Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hitzebeständige Aluminiumlegierung sowie auf deren Verwendung zur Herstellung von elektrischen Leitern, insbesondere von Leitern, die entweder allein aus Aluminiumlegierung hergestellt oder von solchen, die zur Verwendung als Frei- und Verteilungsleitungen stahlverstärkt sind, wie auch von verschiedenen anderen Leiterarten für elektrische Maschinen und Geräte.
Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass Aluminiumlegierungen mit einem sehr geringen Gehalt an Zirkonium mit einem gewissen Erfolg zur Herstellung von elektrischen Leitungsdrähten und Kabeln und in verschiedenen elektrischen Maschinen und Geräten eingesetzt werden können, da sie eine hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Festigkeit aufweisen. Hierbei trat jedoch stets die grosse Schwierigkeit auf, eine hitzebeständige Aluminiumlegierung von dauerhafter Wärmefestigkeit zu schaffen, ohne die elektrische Leitfähigkeit dieser Aluminium/Zirkonium-Legierung wesentlich herabzusetzen.
Zur Behebung dieses Nachteils wurde in der USA Patentschrift 3 278 300 vorgeschlagen, die Wärmefestigkeit einer Aluminium/Zirkonium-Legierung durch Zusatz von 0,6-3,0% von einem oder mehreren der seltenen Erdemetalle, hauptsächlich Mischmetall, zu erhöhen. Derartige Legierungen zeigen jedoch den Nachteil, dass sie in einem relativ niedrigen Temperaturbereich von 100-1600C wohl eine hervorragende Wärmefestigkeit aufweisen, die jedoch im Temperaturbereich von 200-2800C, wie er nun in den Spezifikationen für Wärmefestigkeitseigenschaften von Materialien zur Herstellung von elektrischen Leitern und dergleichen vorgeschrieben wird, nicht befriedigt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Aluminiumlegierung hoher Wärmefestigkeit ohne wesentlichen Verlust an elektrischer Leitfähigkeit, die durch Zusatz eines sehr geringen Anteils an Yttrium und/oder Erbium zu einer Aluminium/Zirkonium-Legierung erhalten wird.
Die erfindungsgemässe Aluminiumlegierung enthält 0,01 0,5 LTC Zirkonium und 0,0005-0,08% Yttrium und/oder 0,0003-0,08% Erbium.
In bezug auf den Yttriumzusatz ist es bekannt, dass die Wärmefestigkeit von Aluminium durch Zusatz von Yttrium verbessert wird. Verglichen mit einer Zirkonium enthaltenden Legierung ist diese Legierung jedoch, obwohl sie eine bessere elektrische Leitfähigkeit aufweist, viel weniger warmfest.
Es wurden laufend nicht nur die verschiedenen Komponenten von Mischmetall erforscht, sondern auch alle anderen, für Legierung mit Zirkonium in Frage kommenden Elemente.
Dabei wurde gefunden, dass Yttrium und Erbium in sehr geringen Zusatzmengen die Wärmefestigkeit einer Aluminium/Zirkonium-Legierung beträchtlich verbessern, ohne deren elektrische Leitfähigkeit nachteilig zu beeinflussen.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Entdeckung, dass Yttrium und Erbium, anders als die gewöhnlichen seltenen Erdemetalle, aufgrund ihrer hohen Aktivität eine bemerkenswerte Wirkung zur Verbesserung der Wärmefestigkeit zeigen, ohne, zumindest bei sehr geringen Mengenanteilen, die elektrische Leitfähigkeit herabzusetzen.
Die Einschränkung des Zirkoniumgehalts in der erfindungsgemässen Legierung erfolgt aus den bereits aus dem Stande der Technik bekannten Gründen. Wenn der Zirkoniumgehalt weniger als 0,01% beträgt, ist die Beeinflussung der Wärmefestigkeit unbedeutend, Während bei einem Gehalt von mehr als 0,5% die Wirkung zur Herabsetzung der elektrischen Leitfähigkeit diejenige zur Verbesserung der Wärmefestigkeit überflügelt.
Ein Gehalt von weniger als 0,0005 O/o Yttrium wirkt sich auf die Verbesserung der Wärmefestigkeit kaum aus, während ein Gehalt von mehr als 0,08 wo nicht nur die elektrische Leitfähigkeit herabsetzt, sondern auch graduell weniger wirksam in bezug auf die Verbesserung der Wärmefestigkeit wird und sich zudem von Kostenstandpunkt aus unvorteilhaft auswirkt.
Dieselben Überlegungen gelten für die untere und obere Grenze des in der erfindungsgemässen Legierung definierten Erbiumgehaltes.
Während in der vorstehend genannten US Patentschrift eine Zusatzmenge von 0,6-3,0% an seltenen Erdemetallen offenbart wird, wird in der erfindungsgemässen Legierung das angestrebte Ziel mit sehr geringen Zusatzmengen Yttrium und/ oder Erbium erreicht. Es wird angenommen, dass Yttrium und Erbium eine qualitativ unterschiedliche Wirkung ergeben.
Die erfindungsgemässe Legierung kann durch gleiche Giessund Bearbeitungsverfahren hergestellt werden, wie die bekannten, bisher zur Herstellung von elektrischen Leitungen verwendeten Aluminiumlegierungen. Das heisst, das Aluminium wird beispielsweise auf die übliche Art geschmolzen, danach die benötigten Mengenanteile Zirkonium und Yttrium und/oder Erbium zur Schmelze gegeben und diese gegossen und bearbeitet. Aluminium für elektrische Verwendungszwecke wird beispielsweise geschmolzen, dann eine Stammlegierung von Aluminium mit 3 % Zirkonium und einem Gehalt an Yttrium und/oder Erbium zugegeben, in der Grundschmelze geschmolzen und diese danach gegossen. In der erfindungsgemässen Legierung sind die üblichen Verunreinigungen aus beispielsweise Fe, Si, Mg, Zn, B, V, Ti, Mn, Cr, Cu, Sb, Be etc., ohne weiteres zulässig.
Beispiel 1
Aluminium für elektrische Verwendungszwecke wurde unter Zusatz von einer Stammlegierung aus Aluminium mit 3% Zirkonium und Yttrium in variierenden Mengenanfeilen geschmolzen und bei ungefähr 700ob in eine Metallform von 25 mm Durchmesser gegossen. Das erhaltene Gusstück wurde bei 500ob auf einen Durchmesser von 19 mm gewalzt und danach maschinell kalt zu einem Draht von 4 mm Durchmesser gezogen, wobei sich eine Reduktion der Querschnittsfläche um ungefähr 95% ergab.
Die Zusammensetzung der verschiedenen erfindungsgemässen Legierungen sowie von Vergleichs- und bekannten Legierungen sowie die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der daraus gezogenen Drähte sind in der nachstehenden Tabelle 1 vergleichsweise zusammengefasst.
In den nachstehenden Tabellen steht das prozentuale Restwertverhältnis für den Wert, der erhalten wird, wenn die Zugfestigkeit des Prüflings nach einer Wärmebehandlung während 1 h bei 280ob durch dessen Zugfestigkeit vor der Wärmebehandlung dividiert und das erhaltene Resultat mit 100 multipliziert wird. Die Messlänge bei der Bestimmung der Bruchdehnung betrug 250 mm. Die in den Tabellen angeführten Prüfresultate sind Durchschnittswerte aus fünf Messungen.
Die elektrische Leitfähigkeit ist im nachstehenden in % IACS (International Annealed Copper Standard) angegeben.
Die in den nachstehenden Legierungen 12-21 sind in folgenden Druckschriften beschrieben: 12-15: von R. H. Harington, in Trans. A. S. M. , Bd. 41,
Kapitel 19 und von Yanagizawa, Nakamura, Matsuo,
Tsunatani, in The Light Metal , (Japan), Nr. 20 (1956), 68; 16-18: von Munakata, Oasa, in The Sumitomo Electric (Japan), 1966; 19-21: in der USA Patentschrift 3 278 300.
Tabelle 1
Versuch Zusammensetzung der Legierungen Zugfestigkeit Bruch- elektr. Zugfestig- Restwert (analytische Werte), % kg/mmê dehnung Leitfähig- keit verhätnis % keit nach Hitze- % % behandlung kg/mmê
Zr Y Misch metalle erfindungs- 1 0,04 0,0006 - 17,8 2,1 60,9 13,3 74,8 gemässe Legierungen
2 0,04 0,005 - 17,9 2,6 60,9 13,6 76,0
3 0,04 0,01 - 17,9 2,3 60,9 13,8 77,0
4 0,04 0,04 - 17,8 2,5 60,9 14,1 79,2
5 0,04 0,06 - 17,9 2,6 60,8 14,0 77,7
6 0,10 0,004 - 18,0 2,7 58,7 16,1 90,6
7 0,10 0,07 - 18,0 2,6 58,6 16,4 91,2
8 0,30 0,05 - 18,9 2,9 54,5 18,3 96,8 Vergleichs- 9 0,04 0,09 - 17,9 2,6 60,7 13,9 77,6 legierungen
10 0,10 0,10 - 18,2 2,6 58,5 16,4 90,1 Versuch Zusammensetzung der Legierungen Zugfestigkeit Bruch- elektr.
Zugfestig- Restwert (analytische Werte), % kg/mmê dehnung Leitfähig- keit verhätnis % keit nach Hitze- % % behandlung kg/mmê
Zr Y Misch metalle
11 0,30 0,19 - 19,0 2,4 54,0 18,1 95,1 bekarnte 12 0,04 - - 17,8 2,3 60,9 13,1 73,5 Legierungen
13 0,06 - - 17,9 2,4 60,1 14,0 78,1
14 0,10 - - 18,0 2,2 58,7 15,6 86,6
15 0,30 - - 18,7 2,4 53,6 17,8 95,2
16 - 0,05 - 17,9 2,6 62,3 12,0 67,0
17 - 0,10 - 18,3 2,6 62,1 12,4 67,8
18 - 0,60 - 21,1 2,8 60,6 12,5 59,2
19 0,04 - 0,07 17,9 2,1 60,7 13,1 73,5
20 0,04 - 0,20 18,1 2,0 60,5 13,3 73,2
21 0,10 - 0,20 18,2 2,1 58,2 15,7 86,7
Aus Tabelle 1 sind die Vorteile der erfindungsgemässen Legierung klar ersichtlich.
Bei einem Zirkoniumgehalt von 0,04% beträgt das Restwertverhältnis (Wärmefestigkeit) der erfindungsgemässen Legierung aus den Versuchen 1-5 ungefähr 75 % oder dar über, dasjenige der bekannten Legierung aus Versuch 12 dagegen 73,5%. Hieraus geht hervor, dass die Wärmefestigkeit der erfindungsgemässen Legierung stark verbessert ist, ohne die elektrische Leitfähigkeit, welche bei ungefähr 60,9% liegt, praktisch zu beeinflussen. Vergleich mit der bekannten Legierung aus Versuch 13 mit erhöhtem Zirkoniumgehalt zeigt die Überlegenheit der erfindungsgemässen Legierung in bezug auf die elektrische Leitfähigkeit.
Die bekannten Aluminium/Zirkonium-Legierungen zeigten die gegeneinander gerichteten Neigungen, dass bei Erhöhung des Zirkoniumgehalts zur Verbesserung der Wärmefestigkeit die elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt wird. Bei der erfindungsgemässen Legierung ist es dagegen möglich, die Wärmefestigkeit unter Erhaltung einer konstanten elektrischen Leitfähigkeit zu erhöhen.
Vergleich der erfindungsgemässen Legierung aus den Versuchen 6 und 7 mit der bekannten Legierung des Versuchs 14 zeigt, dass selbst bei einem Zirkoniumgehalt von 0,1% gleiche Wirkung eintritt, d. h. eine Erhöhung des Restwertverhältnisses von 86,6% auf 91,2% bzw. 90,6%. Bei Vergleich der erfindungsgemässen Legierung aus Versuch 8 mit der bekannten Legierung aus Versuch 15 ist ersichtlich, dass bei einem Zirkoniumgehalt von 0,3 % in der erfindungsgemässen Legierung eine Verbesserung sowohl der elektrischen Leitfähigkeit als auch der Wärmefestigkeit auftritt.
Zum Vergleich mit bekannten Aluminium/Yttrium-Legierungen wurden die erfindungsgemässen Legierungen der Versuche 1-5, deren Restwertverhältnisse 74-79% und elektrischen Leitfähigkeiten ungefähr 60,9% betragen, mit bekannten Legierungen aus den Versuchen 16-18 verglichen, deren Restwertverhältnisse im Bereich von 59-67% und elektrischen Leitfähigkeiten im Bereich von 60-62% liegen. Dies zeigt eine deutliche Verbesserung der erfindungsgemässen Legierung in bezug auf die Hitzebeständigkeit.
Unter Verwendung einer Aluminium/Zirkonium-Legierung als Basis wurde die unterschiedliche Wirkung zwischen der Verwendung von Yttrium in der erfindungsgemässen Legierung und den in der vorstehend genannten US Patentschrift offenbarten seltenen Erdemetallen, insbesondere Mischmetall, abgeklärt. Da die Legierungsverhältnisse von Grund auf differieren, wurden die Zirkoniumanteile für die Vergleichsversuche gleichgestellt. Bei einem Zirkoniumgehalt von 0,04% zeigen die erfindungsgemässen Legierungen der Versuche 2-4 Restwertverhältnisse von 76,0%, 77,0% bzw. 79,2% und elektrische Leitfähigkeit von 60,9%, während die bekannten Legierungen der Versuche 19 und 20 ein Restwertverhältnis von 73,5 bzw. 73,2 und elektrische Leitfähigkeiten von 60,7 bzw. 60,5 aufweisen.
Bei einem Zirkoniumgehalt von 0,1% zeigen die erfindungsgemässen Legierungen aus den Versuchen 6 und 7 Restwertverhältnisse von 90,6% bzw. 91,2% und elektrische Leitfähigkeiten von 56,7% bzw. 58,6%, die bekannte Legierung aus Versuch 21 dagegen ein Restwertverhältnis von 86,7% und eine elektrische Leitfähigkeit von 58,2%.
Daraus ergibt sich in allen Fällen eine Überlegenheit der erfindungsgemässen Legierung, und es ist festzustellen, dass Yttrium in einem geringeren Mengenanteil als dem normalerweise für Mischmetall benötigten, immer noch wirksamer ist als Mischmetall.
Die in Tabelle 1 angeführten Vergleichslegierungen sind All Zr/Y-Legierungen wie die erfindungsgemässen Legierungen, sind jedoch von anderer Zusammensetzung, d. h., der Yttriumgehalt ist höher als 0,08 %. Vergleich auf Basis gleichen Zirkoniumgehaltes, beispielsweise der erfindungsgemässen Legierung aus Versuch 5 mit der Vergleichslegierung aus Versuch 9, oder der erfindungsgemässen Legierung aus Versuch 8 mit der Vergleichslegierung aus Versuch 11, zeigen die Vergleichslegierungen, deren elektrische Leitfähigkeit natürlich geringer ist, eine Neigung zu tieferen Restwertverhältnissen.
Aus den vorstehenden Versuchen ist klar ersichtlich, dass ein sehr geringer Zusatz von Yttrium zu Aluminium/Zirkonium-Legierungen deren Hitzebeständigkeit stark verbessert, ohne deren elektrische Leitfähigkeit wesentlich zu beeinflussen.
Beispiel 2
Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass anstelle von Yttrium Erbium verwendet wurde.
Die Zusammensetzungen der Legierungen und die an den Prüfdrähten ermittelten Resultate sind in der nachstehenden Tabelle 2 zusammengefasst.
Tabelle 2
Versuch Zusammensetzung der Legierungen Zugfestigkeit Bruch- elektr. Zugfestig- Restwert (analytische Werte), % kg/mmê dehnung Leitfähig- keit verhätnis % keit nach Hitze- % % behandlung kg/mmê
Zr Er erfindungsgemässe 22 0,04 0,0005 18,0 2,4 60,9 13,6 75,5 Legierungen
23 0,04 0,003 18,1 2,6 60,9 14,0 77,2
24 0,04 0,009 17,9 2,4 60,9 14,3 80,0
25 0,04 0,05 18,2 2,5 60,8 14,0 77,0
26 0,10 0,004 18,2 2,4 58,7 16,4 90,2
27 0,10 0,04 18,2 2,7 58,6 16,4 90,5
28 0,31 0,03 18,9 2,8 54,5 18,4 97,2 Vergleichs- 29 0,04 0,10 18,1 2,3 60,5 13,9 76,7 legietungen
30 0,10 0,10 18,3 2,6 58,4 16,4 89,5
31 0,30 0,19 19,1 2,6 54,0 18,0 94,2
Bei Vergleich der erfindungsgemässen Legierungen aus den Versuchen 22-28 mit den Vergleichslegierungen der Versuche 29 und 30 der Tabelle 2 und mit den bekannten Legierungen aus den Versuchen 12-18 in Tabelle 1 sind die Vorteile
der erfindungsgemässen Legierung offensichtlich.
Bei einem Zirkoniumgehalt von 0,04% zeigen die erfindungsgemässen Legierungen aus den Versuchen 22-25 ein Restwertverhältnis im Bereich von 75-80%, während die bekannte Legierung aus Versuch 12 gemäss Tabelle 1 ein Restwertverhältnis von 73,51wo aufweist. Hieraus geht hervor, dass die Wärmefestigkeit der erfindungsgemässen Legierung deutlich verbessert wurde, ohne die elektrische Leitfähigkeit, welche bei ungefähr 60,9% liegt, praktisch zu beeinflussen.
Vergleich mit der bekannten Legierung aus Versuch 13 gemäss Tabelle 1 mit erhöhtem Zirkoniumgehalt beweist, dass die erfindungsgemässe Legierung hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit vorteilhaft ist.
Bei den bekannten Aluminium/Zirkonium-Legierungen besteht, wie bereits erwähnt, die gegeneinanderwirkende Tendenz, dass bei Erhöhung des Zirkoniumgehalts zur Verbesserung der Wärmefestigkeit, eine Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit eintritt. Bei der erfindungsgemässen Legierung dagegen wird die Wärmefestigkeit unter Erhaltung einer konstanten elektrischen Leitfähigkeit erhöht.
Vergleich der erfindungsgemässen Legierungen aus den Versuchen 26 und 27 mit der bekannten Legierung aus Versuch 14 gemäss Tabelle 1 zeigt, dass bei erhöhtem Zirkoniumgehalt von 0,1% die gleiche Wirkung, nämlich eine Erhöhung des Restwertverhältnisses von 86,6% auf 90,2% bzw. 90,5% eintritt. Bei einem Zirkoniumgehalt im Bereich von 0,3 % werden in der erfindungsgemässen Legierung sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die Wärmefestigkeit verbessert, was aus dem Vergleich zwischen der erfindungsgemässen Legierung aus Versuch 28 mit der bekannten Legierung aus Versuch 15 gemäss Tabelle 1 hervorgeht.
Ausgehend von einer Aluminium/Zirkonium-Legierung wurde die unterschiedliche Auswirkung von Erbium in der erfindungsgemässen Legierung und den seltenen Erdemetallen, insbesondere Mischmetall, gemäss vorstehend genannter US-Patentschrift untersucht. Da die Mengenanteile von Grund auf verschieden sind, wurde für Vergleichszwecke ein konstanter Zirkoniumgehalt gewählt. Bei einem Zirkoniumgehalt von 0,04% der erfindungsgemässen Legierungen aus den Versuchen 22-24 zeigen diese Restwertverhältnisse von 75,5 %, 77,2% bzw. 80,0% bei einer elektrischen Leitfähigkeit von 60,9 %, während die bekannten Legierungen aus den Versuchen 19 und 20 gemäss Tabelle 1 Restwertverhältnisse von 73,5wo bzw. 73,2% und elektrische Leitfähigkeiten von 60,7% bzw. 60,5 % aufweisen.
Die erfindungsgemässen Legierungen mit einem Zirkoniumgehalt von 0,1% aus den Versuchen 26 und 27 zeigen Restwertverhältnisse von 90,2% bzw. 90,5 % und elektrische Leitfähigkeiten von 58,7% bzw.58,6%, während die bekannte Legierung aus Versuch 21 gemäss Tabelle 1 ein Restwertverhältnis von 86,7% und eine elektrische Leitfähigkeit von 58,2% aufweist. Aus diesen Vergleichen geht hervor, dass die erfindungsgemässe Legierung in allen Fällen überlegen ist, wobei hervorzuheben ist, dass Erbium in einem Mengenanteil, der unterhalb dem üblichen Anteil an Mischmetall liegt, wirksamer ist als Mischmetall.
Die Vergleichslegierungen in Tabelle 2 sind gleich wie die erfindungsgemässen Legierungen auf Basis von Aluminium, Zirkonium und Erbium, jedoch in unterschiedlichen Legierungsverhältnissen mit einem Erbiumgehalt oberhalb 0,08%.
Vergleich auf Basis gleichen Zirkoniumgehalts, beispielsweise der erfindungsgemässen Legierung aus Versuch 25 mit der Vergleichslegierung aus Versuch 29, oder der erfindungsgemässen Legierung aus Versuch 27 mit der Vergleichslegierung aus Versuch 30 zeigt, dass die Vergleichslegierungen, welche natürlich eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweisen, zu geringeren Restwertverhältnissen neigen.
Aus den vorstehenden Vergleichsversuchen geht klar hervor, dass der sehr geringe Gehalt an Erbium in den erfindungsgemässen Aluminium/Zirkonium-Legierungen die Hitzebeständigkeit der Legierungen stark verbessert, ohne deren elektrische Leitfähigkeit nachteilig zu beeinflussen.
Beispiel 3
Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass der Legierung sowohl Erbium als auch Yttrium zusammen in variierenden Legierungsverhältnissen zugesetzt wurden.
Die Zusammensetzungen der verschiedenen Legierungen und die an den daraus hergestellten Versuchsdrähten ermittelten Prüfresultate sind in der nachstehenden Tabelle 3 zusammengefasst.
Tabelle 3
Versuch Zusammensetzung der Legierungen Zugfestigkeit Bruch- elektr. Zugfestig- Restwert (analytische Werte), % kg/mmê dehnung Leitfähig- keit verhätnis % keit nach Hitze- % % behandlung kg/mmê
Zr Y Er erfindungsgemässe 31 0,04 0,01 0,002 18,1 2,6 60,9 14,4 79,5 Legierungen
32 0,04 0,001 0,011 18,2 2,3 60,9 14,7 80,9
33 0,10 0,01 0,01 18,3 2,6 58,7 16,5 90,5
Vergleich der erfindungsgemässen Legierung aus den Versuchen 31-33 mit den bekannten Legierungen aus den Versuchen 12 und 14 gemäss Tabelle 1 zeigt, dass der gemeinsame Zusatz von sehr geringen Mengenanteilen Yttrium und Erbium die Hitzebeständigkeit der erhaltenen Legierungen stark erhöht, ohne die elektrische Leitfähigkeit nachteilig zu beeinflussen.
Der Grund, warum von zahlreichen Mischmetallen nur Yttrium und Erbium eine so grbsse Wirkung zeigen, ist nicht vollständig abgeklärt. Es wird jedoch angenommen, dass der Wirkungsmechanismus von sehr geringen Mengenanteilen Yttrium und/oder Erbium in Aluminium zur Unterstützung der die Hitzebeständigkeit erhöhenden Wirkung von Zirkonium auf deren Kombination mit in der Legierung vorhandenen Hohlräumen oder dergleichen beruhe.