DE10208855A1 - Hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften sowie Draht aus der genannten Legierung - Google Patents
Hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften sowie Draht aus der genannten LegierungInfo
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Abstract
Es wird eine hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften zur Verwendung als Kerndrahtmaterial für wenig durchhängende Stromübertragungsleitungen sowie ein Draht aus dieser Legierung zur Verfügung gestellt. Die hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften weist in Gew.-% auf: Kohlenstoff von 0,1 bis 0,4%, Vanadium von mehr als 0,5 bis 3,0% sowie Nickel von 25 bis 50%, unter der Voraussetzung, dass ein Erfordernis, dargestellt durch die Formel 2 Vanadium/Kohlenstoff 9, erfüllt ist, und wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht. Die Legierung kann weiterhin (in Gew.-%) zumindest ein Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Silizium von nicht mehr als 2,0%, Mangan von nicht mehr als 2,0%, Chrom von nicht mehr als 3,0% sowie Kobalt von nicht mehr als 10,0%, enthalten. Die Legierung kann weiterhin (in Gew.-%) zumindest ein Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Bor von nicht mehr als 0,05%, Kalzium von nicht mehr als 0,05% und Magnesium von nicht mehr als 0,05%, enthalten. Die Legierung kann weiterhin (in Gew.-%) insgesamt nicht mehr als 5% von zumindest einem Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Molybdän, Titan, Niob, Tantal, Zirkon, Hafnium, Wolfram oder Kupfer, enthalten. Der Legierungsdraht wird unter Verwendung einer der oben beschriebenen Legierungen hergestellt.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hochfeste Legierung mit geringer
thermischer Ausdehnung und verbesserten (ausgezeichneten)
Torsionseigenschaften zur Verwendung beispielsweise als Drahtkernmaterial für
Freileitungen mit geringem Durchhang sowie Draht aus der genannten Legierung.
Bisher wurden als Drahtkerne für Freileitungen in der Hauptsache Stahldrähte,
gebildet aus verdrehten Drähten von wärmebeständigen Aluminiumlegierungen
verwendet. Um weiterhin mit einer erhöhten Nachfrage an elektrischer Leistung in
den nächsten Jahren fertig zu werden, muß die Menge an übertragener elektrischer
Leistung erhöht werden. Eine Erhöhung der Menge der übertragenen elektrischen
Leistung führt jedoch zu dem Problem, daß die elektrischen Drähte aufgrund der
hohen thermischen Expansion von gewöhnlichen Stahldrähten durchhängen. Um
dieses Problem zu lösen wird eine Invar-Legierung mit einem geringen
thermischen Ausdehnungkoeffzienten als Kerndrahtmaterial verwendet, um das
Durchhängen zu verringern, wobei die Menge der übertragenen elektrischen
Leistung erhöht werden kann. Da in diesem Falle die Invar-Legierung letztendlich
als dünne gedrehte Drähte verwendet wird, muß die Invar-Legierung eine hohe
Zugfestigkeit sowie ausgezeichnete Torsionseigenschaften besitzen, welche
hochstabil erhalten werden können.
Im Hinblick auf das oben Gesagte, wurden hochfeste Legierungen mit geringer
thermischer Ausdehnung vorgeschlagen, beispielsweise in den japanischen
Patentveröffentlichungen Nr. 21622/1991 und 21623/1991 sowie im japanischen
Patent Nr. 2968430. Insbesondere die japanische Patentveröffentlichung
Nr. 21622/1991 offenbart eine hochfeste Legierung mit geringer thermischer
Ausdehnung aus Kohlenstoff von mehr als 0,1% bis weniger als 0,3%, Kobalt:
von 0,1% bis weniger als 5,0%, sowie Kupfer von 0,1% bis nicht mehr als 7,0%,
unter der Voraussetzung, daß Kobalt + Kupfer nicht mehr als 8,0% betragen,
wobei die Legierung weiterhin Nickel in einer Menge aufweist, die das
Erfordernis von Nickel + Kobalt + Kupfer von 38,0% bis 50,0% erfüllt und nicht
mehr als 1,0% von zumindest einer der Verbindungen ausgewählt aus Silizium,
Mangan und Chrom sowie 0,2% bis 4,0% von zumindest einer Verbindung
ausgewählt aus Molybdän, Titan, Vanadium, Zirkon, Niob, Hafnium, Tantal und
Wolfram enthält, wobei der Rest im wesentlichen aus Eisen besteht.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 21623/1991 offenbart eine hochfeste
Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung aus Kohlenstoff von mehr als 0,1%
bis weniger als 0,3% und Kupfer von 0,1% bis 8,0%, Nickel in einer Menge,
die das Erfordernis von Nickel + Kupfer von 35,0% bis 50,0% erfüllt, mehr als
1,0% bis 5,0% von mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus Silizium,
Mangan und Chrom, sowie nicht mehr als 4,5% von mindestens einer
Verbindung ausgewählt aus Titan, Niob, Vanadium, Zirkon, Tantal, Wolfram,
Hafnium und Aluminium, wobei der Rest im wesentlichen aus Eisen besteht. Das
japanische Patent Nr. 2968430 offenbart eine hochfeste Legierung mit geringer
thermischer Ausdehnung aus (in Gew.-%) Kohlenstoff von 0,1% bis 0,4%,
Silizium von 0,2% bis 1,5%, Mangan von 0,1% bis 1,5%, Nickel von 33% bis
42%, Kobalt von nicht mehr als 5,0%, Chrom von 0,75% bis 3,0%, Vanadium
von 0,2% bis 3,0%, Bor von nicht mehr als 0,003%, Sauerstoff von nicht mehr
als 0,003%, Aluminium von nicht mehr als 0,1%, Magnesium von nicht mehr als
0,1%, Titan von nicht mehr als 0,1%, sowie Kalzium von nicht mehr als 0,1%,
wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, unter
der Voraussetzung, daß das Erfordernis, gekennzeichnet durch die Formel 1,0% ≦
Vanadium + Chrom ≦ 5,0 erfüllt ist.
Auf der anderen Seite werden herkömmliche hochfeste Legierungsdrähte
beschrieben, wie beispielsweise in den japanischen Patentveröffentlichungen
Nr. 279945/1994 und 346193/1994. Die japanische Patentveröffentlichung
Nr. 279945/1994 offenbart eine hochfeste Legierung mit geringer thermischer
Ausdehnung mit einer Struktur, die hauptsächlich aus einer Austenitphase gebildet
wird und die eine durch Spannung induzierte Martensitphase enthält, wobei der
Legierungsdraht in Gew.-% enthält: Kohlenstoff von 0,06 bis 0,50%, entweder
oder sowohl als auch Kobalt von nicht mehr als 65% und Nickel von nicht mehr
als 30%, unter der Voraussetzung, daß Kobalt + Nickel von 25% bis 65%
liegen, wobei der Rest im wesentlichen aus Eisen besteht.
Die japanische Veröffentlichung 346193/1994 offenbart einen hochfesten
Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung mit zumindest zwei
Phasen aus Austenitphase und Martensitphase, die durch spannungsinduzierte
Umformung gebildet werden, wobei der Legierungsdraht in Gew.-% enthält:
Kohlenstoff von 0,06% bis 0,50%, Silizium von nicht mehr als 1,0%, Mangan von nicht mehr als 2%, Nickel von 25% bis 30%, Kobalt von 2% bis 16,3%, unter der Voraussetzung, daß das Erfordernis, welches durch die Formel 52 - (53) X Nickel ≦ Kobalt ≦ 58 - (53) X Nickel erfüllt ist und nicht mehr als 1% einer Verbindung oder nicht mehr als 1% insgesamt von zwei Verbindungen, ausgewählt aus Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Hafnium und Zirkonium, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Kohlenstoff von 0,06% bis 0,50%, Silizium von nicht mehr als 1,0%, Mangan von nicht mehr als 2%, Nickel von 25% bis 30%, Kobalt von 2% bis 16,3%, unter der Voraussetzung, daß das Erfordernis, welches durch die Formel 52 - (53) X Nickel ≦ Kobalt ≦ 58 - (53) X Nickel erfüllt ist und nicht mehr als 1% einer Verbindung oder nicht mehr als 1% insgesamt von zwei Verbindungen, ausgewählt aus Vanadium, Titan, Niob, Tantal, Hafnium und Zirkonium, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
In den oben genannten konventionellen Techniken, wie sie in den japanischen
Patentveröffentlichungen Nr. 21622/1991 und 21623/1991 beschrieben sind, wird
Vanadium optional als eines aus einer großen Anzahl von Festigkeit
vermittelnden Elementen zugefügt. Es wird jedoch die Überlegenheit der Zugabe
von Vanadium über die Zugabe von anderen Elementen mit Hinblick auf die
Torsionseigenschaften nicht besonders beschrieben. Das japanische Patent
Nr. 2968430 beschreibt die Überlegenheit der Zugabe von Vanadium über die Zugabe
von anderen Elementen mit Hinblick auf die Torsionseigenschaften. Die in diesem
oben genannten Patent offenbarte Legierung ist jedoch, wenn sie als
Kerndrahtmaterial für wenig durchhängende Freilandleitungen verwendet wird,
nach wie vor unbefriedigend darin, sowohl hohe Zugfestigkeit als auch
ausgezeichnete Torsionseigenschaften und geringe thermische Ausdehnung
hochstabil aufrechtzuerhalten.
Die üblichen Techniken, wie sie in den japanischen Patentveröffentlichungen
Nr. 279945/1994 und 346193/1994 beschrieben sind, verwenden die
spannungsinduzierte Umwandlung in Martensit. Legierungsdrähte, die unter
Verwendung der in diesen Veröffentlichungen offenbarten Materialien hergestellt
wurden, zeigten jedoch das Problem von hohen Kosten aufgrund der Gegenwart
von etwa 10% Kobalt. Weiterhin ist in diesen Materialien, obwohl die Zugkraft
durch die spannungsinduzierte Umwandlung in Martensit verbessert ist, der
thermische Expansionskoeffizient erhöht, was unvorteilhafter Weise zu
verschlechterten Torsionseigenschaften führt.
Die Erfinder haben ausführliche und intensive Untersuchungen im Hinblick auf
die Lösung der oben im Stand der Technik genannten Probleme durchgeführt und
als Ergebnis gefunden, dass die Regulierungen des Inhaltsverhältnisses von
Kohlenstoff zu Vanadium als Alterungsstabilisierungselemente (V/C;
Vanadium/Kohlenstoff), sowie wenn Chrom zugegeben wird, die Regulierung des
V/Cr (Vanadium/Chrom)-Verhältnisses, die oben gemäß dem Stand der Technik
genannten Probleme lösen kann.
Demzufolge ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hochfeste Legierung
mit geringer thermischer Ausdehnung zur Verfügung zu stellen, welche hohe
Zugkraft, ausgezeichnete Torsionseigenschaften und geringe thermische
Ausdehnung zeigt, wobei diese jeweils hochstabil aufrecht erhalten werden
können.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen hochfesten
Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung unter Verwendung einer
Vanadium enthaltenden Legierung auf Eisen-Nickel-Basis zur Verfügung zu
stellen, der eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 1300 MPa, vorzugsweise
nicht weniger als 1400 MPa sowie ausgezeichnete Torsionseigenschaften
aufweist, was heißt, dass der Torsionswert nicht geringer als 20 Mal/100D,
vorzugsweise nicht weniger als 60 Mal/100D, ist.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden zusammengefasst.
- 1. Hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung und
verbesserten Torsionseigenschaften aus (in Gew.-%)
Kohlenstoff: 0,1% bis 0,4%,
Vanadium: mehr als 0,5% bis 3,0%, sowie
Nickel: 25% bis 50%,
unter der Voraussetzung, dass das Erfordernis, dargestellt durch die Formel 2 ≦ Vanadium/Kohlenstoff ≦ 9 erfüllt ist,
wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht. - 2. Die hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäß dem oben genannten Punkt (1), welche weiterhin (in Gew.-%) zumindest eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium von nicht mehr als 2,0%, Mangan von nicht mehr als 2,0%, Chrom von nicht mehr als 3,0%, sowie Kobalt von nicht mehr als 10% enthält.
- 3. Die hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäß den oben genannten Punkten (1) oder (2), wobei 0,5 ≦ V/Cr ist.
- 4. Die hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäß einem der oben angegebenen Punkte (1) bis (3), wobei 37 Gew.-% ≦ Nickel + Kobalt ≦ 40 Gew.-% ist.
- 5. Die hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäß einem der oben angegebenen Punkte (1) bis (4), die weiterhin (in Gew.-%) zumindest eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bor von nicht mehr als 0,05%, Kalzium von nicht mehr als 0,05%, sowie Magnesium von nicht mehr als 0,05% enthält.
- 6. Die hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäß einem der oben angegebenen Punkte (1) bis (5), welche weiterhin (in Gew.-%) nicht mehr als 5% insgesamt von zumindest einer Verbindung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Molybdän, Titan, Niob, Tantal, Zirkonium, Hafnium, Wolfram und Kupfer enthält.
- 7. Ein hochfester Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung mit verbesserten Torsionseigenschaften, hergestellt unter Verwendung der hochfesten Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäss einem der oben angegebenen Punkte (1) bis (6).
- 8. Ein hochfester Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften, hergestellt unter Verwendung der hochfesten Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäss einem der oben angegebenen Punkte (1) bis (6), wobei der hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 1300 MPa und einen Torsionswert von nicht weniger als 20/100D besitzt, wobei D den endgültigen Drahtdurchmesser kennzeichnet.
- 9. Der hochfeste Legierungsdraht geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften gemäss den oben genannten Punkten (7) oder (8), der eine Dehnung von nicht weniger als 0,8% zeigt.
- 10. Der hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften gemäss einem der oben genannten Punkte (7) bis (9), wobei dieser die Eigenschaftsforderung erfüllt, dass der lineare Ausdehnungskoeffizient nicht mehr als 3 × 10-6/°C im Sinne des mittleren linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 15 bis 100°C (15 bis 100°) ist, nicht mehr als 4 × 10-6/°C im Sinne des mittleren linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 15 bis 230°C (15 bis 230°C) ist, nicht mehr als 4 × 10-6/°C im Sinne des mittleren linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 100 bis 240°C (100 bis 240°C) ist, sowie nicht mehr als 11 × 10-6/°C im Sinne des mittleren linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 230 bis 290°C (230 bis 290°C) ist.
- 11. Der hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften gemäss einem der oben genannten Punkte (7) bis (10), wobei dieser mit Aluminium überzogen oder mit Zink plattiert ist.
Die Gründe für die Einschränkung der chemischen Zusammensetzungen der
hochfesten Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten
Torsionseigenschaften gemäss der vorliegenden Erfindung werden beschrieben. In
der folgenden Beschreibung sind Prozentangaben in den Verhältnissen der
Bestandteile in den Legierungen in Gewichtsprozent angegeben, sofern nicht
anders spezifiziert.
Kohlenstoff: 0,1% bis 0,4%.
Kohlenstoff: 0,1% bis 0,4%.
Kohlenstoff ist ein Element, welches für die Festigkeit des Materials durch die
Verfestigung der festen Lösung und Fällungsverfestigung von Karbiden
notwendig ist. Wenn der Gehalt an Kohlenstoff zu hoch ist, so werden jedoch die
Torsionseigenschaften beeinträchtigt und der lineare Expansionskoeffizient
erhöht. Aus diesem Grund ist der Kohlenstoffgehalt auf 0,1% bis 0,4% limitiert.
Vanadium: mehr als 0,5% bis 3,0%.
Vanadium: mehr als 0,5% bis 3,0%.
Vanadium ist ein Element, welches für die Verfestigung des Materials durch die
Fällungsverfestigung von Karbiden notwendig ist. Weiterhin unterdrückt
Vanadium die interkristalline Fällung von groben Karbiden und beschleunigt die
Fällung von feinen überkristallinen Karbiden. Daher ist Vanadium wirkungsvoll
bei der Verbesserung der Torsionseigenschaften. Wenn der Gehalt an Vanadium
zu hoch ist, werden jedoch die Torsionseigenschaften beeinträchtigt und der
lineare Expansionskoeffizient erhöht. Aus diesem Grund ist der Gehalt an
Vanadium auf mehr als 0,5% bis 3,0% beschränkt.
Nickel: 25% bis 50%.
Nickel: 25% bis 50%.
Nickel ist unentbehrlich zur Realisierung der geringen thermischen Ausdehnung,
und somit ist aus diesem Grund der Gehalt von Nickel auf 25% bis 50% begrenzt.
2 ≦ Vanadium/Kohlenstoff (V/C) ≦ 9.
2 ≦ Vanadium/Kohlenstoff (V/C) ≦ 9.
V/C ist wichtig für die vorliegende Erfindung. Wenn der Vanadiumgehalt
übermäßig gering im Verhältnis zum Kohlenstoffgehalt ist, so wird die
Fällungsverfestigung unbefriedigend. Weiterhin wird in diesem Falle die Menge
an Kohlenstoff in der festen Lösung erhöht und so der lineare
Expansionskoeffizient erhöht. Ebenso ist, wenn der Vanadiumgehalt übermäßig
groß in Bezug auf den Kohlenstoffgehalt ist, der lineare Expansionskoeffizient
erhöht und zusätzlich die Torsionseigenschaften beeinträchtigt. Aus den oben
genannten Gründen ist das V/C-Verhältnis beschränkt auf 2 ≦ V/C ≦ 9,
vorzugsweise 3 ≦ V/C 5.
Silizium: nicht mehr als 2,0%.
Silizium: nicht mehr als 2,0%.
Silizium ist wichtig für die Festigkeit des Materials. Die Zugabe von einer großen
Menge an Silizium erhöht jedoch den linearen Expansionskoeffizienten. Daher ist
die obere Grenze für den Siliziumgehalt 2,0%.
Mangan: nicht mehr als 2,0%.
Mangan: nicht mehr als 2,0%.
Mangan ist ein Desoxidator und weiterhin nützlich für die Festigkeit des
Materials. Die Zugabe einer großen Menge von Mangan erhöht jedoch den
linearen Expansionskoeffizienten. Daher ist die obere Grenze für den Gehalt an
Mangan 2,0%.
Chrom: nicht mehr als 3,0%.
Chrom: nicht mehr als 3,0%.
Chrom ist nützlich für die Festigkeit des Materials. Die Zugabe einer großen
Menge von Chrom erhöht jedoch den linearen Expansionskoeffizienten. Daher ist
die obere Grenze des Chromgehaltes 3,0%.
0,5 ≦ Vanadium/Chrom (V/Cr).
0,5 ≦ Vanadium/Chrom (V/Cr).
Was V/Cr betrifft, so werden, wenn der Chromgehalt übermäßig groß im
Verhältnis zum Vanadiumgehalt ist, grobe Chromkarbide und grobe
Vanadiumchrom-Kompositkarbide erzeugt, was in einer Beeinträchtigung der
Torsionseigenschaften resultiert. Wenn die Torsionseigenschaften weiter
hochstabil erhalten werden sollen, so beträgt das V/Cr-Verhältnis vorzugsweise
0,5 ≦ V/Cr, bevorzugt 0,9 ≦ V/Cr.
Kobalt: nicht mehr als 10%.
Kobalt: nicht mehr als 10%.
Kobalt ist in vielen Fällen als unvermeidbare Verunreinigung in den
Rohmaterialien enthalten. Ebenso wie Nickel ist Kobalt, wenn absichtlich
zugegeben, wirkungsvoll bei der Reduktion des linearen Expansionskoeffizienten.
Die Zugabe einer großen Menge an Kobalt führt jedoch zu erhöhten Kosten. Aus
diesem Grund ist die obere Grenze des Gehaltes an Kobalt 10%.
37% ≦ Nickel (Ni) + Kobalt (Co) ≦ 40%.
37% ≦ Nickel (Ni) + Kobalt (Co) ≦ 40%.
Wenn das Material als Drahtkernmaterial für wenig durchhängende
Überlandleitungen verwendet wird, sollte das Material einen im Durchschnitt
geringen linearen Expansionskoeffizienten über den gesamten Temperaturbereich
von Raumtemperatur bis etwa 300°C zeigen. Aus diesem Grund ist der
Gesamtgehalt von Nickel und Kobalt auf 37% ≦ Ni + Co ≦ 40% limitiert. Falls
notwendig, wird der Gesamtgehalt von Nickel und Kobalt auf 37,5% ≦ Nickel +
Kobalt ≦ 39% gebracht.
Bor: nicht mehr als 0,05%.
Bor: nicht mehr als 0,05%.
Bor ist vorteilhaft für die Verbesserung der Verarbeitbarkeit. Die Zugabe einer
großen Menge an Bor beeinträchtigt jedoch die Zähigkeit. Daher ist die obere
Grenze des Gehaltes an Bor 0,05%.
Kalzium: nicht mehr als 0,05% und Magnesium: nicht mehr als 0,05%.
Kalzium: nicht mehr als 0,05% und Magnesium: nicht mehr als 0,05%.
Kalzium und Magnesium sind Elemente, welche zur Bindung von
Verunreinigungen wie Schwefel dienen, um die Zähigkeit des Materials zu
verbessern. Die Zugabe dieser Elemente in großer Menge beeinträchtigt jedoch
die Zähigkeit. Daher ist die obere Grenze für den Gehalt von Kalzium und den
Gehalt von Magnesium jeweils 0,05%.
Der Gehalt von einem Mitglied oder der Gesamtgehalt von zumindest zwei
Mitgliedern, ausgewählt aus Aluminium, Molybdän, Titan, Niob, Tantal, Zirkon,
Hafnium, Wolfram und Kupfer, beträgt nicht mehr als 5%.
Aluminium, Molybdän, Titan, Niob, Tantal, Zirkon, Hafnium, Wolfram und
Kupfer sind nützlich für die Festigkeit des Materials. Die Zugabe dieser Elemente
in großer Menge führt jedoch zu einer Beeinträchtigung der Duktilität und der
thermischen Ausdehnungseigenschaften des Materials. Aus diesem Grund beträgt
die obere Grenze des Gesamtgehaltes dieser Elemente nicht mehr als 5%.
Der erfindungsgemäße hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer
Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften hat vorzugsweise eine
Zugfestigkeit von nicht weniger als 1300 MPa und einen Torsionswert von nicht
weniger als 20 Mal/100D. Wenn die Zugfestigkeit geringer als 1300 MPa ist, dann
kann der für elektrische Drähte notwendige Zug nicht angewendet werden, und
der Durchhang kann nicht ohne Schwierigkeiten im gewünschten Maße reduziert
werden, d. h. es wird schwierig, die Kapazität zu erhöhen. Wenn der Torsionswert
geringer ist als 20 Mal/100D, bewirkt das Verdrillen der Drähte einen Bruch von
Drähten oder ähnliches, und somit geht die Verlässlichkeit der Drähte verloren.
Aus diesem Grund muss der hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer
Ausdehnung eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 1300 MPa und einen
Torsionswert von nicht weniger als 20 Mal/100D haben. Weiterhin hat der
erfindungsgemäße hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer
Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften eine Dehnung von nicht
weniger als 0,8%. Wenn die Dehnung geringer als 0,8% ist, so tritt ein Bruch der
Drähte oder ähnliches während der Drahtverarbeitung auf und somit ist der
Legierungsdraht unzuverlässig. Aus dem zuvor genannten Grund ist die Dehnung
auf nicht weniger als 0,8% eingeschränkt.
Weiterhin genügt der erfindungsgemäße hochfeste Legierungsdraht mit geringer
thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften vorzugsweise
der Eigenschaftsanforderung, dass der lineare Expansionskoeffizient nicht mehr
als 3 × 10-6/°C im Sinne des mittleren linearen Expansionskoeffizienten zwischen
zwei Punkten im Temperaturbereich von 15 bis 100°C (15 bis 100°C) beträgt,
nicht mehr als 4 × 10-6/°C in Bezug auf den mittleren linearen
Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 15 bis
230°C (15 bis 230°C) beträgt, nicht mehr als 4 × 10-6/°C in Bezug auf den
mittleren linearen Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im
Temperaturbereich von 100 bis 240°C (100 bis 240°C) beträgt, und nicht mehr als
11 × 10-6/°C in Bezug auf den mittleren linearen Expansionskoeffizienten
zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 230 bis 290°C (230 bis 290°C)
beträgt. Wenn der lineare Expansionskoeffizient größer als der oben definierte
Bereich ist, kann ein gewünschter Durchhängegrad nicht erreicht werden, was es
unmöglich macht, die Kapazität zu erhöhen.
Der erfindungsgemäße hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer
Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften besitzt vorzugsweise auf
seiner Oberfläche einen Korrosionsschutzüberzug. Dieser Überzug ist vom
Standpunkt der Produktivität her vorzugsweise ein Aluminiumüberzug oder eine
Zink-Plattierung. Es können jedoch andere Überzüge, die den gleichen Grad an
Korrosionsschutz bieten, verwendet werden.
Der erfindungsgemäße hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer
Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften wird vorzugsweise wie folgt
hergestellt. Nach Beendigung des Formens und Walzens wird eine
Kaltbearbeitung mit einer Flächenreduzierung von 30 bis 90% und
Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 450 bis 750°C nacheinander
ausgeführt und danach Kaltverarbeitung mit einer Flächenreduzierung von 30 bis
99% durchgeführt. Nach Beendigung des Formens und Walzens wird die
Kaltverarbeitung mit einer Flächenreduktion von 30 bis 90% deshalb ausgeführt,
da dann, wenn bei einer Wärmebehandlung bei geeigneter Temperatur ein durch
die Kaltverarbeitung vorhandener Spannungszustand vorhanden ist, eine
wirksame Fällungshärtung realisiert werden kann. Wenn die Flächenreduktion
geringer als 30% ist, so ist dieser Effekt unbefriedigend, während, wenn die
Flächenreduktion 90% überschreitet, die Produktionskosten erhöht sind.
Die Wärmebehandlung nach der Kaltbearbeitung wird zur Fällungshärtung und
Spannungsabbauzwecken ausgeführt. Wenn die Temperatur der
Wärmebehandlung unterhalb von 450°C liegt, kann eine wirksame
Fällungshärtung nicht erreicht werden. Andererseits führt eine
Wärmebehandlungstemperatur oberhalb von 750°C zu einer Verringerung der
Festigkeit auf Grund von Überalterung und Rekristallisation. Die
Wärmebehandlung produziert Schuppen, welche ursächlich für eine
Beeinträchtigung der Torsionseigenschaften sind. Um diese Schuppen zu
entfernen, kann ein Schritt zum Abschälen oder ein Schritt, welcher den gleichen
Effekt hat wie der Schritt zum Abschälen, nach der Wärmebehandlung bereit
gestellt werden. Der Grund, warum nach der Wärmebehandlung eine
Kaltbearbeitung mit einer Reduktion der Fläche im Bereich von 30 bis 99%
ausgeführt wird ist der, dass diese Kaltbearbeitung eine Verarbeitungshärtung
bewirken kann. Wenn die Reduktion der Fläche geringer als 30% ist, so ist der
gewünschte Effekt unzufriedenstellend, während eine Reduktion der Fläche von
mehr als 99% zu einer Beeinträchtigung der Torsionseigenschaften und der
Zähigkeit, wie beispielsweise der Dehnung, bewirkt.
Die folgenden Beispiele zeigen weiterhin die vorliegende Erfindung.
Erfindungsgemäße Stahllegierungen sowie Vergleichstähle, welche die in Tabelle
1 gezeigten Elemente sowie übliche Verunreinigungen enthalten, werden durch
ein Schmelzverfahren hergestellt. Danach wird für die erfindungsgemäßen Stähle
Nr. 1 bis 12 und die Vergleichstähle Nr. 24 bis 30 ein Drahtstabwalzen bis auf
einen Durchmesser von 12 mm ausgeführt, und die Drahtstäbe werden einem
Drahtziehen mit einer Flächenreduktion von 51%, d. h. auf einen Durchmesser
von 8,4 mm, unterzogen. Die Drähte werden bei 650°C wärmebehandelt und auf
einen Durchmesser von 8,0 mm skalpiert (abgeschält). Zum Schluss wird
Drahtziehen mit einer Reduktion der Fläche von 86%, d. h. auf einen Durchmesser
von 3,0 mm, ausgeführt, um Legierungsdrähte zu erhalten. Für die
erfindungsgemäßen Stähle Nr. 13 bis 23 und die Vergleichsstähle Nr. 31 bis 33
wird Drahtstabwalzen auf einem Durchmesser von 16 mm ausgeführt, und die
Drahtstäbe werden einem Drahtziehen mit einer Flächenreduktion von 72%, d. h.
bis auf einen Durchmesser von 8,4 mm unterzogen. Die Drähte werden bei 580°C
wärmebehandelt und dann auf einen Durchmesser von 8,0 mm skalpiert
(abgeschält). Schließlich wird Drahtziehen mit einer Flächenreduktion von 92%,
d. h. bis auf einen Durchmesser von 2,2 mm, ausgeführt, um Legierungsdrähte
herzustellen.
Diese Materialien werden auf Zugfestigkeit, Dehnung, Torsionseigenschaften,
sowie thermische Expansionseigenschaften untersucht. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 1 gezeigt. Für die Zugfestigkeit und die Dehnung werden Zugteststücke
mit einem Durchmesser von 3,0 mm oder 2,2 mm und einer Messlänge von 250
mm verwendet. Für die thermischen Ausdehnungseigenschaften werden
Exemplare mit einer Größe von 3,0 mm oder 2,2 mm im Durchmesser × 10 mm in
der Länge durch Induktionsheizen erwärmt oder gekühlt und die Längenänderung
mit einem Kraftwandler abgelesen. Für die Torsionseigenschaften wird ein Ende
eines Legierungsdrahtes mit einer Größe von 3,0 mm im Durchmesser × 300 mm
in der Länge (100 × größer als der Durchmesser) oder einer Größe von 2,2 mm im
Durchmesser × 220 mm in der Länge (100 × größer als der Durchmesser) befestigt
und bis zum Bruch verdreht, um die Anzahl der Male des Umdrehens zu zählen,
die bis zum Zerbrechen notwendig sind. Diese Anzahl der Male von
Umdrehungen wird als Torsionswert angesehen. Als ein Ergebnis, wie es aus
Tabelle 1 hervorgeht, haben die erfindungsgemäßen Legierungsdrähte auch dann,
wenn die Zugfestigkeit auf nicht weniger als 1300 MPa, vorzugsweise nicht
weniger als 1400 MPa erhöht wurde, ausgezeichnete Torsionseigenschaften,
Dehnung und einen geringen linearen Expansionskoeffizienten.
Wie oben beschrieben haben Legierungsdrähte, die unter Verwendung von
erfindungsgemäßen, Vanadium-enthaltenden hochfesten Legierungen mit geringer
thermischer Ausdehnung hergestellt wurden, welche das Erfordernis, dargestellt
durch die Formel 2 ≦ Vanadium/Kohlenstoff ≦ 9, erfüllen, auch wenn die Zugkraft
auf nicht weniger als 1300 MPa, vorzugsweise nicht weniger als 1400 MPa
gebracht wurde, ausgezeichnete Torsionseigenschaften, d. h., einen Torsionswert
von nicht weniger als 20 Mal/100D, wenn nicht sogar nicht weniger als 100
Mal/100D. Weiterhin haben die Legierungsdrähte, da keinerlei
spannungsinduzierter Martensit auftritt, eine ausgezeichnete Wirkung, d. h. einen
geringen linearen Expansionskoeffizienten.
Claims (11)
1. Hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung und
verbesserten Torsionseigenschaften aus (in Gew.-%)
Kohlenstoff: 0,1% bis 0,4%
Vanadium: mehr als 0,5% bis 3,0% sowie
Nickel: 25% bis 50%,
unter der Voraussetzung, dass die Forderung, dargestellt durch die Formel 2 ≦ Vanadium/Kohlenstoff ≦ 9, erfüllt ist,
wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Kohlenstoff: 0,1% bis 0,4%
Vanadium: mehr als 0,5% bis 3,0% sowie
Nickel: 25% bis 50%,
unter der Voraussetzung, dass die Forderung, dargestellt durch die Formel 2 ≦ Vanadium/Kohlenstoff ≦ 9, erfüllt ist,
wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
2. Die hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäß
Anspruch 1, welche weiterhin (in Gew.-%) zumindest ein Mitglied ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Silizium von nicht mehr als 2,0%, Mangan von nicht
mehr als 2,0%, Chrom von nicht mehr als 3,0%, sowie Kobalt von nicht mehr als
10% aufweist.
3. Die hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäß
Anspruch 1 oder 2, wobei 0,5 ≦ Vanadium/Chrom ist.
4. Die hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei 37 Gew.-% ≦ Nickel + Kobalt ≦ 40 Gew.-%
ist.
5. Die hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 4, welche weiterhin (in Gew.-%) mindestens ein
Mitglied ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bor von nicht mehr als
0,05%, Kalzium von nicht mehr als 0,05%, sowie Magnesium von nicht mehr
als 0,05% aufweist.
6. Die hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 5, welche weiterhin (in Gew.-%) insgesamt nicht mehr
als 5% von zumindest einem Mitglied ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Aluminium, Molybdän, Titan, Niob, Tantal, Zirkon, Hafnium, Wolfram oder
Kupfer aufweist.
7. Ein hochfester Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und
verbesserten Torsionseigenschaften, hergestellt unter Verwendung der hochfesten
Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäß einem der Ansprüche 1
bis 6.
8. Ein hochfester Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und .
verbesserten Torsionseigenschaften, hergestellt unter Verwendung der hochfesten
Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung gemäß einem der Ansprüche 1
bis 6, wobei der hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung
eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 1300 MPa und einen Torsionswert von
nicht weniger als 20 Mal/100D aufweist, wobei D den endgültigen
Drahtdurchmesser repräsentiert.
9. Der hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und
verbesserten Torsionseigenschaften gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei dieser eine
Dehnung von nicht weniger als 0,8% hat.
10. Der hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und
verbesserten Torsionseigenschaften gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei
dieser das Eigenschaftserfordernis erfüllt, dass der lineare Expansionskoeffizient
nicht mehr als 3 × 10-6/°C im Sinne des mittleren linearen
Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 15 bis
100°C (15 bis 100°C), nicht mehr als 4 × 10-6/°C im Sinne des mittleren linearen
Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 15 bis
230°C (15 bis 230°C), nicht mehr als 4 × 10-6/°C im Sinne des mittleren linearen
Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 100
bis 240°C (100 bis 240°C) und nicht mehr als 11 × 10-6/°C im Sinne des mittleren
linearen Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich
von 230 bis 290°C (230 bis 290°C) beträgt.
11. Der hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und
verbesserten Torsionseigenschaften gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei
dieser mit Aluminium überzogen oder mit Zink plattiert ist.
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