DE2317994B2

DE2317994B2 - Verwendung einer Aluminiumlegierung als Werkstoff für elektrische Leiter

Info

Publication number: DE2317994B2
Application number: DE2317994A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Arthur Dipl.-Ing. Hittarp Bronnvall; Anders Olof Haelsingborg Sundin
Original assignee: ELEKTROKOPPAR HAELSINGBORG (SCHWEDEN) AB
Current assignee: ELEKTROKOPPAR HAELSINGBORG (SCHWEDEN) AB
Priority date: 1972-04-27
Filing date: 1973-04-10
Publication date: 1974-10-17
Also published as: FI60462C; FI60462B; GB1423844A; JPS49107906A; NL7305733A; CA983291A; DE2317994A1; BE798413A; SE360391B; DE2317994C3; US4233066A; DK140505C; NO129579B; FR2182212B1; DK140505B; IT980911B; CH587541A5; FR2182212A1

Description

Hei Aluminium als elektrisches Leitermaterial wird normalerweise angegeben, daß die Leitfähigkeit einen gewissen Mindestwert übersteigen soll. Meistens wird verlangt, daß die Leitfähigkeit mindestens 61 Prozent «5 der Leitfähigkeit geglühten Kupfers gemäß internationalem Standard (International Annealed Copper Standard) beträgt. Dies bedeutet, daß man zulassen kann, daß das Aluminium kleine Mengen anderer Elemente, wie z. B. Eisen und Silizium, enthält. Manchmal kann eine Leitfähigkeit akzeptiert werden, die den angegebenen Wert etwas unterschreitet. Dies ist besonders der Fall, wenn man dadurch andere Vorteile gewinnt, z.B. verbesserte mechanische Eigenschaften.

Aluminium als elektrisches Leitermaterial kann u.a. in Kabeln und Leitungen, Wicklungsdrählen für elektrische Maschinen und Apparate und in Schienen für z. B. Schaltanlagen verwendet werden.

Bei Verwendung von Aluminium als Material in elektrischen Leitern bestehen große Schwierigkeiten, einen effektiven bestehenden Kontakt zwischen dem Leiter und dem Anschlußorgan, wie z. B. Klemmen und Kabelschuhen, herzustellen. Besonders ausgeprägt sind diese Schwierigkeiten, wenn der Kontakt zwischen dem Aluminiumleiter und dem Anschlußorgan rein mechanisch ist, wie bei Schraub · und Klemmverbänden. Auch wenn man bei der Montage einen herstellen kann, d.n niedrigen Über-Sangswiderhwnd/wischen dem Alummiumleiter und EΓ Anschlußorgan, hat es sich gezeigt, daß der Hiwaanflswiderstand mit der Zeit zunimmt, beson-KS2S?Sni-kt Wärme und/oder Feuchtigkeit aussetzt wird. Man hat versucht, diese Schwicng-Sn auf %erschiedene Weise zu vermeiden. Unter anderem ist es bekannt, die Aluminiumnachc mit einem Überzug aus einem anderen Metall zu uberzic hen, das auch bei langem Betrieb, unu-r wechselnden Redineuneen einen niedrigen Übergangswiderstand SÄtllSeoriPnhrt.wie/. Briber Zinn. Nikkei Kupfer und Zink. Dies kann / B. durch e ekirolytisches Auftragen dieser Metalle erreicht werdet. Man hat auch die Methode angewandt, eine» Kupferleitcr durch Stumpfschweißen an den Steifen, wo der Leiter mit dem AnschluBorgan in Kontakt gebracht werden M»ll an den Aluminiumleiter anzuschließen^

E-'in jnderer bekannter Versuci., one Zunahme des Übergangswiderstand*- /u verhindern, besteht dann, dalur zu -,orgen daß der erforderliche Kontaktdruck zwischen dem Alumimumldler und dem Anschlußorean dauernd erhalten bleibt. Dies läßt s:-h beispielsweise durch die Verwendung von federnden Ansciiluliorganen erreichen.

Die bisher bekannten Verfahren !uhren entweder zu zusätzlichen und kostspieligen Arbeitsoperationen oder ergeben auf lange Sicht einen unzufriedenste! !enden Kontakt mit zu hohem übergangswiderstand zwischen Aluminiumleiter und Anschlußorgan.

Ein anderes Problem bei Leitern aus Aluminium besteht das in. bei der Herstellung in Fabrikationsskala im voraus bestimmte Eigenschaften aller Teil- des hergestellten Produkts zu erhalten. Dies hangt damit zusammen daß besonders die mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit und Dehnung, stark von den bei der mechanischen Bearbeitung und der War mcbchandlung herrschenden Verhältnissen abhangig

Ausderdeutschen Patentanmeldung A I3(i2(l. 40h (ausgelegt am 27. November 1^ιλ5 2) ist eine Legierung, bestehend aus 0,005 bis 0.25 '■'< Beryllium und, oder 0 04 bis 1.0 <-h Nickel je 0 bis 0.05 ', Kupfer und Magnesium sowie 0.01 bis 0.S '< Eisen plus Silizium und Rest Aluminium bekanntgeworden. Dieser Patentanmeldung ist jedoch nicht zu entnehmen, daß sich die bekanntgewordene Legierung,oder auch eine über die angegebenen Legierungsbereiche hinausgehende Legierung als Werkstoff für elektrische Leiter eignet.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 10607*; ist es bekannt, zur Herstellung der bekannten Legierung ein Aluminium mit in der Elektrotechnik üblichem Rcinhritsgrad zu verwenden, dessen Kupfergehalt nicht über 0.02 ^c/< hinausgehen sollte.

Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines Aluminiumleiters. der direkt an das Anschlußorgan anschließbar ist und der einen Kontakt mit bestehendem niedrigen übergangswiderstand ergibt, auch wenn der Kontakt Wärme und/oder Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Gleichzeitig soll der Leiter vorherbestimmte gute mechanische Eigenschaften erhalten, einschließlich guter Relaxationseigenschaften, und es soll möglich sein, eine Leitfähigkeit des Leiters von mindestens 61 % IACS zu erreichen. Daß der Leiter gute Rclaxationseigenschaften haben soll, bedeutet, daß der Kon taktdruck zwischen dem Leiter und dem Anschlußorgan auf eine effektive Weise aufrcchterhaltbar sein soll.

l)as£ieldcr Erfindung wird ent icht durch die Vcrwcndung einer Legierung, bestehend mit» 0,001 his O₁JU Vt Beryllium, O₁(KlS bis 0,35 % Kupfer, (MU bis 0.20 % Magnesium, wobei die Gesamtmenge an BeryIlium, Kupfer und Magnesium höchstens 0.50 ⁽.Ί beträgt, sowie Sili/ium und Risen in üblichen Mengen als Verunreinigungen oder Beimengungen, mit vier Maßgabe, daß Verunreinigungen und Beimengungen nebenden!-egierungselementen nur in einem solchen Ausmaß vorhanden sind, daß der Aluminiumgehalt der gesamten Legierung mindestens 9K,5 '4 beträgt, als Werkstoff zur Herstellung von elektrischen Leitern, die eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 39"/ des internationalen Standards für geglühtes Kupfer besitzen müssen.

Alle Gehaltsangaben gelten in Gewichtsprozent.

E-.s ist charakteristisch für die Erfindung, dall das Erreichen der gewünschten Eigenschaften nur in sehr geringem Ausmaß von den Verhältnissen bei der mechanischen Bearbeitung und bei der Wärmebehandlung abhängig ist. Die Verwendung von Kupfer in de ι angegebenen Menge ermöglicht es, dall beispielsweise kaltbearbeiteter Draht hei einer hohen Temperatur wärmebehandelt wird, was eine hohe Leitfähigkeil, beispielsweise über el 'ι des internationalen Standards fordert, und daß der Dreht dennoch gute mechanische Eigenschaften erhält.

Der Aluminiumgehalt der erfindungsgemäß verwendeten Legierung betragt vorzugsweise mindestens yy,0 ^rH. Besonders bevorzugt wird ein Aluminiumgehalt von mindestens 99,2 ''<. Das Aluminium enthält vorzugsweise 0,02 bis 0,12 ^i Silizium um¹ 0,05 bis 0,45 ^t Eisen, d. h. einen normalerweise verwendeten Gehalt dieser Stoffe. In dem angegebenen Rahmen kann die Legierung kleine Mengen anderer, in Aluminium als I^eilermateiial oft vorkommender Elemente als Verunreinigungen oder Beimengungen enthalten, wie Chrom, Titan, Zirkonium, Vanadium, Molybdän. Bor, Zinn, Zink, Cadmium, Mangan, Nickel. Kobalt, Antimon und/oder seltene Erdmetalle. Der gesamte Gehalt an anderen Elementen als Aluminium beträgt jedoch höchstens 1.5%, vorzugsweise höchstens 1,0"/. Besonders bevorzugt wild ein Gesamtgehalt an anderen Metallen als Aluminium von höchstens 0,8%.

Beryllium, Kupfer und Magnesium wird einer Aluminiumschmelze vorzugsweise in Form von Vorlegierungen zugesetzt, kann aber auch in reiner Form direkt zum Aluminium gegeben werden. Von einer Menge zugänglicher Vorlegierungen können folgende als Beispiel genannt werden: Eine Beryllium-Alumimumlegierung mit 5 7r Beryllium und 95 ^rk Aluminium, eine Kupfer-Aluminiumlegierung mit 2C "i Kupfer und 80'% Aluminium, sowie eine Magnesium-Aluminiumlei>ierung mit 25 ^r'r Magnesium und 75 ^r/( Aluminiü... Auch die übrigen Elemente, die eventuell in das Endprodukt eingehen sollen, werden der Aluminiumschmelze in dem Umfang zugeführt, wie Sie nicht schon von Anfang an in dem verwendeten Aluminiumrohmaterial vorkommen. Die Schmelze wird danach nach üblichen Verfahren zu Gußstücken gegossen, die durch Walzen, Pressen oder andere Verformung, meistens unter Wärme, in gewünschte Form gebracht werden, z. B. Walzdraht, Band oder Schienen. O¹H erfolgt eine nachfolgende Kaltbearbeitung z. B, in Form von Walzen oder Ziehen zwecks Herstellung eines Endprodukts mit gewünschter Dimension, z. F*. Wicklungsdraht. Der Aluminiumleiter aus einer wrlindunghgemaß verwendeten Legierung wird vorzugsweise einer Wärmebehandlung unterworfen, entweder als Endprodukt oder zu einem früheren Stadium dei Herstellung. Es ist i?in wichtiges

S Ergebnis der erfindungsgemäS verwendeten Legierung, daß die Wärmebehandlung am Endprodukt ausgeführt werden kann, d. h. am fertig geformten Leiter, und daß auch bei stark variierenden Wärmebehandlungsverhäh nissen im voraus bestimmte Eigenschaf -

to ten für das Endprodukt erreicht werden Uönaen.

Die Wärmebehandlung oder das Anlassen der Legierung in der endgültigen Form kann eine halbe bis 20 Stunden, vorzugsweise eine halbe bis 10 Stunden bei 250 bis 350 C erfolgen, kann aber auch untet anderen üblichen Bedingungen durchgeführt werden. In gewissen Anwendungsfällen, z. B. bei Luftleitun gen, werden die geeignetsten Eigenschaften des AJuminiumleiteis ohne Wärmebehandlung erreicht. In anderen Fällen. /. B. beim Warmpressen von Schie-

to neu. ist die im Zusammenhang damit erfolgende Warme behandlung oftmals ausreichend.

Die Erfindung wird nachfolgend durch Beschreibung von Ausführungsc iispielen und unter Hinweis auf die Zeichnung näher erklärt Die Fig. 1 bis 3 zei-

»5 gen die Eigenschaften eines Aluminiumleiters aus einer Legierung gemäß der Erfindung.

Beispiel 1

'W.fiH Gewichtsteile eines Rohmaterials aus 99,7 'r Aluminium. 0.17 ''< EKen. 0.07 ^c,c Silizium, 0,01 °> < Zink, sowie aus Bor. 1 Van. Vanadin und Mangan, sämtliche in Gehalten unter 0.005 %, werden in einem Ofen geschmolzen und mit 0.01 Gewichtsteilen Beryllium, 0,23 Gewichtsteilen Kupfer und 0,04 Gewichisteilen Magnesium versetzt, wobei sich das Beryllium, das Kupfer und das Magnesium mit dem Aluminium legieren. Die Schmelze wird stranggegossen und kontinuierlich zu einem Walzdraht mit einem Durchmesser von 9,5 mm warmgewalzt. Dieser Draht wird dann in einer Ziehmaschine ^u einem Draht mit einem Durchmesser von 2,0 mm gezogen. Danach wird der Draht zwei Stunden durch Eirwärmung auf ungefähr 300^r C in Luftatmosphäre wärmebehaiidelt. Probestücke de* erhaltenen Drahtes werden zusammen mit Probestucken entsprechenden Drahtes ohne Beryllium-, Kupfer- und Magncsiumzusatz teils bei 100" C in einem Wärmeschrank und teils bei 60° C in einem Feuchtigkeitsschrank verwahrt. Der Übergangswiderstand zu einem AnschlulJorgan in Form eincr Klemme wird täglich gemessen. Während der Übergangswiderstand der Probestücke mit Beryllium-, Kupfer- und Magnesiumzusätzcn bei beiden Proben ncjh nach 400 Std. im Verhältnis zum Ausgangswert unverändert ist. steigt der Übergangswiderstand der Probestücke ohne Zusätze sowohl im Wärmeschrank als auch im Feuchtigkeitsschrank nach 100 Std. auf mehr als das Zehnfache des Ausgangswerfs. Die Zugbruchgrenze des wärmebehandelten Drahtes ist 13,5 kp mm' und die Bruchdehnung 13%.

Die Leitfähigkeit betragt ol.5 7r. LACS.

Beispiel 2

98,18 Gewichtsteile des in Beispiel 1 angegebenen Rohmaterials werden nach dem Schmelzen mit 0,6 Gewichtsteilen einer Beryllium-Aluminiumlegierung aus 5 Gewichtsprozent Beryllium und 95 Gewichtsprozent Aluminium, weiter mit 0,5 Gewichtsteilen einer Kupfer-Aluminiumlegierung aus 20% Kupfer

und SO % Aluminium, sowie mit 0,72 üewichtsteilen einer Magnesium-Aluminiumlegierung aus 25 % Magnesium und 75 % Aluminium versetzt. Die Schmelze wird abgegossen und wie in Beispiel I beschrieben weiterbehandelt. Der crh?ltene Wicklungsdraht hat auch in diesem Fall einen bedeutend niedrigeren Übergangswiderstand nach der Behandlung in Wärme und Feuchtigkeit als entsprechender Draht ohne Zusätze.

Beispiel 3

99*70 Gewichtsteile des in Beispiel 1 angegebenen Rohmaterials werden nach dem Schmelzen mit 0,02 Gewichtsteilen Beryllium. 0,20 Gewichtsteilen Kupfer und 0,08 Gewichtsteilen Magnesium versetzt. Die Schmelze wird abgegossen und wie in Beispiel 1 beschrieben weiterbehändelt, wobei jedoch der gewalzte Draht auf einen Durchmesser von 1.78 mm gezogen wird. Die Wärmebehandlung wird auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise durchgeführt. Die Leitfähigkeit deswärmebehandelten Drahtes ist 61,4 ⁿ/r LACS. Um die Relaxationseigenschaften zu messen, wird der Draht zwischen einer ebenen Platte und einer Schraube mit ebener Endfläche mit einer Belastung bis zu 30 kp gespannt. Die verbliebene Belastung wird bis zu 50(5 Stunden in verschiedenen Zeitabständen gemessen. Nach 500 Stunden ist die verbliebene Belastung 26 kp. Für einen entsprechenden Draht ohne

Beryllium-, Kupfer- und Magnesiumzusätzc ist dei entsprechende Wert 15 kp und der Übergangswiderstand nach Alterung in Wärme und Feuchtigkeit bedeutend höher. Die Zu^bruchgrenzc des geglühten Drahtes ist 14 kp'mnr uinddic Bruchdehnung

Beispiel 4

Ein Draht mit der in Beispiel 3 angegebenen Zusammensetzung wird gegossen, gewalzt und zu einem Draht mit einem Durchmesser von 0.50mm gezogen. Die Wärmebehandlung wird bei 300" C ausgeführt und dann wird 15 Stunden lang alle halbe Stunde ein Stück Draht herausgenommen! und hinsichtlich Bruchfestigkeit, Bruchdehnung und elektrische Leitfähigkeit untersucht. Die erhaltenen Resultate sind aus dem Diagramm in Fig. 1 bis 3 ersichtlich, wo Fig. 1 die Abhängigkeit der Bruchfestigkeit von der Wärmebehandlungszeit, Fig. 2 die Abhängigkeit der Bruchdehnung von der Wärmebehandlungszeit und Fig. 3 die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von der Wärmebehandlungszeit zeigt. Die Diagramme zeigen, daß der Leiter nach kuirzer Wärmebehandlungs/cit für übliche Typen von Wicklungsdraht und Kabelleiter vorteilhafte Kombination von Eigenschaften zeigt und daß die Eigenschaften bei fortgesetzter Wärmebehandlung nicht verlorengehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Aluminiumlegierung, bestehend aus U.OfM bisO.ll) ^:, Beryllium, 0,05 bis δ 0,35 ^ri Kupfer. O.tll bis «.20 ^f* Magnesium, wobei die Gesamtmenge an Beryllium, Kupfer «au Magnesium höchstens 0,50 ¹X beträgt, sowie Silizium und Eisen in üblichen Mengen als Verunreinigungen oder Beimengungen, mit der Maßgabe, » daß Verunreinigungen und Beimengungen neben den Legierungselementen nur in einem solchen Ausmaß vorhanden sind, daß der Aluminiumgehalt der gesamten Legierung mindestens yH,f ^Γ/ί beträgt, als Werkstoff /ur Herstellung von elekts ι- »5 sehen Leitern, die eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 59^r-f des internationalen Stan· ' dards für geglühtes Kupier besitzen müssen.

2. Verwendung einer legierung der Zusammensetzung nach Anspruch 1, die neben Eisen und Silizium noch Chrom. Titan, Zirkonium, Vanadium, Molybdän, Bor, Zinn, Zink, Cadmium, Mangan, Nickel, Kobaii, Antimon und/oder seltene Erdmetalle als Verunreinigungen oder Beimengungen enthält, für den Zweck nach An- ²S spruch I.

3. Verwendung einer Legierung de·· Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, c'f jedoch mindestens W % Alu.ninium enthält, für den Zweck iiach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Legierung der Zusammensetzung nach Ansps uch 1, 2 oder 3, die in der endgültigen Form eine h Ibe bis 20 Stunden, vorzugsweise eine halbe bis zehn Stunden, bei 250 bis 350' C angelassen worden ist. für den Zweck nach Anspruch !.