DE2141444A1

DE2141444A1 - Draht fur elektrische Zwecke aus einer Aluminiumlegierung und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2141444A1
Application number: DE19712141444
Authority: DE
Inventors: Fred A Southbury Setzer William C Hamden Conn Besel (V St A )
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1970-08-21
Filing date: 1971-08-18
Publication date: 1972-03-09
Also published as: BE789416A; SE379794B; CA947829A; FR2103428A1; NO128829B; AU3179671A; FR2103428B1; JPS5021286B1; AU454048B2

Description

Draht für elektrische Zwecke aus einer Aluminiumlegierung und Verfahren zu seiner Herstellung

Priorität: 21. August I97O, Y.St.A., Ir. 66 067

23. November 1970, T.St.A., Nr. 92 289

Die Erfindung "betrifft Draht für elektrische Zwecke aus einer Aluminiumlegierung und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Aluminiummaterial hoher Leitfähigkeit ist bekannt. . Hochleitendes Aluminium v/eist jedoch häufig nur geringe Festigkeit auf oder neigt bei höheren Temperaturen zu Festigkeitsverlust und bei Raumtemperatur zum Kriechen mit den negativen Auswirkungen auf elektrische Anschlüsse_e Aluminiumlegierungen höherer Festigkeit besitzen im allgemeinen nur noch verringerte Leitfähigkeit, Hochreines Aluminium kann durch Verformen nur

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mäßig und unter Verlust an "Verformbarkeit verfestigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, Draht für elektrische Zwecke aus Aluminiumlegierungen zur Verfügung zu stellen, der hohe Leitfähigkeit-, hohe Festigkeit und gute Verformbarkeit aufweist und sich einfach und kostengünstig herstellen läßt. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist Draht mit einem Durchmesser von et-™ wa 0,051 "bis etwa 9,5 mm aus einer Aluminiumlegierung der Zusammensetzung

' 0,04 bis 1,0 % Eisen,
0,02 bis 0,2 % Silicium,
0,1 bis 1,0 % Kupfer,
0,001 bis 0,2 % Bor,
Rest Aluminium mit unwesentlichen Verunreinigungen, vrobei

die Eisen-, Silicium— und Bor-Legierungszaisätze hauptsächlich als extrem fein verteilte Ausscheidungen vorliegen und das zu- ) legierte Kupfer im wesentlichen mit der Aluminiuiiimatrix einen Mischkristall bildet.

Der Draht der Erfindung ist also legiert, und die Legierungs-

elemente sind mit Ausnahme von Kupfer in der Matrix ausgeschieden. Der Kupferzusatz verbleibt gelöst, um eine gewisse Mischkristallhärtung der Matrix zu erzeugen. Er wirkt weniger als dispersions- oder ausscheidungshärtender Zusatz, wie es norniarlerweise bei Kupfer der Fall ist.

Draht der Erfindung besitzt hohe Festigkeit und hohe Leitfähig-

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keit Ibex ausgezeichneter Verformbarkeit. Vorzugsweise hat das Dranfcmaterial einen Durchmesser von 0,051 his 31^75 raia, und der Kupfergehalt "beträgt 0,1 bis 0,4 % und der Borgehalt 0,001 Ms 0,1 %.

Unter Verformbarkeit wird hier die Kombination von Duktilität und Biegbarkeit bei einem ausreichend hohen Festigkeitsniveau verstanden, so daß das Drahtmaterial aus seiner ursprünglichen Gestalt deformiert oder in eine neue Gestalt gebracht werden kann ohne zu brechen. So hat das Drahtmaterial der Erfindung im flexibelsten Zustand, d.h. vollständig weichgeglüht, mindestens eine IACS-Leitfähigkeit von 60% und erreicht bequem eine

Zugfestigkeit von 11,25 kp/mm und eine Dehnung von über 10 %. Ferner kann die Zugfestigkeit des geglühten Drahtes durch zu-

sätzliche Burchmesserreduktion auf 12,66 kp/mm , die Streckgren-

ze auf 11,25 kp/W gesteigert werden bei fast nicht meßbarem Verlust an Leitfähigkeit oder Verformbarkeit und bei einer Dehnung von über 2 %. Diese Durchmesserreduktion ist auf ungefähr 25 % begrenzt. Größere Reduktionen bewirken eine Verminderung der Verformbarkeit des kaltverformten Drahtes.

Die Festigfeeitswerte stark kaltverformten Drahtmaterials sind bedeutend h.öher als die geglühten Materials. Kaltverformtes Haterial besitzt allerdings bedeutend geringere mechanische Verformbarkeit. Han kann also mit sehr großen Kaltverformungsgraden Zugfestigkeiten von mindestens ca. 29,53 kp/mm in Kombination mit mindestens 57 °/° IACS-elektrischer Leitfähigkeit, aber bei einer Dehnung von ungefähr 2 % und begrenzter Verformbarkeit, erreichen.

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Wenn andererseits ausgezeichnete Verformbarkeit nicht Voraussetzung ist, hat ein anderes Drahtmaterial der Erfindung einen ausgezeichneten Kaltverfestigungsgrad, der zur Erzielung einer Kombination von höherer Festigkeit und hoher Leitfähigkeit ausgenutzt werden kann. In diesem Fall erhält man eine verbesserte Kombination von Festigkeit und Leitfähigkeit. Man kann also verbesserte Leitfähigkeit bei Festigkeitswerten, die denen herkömmlichen Drahtmaterials vergleichbar sind, erreichen oder umge- . _kehrt gesteigerte Festigkeitswerte bei Leitfähigkeiten, die ™ herkömmlichen vergleichbar sind, oder Variationen der beiden Möglichkeiten. So beträgt beispielsweise die Leitfähigkeit mindestens 57 % IACS ,und die Zugfestigkeit kann zum Beispiel mindestens 33?75 kp/mm betragen bei einem Enddurchmesser von - 2,057 mm. Drahtmaterial mit diesen Eigenschaften kann den herkömmlichen Wickel-Test (ASTM-B-398-67) bestehen.

Das Drahtmaterial der Erfindung wird erfindungsgemäß in folgenden Stufen hergestellt:

F (A) Herstellung eines Barrens einer Aluminiumlegierung, die 0,04- bis 1,0 % Eisen,
0,02 bis 0,2 % Silicium,
0,1 bis 1,0 % Kupfer,
0,001 bis 0,2 % Bor,

Rest Aluminium mit unwesentlichen Verunreinigungen enthält}

(B) Warmverformen der Aluminiumlegierung um mehr als 10 % bei Temperaturen von etwa 204 bis 510⁰C, vorzugsweise 315 bis 510⁰C;

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von 0,051 bis 9,5 rnm (C) Kaltverformen auf- die Endstärke/mit einem Verforiaungsgrad

von mindestens 75 %·> vorzugsweise über 90 %·

Nach dem erfindungsgemäßen "Verfahren kann Drahtmaterial mit einer guten Kombination von Festigkeit und Leitfähigkeit bei hervorragender Verformbarkeit erhalten werden. Oder als zweite Möglichkeit kann ein Teil Verformbarkeit geopfert werden, um eine hervorragende Kombination von Festigkeit und Leitfähigkeit zu erzielen.

Nachstehend wird die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, bei der Drahtmaterial mit hoher Festigkeit und hoher Leitfähigkeit bei ausgezeichneter Verformbarkeit erhalten wird.

Die Legierung für Drahtmaterial der Erfindung enthält 0,04 bis 1,0 %, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 %,Eisen. Der Siliciumgehalt beträgt 0,02 bis 0,2 %. Ein zu hoher Siliciumgehalt beitfirkt einen Leitfähigkeitsverlust. Der bevorzugte Siliciumgehalt beträgt 0,02 bis 0,1 %. Der Kupfergehalt beträgt 0,1 bis 0,4 %, vorzugsweise 0,25 bis 0,35 %· Bor ist in einer Menge von 0,001 bis 0,1 % vorhanden. Der Rest der Legierung besteht aus Aluminium mit unwesentlichen Verunreinigungen.

Kleine Mengen Magnesium, Zirkonium, Mangan, Chrom oder andere Elemente können aus bestimmten Gründen zugegeben werden, um z.B. die Festigkeit oder thermische Beständigkeit zu erhöhen. Diese Zugaben beeinflussen allerdings die elektrische Leitfähig keit negativ und sollten aus diesen Gründen beschränkt werden,

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Titan kann als kornfeinender Zusatz zugegeben werden in einer Menge, die kleiner ist als die stöchiometrische Menge für die Bildung von TiBoi und in einer solchen Menge, daß die elektrische Leitfähigkeit nicht wesentlich beeinflußt wird. In ähnlicher Weise können auch herkömmliche Verunreinigungen in Mengen zugelassen werden, die die elektrische Leitfähigkeit nicht wesentlich beeinflussen.

Zusätzlich zu der Mischkristallhärtung, die durch Kupfer hervorgerufen wird, ist es bezeichnend, daß das Drahtmaterial der Erfindung extrem fein -verteilte Ausscheidungen der Eisen-, Silicium- und Bor-Legierungszusätze enthält. Die verteilten Ausscheidungen wirken härtesteigernd, und gleichzeitig werden die gelösten Atome aus der Matrix bis auf kritische Mengen entfernt, um hohe Leitfähigkeit zu behalten.

Das Dralitmaterial bzw. die Legierung der Erfindung wird als Draht mit einem Durchmesser von 0,051 bis 3,175 cim hergestellt. Dieser Leiter kann bequem für industrielle Leiterabraessungen im Bereich der Stärken B und S verwendet werden und umfaßt Starkstromkabel, Schwachstromkabel und Kabel für die Inneninstallation. Der Leiter wird vorteilhaft als starres Kabel, als vieladrige Litze oder als Litze in Verbindung mit Legierungen oder EC-Aluminium oder auch mit einer Stahlseele verwendet.

Die Legierung der Erfindung kann nach üblichen Methoden verarbeitet werden. So kann die Legierung in der herkömmlichen Art gegossen werden. Der Gußbarren kann auf herkömmliche Art zu einem Stab verformt werden,wie z.B. durch Stabwalzen. Die Stäbe

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können dann auf den endgültigen Durchmesser gezogen werden oder gezogen, weichgeglüht und auf den Enddurchmesser gezogen werden.

Die Yerformbarkeit kann durch einen Schleifenbiegetest gemessen oder "bestimmt werden. Dabei wird ein 50,8 mm langes Drahtstück von beispielsweise 0,508 mm Durchmesser mehrfach hintereinander zusammengedrückt und wieder auseinandergezogen. Wenn dieser Vorgang zehnmal ohne negative Folgen, z.B. Risse, wiederholt werden kann, besitzt der Draht zufriedenstellende Verformbarkeit. Der Draht der Erfindung v/eist eine solche Verformbarkeit auf, daß im allgemeinen über 15 freie Schleifenbiegungen durchgeführt werden können, auch wenn die Dehnung klein ist. Normalerweise kann eine wesentlich höhere Zahl erreicht werden.

Es ist ein besonderer Vorzug der Erfindung, daß die wünschenswerten charakteristischen Eigenschaften des Drahtmaterials bei bequemer Herstellung erreicht werden.

Daher ist das Drahtmaterial der Erfindung in einem weiten Anwendungsbereich vorteilhaft verwendbar, besonders als Kabel für die Inncninstallation-und als Schwachstronikabel, v/o seine hohe Verformbarkeit starke Biegungen erlaubt. Darüber hinaus werden die feinen Ausscheidungen, die die mechanischen Eigenschaften stabilisieren, eine bedeutende Verbesserung in Bezug auf Raumtemperatur-Relaxation oder -Kriechen bewirken.Man hat festgestellt, daß diese Vorgänge zu Schwierigkeiten bei Anschlußverbindungen führen, die federnde oder geschraubte Klemmvorrichtungen enthalten.

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Die vor dem Weichglühen vorhandenen ausgeschiedenen Teilchen verstärken die Keimbildung bei der Rekristallisation, hemmen die Kornvergrößerung und verhindern übertriebene Kornvergrößerung, die besonders schädlich für die Verformbarkeit wäre. Legierungsgehalt '(besonders der in der Matrix gelöste) und kleine Korngröße helfen, ein am Anfang höheres Festigkeitsniveau im geglühten Draht zu erzeugen. Dies beides bewirkt zusammen mit den ausgeschiedenen Teilchen eine gesteigerte Verformungs-. .^;verfestigung. Ferner bewirkt die kleine Korngröße, daß ,jede lokale Verformung auf viele kleine Körner und damit auf ein größeres Materialvolumen verteilt wird.

Wie vorstehend angegeben, kann auch Drahtmaterial der Erfindung hergestellt werden, das eine hervorragende Kombination von Festigkeit und Leitfähigkeit besitzt. Die Legierung enthält in diesem Fall 0,04· bis 1,0 %, vorzugsweise 0,5 bis 1,0 % , Eisen. Der Siliciumgehalt beträgt 0,02 bis 0,2 %, vorzugsweise 0,02 bis 0,1 °/o. Der Kupfergehalt beträgt 0,1 bis 1,0 %, vorzugsweise 0,355 bis 0,5 %· Bor ist in einer Menge von 0,001 bis 0,2 % vorhanden. Der Rest der Legierung besteht aus Aluminium mit unwesentlichen Verunreinigungen. Kleine Mengen von Zirkonium, Magnesium, Mangan, Chrom oder anderen Elementen können für bestimmte Verbesserungen - wie gesteigerte Festigkeit oder thermische Stabilität - zugegeben werden. Diese Zugaben beeinflussen jedoch andererseits die elektrische Leitfähigkeit und sollten aus diesen Gründen beschränkt werden. Als bevorzugter kornfeinender Zusatz wird Titan in einer Menge zugegeben, die kleiner ist als die stöchiometrische Menge für die Bildung von

allgemeinen
. Die Menge wird mit im / weniger als 0,5 % Ti so gewählt,

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daß die elektrische Leitfähigkeit nicht wesentlich beeinflußt wird. Für thermische Stabilität dienen Zirkonium und Magnesium als bevorzugte Zusätze. Magnesium steigert außerdem die Verformungsverfestigung. Zirkoniumzusätze liegen gewöhnlich unter 0,1 % und Magnesiumzusätze unter 0,2 %. In ähnlicher Weise können auch herkömmliche Verunreinigungen zugelassen werden, die die elektrische Leitfähigkeit nicht wesentlich beeinflussen.

Auch bei dieser Ausführungsform enthält das Drahtmaterial extrem fein verteilte "Ausscheidungen der Eisen-, Silicium- und Bor-Legierungszusätze, während die Kupferatome hauptsächlich in der Matrix gelöst bleiben. Dieses Drahtmaterial bzw. die Legierung der Erfindung wird als Draht mit einem Durchmesser von 0,051 bis 9?5 μ hergestellt. Eine Verbesserung wird also

bis zu großen Durchmessern erreicht, die auch den Bereich von Ziehrohlingen für Drähte einschließen. Am häufigsten liegt der Drahtdurchmesser bei 1,5 bis 5>1 mm.

V/ie nachstehend angegeben, liegt der besondere Vorzug dieser Ausführungsform des Drahtmaterials darin, daß wegen der hohen Verformungsverfestigung eine ausgezeichnete Kombination von Festigkeit und Leitfähigkeit erreicht wird. Daher kann man durdi Kaltverformen bequem gesteigerte Festigkeit bei Leitfähigkeitswerten, die herkömmlichem Material vergleichbar sind, oder höhere Leitfähigkeit bei Festigkeitswerten, die herkömmlichem Material vergleichbar sind, erreichen. In beiden Fällen besteht das Drahtmaterial den oben erwähnten Standard-Wickel-Test.

Der Grund für die ausgezeichneten Eigenschaften des Drahtma-

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terials der Erfindung liegt darin, daß die Zusammensetzung der Legierung eine verstärkte Verformungsverfestigung zur Folge hat. Deshalb ist zum Erreichen eines gegebenen Festigkeitswerts geringere Verformung notwendig. Es ist ersichtlich, daß das Drahtmaterial der Erfindung bei seiner Herstellung zusätzlich einer starken Kaltverformung unterworfen wird.

So kann bei dieser Ausführungsform die Legierung nach üblichen Methoden gegossen werden. Der gegossene Barren oder Stab kann ρ gegebenenfalls bei Temperaturen von ^75 bis 521⁰C acht Stunden oder länger homogenisiert werden.

Die Legierung wird v/arm bei Temperaturen von mindestens 204⁰C, vorzugsweise mindestens 315°C,und bis zu 510°C, verformt. Es wurde festgestellt, daß dieser Schritt der Warmverformung wichtig für das Erreichen der angestrebten Eigenschaften im Drahtmaterial ist.

Nach der Warmverformung wird die Legierung direkt auf die End- r stärke kaltverformt. Der Verformungsgrad beträgt dabei über 75% > vorzugsweise über 90 %·> um gute mechanische Eigenschaften zu erhalten. Selbstverständlich hängt der Verformungsgrad, der für das Erreichen eines gegebenen Festigkeitswerts erforderlich ist, von der jeweiligen chemischen Zusammensetzung und dem warmgewalzten Profil ab.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

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Beispiel 1

Aus einer Aluminiumlegierung (Legierung 1 : 0,18 % Eisen, 0,06 % Silicium, 0,015 % Bor, 0,25 % Kupfer, Rest Aluminium mit unwesentlichen Verunreinigungen) wird ein Barren mit den Abmessungen etwa 51 mm χ 51 mm χ 178 mm gegossen. Der Barren · wird auf etwa 400⁰C erhitzt und ohne erneutes Erhitzen zu einem Stab mit einem Durchmesser von etwa 9,5 mm warmgewalzt. Dieser Stab wird dann auf etwa 7,4 mm Durchmesser kalt gezogen und 24 Stunden lang bei etwa 290⁰C geglüht. Das Material wird anschließend zu einem Draht mit. 0,53 mm Durchmesser gezogen lind einem kurzzeitigen, vollständigen Rekristallisationsglühen unterworfen (Material 1).

Ein Teil des Materials wurde dann nochmals schwach - um ungefähr 4 bis 12 % - kaltverformt (Material 2).

In Tabelle I sind die physikalischen Eigenschaften der beiden Materialien zusammengestellt.

Tabelle I

Material 1

Material 2

Zugfο et igke it,kp/mm Dehngrenze, kp/ram Dehnung, %

Freie Schleifenbiegungen Leitfähigkeit, % IACS -. Korngröße,mm

12,30	13,	01
5,06	12,	51
19	7
10-24	10-	•25
62,1	61,	7
0,008-0,016	O₉	008-0,016

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Beide Materialien sind also feinkörnig, besitzen hohe Festigkeit, "hohe Leitfähigkeit und ausgezeichnete Verformbarkeit.

Die Eisen-, Silicium- und Bor-Legierungszügaben liegen hauptsächlich als extrem fein verteilte Ausscheidungen vor, das zu-

legierte Kupfer bildet im wesentlichen mit der Aluminiummatrix einen Hischkristall. .

Beispiel 2

Aus einer.Alumiäiumlöfei«rung (Legierung 2: 0,6 % Eisen, 0,4 % Silicium, 0,01 % Bor, 0,4 % Kupfer, Rest Aluminium mit unwesentlichen Verunreinigungen) werden einige Barren mit den Abmessungen etwa 51 mm χ 51 mm x 178 mm gegossen. Alle Barren wer den 8 Stunden bei etwa 499°C homogenisiert und dann bei einer Anfangstemperatur von etwa 454 0 und einer Endtemperatur von etwa 191⁰C zu einem Stab mit etwa 9,5 mm Durchmesser warmgewalzt.

Ein Stab wurde mit einem Verformungsgrad von 75 % von etwa 9»3 Jam auf etwa 4,6 mm kaltverformt (Material 3).

Ein zweiter Stab wurde mit einem Verformungsgrad von 90 % von etwa 9j3 mni auf etwa 2,9 mm kaltverformt (Material 4)

Ein dritter Stab wurde mit einem Verformungsgrad von 95 % von etwa 9,3 mm auf etwa 2,1 mm kaltverformt (Material 5).

In Tabelle II sind die physikalischen Eigenschaften der Materialien zusammengestellt.

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Tabelle II

Material 3 Material 4 Material 5

.Zugfestigkeit, kp/mm² 25_t3 2?,4 B Leitfähigkeit,'% IAGS 59 59 59

Die Materialien 3 his 5 bestehen erfolgreich den Wickel-Test (ÄSTM-B-398-67).

In allen lallen liegen die Eisen-, Silicium*- und Bor*-Leg±erungS--zugaben hauptsächlich.als extrem fein verteilte Ausscheidungen vor, das zulegierte Kupfer bildet im wesentlichen mit der AIu- - miniummatrix einen Mischkristall.

Be is piel 3

Barren der Legierung 2 werden gemäß Beispiel 2 gegossen, homogenisiert, aber nur auf etwa 16,8 mm warmgewalzt»

Ein Stab wird von etwa 16,8 mm auf etwa 4,6 mm kaitverformt (Material 6).

Ein zweiter Stab wird von etwa 16,8 mm auf etwa 3,4 nim kaltverformt (Material 7).

In Tabelle III sind die physikalischen Eigenschaften der Mate·^ rialien 6 und 7 zusammengestellt.

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Tabelle III

Material 6 Material 7

Zugfestigkeit, kp/mm² 29,5 32,3

Leitfälligkeit, % IAOS 59 59

Beide Materialien bestehen erfolgreich den Viekel-Test (ASTM-

Eisen-, Silicium·» und Bbr-Legierungszugaben liegen hauptsächlich als extrem fein verteilte Ausscheidungen vor, das zulegierte Kupfer bildet im wesentlichen mit der Aluminiummatrix einen Mischkristall.

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Claims

•ι

P a t e. η t a η s ρ r Ü c h e

1. Draht für elektrische Zwecke mit einem Durchmesser von O,O5l mm "bis 9*5 mm aus einer Aluminiumle gier ung der Zusammensetzung

0,04- bis 1,0 % Eisen,

0,02 his 0,2 % Silicium.,

0,1 bis 1,0 % Kupfer,

0,001 bis 0,2 % Bor,

Rest Aluminium T.it unwesentlichen Verunreinigungen, wobei die Eisen-, Silicium- und Bor-Legierungszusätze · hauptsächlich als extrem fein verteilte Ausscheidungen vorliegen und das zulegierte Kupfer im wesentlichen mit der Aluminiummatrix einen Mischkristall bildet.

2. Draht nach Anspruch 1, enthaltend 0,5 bis 1,0 % Eisen, 0,02 bis 0,1 % Silicium und 0,35 his 0,5 % Kupfer, Rest Aluminium und unwesentliche Verunreinigungen.

3. Draht nach Anspruch 1 mit einem Durchmesser von 0,051 mm bis 3,2 mm der Zusammensetzung

0,0'I- bis 1,0 % Eisen,

0,02 bis 0,2 % Silicium,

0,1 bis 0,4 % Kupfer,

0,001 bis 0,1 % Bor,

Rest Aluminium und unwesentliche Verunreinigungen.

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« ί

'4. Draht nach Anspruch 3» enthaltend 0,1 bis 0,3 % Eisen, 0,02 bis 0,1 % Silicium und 0,25 bis 0,35 % Kupfer, Rest Aluminium und unwesentliche Verunreinigungen.

5. Verfahren zur Herstellung des Drahts gemäß Anspruch 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Aluminiumlegierung der Zusammensetzung

0,04- bis 1,0 % Eisen,
* 0,02 bis 0,2 % Silicium,

0,1 bis 1,0 % Kupfer,

0,001 bis 0,2 % Bot,

Eest'Aluminium und unwesentliche Verunx'einigungen, bei Temperaturen von etvra 204- bis 51O⁰C um mehr als 10 % warmverformt und anschließend auf einen Durchmesser von 0,051 bis 9*5 nun mit einem Verformungsgrad von mindestens. 75 % kaltverformt.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß man P die Kaltverformung mit einem Verformungsgrad von über 90 % durchführt.

7. Verfahren nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Warmverformung bei Temperaturen von 315 his 51O⁰C durchführt.

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