DE2537804A1

DE2537804A1 - Elektrische leiter aus aluminium- werkstoffen und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2537804A1
Application number: DE19752537804
Authority: DE
Inventors: Olivier Diner; Claude Drapier; Donald Whitwham
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1974-08-29
Filing date: 1975-08-25
Publication date: 1976-03-18
Also published as: IT1042006B; FI752383A; LU73274A1; CA1041190A; JPS5150213A; DE2537804B2; ES440508A1; FR2289035B1; FR2289035A1; CH607241A5; DE2537804C3; BE832844A; IL47706A0; RO63771A; BR7505507A; GB1525961A; SE7509647L; NO752340L; TR18668A; DK382175A

Description

23 bis, rue Balzac, 75008 Paris - Frankreich

Elektrische Leiter aus Aluminium-Merkstoffen und Verfahren zu deren Herstellung

Reines Aluminium besitzt eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit in der Größenordnung von 65 % derjenigen
von reinem, geglühtem Kupfer, das als Standard dient
(IACS). Seine mechanischen Eigenschaften sind jedoch für bestimmte Anwendungen unzureichend, beispielsweise für
die Verarbeitung zu feinen Telephond^ähten oder Drähten
für Haushaltsmaschinen oder zu isolierten Drähten für
Wicklungen, Schaltungen und elektrische Einrichtungen allgemeiner Art. Die üblicherweise mit A5/L be7eichnete Sorte (A5 bezeichnet entsprechend der französischen Norm AFNOR A 57 101 einen Aluminiumgehalt von mindestens 99,5 % und L weist auf die elektrischen Verwendungszwecke hin) besitzt

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beispielsweise nur eine Bruchlast von 10 bis 12 hbar, kombiniert mit einer Dehnung von IO bis 12 % oder eine Bruchlast von 12 bis 15 hbar kombiniert mit einer Dehnung von 2 bis 3 %j je nach der abschließenden Wärmebehandlung, sowie eine Leitfähigkeit von 63 bis 63,5 9^ IACS.

Man kann die mechanischen Eigenschaften durch Zusatz von Legierungslementen beträchtlich verbessern, aber die Leitfähigkeit nimmt dann stark ab.

Die häufig mit dem Sammelbegriff Almelec bezeichnete Gruppe von Legierungen, die bis zu etwa 0,6 % Si und etwa 0,7 % Mg enthalten, besitzt nur noch eine Leitfähigkeit in der Größenordnung von53 % IACS bei einer Bruchlast von einigen 30 hbar kombiniert mit einer Dehnung von etwa 4 %. Es ist bekannt, daß diejenigen Legierungselemente, die am stärksten die Leitfähigkeit vermindern, hauptsächlich Metalle mit nicht abgesättigten Elektronen-Innenschalen sind, die in verschiedenen Wertigkeiten auftreten können; ihr Einfluß kommt vor allem dann zur Geltung, wenn sie als feste/Lösung in der Aluminiumgrundmasse vorliegen, aber sehr viel weniger, wenn sie ausgeschieden sind. Mangan, Chrom, Vanadium, Zirkonium, Titan und in geringerem Maße Silicium sind in dieser Hinsicht besonders schädlich; Magnesium, Eisen, Nickel, Kobalt und Kupfer nehmen eine Zwischenstellung ein, während der Einfluß von Zink besonders schwach ist.

Das Hauptproblem auf dem Gebiet der elektrischen Leiter ist somit die Kombination von für die beabsichtigte Verwendung ausreichenden mechanischen Eigenschaften mit einer möglichst hohen elektrischen Leitfähigkeit. Man versucht allgemein dieses angestrebte Ziel durch eine Reihe von komplizierten thermomechanischen Behandlungen zu erreichen, die bewirken, daß bestimmte Elemente in Form von mehr oder weniger feinen

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Verbindungen ausgeschieden v/erden und bestimmte andere Elemente in der Grundmasse gelöst bleiben.

Die FR-PSen 888 520, 1 448 713, 2 009 027, 2 078 362, 2 428 und 2 182 212 sowie die US-PSen 3 663 216 und 3"668 beschreiben Aluminiumlegierungen und Verfahren zu deren Herstellung, die das oben angesprochene Problem lösen sollen; mit keiner dieser bekannten Legierungen lassen sich jedoch feine Drähte für Haushaltsmaschinen, Telephon sowie für Wick-¹) lungen und. allgemein Schaltungen herstellen, die den Anforderungen der Benutzer entsprechen, wonach Bruchlasten bis zu 15 bis 18 und sogar 19 hbar mit einer Dehnung von mindestens 5 % und einer Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 % IACS kombiniert sein müßten und die Legierungen bei verschiedenen Tests, beispielsweise bei Wechselbiegeversuchen, ein zufriedenstellendes Verhalten aufv/eisen sollten.

Es wurde nun ein neuer Aluminium-Werkstoff für elektrische Leiter entwickelt, der eine Bruchlast von 13 bis 19 hbar besitzt, kombiniert mit einer Dehnung von mindestens 5 % und einer Leitfähigkeit von mindestens 60 % IACS; in diesem Werkstoff sind Zusätze von Legisrungseiexen-en mitein ander kombiniert, die bisher für unvereinbar ^nItguter elektrischer Leitfähigkeit gehalten wurden; die Herstellung der Leiter erfolgt mit Hilfe einer einfachen und vollkommen reproduzierbaren thermomechanischen Behandlung, Danach wird ein Rohling, bei dem alle Elemente in Form der festen Lösung in der Aluminiumgrundmasse vorliegen, mit einem Abwalzgrad (S-s)/s, wobei S der ursprüngliche Querschnitt des Rohlings und s der Endquerschnitt des Leiters ist, von mindestens 1000 %, vorzugsweise von mehr als 10 000 % verformt; darauf wird eine Behandlung zum * durch Ausscheiden durchgeführt, mit der der Hauptteil der Elemente ausgeschieden wird, die nachteilig auf die elektrische Leitfähigkeit wirken, jedoch zur Erhöhung der Bruchlast oder Bruchfestigkeit unbedingt notwendig

- 4 ^Entfestigen

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sind. Es hat sich nämlich überraschend gezeigt, daß bestimmte Zusätze in fester beständiger oder übersättigter Lösung die Abwalzfähigkeit bzw. Kaltverformbarkeit von Aluminium erhöh⁶¹¹ derart, daß die beträchtliche Fehlordnungsenergie Ergebnis einer starken Quer* in der Kälte - zu einem schnellen und ziemlich vollständigen Ausscheiden der im Stadium der Übersättigung vorliegenden Elemente bei mäßiger Temperatur führt.

Diese Erscheinung hängt auch damit zusammen, daß die GIeichgewichtslöslichkeit der Zusatzelemente mit der Temperatur stark abnimmt. Außerdem hat sich gezeigt, daß diese gleichen in Aluminium löslichen Zusätze eine starke Hemmwirkung ausüben auf dessen Rekristallisation, ohne jedoch die zunehmende Entfestigung durch Erholung

zu verhindern; die Wirkung ist begleitet vom Ausfallen der übersättigt vorhandenen Elemente. Dies führt dazu, daß die elektrische Leitfähigkeit spürbar erhöht wird, während die Abnahme der Bruchfestigkeit,kombiniert mit einer Zunahme der Bruchdehnung leichter gesteuert werden kann.

Die Zusatzelemente, die die Leitfähigkeit beeinträchtigen, v/erden in elementarer Form oder in Form von komplizierten intermetallischen Verbindungen ausgefällt; dies haben mikro-(photo)graphische Untersuchungen gezeigt.

Es wurde ebenfalls festgestellt, daß man mit dem Aluminiumwerkstoff für elektrische Leiter im Verlauf der Verformung zu den angestrebten Maßen- ' , eine Wärmezwischenbehandlung zur Wiederherstellung oder Restauration bei einer Temperatur von 180 bis 250⁰C während einer Zeitdauer von 10 min bis zu 10 h durchführen kann; hierdurch wird der technisch zugängliche Deformationsgrad erhöht,

*s chnittsverminderung

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ohne daß die Kombination von mechanischen Eigenschaften und elektrischen Eigenschaften, die ohne diese Wärmezwischenbehandlung erreicht werden, spürbar beeinträchtigt wird.

Es wurde ebenfalls festgestellt, daß die Legierungen, auf , die dieses Verfahren angewendet werden kann, in Kombination miteinander enthalten sollen:

1) mindestens 1 Element aus einer ersten Gruppe von ausscheidbaren Elementen, das, gelöst in der Grundmasse, die elektrische Leitfähigkeit stark verringert und dessen Löslichkeit im festen Zustand im Aluminium 0,2 Gew.-% bei 250 C nicht übersteigt. Zu dieser Gruppe gehören vor allem Kupfer, Silicium und Mangan und zwar bei einem Gehalt von 0,25 bis 1 Gew.-5b für Kupfer und Mangan und von 0,05 bis 0,5 Gevr.-35 für Silicium;

2) mindestens 1 Element aus einer zweiten Gruppe von Elementen, die komplizierte intermetallische Verbindungen bilden können und nur sehr partiell in der Grundmasse löslich sind. Zu dieser zweiten Gruppe gehören Eisen, Nickel, Kobalt, Beryllium, Bor und Zirkonium und zwar bei einem Legierungsanteil von 0,10 bis 2 Gew.-% für Eisen, Nickel und Kobalt sowie von 0,001 bis 0,2 Gew.-9*> für Berj^llium und Bor und schließlich 0,001 bis 0,1 Gew.-% für Zirkonium;

3) gegebenenfalls mindestens 1 Zusatzelement aus einer dritten Gruppe von Elementen, die die Abwalzbarkeit von Aluminium erhöhen . und deren Löslichkeit irn festen Zustand in Aluminium bei 250⁰C mindestens 4 % beträgt. Zu dieser Gruppe gehören Magnesium und Zink bei einem Legierungsanteil von 0,03 bis 0,5 Gew.-%; die übrigen natürlich vorkommenden Verunreinigungen oder Begleitstoffe des Aluminiums, das als

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Legierungsbasis dient (allgemein 99,5 %iges Aluminium) können in der für sie üblichen Anteilsmenge vorliegen.

In dem erfindungsgemäß hergestellten drahtform!gen Leiter sind die Elemente der beiden ersten Gruppen praktisch vollständig durch die therrnomechanischen Behandlungen ausgeschieden worden.

Unter Berücksichtigung des erforderlichen Abwalzgrades für die Durchführung des Verfahrens eignet sich die Erfindung besonders gut zur Herstellung von biegsamen Drähten, die eiaen Durchmesser von 3,5 bis 0,05 mm besitzen; selbstverständlich ist die Erfindung jedoch nicht auf Drähte alleine beschränkt; es können ausgehend von den gleichen Legierungen und mit Hilfe des gleichen Verfahrens auch beliebige Formen von elektrischen Leitern hergestellt werden, z.B. schmale Bänder mit einer Stärke von 0,005 bis 3 mm, biegsame Kabel, die durch Gruppieren oder Kombinieren auf beliebig bekannte Weise von erfindungsgemäß hergestellten Drähten erhalten werden, sowie isolierte bewegliche Drähte oder Kabel, die auf an sich bekannte Weise isoliert werden .

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung.

1 ■

Aus zwei Legierungen A und B wurden halbkontinuierlich Knüppel mit Durchmesser 83 mm gegossen. Die Legierung A entsprach dem eingangs genannten Typ A5/L und diente zum Vergleich; die Legierung B war erfindungsgemäß zusammengesetzt:

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Elementen-Gruppe

Si

A 0,07 B 0,05

Cu	Fe
0,003	0,17 -
0,48	0,18

Die Knüppel wurden bei 35O⁰C bis zu einem Durchmesser von 9,5 mm und dann bis auf einen Durchmesser von 0,5 mm unter folgenden Bedingungen und mit folgenden Ergebnissen gezogen:

Wärmebehandlung	^Rm	A %	/UJ	20	C
abschließend	hbar	200 mm	2	rx./cra	% IACS
A 1 h/240°C	12	12		,71	63,6
B 1 h/220°C	15,5	9	2	,78	62
30 min/260°C	14,2	13	,78	62

*R_m = Bruchlast; A = Bruchdehnung;

5*20 = spezifischer Widerstand bei 20⁰C C = elektrische Leitfähigkeit

Beispiel 2

Aus zwei Legierungen C und D wurden durch kontinuierlichen beruhigten Guß, d.h. langsames Ausgießen in eine zunächst geneigte und allmählich aufgerichtete Kokille^, Knüppel mit Durchmesser 83 mm hergestellt; die Zusammensetzung der

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Legierungen ist nachfolgend angegeben: die Legierung entspricht dem Typ A5/L und diente zum Vergleich; die Legierung D war erfindungsgemäß zusammengesetzt:

Elementen-Gruppe

C D

Die Knüppel wurden bei 45O⁰C bis zu einem Durchmesser von 9,5 mm gezogen und darauf bis zu einem Durchmesser von 0,5 mm unter den nachfolgend angegebenen Bedingungen und mit den angegebenen Ergebnissen:

Si	Fe
0,05	0,24
0,24	0,51

V/ärraebehandlung	hbar	A %	S ²⁰	C
abschließend	10,8	200 mm	/uft/cin	% IACS
C 1 h/275°C	13	11	2,71	63,6
D 1 h/270°C		10	2,76	62,5
Beispiel 3

Zwei Legierungen E und F wurden kontinuierlich vergossen und der Rohling unmittelbar anschließend auf einer Straße SECIM warmgewalzt bis auf einen Durchmesser von 12 mm; die Zusammensetzung der Legierungen ist nachfolgend^angegeben; die Legierung E entspricht der Sorte A5/L und diente zum Vergleich; die Legierung F war erfindungsgemäß zusammengesetzt:

*und zwar zwischen Rad bzw. Walze und endlosem Stahlband (Properzi-Verfahren) - 9 -

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	a	1	Si	0	Cu	1A-46 734	Fe
	- y -	0,06	0	,003	2537804	0,15
Elementeii-Gruppe	0,07		,48	2	0,23

E
F

Die -Probestücke wurden anschließend bis zu einem Durchmesser von 0,5 mm feingezogen; Bedingungen und Ergebnisse sind nachfolgend aufgeführt:

Wärmebehandlung abschließend	^Rm hbar	A % 200 mm	S /U Λ	20 /cm	C % IACS
E 2 h/275°C	11,3	13	2,705		63,7
F 4 h/260°C	16,9	10	2,83		60,8
Beispiel 4

Zwei Legierungen E und G wurden kontinuierlich vergossen und sofort anschließend warm bis auf einen Durchmesser von 12 mm gewalzt; die Legierung gemäß Beispiel 3 diente zum Vergleich; die Legierung ^Jwar erfindungsgemäß zusammengesetzt und enthielt aus der ersten Gruppe von Elementen 0,07 % Si und 0,48 % Cu sowie aus der zweiten Gruppe von Elementen 0,38 % Fe.

Anschließend wurde bis zu einem Durchmesser von 0,5 feingezogen; Bedingungen und Ergebnisse sind nachfolgend aufgeführt :

*wie in Beispiel 3

- 10-

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	-	^Rm hbar	10 -	c/ mm	S 20 /U Λ /cm	1A-46 734 2537804
Wärmebehandlung abschließend	11,3 17,3 16,3	A 200	Ul VJl	2,705 2,85 2,86	C % IACS
E 2 h/275°C G 1 h/280°C 4 h/280°C		13 10, 11,			63,7 60,5 60,2
Beispiel 5

Die Standard-Legierung E und eine erfindungsgemäße Legierung H wurden kontinuierlich vergossen und sofort anschließend bis auf einen Durchmesser von 12 mm warm gewalzt; die Legierung H enthielt aus der ersten Elementen-Gruppe 0,20 % Si und 0,48 % Cu und aus der zweiten Elementen-Gruppe 0,39 % Fe, Die Probekörper wurden dann auf einen Durchmesser von 0,5 mm gezogen; nachfolgend sind die Bedingungen und die Ergebnisse angegeben:

Wärmebehandlung R_m A % g 20 C

abschließend hbar 200 mm /U Sl. /cm % IACS

E	2	h/275°C	11,	3	13	2,705	63,	7
H	4	h/260°C	18,	5	10	2,G8	59,	9
	4	h/260°C	18,	1	11	2,88	59,	9

Die Kombination einer Bruchlast von 18 hbar mit einer Bruchdehnung von 10 bis 11 % und einer elektrischen Leitfähigkeit? die praktisch gleich ist 60 % IACS, ist besonders bemerkenswert und überragt um vieles alles, was bisher mit leitenden Legierungen auf der Basis von Aluminium erreicht wurde.

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daß

Die Beispiele 4 G und 5 H zeigen darüber hinaus,die Toleranzgrenzen für Temperatur und Dauer der abschließenden Behandlung besonders weit auseinander liegen°ⁿweil Schwankungen von 2O°C bei konstanter Behandlungsdauer oder von ΐ bis 4 h bei konstanter Temperatur praktisch überhaupt keinen Einfluß auf das Endergebnis haben. Dieses ebenfalls ungewöhnliche Ergebnis garantiert eine gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse bei großtechnischer Fertigung.

Beispiel 6

Zwei erfindungsgemäß zusammengesetzte Legierungen J und K wurden wie in Beispiel 1 halbkontinuierlich zu Knüppeln mit Durchmesser 83 mm vergossen; die Knüppel wurden dann bei 35O°C bis auf einen Durchmesser von 9,5 mrn und anschließend bis aufeinen Durchmesser von 0,5 mm gezogen. Nachfolgend sind die Zusammensetzung der Legierungen sowie die Bedingungen und Ergebnisse beim Ziehen angegeben.

Elementen-Gruppe 12 3

	O	Rm	Si	A %	Cu	Fe	Mg
J	O	libar	,06	200 mm	0,20	0,18	0,02
K	13,6	,06	12	0,20	0,18	0,15
Wärmebehandlung	14,5	11	S 20		C
abschließend	/u Sl	/cm	% I ACS
J 1 h/230°C	2,785		61,9
K 1 h/240°C	2,84		60,7

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Beispiel 7

Die Legierung B gemäß Beispiel 1(0,18 % Fe, 0,05 % Si, 0,48 % Cu) wurde halbkontinuierlich zu Knüppeln mit Durchmesser 83 mm vergossen; die Knüppel wurden bei 350°C bis auf Durchmesser 9,5 mm gezogen und anschließend bis auf Durchmesser 2 mm. Es wurde eine Wärmezwischenbehandlung vorgenommen, die in ersterem Falle 1 h bei 230⁰C und im zweiten Falle 1 h bei 35O⁰C betrug, bevor unter den naclifolgend angegebenen abschließenden Bedingungen auf einen Durchmesser von 0,5 mm gezogen wurde.

Zwi s chenbehandlung 2 mm	abschließende Behandlung 0,5 mm	^Rm hbar	A % A	S 20 ι SL /cm	q/ /D	C IACS
B 1 h/230°C 1	h/240°C	14,5	10	2,76	62	,5
1 h/35O°C 1	•h/230°C	13,5	13	2,77	62	,2
Beispiel 8

Durch beruhigten Guß wurden aus der Legierung D gemäß Beispiel 2 (0,51 % Fe, 0,24 % Si) Knüppel mit einem Durchmesser von 83 mm hergestellt, die anschließend bei 450⁰C bis auf einen Durchmesser von 9,5 mm und dann bis aif einen Durchmesser von 2 rnm gezogen wurden, Es fand eine Zwischenbehandlung statt und zwar im ersteren Falle 1 h bei 230⁰C und im zweiten Falle 1 h bei 350 C, bevor bis zum abschließenden Durchmesser von 0,5 mm gezogen wurde.

Zwischenbehandlung abschließende R_m A % & 20 C

2 mra Behandlung hbar ivSl/cm. % IACS

0,5 mm '

D 1 h/230°C 1 h/260°C 13 12,5 2,75 62,7

1 h/350°C 1 h/230°C 11 10 2,73 63,2

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Die Beispiele 7 und 8 zeigen, daß eine Wärmezwischenbehandlung von 1 h bei 350 C bei . einem Durchmesser von 2 mm nicht zu ebenso günstigen Eigenschaften führt, wie eine Zwischenbehandlung bei einer Temperatur nicht über 25O⁰C.

Beispiel 9

Aus den Legierungen A und B gemäß Beispiel 1 wurden halbkontinuierlich Knüppel vom Durchmesser 83 mm gegossen; die Knüppel wurden bis auf einen Durchmesser von 81 mm abgewalzt und dann ohne Vorerwärmen gezogen, so daß man ein Band" 40 χ 5 nun erhielt; dieses wurde anschließend bis zu einer Schichtstärke von 0,15 mm gewalzt; folgende Ergebnisse wurden erzielt:

	abschließende	^Rm	A	%	rnrn	5	ΑΐΏ/cm	% IACS
	Behandlung	hbar	200			2,76	62,5
A	1 h/280°C	12,2	9	2,83	60,9
B	1 h/255°C	15,5	8,

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

Elektrische Leiter aus einem Aluminium-Werkstoff, insesondere in Form von schmalen Bändern einer Stärke von 0,005 bis 3 mm oder von Drähten mit einem Durchmesser von 0,050 bis 3,5 mm, die einen spezifischen Widerstand von höchstens 2,88 /U^./cm bei 20⁰C, eine Leitfähigkeit entsprechend mindestens 60 % IACS, eine Bruchlast von 13 bis 19 hbar und eine Bruchdehnung von zumindest 5 % (Prüfkörper 200 mm) aufweisen und

a) mindestens ein Element aus einer ersten Gruppe von ausscheidbaren Elementen, die in Lösung in der Grundmasse die elektrische Leitfähigkeit stark verringern und deren Löslichkeit im festen Zustand im Aluminium nicht mehr als 0,2 Gew.-% bei 250⁰C ausmacht, sov/ie

b) mindestens ein Element aus einer zweiten Gruppe von Elementen, die komplizierte intermetallische Verbindungen bilden können und nur sehr partiell in der Grundmasse löslich sind, in praktisch vollständig ausgeschiedener Form enthalten.
2. Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er noch mindestens ein weiteres Legierungselement enthält, das die Kaltwalzbarkeit von Aluminium verbessert und eine Löslichkeit im festen Zustand im Aluminium von mindestens 4 % bei 250⁰C besitzt, insbesondere Magnesium und/oder Zink.

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3. Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Element der ersten Gruppe Kup.Cer, Silicium und/oder Mangan und das Element der zweiten Gruppe Eisen, Nickel, Kobalt, Beryllium, Bor und/oder¹ Zirkonium ist.
4. Leiter nach Anspruch 1 bis 3» dadurch g e k e η η ζ e i chne t, daß er 0,25 bis 1 Gew.-54 Kupfer und/oder Mangan, 0,05 bis 0,5 % Silicium, 0,10 bis 2 % Eisen, Nickel und/oder Kobalt, 0,001 bis 0,2 % Beryllium und/oder Bor, 0,001 bis 0,1 % Zirkonium und 0,03 bis 0,5 % Magnesium und/ oder Zink enthält.
5. Verfahren zur Herstellung der Leiter nach Anspruch 1 bis 4 durch Ziehen oder Walzen, dadurch gekennzeichnet, daß man mit einem Abwalzgrad von mindestens 1000 %, vorzugsweise 10 000 %, arbeitet und den erhaltenen Leiter einige Minuten bis zu 24 h bei einer Temperatur von 150 bis 300⁰C hält.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß ι
ten bis 10 h arbeitet.

zeichnet, daß man bei 180 bis 25O⁰C während 10 Minu-

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