DE2317994C3

DE2317994C3 - Verwendung einer Aluminiumlegierung als Werkstoff für elektrische Drähte

Info

Publication number: DE2317994C3
Application number: DE2317994A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Artur 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: 1981-01-29
Also published as: BE798413A; IT980911B; NO129579B; FR2182212B1; FI60462B; DE2317994B2; NL7305733A; JPS49107906A; US4233066A; SE360391B; CA983291A; FR2182212A1; DE2317994A1; DK140505B; GB1423844A; DK140505C; FI60462C; CH587541A5

Description

Bei Aluminium als elektrisches I citermaterial wird normalerweise angegeben, daß die Leitfähigkeit einen « gewissen Mindestwert übersteigen soll. Meistens wird verlangt, daß die Leitfähigkeit mindestens 61 Prozent der Leitfähigkeit geglühten Kupfers gemäß internationalem Standard (International Annealed Copper Standard) beträgt. Dies bedeutet, daß man zulassen kann, ^w 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. ⁴^ verbesserte mechanische Eigenschaften.

Aluminium als elektrisches Leitermaterial kann u. a. in Kabeln und Leitungen, Wicklungsdrähten 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 ^v> 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 guten Kontakt herstellen kann, d, h. niedriger Übergangswiderstand «> zwischen dem Aluminiumleiter und dem Anschlußorgan, hat es sich gezeigt, daß der Übergangswiderstand mit der Zeit zunimmt, besonders wenn der Kontakt Wärme und/oder Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Man hat versucht, diese Schwierigkeiten auf verschiedene Weise zu vermeiden. Unter anderem ist es bekannt, die Aluminiumflächen mit einem Überzug aus einem anderen Metall zu überziehen, das auch bei langem Betrieb unter wechselnden Bedingungen einen niedrigen Übergangswiderstand zu dem Anschlußorgan hat, wie z. B. Silber, Zinn, Nickel, Kupfer und Zink. Dies kann z, B. durch elektrolytisches Auftragen dieser Metalle erreicht werden. Man hat auch die Methode angewandt, einen Kupferleiter durch Stumpfschweißen an den Stellen, wo der Leiter mit dem Anschlußorgan in Kontakt gebracht werden soll, an den Aluminiumleiter anzuschließen.

Ein anderer bekannter Versuch, eine Zunahme des Übergangswiderstandes zu verhindern, besteht darin, dafür zu sorgen, daß der erforderliche Kontaktdruck zwischen dem Aluminiumleiter und dem Anschlußorgan dauernd erhalten bleibt Dies läßt sich beispielsweise üurch die Verwendung von federnden Anschlußorganen erreichen.

Die bisher bekannten Verfahren führen entweder zu zusätzlichen und kostspieligen Arbeitsoperationen oder ergeben auf lange Sicht einen unzufriedenstellenden Kontakt mit zu hohem Übergangswiderstand zwischen Äiuminiumieiter und Ansehlußorgan.

Ein anderes Problem bei Leitern aus Aluminium besteht darin, bei der Herstellung im industriellen Maßstab im voraus bestimmte Eigenschaften aller Teile des hergestellten Produkts zu erhalten. Dies hängt damit zusammen, daß besonders die mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit und Dehnung, stark von den bei der mechanischen Bearbeitung und der Wärmebehandlung herrschenden Verhältnissen abhängig sind.

Aus der deutschen Patentanmeldung A 13 620/4Ob (ausgelegt am 27. November 1952) ist eine Legierung, bestehend aus 0,005 bis 0,25% Beryllium und/oder 0,04 bis 1,0% Nickel, je 0 bis 0,05% Kupfer und Magnesium sowie 0,01 bis 03% 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 hinausgehfide Legierung als Werkstoff für elektrische Drähte eignet

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 21 06 079 ist es bekannt, zur Herstellung der bekannten Legierung ein Aluminium mit in der Elektrotechnik üblichem Reinheitsgrad zu verwenden, dessen Kupfergehalt nicht über 0,02% hinausgehen sollte.

Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines Aluminiumdrahtes, 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 Draht vorherbestimmte gute mechanische Eigenschaften erhalten, einschließlich guter Relaxalionseigenschaften, und es soll möglich sein, eine Leitfähigkeit des Drahtes von mindestens 59% IACS zu erreichen. Daß der Draht gute Relaxationseigenschaften haben soll, bedeutet, daß der Kontaktdruck zwischen dem Draht und dem Anschlußorgan auf eine effektive Weise aufrechterhaltbar sein soll.

Das Ziel der Erfindung wird erreicht durch die Verwendung einer Legierung, bestehend aus 0,001 bis 0,10% Beryllium, 0,05 bis 035% Kupfer, 0,01 bis 0,20% Magnesium, wobei die Gesamtmenge an Beryllium, Kupfer und Magnesium höchstens 0,50% beträgt, sowie Silizium und Eisen in üblichen Mengen als Verunreinigungen mit der Maßgabe, daß Verunreinigungen neben den Legierungselementen nur in einem solchen Ausmaß vorhanden sind, aau ,'er Aluminiumgehalt der gesamten Legierung mindestens 98,5% beträgt, als Werkstoff zur

Herstellung von elektrischen Drähten, die eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 59% des internationalen Standards für geglühtes Kupfer dauernd niedrigen Übergangswiderstand an Kontaktstellen und gute Relaxationseigenschaften haben. "'

Alle Gehaltsangaben gelten in Gewichtsprozent.

Es ist charakteristisch für die Erfindung, daß das Erreichen der gewünschten Eigenschaften nur in sehr geringem Ausinaß von den Verhältnissen bei der mechanischen Verformung und bei der Wärmebehand- ι ο lung abhängig ist Die Verwendung von Kupfer in der angegebenen Menge ermöglicht es, daß beispielsweise kaltverformter Draht bei einer hohen Temperatur wärmebehandelt wird, was eine hohe Leitfähigkeit, beispielsweise über 61% des internationalen Standards fördert, und daß der Draht dennoch gute mechanische Eigenschaften erhält.

Der Aluminiumgehalt der erfindungsgemäß verwendeten Legierung beträgt vorzugsweise mindestens 99,0%. Besonders bevorzugt wird ein Aluminiumgehalt von mindestens 93,2%. Das Aluminium enthält vorzugsweise 0,02 bis 0,12% Silizium und 0,05 bis 0,45% Eisen, d. h. einen normalerweise verwendeten Gehalt dieser Stoffe. In dem angegebenen Rahmen kann die Legierung kleine Mengen anderer, in Aluminium als Leitermaterial oft vorkommender Elemente als Verunreinigungen 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 ^o als Aluminium beträgt jedoch höchstens 1,5%, vorzugsweise höchstens 1,0%. Besonders bevorzugt wird ein Gesamtgehalt an anderen Metallen als Aluminium von höchstens 0,8%.

Beryllium, Kupfer und Magnesium wird einer J"> 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 BeryHium-Aluminiumlegierung mit 5% Beryllium und 95% Aluminium, eine Kupfer-Aluminiumlegierung mit 20% Kupfer und 80% Aluminium, sowie eine Magnesium-Aluminiumlegierung mit 25% Magnesium und 75% Aluminium. Die Schmelze wird danach nach üblichen Verfahren zu Gußstücken gegossen, die durch Waizen, Pressen oder andere Verformung, meist unter Wärme, in gewünschte Form gebracht werden, z. B. Walzdraht. Oft erfolgt eine nachfolgende Kaltverformung z. B. in Form von Walzen oder Ziehen zwecks Herstellung eines Endprodukts mit gewünschter Dimension, z. B. Wicklungsdraht. Der Aluminiumüraht aus einer erfindungsgemäß verwendeten Legierung wird vorzugsweise einer Wärmebehandlung unterworfen, entweder als Endprodukt oder zu einem früheren Stadium der Herstellung. Es ist ein wichtiges Ergebnis der erfindungsgemäß verwendeten Legierung, daß die Wärmebehandlung am Endprodukt ausgeführt werden kann, d. h. am fertig geformten Draht, und daß auch bei stark variierenden Wärmebehandlungsverhältnissen im voraus bestimmte Eigenschäften für das Endprodukt erreicht werden können.

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 350⁰C erfolgen, kann aber auch unter anderen M üblichen Bedingungen durchgeführt werden. In gewissen Anwendungsfällen, ί Β. bei Luftleitungen, werden die geeignetsten Eigenschaften des Aluminiumleiters ohne Wärmebehandlung erreicht.

Die Erfindung wird nachfolgend durch Beschreibuli? von Ausführungsbeispielen und unter Hinweis auf die Zeichnung näher erklärt. Die F i g. 1 bis 3 zeigen die Eigenschaften eines Aluminiumdrahtes aus einer Legierung gemäß der Erfindung.

Beispiel 1

99,68 Gewichtsteile eines Rohmaterials aus 99,7% Aluminium, 0,17% Eisen, 0,07% Silizium, 0,01% Zink, sowie aus Bor, Titan, 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 Gewichtsteilen 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 zu einen- Draht mit einem Durchmesser von 2,0 mm gezogen. Danach wird der Draht zwei Stunden durch Erwärmung auf ungefähr 300⁰C in Luftatmosphäre wärmebehandelt. Probestükke des erhaltenen Drahtes werden zusammen mit Probestücken entsprechenden Drahtes ohne Beryllium-, Kupfer- und Magnesiumzusatz teils bei 10O⁰C in einem Wärmeschrank und teils bei 60°C in einem Feuchtigkeitsschrank verwahrt Der Übergangswiderstand zu einem Anschlußorgan in Form einer Klemme wird täglich gemessen. Während der Übergangswiderstand der Probestücke mit Beryllium-, Kupfer- und Magnesiumzusätzen bei beiden Proben noch 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 Ausgangswertes. Die Zugfestigkeit des wärmebehandelten Drahtes ist 135 N/mm² und die Bmchde*!nung 13%. Die Leitfähigkeit beträgt 61,5% IACS.

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 9ä Gewichtsprozent Aluminium, weiter mit 04 Gewichtsteilen einer Kupfer-Aluminiumlegierung aus 20% Kupfer und 80% Aluminium, sowie mit 0,72 Gewichtsteilen einer Magnesium-Aluminiumlegierung aus 25% Magnesium und 75% Aluminium versetzt. Die Schmelze wird abgegossen und wie in Beispiel 1 beschrieben weiterbehandelt Der erhaltene 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 Gewichts .eile 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 weiterbehandelt, 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 des wärmebehandelten Drahtes ist 61,4% IACS. 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 500 Stunden in verschiedenen Zeitabständen gemessen. Nach 500 Stunden ist die verbliebene Belastung 26 kp. Für einen entsprechenden Draht ohne Beryllium-, Kupfer- und Magnesiumzusätze ist der entsprechende Wert 15 kp und der Übergangswiderstand nach Alterung in Wärme und Feuchtigkeit bedeutend höher. Die Zugfestigkeit des geglühten Drahtes ist 140 N/mm^J und die Bruchdehnung 12%.

Beispiel 4

Ein Draht mit der in Beispiel 3 angegebenen Zusammensetzung wird gegossen, gewalzt und zu einem Draht mit einem Durchmesser von 0,50 mm gezogen. Die Wärmebehandlung vi'ird bei 300⁰C ausgeführt und dann wird 15 Stunden la rig alle halbe Stunde ein Stück Draht herausgenommen und hinsichtlich Zugfestigkeit. -, Bruchdehnung und elektrische Leitfähigkeit untersucht. Die erhaltenen Resultate sind aus dem Diagramm in F i g. I bis 3 ersichtlich, wo F i g. 1 die Abhängigkeit der Bruchfestigkeit von der Wärmebehandlungszeit. F i g. 2 die Abhängigkeit der Bruchdehnung von der Wärmebe-

ifi handlungszeit und Fig. 3 die Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Wärmebehandlungszeit zeigt. Die Diagramme zeigen, dal3 der Draht nach kurzer Wärmebehandlungszeit für übliche Typen von Wicklungsdraht und Kabeldraht vorteilhafte Kombination

r, von Eigenschaften zeigt und daß die Eigenschaften bei fortgesetzter Wärmebehandlung nicht verlorengehen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Aluminiumlegierung, bestehend aus 0,001 bis 0,10% Beryllium, 0,05 bis 0,35% ϊ Kupfer, 0,01 bis 0,20% Magnesium, wobei die Gesamtmenge an Beryllium, Kupfer und Magnesium höchstens 0,50% beträgt, sowie Silizium und Eisen in üblichen Mengen als Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß Verunreinigungen neben den Legierungselementen nur in einem solchen Ausmaß vorhanden sind, daß der Aluminiumgehalt der gesamten Legierung mindestens 98,5% beträgt, als Werkstoff zur Herstellung von elektrischen Drähten, die eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 59% des internationalen Standards für geglühtes Kupfer, dauernd niedrigen Übergangswiderstand an Kontaktstellen und gute Relaxationseigenschaften haben.

2. Verwendung einer Legierung der Zusammen-Setzung nach Anspruch 1, die jedoch mindestens 99% Aluminium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung der Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, die in der endgültigen Form eine halbp bis 20 Stunden, vorzugsweise eine halbe bis 10 Stunden, bei 250 bis 350⁰C angelassen worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

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