DE2406446C2

DE2406446C2 - Verfahren zur Herstellung von Induktionsschienen

Info

Publication number: DE2406446C2
Application number: DE2406446A
Authority: DE
Inventors: Heinz F. Dr.sc.nat. Neuhausen Bichsel; Peter Dr. Neunkirch Furrer; Jörg Dr. 7705 Steißlingen Maier
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1974-02-11
Publication date: 1982-07-22
Also published as: GB1439563A; FR2218221A1; JPS5732102B2; CH572268A5; FR2218221B1; CA1008276A; JPS49113709A; US3891433A; IT1006343B; DE2406446A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Induktionsschienen auf der Basis von aushärtbaren und nicht-aushärtbaren Aluminium-Mangan-Legierungen, die wegen ihrer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit bei Schnellbahnen mit Linearmotorantrieb verwendet werden.

Es ist bekannt, daß gewisse Übergangsmetalle die Leitfähigkeit von Aluminium erniedrigen, wenn sie in so kleinen Mengen zugegeben werden, daß sie in fester Lösung vorliegen. Bei der Zugabe von Mangan wirkte sich aber bisher nachteilig aus, daß die Leitfähigkeit aufgrund verschiedener Ausscheidungszustände nicht mit Sicherheit vorausgesagt werden kann. Nach dem Stand der Technik ist es deshalb als notwendig erachtet worden, außer Mangan noch mindestens eines der Übergangselemente Zirkonium, Vanadium, Titan, Chrom oder Zink zuzusetzen, damit reproduzierbare Ergebnisse erreicht werden können. Diese Legierungen sind beispielsweise für Rotoren oder Gehäuse von Motoren und Meßscheiben für elektrischen Strom verwendet worden.

Es ist auch bekannt, daß sich beim Glühen von Aluminium-Mangan-Legierungen AUMn-Ausscheidungen bilden, und daß diese Ausscheidungsprozesse durch Eisen und/oder Silizium begünstigt werden.

Nach D. Altenpohl: Aluminium und Aluminiumlegierungen, 1965, Seiten 525,526,639,685,690,691, 700, 701, und 755, ist es bekannt, daß Mangan zu den Zusatzelementen gehört, die in übersättigter fester Lösung den elektrischen Widerstand von Aluminium am meisten erhöhen; Aluminium-Mangan-Legierungen, die leicht umformbar sind und deren Zugfestigkeit durch Magnesium erhöht werden kann, werden durch Strangpressen stranggegossener Barren bei Temperaturen von 300 bis 500⁰C zu Profilen verarbeitet, wobei das Mangan ohne eine Barrenhochglühung in Lösung bleibt; Aluminium-Legierungen mit Magnesium und Silizium werden aufgrund der temperaturabhängigen

ι ο Löslichkeit von MgijSi in Aluminium aushärtbar.

Nach der US-PS 7 35 873 ist eine Aluminium-Mangan-Legierung mit hoher mechanischer Festigkeit, guter Korrosionsbeständigkeit und anderen vorteilhaften physikalischen Eigenschaften aus 0,2 bis 2,15% Mangan, weniger als 0,01 % Si, weniger als 0,01 % Eisen, weniger als 0,005% Kupfer und 97,85 bis 99,8% beinahe Reinstaluminium als Rest bekannt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Induktionsschienen aus gut verformbaren und schweißbaren, erhöhte Festigkeit aufweisenden aushärtbaren oder nicht-aushärtbaren Aluminium-Mangan-Legierungen mit einem reproduzierbaren spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 5 μΩ · cm herzustellen.

Die Aufgabe wird anhand einer bekannten nicht aushärtbaren Aluminium-Mangan-Legierung aus 0,7 bis 33% Mangan, gegebenenfalls 0,1 bis 2% Magnesium, bis zu 0,1% Eisen und bis zu 0,15% Silizium neben weiteren zulässigen Beimengungen und Reinaluminium mit einer Reinheit von mindestens 993% als Rest durch Stranggießen, Strangpressen des Gußbarrens bei Temperaturen von 300 bis 500⁰C und Abschrecken des Preßprofils mit Wasser erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gußbarren vor dem Strangpressen bei 500⁰C höchstens 1 Stunde, bei 450⁰C höchstens 4 Stunden, bei 400⁰C höchstens 24 Stunden oder bei 300 bis 350° C höchstens 100 Stunden lang geglüht wird.

Eine andere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe betrifft dieselbe Barrenglühung bei bekannten, ähnlich zusammengesetzten aushärtbaren Al-Mn-Legierungen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich folgendes erzielen:

— Das Vorurteil, AI-Mn-Legierungen könnten nur bei Zugabe eines weiteren Übergangsmetalls als Widerstandslegierung mit reproduzierbaren Eigenschaften verwendet werden, wird widerlegt.

— Durch die Zugabe von Mg kann die Zugfestigkeit verbessert werden, ohne daß die elektrische Leitfähigkeit merklich beeinflußt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.

Zum Bau der heute in voller Entwicklung stehenden Schnellbahnen mit Antrieb durch Linearmotoren werden außer den eigentlichen Stromschienen Induktionsschienen benötigt Diese müssen einen reproduzierbaren hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Außerdem sollte die Legierung für die Induktionsschienen gut verarbeitbar und schweißbar sein und eine gute Korrosionsbeständigkeit besitzen. Hingegen genügen nach den heutigen Konzepten im allgemeinen Festigkeiten im mittleren Bereich, d. h. eine Zugfestigkeit von ungefähr 100 bis 250 N/mm² ist für Induktionsschienen normalerweise ausreichend.
Von den untersuchten Übergangsmetallen hat Mangan bei erhöhten Temperaturen die größte feste Löslichkeit in Aluminium, es ist in binären AIMn-Legierungen sehr ausscheidungstrflge. Wird die Legierung von Schmelztemperatur abgeschreckt wie beispielswei-

se beim Strangguß, läßt sich Mangan in stark übersättigter fester Lösung halten. Enthalten aber eine oder mehrere Legierungskomponenten Verunreinigungen von Fe und/oder Si, so bewirken diese Elemente eine beschleunigte Ausscheidung der Mn-Atorne. Eine Mn-reiche zweite Phase kann sowohl während der Erstarrung als auch in der festen Phase auftreten.

Messungen haben ergeben, daß die Ausscheidung von Mn vor allem zwei für die Herstellung von Induktionsschienen unerwünschte Effekte zeigt:

— Der elektrische Widerstand wird vermindert, d. h. die Leitfähigkeit wird erhöht

— Die Verformbarkeit wird verschlechtert

Das Gießen von binären AlMn-Legierungen mit möglichst kleinen Verunreinigungen an Fe und Si muß rasch erfolgen, damit eine grobe Ausscheidung der Phase AIeMn weitgehend unterdrückt werden kann; das Mangan soll nach dem Erstarren der Schmelze möglichst vollständig im Aluminium gelöst bleiben. Aus diesem Grund wird auf eine Hochglühung des Gußbarrens verzichtet, die bei AlMn-Legierungen üblicherweise bei Temperaturen von mehr als 500⁰C erfolgt

Die Barren erhalten die für Induktionsschienen gewünschte geometrische Form durch Strangpressen bei erhöhter Temperatur. Dabei ist eine zu starke Erwärmung des Barrens zu vermeiden; auf keinen Fall dürfen 500⁰C überschritten werden, sonst bilden sich innerhalb kürzester Zeit merkliche Mengen von unerwünschten Ausscheidungen. Zur Erreichung gesteigerter Festigkeitswfirte ist es hingegen vorteilhaft, den Barren vor dem Strangpressen während einiger Zeit auf erhöhter Temperatur zu haken. Un. eine AUMn-Ausscheidung wirkungsvoll zu verhindern, sollten dabei folgende Temperaturen und Zeiten ni. nt überschritten werden:

Meta	llteniperatur	Dauer	I h
500^c	C	max.	4 h
450	C	max.	24 h
400	C	max.	100 h
"WO	350 C	max.

erreicht werden, die jedoch begrenzt ist durch den Mg-Gehalt, da möglichst alles Si als Magnesiumsilizid gebunden werden soll. Zur nochmaligen Steigerung der Zugfestigkeit kann das gepreßte Profil warm ausgelagert werden.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wurde zur Herstellung der Legierungen Reinaluminium mit einem Reinheitsgrad von 99,8% verwendet

Beispiel 1
Ein Stranggußbarren einer Legierung aus

2,06% Mangan,
0,98% Magnesium,
0,05% Silizium,
0,08% Eisen und
Aluminium als Rest

wurde schnell auf eine Preßtemperatur von 400⁰C gebracht, mit einer Geschwindigkeit von 4 m/min zu einem Flachprofil von 120 χ 20 mm verpreßt und wasserabgeschr eckt

Das Profil besitzt über die ganze Länge folgende Eigenschaften:

Da die Temperatur des austretenden Profils wesentlich höher ist als die Barrentemperatur, muß das Profil, um eine Entmischung zu verhindern, nach dem Verlassen der Strangpresse rasch abgekühlt werden. Das austretende Profil kann sofort wasserabgeschreckt werden, was sich vor allem bei größeren Querschnitten oder höheren Temperaturen vorteilhaft auswirkt.

Binäre Legierungen aus Reinaluminium mit einem Reinheitsgrad von über 99,5% und 0,7 bis 3,5% und vorzugsweise 0,7 bis 2,5% Mangan ergeben hinsichtlich des spezifischen elektrischen Widerstandes reproduzierbare Ergebnisse, die oberhalb 5 μΩ · cm liegen, bei einer Zugfestigkeit von 120 bis 160 N/mm².

Durch Zugabe von 0,1 bis 2% Magnesium läßt sich die Zugfestigkeit erhöhen, ohne daß die übrigen vorteilhaften Eigenschaften beeinträchtigt werden. Die Zugabe von Magnesium wirkt sich im weitern dahingehend vorteilhaft aus, als die thermische Stabilität des Gefügcs verbessert wird, wodurch insbesondere die Gefügeunterschiede zwischen Profilanfang und -ende bedeutend vermindert werden.

Bei Mg-haltigen AlMn-Legierungen kann durch die Zugabe von Silizium eine weitere Festigkeitssteigerung

Elektrischer Widerstand

Zugfestigkeit

Streckgrenze

8,5 μΩ · cm
210 N/mm²
130 N/mrn²

Wird die Legierung vor dem Pressen während 5 Stunden bei 400⁰C gehalten, so besitzt das abgeschreckte Profil über die ganze Länge folgende Eigenschaften:

Elektrischer Widerstand

Zugfestigkeit

Streckgrenze

7,0 μΩ · cm
250 N/mm²
175 N/mm²

Durch die Glühung vor dem Strangpressen kann die Festigkeit verbessert werden, dabei wird der spezifische elektrische Widerstand nur wenig reduziert.

Beispiel 2
Wird ein Stranggußbarren der Zusammensetzung:

2,02% Mangan,
1,05% Magnesium,
0,31% Silizium,
0,04% Eisen und
Aluminium als Rest

wie in Beispiel 1 beschrieben — jedoch ohne die Glühbehandlung vor dem Strangpressen —, verpreßt, so besitzt das abgeschreckte und kaltausgelagerte Profil >o über die ganze Länge folgende Eigenschaften:

Elektrischer Widerstand

Zugfestigkeit

Streckgrenze

7,2 μΩ ■ cm
235 N/mm²
175 N/mm²

Nach einer Warmauslagerung des Profils während 8 Stunden bei 150⁰C wurden nachstehende Werte gemessen:

Elektrischer Widerstand

Zugfestigkeit

Streckgrenze

7,0 μΩ · cm
250 N/mm²
165 N/mm²

Wird zu der magnesiumhaltigen AlMn-Legierung noch das aushärtende Element Si gegeben, so erhält man mit einer Warmauslagerung des abgeschreckten Profils eine Erhöhung der Zugfestigkeit, ohne daß der spezifische elektrische Widerstand nennenswert erniedrigt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Induktionsschiene mit erhöhter Festigkeit aus einer nicht aushärtbaren Aluminiumlegierung aus 0,7 bis 3,5% Mangan, gegebenenfalls 0,1 bis 2% Magnesium, bis zu 0,1% Eisen und bis zu 0,15% Silizium neben weiteren zulässigen Beimengungen und Reinaluminium mit einer Reinheit von mindestens 993% als Rest durch Stranggießen, Strangpressen des Gußbarrens bei Temperaturen von 300 bis 500⁰C und Abschrecken des Preßprofils mit Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß der Barren vor dem Strangpressen bei 500° C höchstens 1 Stunde, bei 450° C höchstens 4 Stunden, bei 400° C höchstens 24 Stunden oder bei 300 bis 350°C höchstens 100 Stunden lang geglüht wird.

2. Verfahren zur Herstellung einer Induktionsschiene mit erhöhter Festigkeit aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung aus 0,7 bis 33% Mangan, 0,1 bis 2% Magnesium, Süizi-uin ir. höchstens zur Bildung von Magnesiumsilizid erforderlichen Mengen, bis zu 0,1% Eisen neben weiteren zulässigen Beimengungen und Reinaluminium mit einer Reinheit von mindestens 993% als Rest durch Stranggießen, Strangpressen des Gußbarrens bei Temperaturen von 300 bis 500⁰C und Abschrecken des Preßprofils mit Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß der Barren vor dem Strangpressen bei 500⁰C höchstens 1 Stunde, bei 450° C höchstens 4 Stunden, bei 400⁰C höchstens 24 Stunden oder bei 300 bis 350⁰C höchstens 100 Stunden lang geglüht und das Preßprofil nach dem Abschrecken warm ausgelagert wird.