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.
The present invention relates to a heat-resistant aluminum alloy and to its use for the production of electrical conductors, in particular of conductors which are either made solely of aluminum alloy or of those which are steel-reinforced for use as overhead and distribution lines, as well as various other types of conductors for electrical machines and devices.
It has been known for some time that aluminum alloys with a very low content of zirconium can be used with some success in the manufacture of electric wires and cables and in various electric machines and devices because they have high electric conductivity and high strength. Here, however, there was always the great difficulty of creating a heat-resistant aluminum alloy with permanent heat resistance without significantly reducing the electrical conductivity of this aluminum / zirconium alloy.
To remedy this disadvantage, it was proposed in US Pat. No. 3,278,300 to increase the heat resistance of an aluminum / zirconium alloy by adding 0.6-3.0% of one or more of the rare earth metals, mainly misch metal. Such alloys, however, have the disadvantage that they may have excellent heat resistance in a relatively low temperature range of 100-1600C, but that in the temperature range of 200-2800C, as now in the specifications for heat resistance properties of materials for making electrical conductors and the like is prescribed, not satisfied.
The subject of the present invention is an aluminum alloy of high heat resistance without substantial loss of electrical conductivity, which is obtained by adding a very small proportion of yttrium and / or erbium to an aluminum / zirconium alloy.
The aluminum alloy according to the invention contains 0.01 0.5 LTC zirconium and 0.0005-0.08% yttrium and / or 0.0003-0.08% erbium.
With regard to the addition of yttrium, it is known that the heat resistance of aluminum is improved by adding yttrium. Compared with an alloy containing zirconium, however, this alloy, although it has better electrical conductivity, is much less heat resistant.
Not only the various components of mischmetal were continuously researched, but also all other elements that could be used for alloying with zirconium.
It was found that yttrium and erbium in very small added amounts improve the heat resistance of an aluminum / zirconium alloy considerably without adversely affecting its electrical conductivity.
The present invention is based on the discovery that yttrium and erbium, unlike the common rare earth metals, have a remarkable effect of improving heat resistance due to their high activity without, at least in very small proportions, lowering electrical conductivity.
The zirconium content in the alloy according to the invention is restricted for reasons already known from the prior art. When the zirconium content is less than 0.01%, the influence on the heat resistance is insignificant, while when it is more than 0.5%, the effect of lowering the electrical conductivity is superior to that of improving the heat resistance.
A content of less than 0.0005% yttrium has little effect on improving the heat resistance, while a content of more than 0.08 not only lowers the electrical conductivity but also gradually becomes less effective in improving the Heat resistance becomes and also has an unfavorable effect from a cost standpoint.
The same considerations apply to the lower and upper limit of the erbium content defined in the alloy according to the invention.
While an additional amount of 0.6-3.0% of rare earth metals is disclosed in the above-mentioned US patent, the desired goal is achieved in the alloy according to the invention with very small additional amounts of yttrium and / or erbium. It is assumed that yttrium and erbium produce a qualitatively different effect.
The alloy according to the invention can be produced by the same casting and machining processes as the known aluminum alloys previously used for producing electrical lines. This means that the aluminum is melted in the usual way, then the required proportions of zirconium and yttrium and / or erbium are added to the melt, which is then cast and processed. For example, aluminum for electrical purposes is melted, then a parent alloy of aluminum with 3% zirconium and a content of yttrium and / or erbium is added, melted in the base melt and this is then poured. In the alloy according to the invention, the usual impurities of, for example, Fe, Si, Mg, Zn, B, V, Ti, Mn, Cr, Cu, Sb, Be, etc., are readily permissible.
Example 1
Aluminum for electrical use was melted with the addition of a parent alloy of aluminum with 3% zirconium and yttrium in varying proportions and poured into a metal mold 25 mm in diameter at about 700ob. The casting obtained was rolled at 500ob to a diameter of 19 mm and then cold-drawn by machine to give a wire with a diameter of 4 mm, the cross-sectional area being reduced by approximately 95%.
The composition of the various alloys according to the invention and of comparative and known alloys and the electrical and mechanical properties of the wires drawn therefrom are comparatively summarized in Table 1 below.
In the tables below, the residual value percentage is the value obtained when the tensile strength of the test specimen after heat treatment for 1 hour at 280ob is divided by its tensile strength before the heat treatment and the result obtained is multiplied by 100. The measuring length when determining the elongation at break was 250 mm. The test results listed in the tables are average values from five measurements.
The electrical conductivity is given below in% IACS (International Annealed Copper Standard).
The alloys 12-21 in the following are described in the following documents: 12-15: by R. H. Harington, in Trans. A. S. M., Vol. 41,
Chapter 19 and from Yanagizawa, Nakamura, Matsuo,
Tsunatani, in The Light Metal, (Japan), No. 20 (1956), 68; 16-18: from Munakata, Oasa, in The Sumitomo Electric (Japan), 1966; 19-21: U.S. Patent 3,278,300.
Table 1
Test composition of alloys tensile strength fracture electr. Tensile strength residual value (analytical values),% kg / mmê elongation conductivity ratio% after heat-%% treatment kg / mmê
Zr Y mixed metals according to the invention 1 0.04 0.0006 - 17.8 2.1 60.9 13.3 74.8 according to alloys
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 comparative 9 0.04 0.09 - 17.9 2.6 60.7 13.9 77.6 alloys
10 0.10 0.10 - 18.2 2.6 58.5 16.4 90.1 Test Composition of the alloys Tensile strength Breaking electr.
Tensile strength residual value (analytical values),% kg / mmê elongation conductivity ratio% after heat-%% treatment kg / mmê
Zr Y mixed metals
11 0.30 0.19 - 19.0 2.4 54.0 18.1 95.1 reveals 12 0.04 - - 17.8 2.3 60.9 13.1 73.5 alloys
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
Table 1 clearly shows the advantages of the alloy according to the invention.
With a zirconium content of 0.04%, the residual value ratio (heat resistance) of the alloy according to the invention from experiments 1-5 is approximately 75% or more, while that of the known alloy from experiment 12 is 73.5%. It can be seen from this that the heat resistance of the alloy according to the invention is greatly improved without practically influencing the electrical conductivity, which is approximately 60.9%. Comparison with the known alloy from Experiment 13 with an increased zirconium content shows the superiority of the alloy according to the invention with regard to electrical conductivity.
The known aluminum / zirconium alloys showed the mutually directed tendencies that when the zirconium content is increased to improve the heat resistance, the electrical conductivity is reduced. In the case of the alloy according to the invention, on the other hand, it is possible to increase the heat resistance while maintaining a constant electrical conductivity.
Comparison of the alloy according to the invention from tests 6 and 7 with the known alloy from test 14 shows that the same effect occurs even with a zirconium content of 0.1%, i.e. H. an increase in the residual value ratio from 86.6% to 91.2% or 90.6%. When comparing the alloy according to the invention from Experiment 8 with the known alloy from Experiment 15, it can be seen that with a zirconium content of 0.3% in the alloy according to the invention there is an improvement in both the electrical conductivity and the heat resistance.
For comparison with known aluminum / yttrium alloys, the alloys according to the invention from experiments 1-5, whose residual value ratios are 74-79% and electrical conductivities approximately 60.9%, were compared with known alloys from experiments 16-18, whose residual value ratios were in the range of 59-67% and electrical conductivities in the range of 60-62%. This shows a clear improvement of the alloy according to the invention with regard to the heat resistance.
Using an aluminum / zirconium alloy as the basis, the different effect between the use of yttrium in the alloy according to the invention and the rare earth metals, in particular misch metal, disclosed in the above-mentioned US patent was clarified. Since the alloy ratios differ fundamentally, the zirconium proportions were put on an equal footing for the comparative tests. With a zirconium content of 0.04%, the alloys according to the invention of tests 2-4 show residual value ratios of 76.0%, 77.0% and 79.2% and electrical conductivity of 60.9%, while the known alloys of tests 19 and 20 have a residual ratio of 73.5 and 73.2 and electrical conductivities of 60.7 and 60.5, respectively.
With a zirconium content of 0.1%, the alloys according to the invention from experiments 6 and 7 show residual value ratios of 90.6% and 91.2% and electrical conductivities of 56.7% and 58.6%, the known alloy from experiment 21, on the other hand, has a residual value ratio of 86.7% and an electrical conductivity of 58.2%.
This results in a superiority of the alloy according to the invention in all cases, and it is to be noted that yttrium in a smaller proportion than that normally required for misch metal is still more effective than misch metal.
The comparison alloys listed in Table 1 are all Zr / Y alloys like the alloys according to the invention, but have a different composition, i.e. that is, the yttrium content is greater than 0.08%. Comparison based on the same zirconium content, for example the alloy according to the invention from Experiment 5 with the comparison alloy from Experiment 9, or the alloy according to the invention from Experiment 8 with the comparison alloy from Experiment 11, the comparison alloys, whose electrical conductivity is naturally lower, show a tendency to lower residual value ratios .
It is clear from the above experiments that a very small addition of yttrium to aluminum / zirconium alloys greatly improves their heat resistance without significantly affecting their electrical conductivity.
Example 2
Example 1 was repeated with the exception that erbium was used instead of yttrium.
The compositions of the alloys and the results obtained on the test wires are summarized in Table 2 below.
Table 2
Test composition of alloys tensile strength fracture electr. Tensile strength residual value (analytical values),% kg / mmê elongation conductivity ratio% after heat-%% treatment kg / mmê
Zr Er 22 0.04 0.0005 18.0 2.4 60.9 13.6 75.5 alloys according to the invention
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 Comparative 29 0.04 0.10 18.1 2.3 60.5 13.9 76.7 rents
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
When comparing the alloys according to the invention from Tests 22-28 with the comparison alloys from Tests 29 and 30 in Table 2 and with the known alloys from Tests 12-18 in Table 1, the advantages are
of the alloy according to the invention obviously.
With a zirconium content of 0.04%, the alloys according to the invention from tests 22-25 show a residual value ratio in the range of 75-80%, while the known alloy from test 12 according to Table 1 has a residual value ratio of 73.51%. It can be seen from this that the heat resistance of the alloy according to the invention has been significantly improved without practically influencing the electrical conductivity, which is approximately 60.9%.
Comparison with the known alloy from Experiment 13 according to Table 1 with an increased zirconium content proves that the alloy according to the invention is advantageous with regard to electrical conductivity.
In the known aluminum / zirconium alloys, as already mentioned, there is a counteracting tendency that when the zirconium content is increased to improve the heat resistance, there is a decrease in the electrical conductivity. In the case of the alloy according to the invention, on the other hand, the heat resistance is increased while maintaining a constant electrical conductivity.
Comparison of the alloys according to the invention from tests 26 and 27 with the known alloy from test 14 according to Table 1 shows that with an increased zirconium content of 0.1% the same effect, namely an increase in the residual value ratio from 86.6% to 90.2% or 90.5% occurs. With a zirconium content in the range of 0.3%, both the electrical conductivity and the heat resistance are improved in the alloy according to the invention, which is evident from the comparison between the alloy according to the invention from Experiment 28 with the known alloy from Experiment 15 according to Table 1.
Starting from an aluminum / zirconium alloy, the different effects of erbium in the alloy according to the invention and the rare earth metals, in particular misch metal, were investigated in accordance with the above-mentioned US patent. Since the proportions are fundamentally different, a constant zirconium content was chosen for comparison purposes. With a zirconium content of 0.04% of the alloys according to the invention from tests 22-24, these residual value ratios show 75.5%, 77.2% and 80.0% with an electrical conductivity of 60.9%, whereas the known alloys from tests 19 and 20 according to Table 1 have residual value ratios of 73.5% and 73.2% and electrical conductivities of 60.7% and 60.5%, respectively.
The alloys according to the invention with a zirconium content of 0.1% from tests 26 and 27 show residual value ratios of 90.2% and 90.5% and electrical conductivities of 58.7% and 58.6%, while the known alloy from Experiment 21 according to Table 1 has a residual value ratio of 86.7% and an electrical conductivity of 58.2%. From these comparisons it can be seen that the alloy according to the invention is superior in all cases, whereby it should be emphasized that erbium is more effective than misch metal in a proportion which is below the usual proportion of misch metal.
The comparison alloys in Table 2 are the same as the alloys according to the invention based on aluminum, zirconium and erbium, but in different alloy ratios with an erbium content above 0.08%.
Comparison on the basis of the same zirconium content, for example the alloy according to the invention from Experiment 25 with the comparison alloy from Experiment 29, or the alloy according to the invention from Experiment 27 with the comparison alloy from Experiment 30 shows that the comparison alloys, which naturally have a lower electrical conductivity, have lower residual value ratios tend.
It is clear from the above comparison tests that the very low erbium content in the aluminum / zirconium alloys according to the invention greatly improves the heat resistance of the alloys without adversely affecting their electrical conductivity.
Example 3
Example 1 was repeated except that both erbium and yttrium were added together in varying alloying ratios to the alloy.
The compositions of the various alloys and the test results determined on the test wires produced from them are summarized in Table 3 below.
Table 3
Test composition of alloys tensile strength fracture electr. Tensile strength residual value (analytical values),% kg / mmê elongation conductivity ratio% after heat-%% treatment kg / mmê
Zr Y Er 31 0.04 0.01 0.002 18.1 2.6 60.9 14.4 79.5 alloys according to the invention
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
Comparison of the inventive alloy from experiments 31-33 with the known alloys from experiments 12 and 14 according to Table 1 shows that the combined addition of very small amounts of yttrium and erbium greatly increases the heat resistance of the alloys obtained without adversely affecting the electrical conductivity influence.
The reason why only yttrium and erbium of numerous mixed metals have such a great effect has not been fully clarified. It is believed, however, that the mechanism of action of very small proportions of yttrium and / or erbium in aluminum to support the heat resistance-increasing effect of zirconium is based on their combination with voids or the like present in the alloy.