unter dem Gesichtspunkt der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens keine Rolle.
Während des kontinuierlichen Vergiessens kühlt sich der flüssige Rohstoff der Drähte zuerst bei Betriebsbedingungen ab, die im allgemeinen-unter Berücksichtigung der Abmessungen des vergossenen Stoffes - eine Kühlungsgeschwindigkeit unter 200 K/s gewährleisten. Im Gussstrom ist jener Punkt leicht zu bestimmen, wo die Temperatur des Aluminiums einen unter dem Maximalpunkt im Bereich des ersten exothermischen Prozesses liegenden Wert annimmt. Hier soll eine Kühlung unter Anwendung der gut bekannten Kühlungsmöglichkeiten (z. B. den Gussstrom in einem Ölregen führen), mit solcher Kühlungsgeschwindigkeit gesichert werden, die zumindest 2, 5mal so gross ist wie die Geschwindigkeit der bei den gegebenen Bedingungen stattfindenden natürlichen Kühlung. Der Wert der Kühlungsgeschwindigkeit ist vorteilhaft mit 103 K/s zu wählen.
Aus dem durch Kühlung erhaltenen festen Stoff kann der Aluminiumdraht mittels üblicher technologischer Schritte hergestellt werden.
Beispiel : Zur Herstellung von Aluminiumdrähten wird als Halbzeug ein Stab mit dem in der Technologie des Aluminiumgiessens gut bekannten Properzi-Verfahren hergestellt. Nach dem bekannten Verfahren wird das flüssige Aluminium auf die Oberfläche eines sogenannten Properzischen Rads gegossen, auf dem eine Mulde ausgebildet ist. Unter der Oberfläche des Rads ist eine Kühlwasser enthaltende Rohrleitung angeordnet, die zur Kühlung der Oberfläche dient.
In dem beispielsweise verwirklichten Verfahren wird das sich drehende Properzische Rad zur Herstellung eines Stabes mit 50 mm Durchmesser verwendet. Das das flüssige Aluminium enthaltende Giessgefäss wird so angeordnet, dass sein Austritt über dem höchsten Punkt des Properzischen Rads in einer entsprechenden Höhe liegt. Damit ist gewährleistet, dass der ausfliessende Aluminiumstrom die Oberfläche des Rads möglichst genau mit einer vorbestimmten, vom Hüttenalu-
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so das halbfeste Aluminium, das auf die Oberfläche des Rads auftrifft, sofort einer Kühlung mit der notwendigen hohen Kühlungsgeschwindigkeit unterworfen. Durch Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur des Wassers können die Kühlungsbedingungen geringfügig verändert werden.
Der erhaltene Stab von 50 mm Durchmesser wird weiters auf übliche Weise verarbeitet. Die Qualität der herzustellenden Drähte verbessert sich, wenn der Stab vor den technologischen Schritten der Drahtherstellung einem einmaligen Weichglühen unterworfen wird, d. h., während einer bestimmten Zeitdauer der Einwirkung einer Temperatur von 170 bis zu 2900C ausgesetzt wird. Die Zeitdauer dieser Wärmebehandlung hängt von der verwendeten Temperatur ab, und liegt zwischen 0, 2 bis 2 h ; je höher die Temperatur ist, desto kürzer dauert das Weichglühen.
Die Untersuchungen beweisen, dass die Zugfestigkeit der mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Drähte von 0, 5 bis 1, 0 mm Durchmesser die folgenden Werte aufweist : ohne Weichglühen
Muster 1 : 230 - 260 N/mm2
Muster 2 : 240 - 260 N/mm2 nach Weichglühen im Temperaturbereich von 170 bis 290 C
Muster 1 : 90 - 100 N/mm2
Muster 2 : 90 - 105 N/mm2
Im Vergleich mit den aus Aluminium von 99, 5%iger Reinheit durch die bekannten Verfahren hergestellten Drähte sind diese Werte um etwa 30 bis 40% höher. Die Dauerbiegezahl hat ohne
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fahren hergestellten Aluminiumdrähten erhaltenen Werte um ein Vielfaches und können sogar mit jenen Kupferdrähte charakterisierenden Werten von 20 bis 24 verglichen werden.
Der spezifische Widerstand der erfindungsgemäss hergestellten Aluminiumdrähte beträgt
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Aluminiumdrähten üblich gemessenen Widerstandswerte, und sind bedeutend niedriger als der spezifische Widerstand der AlMgSi-Legierungen.
Die Untersuchungen beweisen, dass die mittels des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahrens hergestellten Aluminiumdrähte die günstigen und für das Aluminium höherer Reinheit charakteristischen Werte der elektrischen Parameter und gleichzeitig eine bedeutende Verbesserung der mechanischen Parameter gewährleisten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Aluminiumdrähten, wobei ein höchstens 0, 7% Verunreinigungen enthaltendes geschmolzenes Hüttenaluminium in einem kontinuierlichen Strom vergossen und zur Erstarrung gebracht wird, danach aus dem festen Stoff ein Draht hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturbereich eines die Ausbildung einer die elektrischen Eigenschaften des festen Hüttenaluminiums bestimmender Aluminiummatrix begleitenden exothermischen Prozesses festgelegt wird, dass die Wärmeabgabe während des exothermischen Prozesses festgestellt wird und dass der zur maximalen Wärmeabgabe gehörende Maximalpunkt bestimmt wird,
dass beim Vergiessen die Temperatur des Hüttenaluminiums überwacht wird und dass bei einer im Temperaturbereich unter dem Maximalpunkt liegenden Temperatur das Hüttenaluminium mit einem Kühlmittel solcher Wärmekapazität in Berührung gebracht wird, dass seine Abkühlung mit zumindest 2, 5mal so hoher Geschwindigkeit erfolgt als während der unter gegebenen Bedingungen stattfindenden spontanen Erstarrungsprozesse.