DE1928603C2

DE1928603C2 - Magnesiumhaltige Aluminiumlegierung für Leiterzwecke

Info

Publication number: DE1928603C2
Application number: DE1928603A
Authority: DE
Inventors: Sadao Nikko Inoue; Katsuhisa Nakajima
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1968-06-06
Filing date: 1969-06-06
Publication date: 1983-09-01
Also published as: FR2011017B1; GB1206907A; FR2011017A1; DE1928603A1; US3773501A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen für Leiterzwecke.

Derartige Legierungen sind aus der USA-Norm ASTM 5005 bekannt.

Diese bekannten Legierungen, die nicht aushärtbar und lediglich durch Verformung verfestigbar sind, haben eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit von ca. 53% IACS, aber eine relativ geringe Zugfestigkeit von etwa N/mm². Bei Hochspannungs-Freileitungen hat man diese Legierungen infolgedessen in Form stahlverstärkter Aluminiumleiter eingesetzt, was jedoch insbesondere hinsichtlich des Herstellungsaufwands, der Korrosionsanfälligkeit und des Leitfähigkeitsverlustes nachteilig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Aluminiumlegierungen für Leiterzwecke verfügbar zu machen, die sich durch eine gute Kombination von hoher elektrischer Leitfähigkeit mit guten mechanischen Festigkeitseigenschaften auszeichnen.

In Lösung dieser Aufgabe sind die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,01 bis 0,6% Antimon, 0,05 bis 0,6% Magnesium, insgesamt bis zu 1,5% eines oder mehrerer der Elemente Eisen, Kupfer, Zink, Nickel, Mangan und Tellur, vorzugsweise nur Eisen und/oder Kupfer, einschließlich der herstellungsbedingten Verunreinigungen des Aluminiums, und Rest Aluminium bestehen.

In Gestalt der Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierungen nach USA-Norm ASTM 6201 sind zwar Legierungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit von z. B. circa 52% IACS und guter Zugfestigkeit von z. B. circa 314 N/mm² bekannt Diese Legierungen müssen jedoch durch Wärmebehandlung ausgehärtet werden, was aufwendig ist und daher einer weiten Verbreitung dieser Legierungen im Wege stand. Demgegenüber beruhen die guten Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen auf einem Dispersionshärtungseffekt durch in der Aluminiummatrix gleichmäßig dispergierte, intermetallische Sb-Mg-Verbindungen, chne daß hierdurch die elektrische Leitfähigkeit nennenswert beeinträchtigt würde. Eine Wärmebehandlung zur Aushärtung ist nicht erforderlich, und die erfindun<*sgemäßen Legierungen können ebenso leicht wie oder sogar noch leichter als die bekannten Legierungen nach der USA-Norm ASTM 5005 verarbeitet werden. Die erfindungsgemäßen Legierungen können im harten, halbharten oder weichen Zustand eingesetzt werden, wobei ein besonders breiter nutzbarer Glühtemperaturbereich hervorzuheben ist Die erfindungsg&näßen Legierungen besitzen ein gutes Leitfähigkeit-Festigkeit-Verhältnis, insbesondere bei gleicher Festigkeit eine höhere elektrische Leitfähigkeit und bei gleicher elektrischer Leitfähigkeit eine höhere Festigkeit als die bekannten Legierungen nach der USA-Norm ASTM 5005. Außerdem zeichnen sich die erfindungsgemäßen Legierungen durch hohe Dehnung und leichte Verarbeitbarkeit zu Feindraht aus, was insbesondere bei Leitern für Kommunikationszwecke, für Anwendungen in Gebäuden und für Spulen von Vorteil ist.

Die Gehaltsgrenzen von Antimon und Magnesium bei den erfindungsgemäßen Legierungen beruhen darauf, daß ein Antimongehalt von weniger als 0,01% oder ein Magnesiumgehalt von weniger als 0,05% nicht genügend intermetallische Sb-Mg-Verbindungen ergibt, um die Eigenschaften der Legierung hinlänglich zu verbessern, während durch einen Antimon- oder Magnesiumgehalt von mehr als 0,6% die Fließfähigkeit des geschmolzenen Metalls herabgesetzt wird, so daß »gesunde« Gußbarren nur schwer zu erhalten sind.

Insbesondere ein zu hoher Antimongehalt führt nicht nur zu einer merklichen Verschlechterung der Verarbeitbarkeit der Legierung, sondern auch zu einer Kornvergröberung der Sb-Mg-Verbindungen, wodurch der Effekt bezüglich der Festigkeitsve^rbesserung schwächer wird, während ein zu hoher Magnesiumgehalt den Gehalt der Legierung an löslichem Magnesium erhöht und dadurch die elektrische Leitfähigkeit beträchtlich verringert.

Der Gehalt an Antimon bzw. Magnesium ist nicht an einen Prozentsatz im Äquivalentverhältnis der zwischen der beiden Metallen gebildeten Verbindung gebunden, da überschüssiges Antimon oder Magnesium nicht schadet und bei der großtechnischen Verwendung der Legierung keine Schwierigkeiten macht, sofern nur die Gehalte der Legierung an diesen beiden Metallen innerhalb der vorstehend genannten Grenzwerte liegen.

Insgesamt bis zu 1,5% eines oder mehrerer der EIemente Eisen, Kupfer, Zink, Nickel, Mangan und Tellur sind zugelassen oder werden sogar bewußt zugegeben, um die erwähnten Legierungseigenschaften noch weiter zu verbessern, ohne die Ausbildung der intermetal-

10

15

20

tischen Sb-Mg-Verbindungen grundsätzlich zu stören. Ein Gehalt von mehr als 1,5% solcher Elemente verringert jedoch die elektrische Leitfähigkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Verarbeitbarkeit der Legierungen, so daß sie nicht mehr gut als Werkstoff für elektrische Leiter einsetzbar sind. Alle diese Elemente, deren Bindungsenergie mit Antimon oder Magnesium kleiner ist als diejenige zwischen Antimon und Magnesium, besitzen in den erfindungsgemäßen Legierungen nahezu die gleiche Wirkung, wobei jedoch ein Zusatz von Kupfer und/oder Eisen besonders wirksam ist

Für die erfindungsgemäßen Legierungen kann man Aluminiumbarren handelsüblicher Reinheit verwenden. Bevorzugt findet jedoch Aluminium mit einer Reinheit von mehr als 99,5% Verwendung.

In den Ansprüchen 3 bis 5 sind bevorzugte Gehaltsgrenzen für Antimon, Magnesium und die weiteren Elemente angegeben.

Bei der Herstellung von Drähten für Leiterzwecke aus den erfindungsgemäßen Legierungen können herkömmliche Verfahren mit den wesentlichen Schritten Vergießen, Warmverformen und dann Kaltziehen angewendet werden. Insbesondere kann man folgendermaßen vorgehen: Antimon wird schmelzflüssigem Aluminium, einer binären Legierung, wie Al-Fe oder Al-Cu, oder einer ternären Legierung, wie Al-Cu-Fe, zugegeben, worauf man der Schmelze Magnesium zusetzt Hierauf wird die Schmelze zu Drahtstangen verarbeitet wobei man ein kontinuierliches Gieß- und Walzverfahren unter Verwendung von Drehformen anwendet oder Barren, die durch Gießen unter Anwendung von Wasserkühlung erhalten wurden, vorerhitzt worauf man sie leicht zu Drahtstangen verarbeiten kann, indem man sie entweder mittels eines Drahtwalzwerks walzt oder heiß strangpreßt Der so erhaltene Stangendraht wird dann durch Kaltziehen auf einer kontinuiei .ich arbeitenden Hochgeschwindigkeitsziehmaschine zu verformungsverfestigtem Leitungsdraht vom gewünschten Kaliber herabgezogen, der für Freileitungen oder Verteilerleitungen geeignet ist.

So hergestellter harter Leitungsdraht kann durch Glühen bei einer Temperatur von 150 bis 500° C in einen halbharten oder weichen Aluminiumleiter umgewandelt werden, der insbesondere für Kommunikationsleiter, Hausleitungen und Spulenwicklungen geeignet ist. Eine Glühtemperatur zwischen 150 und 500⁰C ist günstig, da unabhängig vom Verformungsgrad durch Glühen unter 150⁰C weder die bei einem halbharten oder weichen Leitungsdraht erforderliche Dehnung noch eine Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit zu erzielen ist, während oberhalb von 500⁰C eine zu starke Kornvergröberung erfolgt durch die die Dehnung und die Biegsamkeit des Drahts schlechter werden und eine zunehmende Schwankungsbreite in der Qualität auftritt.

Eine besonders günstige Möglichkeit zur Herstellung von halbhartem Leitungsdraht mit günstigen Eigenschaften besteht darin, verformungsverfestigten Draht zu glühen und anschließend um weniger als 50% kaltzuziehen.

Verfahrensschritte, wie sie vorstehend für die Verarbeitung der erfindungsgemäßen Legierungen beschrieben worden sind, sind bei der Verarbeitung von Legierungen zu Drähten weithin üblich, vgl. zum Beispiel »Aluminium-Taschenbuch«, 1963.12. Aufl., Seiten 28,29, 270,271,364.

Die in dieser Patentschrift angegebenen Prozentgehalte bedeuten jeweils Gewichtsprozent.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

4
Beispiel 1

Mittels üblicher Schmelz- und Gießverfahren werden erfindungsgemäße sowie zum Vergleich andere Legierungen mit der in der nachstehenden Tabelle angegebenen Zusammensetzung unter Wasserkühlung zu 10,16 χ 10,16 cm großen Stangenbarren vergossen, worauf man die Barren auf einer Drahtwalzmaschine bei 450⁰C zu Stangendraht mit einem Durchmesser von 13 mm heißwalzt die dann zu 3,2 mm starken Harvdrähten kaltgezogen werden. Die Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit bei 20⁰C dieser Drähte wird hierauf gemessen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle II aufgeführt

Tabelle I	Zusammensetzung, Gew.-%	Mg	Fe	Cu	Al
Legierung	Sb
Nr.		0,2	—	—	Rest
Erfindungsgemäß	0,05	03	—	—	Rest
1	0,1	03	—	—	Rest
2	0,2	03	—	—	Rest
3	03	0,6	—	—	Rest
4	0,5	02	03	—	Rest
5	0,05	0,4	0,4	—	Rest
6	0,1	03	03	—	Rest
7	0,05	0,4	—	03	Rest
8	0,1	0,4	—	0,1	Rest
9	03	0,1	—	0,1	Rest
10	02	0,1	—	0_;15	Rest
11	02	0,05	0,1	03	Rest
12	0,05	0,1	0,15	0,4	Rest
13	0,1	0,1	0,4	03	Rest
14	0,15	02	03	03	Rest
15	0,15	0,6	0,5	03	Rest
16	0,15	0,15	03	03	Rest
17	0,2	035	0,4	0,15	Rest
18	02	03	02	02	Rest
19	02	0,25	025	02	Rest
20	0,25	03	0,45	0,1	Rest
21	03	0,6	03	0,4	Rest
22	03	0,2	03	0,2	Rest
23	0,45	0,5	0,5	0,05	Rest
24	0,5
25

Vergleichslegierungen

60

65

1 (ECAl)+	4	—
2	5	0,6
3(ASTM	6	—
5005)	7
—
—
0,2
03

0,8

0.3

(ECAl)⁺ = Aluminium für elektrische Leiter

0,15	—	Rest
0,15	—	Rest
0,15	-	Rest
0,4	_	Rest
0.15	0,4	Rest
0,45	0,3	Rest
0,5	0,1	Rest
0,5	0,1	Rest

Tabelle II

Legierung

Zugfestigkeit N/mm²

Erfindungsgemäß

1 227

2 249

3 251

4 292

5 300

6 243

7 252

8 256

9 267

10 253

11 245

12 250

13 243

14 251

15 253

16 247

17 315

18 247

19 249

20 284

21 244

22 247

23 297

24 257

25 251

Vergleichslegierungen

1
2
3
4
5
6
7
8

Tabelle III

175
179
241
200
198
218
214
228

Leitfähigkeit (% !ACS)

54,2 54,0 56,9 55,2 55,8 55,2 563 57,0 56,8 57,6 56,2 56,8

525 57,0 553 54,8 563 563 53,1 56,4

62,1 59,6 53,2 582 57,0 57,1 57,7 542 Aus der Tabelle II ist klar zu ersehen, daß alle erfindungsgemäßen Legierungen eine im Vergleich zu Aluminium für elektrische Leiter (Vergleichslegierung 1) verbesserte Zugfestigkeit ohne Beeinträchtigung der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen, während bei der Vergleichslegierung 2, die man durch Zusatz von Antimon zur Vergleichslegierung 1 erhält, der Antimonzusatz nur eine Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit im Vergleich zur Vergleichslegiemng 1 (Aluminium

ίο für elektrische Leiter) bewirkt

Aus den Ergebnissen kann geschlossen werden, daß die in den Aluminiumlegierungen der Erfindung gebildeten und in Aluminium dispergierten Mg-Sb-Verbindungen zur Erhöhung der Festigkeit beitragen und deshalb die Erhöhung der Festigkeit keine wesentliche Verringerung der Leitfähigkeit nach sich zieht. Insbesondere besitzen die aus den erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen, die als Element, dessen Bindungsenergie mit Antimon oder Magnesium kleiner ist als diejenige von Antimon-Magnesium-Verbindungen, Kupfer oder Eiserr enthalten, hergestellten Hartdrähte eine um 1 % bis 3% IACS höhere elektrische Leitfähigkeit und eine um 2 bis 5 kp/mm² größere Zugfestigkeit als die bekannte ASTM 5005-Legierung (Vergleichslegierung 3).

Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich is?, besitzen die Legierungen der Erfindung in ausgehärtetem Zustand hervorragende Eigenschaften und können für zahlreiche verschiedene Anwendungszwecke, z. B. für Aluminiumlegierungslitzenkabel mit Stahlseele und Ganzaluminiumlegierungslitzenkabel als Leiter für verschiedene Kraftstrom- und Verteilerleitungen verwendet werden.

Beispiel 2

Aus den in der Tabelle I aufgeführten erfindungsgemäßen Legierungen 1,12 und 21, sowie den Vergleichslegierungen 1 und 3 werden durch Gießen und Heißwalzen, wie in Beispiel 1 beschrieben, Drahtstangen mit einem Durchmesser von 8 mm hergestellt, die dann mit einer Stärkeverminderung von 99% kaltverformt und anschließend 3 Stunden bei verschiedenen, in Tabelle III aufgeführten Temperaturen geglüht werden, wodurch man halbharte oder weiche Drähte erhält. Die Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit bei 20⁰C dieser Drähte wird gemessen. Die Ergebnisse bind in der Tabelle III aufgeführt.

Legierung

Eigenschaften

Glühtemperatur, "C 220 240	145	300	400	500	600
149	6,0 60,1	138	137	137	^24
2,0 59,2	139	21 603	20 603	20 eo3	13 60,1
147	5,0 60,2	136	136	135	124
1,5 59,5	149	20 60,3	21 60,3	19 60,3	16 60,0
156	4,5 58.1	147	147	147	14!
1.0 57,2	58,2	20 58,3	20 58.2	16 58,2

Erfindi<ngsgemäße
Legierung 1

Erfindungsgemäße
Legierung 13

Erfindungsgemäße
Legierung 21

Zugfestigkeit, N/mm²

Dehnung,% Leitfähigkeit (% IACS)

Zugfestigkeit, N/mm* Dehnung, % Leitfähigkeit (% IACS)

Zugfestigkeit. N/mm² Dehnung, % Leitfähigkeit r% IACSi

Tabelle MI (Fortsetzung)

Legierung

Eigenschaften

Glühlemperatur. "C

240 JOO

400

500

600

Vergleichslegierung ',
(ECAI)

Vergleichslegierung 3
(ASTM 5005)

Zugfestigkeit,
N/mm²
Dehnung, %
Leitfähigkeit
(% IACS)

100

71

64

61

59

3,1	4,0	20	19	19	9
62.4	62,6	63,0	63,0	63.0	62,6
157	118	118	114	108	107
1.8	4.0	20	17	13	7
54,1	55.1	55.1	55.1	55.1	54,9

Wie aus der Tabelle III zu ersehen ist, besitzen die Aluminiumlegierungen der Erfindung einen wesentlich

und bessere Eigenschaften als die herkömmliche Aluminiumlegierung für elektrische Leiter (Vergleichslegierung I) und die Vergleichslegierung 3, die einen sehr schmalen Glühtemperaturbereich besitzen, in dem man halbharte und weiche Drähte erhalten kann. Somit kann bei den Aluminiumlegierungen der Erfindung sehr leicht eine Giühtemperatur eingehalten werden, bei der man halbharte oder weiche Drähte erhält, so daß bei der Herstellung solcher Drähte aus Aluminiumlegierungen der Erfindung fast keine Schwankungen in der Produktqualität auftreten.

Beispiel 3

Analog dem Verfahren von Beispiel 1 werden aus den erfindungsgemäßen Legierungen 6, 11 und 18 und der Vergleichslegierung 1 von Tabelle I Drahtstangen hergestellt und mit einer Stärkeverminderung von mehr als 89% kaltgezogen, worauf man sie bei 300⁰C glüht und

Tabelle IV

dann erneut mit verschiedenen Stärkeverminderungen von 10%, 2.}%. 40% bzw. 60% zu halbharten Drähten jo kaltzieht. Die Zugfestigkeit, Dehnung und elektrische Leitfähigkeit dieser Drähte wird gemessen und ist in der Tabelle IV aufgeführt.

Legierung

Eigenschaften

Slärkeverminderung beim Kaltziehen nach dem Weichglühen 10% 20% 40% 60%

Erfindungsgemäße	Zugfestigkeit,	106	117	143	116
Legierung 6	N/mm²
	Dehnung, %	16	7,2	4.0	2.4
	Leitfähigkeit	62,5	62,4	62.3	623
	(% IACS)
Erfindungsgemäße	Zugfestigkeit,	114	123	152	171
Legierung 11	N/mm²
	Dehnung, %	15	6,8	4.0	2.4
	Leitfähigkeit	62,6	62,5	62,4	623
	(% IACS)
Erfindungsgemäße	Zugfestigkeit.	136	147	179	198
Legierung 18	N/mm²
	Dehnung, °/o	12	6,0	3,6	2,0
	Leitfähigkeit	61.2	61.1	61,0	61,0
	(% IACS)
Vergleichslegierune 1	Zugfestigkeit,	80	88	120	141
(ECAl)	N/mm²
	Dehnung, %	13,0	43	3,0	1,0
	Leitfähigkeit	62,8	62,6	62.6	62,6
	(% IACS)

Aus der Tabelle !V ist klar ersichtlich, daß die harten Drähte aus den Aluminiumlegierungen der Erfindung durch Glühen und anschließendes Kaltverformen in halbharte Drähte umgewandelt werden können, die ausgezeichnete Eigenschaften besitzen, wie sie bei halbharten Drähten aus herkömmlichem Aluminium für elektrische Leiter (Vergleichslegierung 1) nicht zu erreichen 65

Somit können die Aluminiumlegierungen der Erfindung in Form von Hartdrähten als Leiter für verschiedene Kraftstrom- und Verteilerhochleitungen und als halbharte oder weiche Drähte, die man aus den Hartdrähten durch Glühen und gegebenenfalls anschließendes Kaltziehen erhalten kann, für Verständigungssysteme, Hausleitungen oder Spulen verwendet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Magnesiumhaltige Aluminiumlegierung für Leiterzwecke, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 0,01 bis 0,6% Antimon, 0,05 bis 0,6% Magnesium, insgesamt bis zu 1,5% eines oder mehrerer der Elemente Eisen, Kupfer, Zink, Nickel, Mangan und Tellur, vorzugsweise nur Eisen und/oder Kupfer, einschließlich der herstellungsbed-ngten Verunreinigungen des Aluminiums, und Rest Aluminium besteht.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Aluminium einen Reinheitsgrad von mehr als 99,5% besitzt

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antimongehalt 0,03 bis 0,4%, vorzugsweise bis 03%, beträgt

4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnesiumgehalt 0,05 bis 0,5%, vorzugsweise 0,08 bis 0,4%, betragt

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzelgehalt an Eisen oder Kupfer oder Zink oder Nickel oder Mangan oder Tellur 0,05 bis 0,6%, vorzugsweise 0,05 bis 0,5%, und der Gesamtgehalt an diesen Elementen 0,05 bis 1,2%, vorzugsweise 0,05 bis 1,0%, beträgt

6. Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung von Drähten für Leiterzwecke, bei dem eine Legierung vergossen, warmverformt und dann kaltgezogen wird, auf eine Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Anwendung nach Anspruch 6, bei der der gezogene Draht bei einer Temperatur von 150 bis 500°C geglüht wird.

8. Anwendung nach Anspruch 7, bei der der geglühte Draht nochmals um weniger als 50% kaltgezogen wird.