DE2537804B2

DE2537804B2 - Verfahren zur Herstellung von elektrischen Leitern aus Aluminium-Werkstoffen

Info

Publication number: DE2537804B2
Application number: DE2537804A
Authority: DE
Inventors: Olivier Paris Diner; Claude Clarmart Drapier; Donald Marly Le Roi Whitwham
Original assignee: Societe de Vente de lAluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1974-08-29
Filing date: 1975-08-25
Publication date: 1978-07-06
Also published as: FR2289035A1; NL7510263A; CA1041190A; FI752383A; RO63771A; SU649338A3; BE832844A; DE2537804A1; LU73274A1; IL47706A; DK382175A; BR7505507A; CH607241A5; SE7509647L; JPS5150213A; DE2537804C3; FR2289035B1; ZA755492B; IT1042006B; NO752340L

Description

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 unzurei- to chend, beispielsweise für die Verarbeitung zu feinen Telephondrähten oder Drähten für Haushaltsmaschinen oder zu isolierten Drähten für Wicklungen, Schaltungen und elektrischen Einrichtungen allgemeiner Art. Die üblicherweise mit A5/L bezeichnete 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 beispielsweise nur eine Bruchfestigkeit von 10 bis 12 hbar bei einer Dehnung von 10 bis 12% oder eine Bruchfestigkeit von 12 bis 15 hbar bei einer Dehnung von 2 bis 3% — je nach der abschließenden Wärmebehandlung — sowie eine Leitfähigkeit von 63 bis 63,5% IACS.

Man kann die mechanischen Eigenschaften durch Zusatz von Legierungselementen 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 f>o eine Leitfähigkeit in der Größenordnung von 53% IACS bei einer Bruchfestigkeit von einigen 30 hbar und 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 und in verschiedenen Wertigkeiten auftreten können. Ihr Einfluß kommt vor allem dann zur Geltung, wenn sie als feste Lösung in der Aluminiumgrundmasse vorliegen; sie beeinflussen die Leitfähigkeit aber sehr viel weniger, wenn sie ausgeschieden sind. Mangan, Chrom, Vanadium, Zikronium, Titan und in geringerem Maß auch 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 thermoinechanischen Behandlungen zu erreichen, wodurch bestimmte Elemente in Form von mehr oder weniger feinen Verbindungen ausgeschieden werden und andere Elemente in der Grundmasse gelöst bleiben (FR-PS 8 88 520, 14 48 713, 20 09 027, 20 78 362, 2103 428, 2182 212 sowie US-PS 36 63 216 und 36 68 019). Mit keiner dieser bekannten Legierungen lassen sich jedoch feine Drähte für Haushaltsmaschinen, Telephon sowie für Wicklungen und allgemein Schaltungen herstellen, die den Anforderungen entsprechen, nämlich Bruchfestigkeiten bis zu 15 bis 18 und sogar 19 hbar bei einer Dehnung von mindestens 5% und einer Leitfähigkeit von nicht weniger als 60% IACS, wobei die Legierungen auch bei verschiedenen Tests, beispielsweise beim Wechselbiegeversuch, zufriedenstellen sollen.

Aus der US-PS 37 63 686 sind Aluminiumlegierungen als elektrische Leiter mit guter mechanischer Festigkeit und Leitfähigkeit bekannt, die 0,04 bis 1 % Eisen, 0,02 bis 2% Silicium, 0,1 bis 1% Kupfer und 0,001 bis 0,2% Bor enthaltend. Während Eisen, Silicium und Bor in der Aluminiumgrundmasse feindispers verteilt sind, soll das Kupfer sich in fester Lösung befinden. Die Herstellung dieser elektrischen Leiter erfolgt so, daß nur ein sehr mäßiger Abwalzgrad stattfindet und die anschließende Wärmebehandlung eine Ausscheidung von Kupfer verhindern muß; es zeigte sich jedoch, daß bei diesen Legierungen mit höheren mechanischen Eigenschaften die Leitfähigkeit abnimmt.

Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung von elektrischen Leitern aus einem Aluminium-Werkstoff, die sich durch eine Kombination von besonders guten mechanischen Eigenschaften und elektrischen Eigenschaften auszeichnen, wobei diese Eigenschaften durch die Verarbeitung auf Drähte oder dergleichen nicht verschlechtert werden.

Die Erfindung geht nun aus von einem Verfahren zur Herstellung elektrischer Leiter aus einem Aluminiumwerkstoff, der mindestens ein Element aus einer ersten Gruppe von Legierungselementen, die in Lösung in der Grundmasse die elektrische Leitfähigkeit stark verringern und deren Löslichkeit in festem Zustand in Aluminium nicht mehr als 0,2 Gew.-% bei 25O⁰C beträgt, sowie mindestens ein Legierungselement aus einer zweiten Gruppe von Elementen, die komplizierte innermetallische Verbindungen zu bilden vermögen und nur sehr partiell in der Grundmasse löslich sind, enthält. Dieser Aluminium-Werkstoff wird gezogen oder abgewalzt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nun dadurch gekennzeichnet, daß man zur praktisch vollständigen Ausscheidung der Elemente der zweiten Gruppe mit einem Abwalzgrad von zumindest 10 000% arbeitet und den Leiter anschließend einige Minuten bis 24 Stunden bei einer Temperatur von 150 bis 300°C hält. Bevorzugt

erfolgt diese abschließende Wärmebehandlung in 10 min bis 10 h bei 180 bis 350⁰C. Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren für einen Aluminium-Werkstoff, der als Element der ersten Gruppe Kupfer, Silicium und Mangan, als Element der zweiten Gruppe ■> Eisen, Nickel, Kobalt, Beryllium, Bor oder Zirkonium und gegebenenfalls als Element der dritten Gruppe Magnesium oder Zink enthält.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß bestimmte Elemente in fester stabiler oder übersättigter Lösung κι die Abwalzbarkeit bzw. Kaltverformbarkeit von Aluminium erhöhen, da die beträchtliche Fehlordnungsenergie durch die extrem hohe Querschnittsverminderung in der Kälte zu einem schnellen und ziemlich vollständigen Ausscheiden der im Stadium der Übersättigung r> vorliegenden Elemente bei mäßiger Temperatur führt. Dies beruht darauf, daß die Gleichgewichts-Löslichkeit der Elemente mit der Temperatur stark abnimmt. Außerdem hat sich gezeigt, daß die in Aluminium löslichen Elemente in hohem Maße dessen Rekristallisation hemmen, ohne jedoch die zunehmende Entfestigung durch Erholung zu verhindern. Gleichzeitig fallen die Elemente der übersättigten Lösung aus. Dies führt dazu, daß die elektrische Leitfähigkeit spürbar erhöht und die Abnahme der Bruchfestigkeit sowie die 2"> Zunahme der Bruchdehnung leichter einstellbar wird.

Die Elemente, die die Leitfähigkeit beeinträchtigen, werden in elementarer Form oder in Form von komplizierten intermetallischen Verbindungen ausgefällt, wie mikrophotographische Untersuchungen ge- m zeigt haben.

Zur Erhöhung der Abwalzbarkeit kann man eine erholende Zwischenbehandlung bei 180 bis 250⁰C während 10 min bis 10 h durchführen. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften werden dadurch nicht j^r> spürbar beeinträchtigt.

Die Legierungen, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind, sollen enthalten:

1) mindestens 1 Element aus einer ersten Gruppe von ausscheidbaren Elementen, welches gelöst in der Grundmasse die elektrische Leitfähigkeit stark verringert und dessen Löslichkeit im festen Zustand im Aluminium 0,2 Gew.-% bei 250⁰C nicht übersteigt. Zu dieser Gruppe gehören vor allem Kupfer, Silicium und Mangan, und zwar bei einem Gehalt von 0,25 bis 1 Gew.-% für Kupfer und Mangan und von 0,05 bis 0,5 Gew.-% für Silicium;

2) mindestens 1 Element aus einer zweiten Gruppe von Elementen, die komplizierte intermetallische Verbindungen bilden und nur beschränkt in der Grundmasse löslich sind. Zu dieser Gruppe gehören Eisen, Nickel, Kobalt, Beryllium, Bor und Zirkonium, und zwar 0,10 bis 2 Gew.-°/o Eisen, Nickel und Kobalt, 0,001 bis 0,2 Gew.-% Beryllium und Bor bzw. 0,001 bis

0,1 Gew.-% Zirkonium; 5>

3) gegebenenfalls mindestens 1 Element aus einer dritten Gruppe von Elementen, die die Abwalzbarkeit von Aluminium erhöhen und deren Löslichkeit im festen Zustand in Aluminium bei 25O⁰C mindestens 4% beträgt. Zu dieser Gruppe gehören Magnesium und w> Zink, und zwar 0,03 bis 0,5 Gew.-%. Die üblichen Verunreinigungen oder Begleitstoffe des Aluminiums (im allgemeinen 99,5% Al) können in der üblichen Menge vorliegen.

In dem erfindungsgemäß erhaltenen Leiter sind die μ Elemente der beiden ersten Gruppen praktisch vollständig ausgeschieden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Drähten mit einem Durchmesser von 3,5 bis 0,05 mm, aber auch für z. B. dünne Bänder mit einer Stärke von 0,005 bis 3 mm sowie isolierte Drähte oder Kabel.

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Aus zwei Legierungen A und B wurden halbkontinuierlich Knüppel, Durchmesser 83 mm, gegossen. Die Legierung A entsprach dem eingangs genannten Typ A5/L und diente zum Vergleich.

Si

Cu

Fe

A (Vergleich)
B

0,07
0,05

0,003
0,48

0,17
0,18

Die Knüppel wurden bei 350°C bis auf 9,5 mm und dann auf 0,5 mm unter folgenden Bedingungen und mit folgenden Ergebnissen gezogen:

Abschließende 0 B
Wärmebehandlung hbar

D % ρ 20

200 mm μΩ/cm

ι !ACS

A	1 h/240°C	C	12	12	2,71	63,6
B	1 h/220°C	15,5	9	2,78	62
	30 min/260°	14,2	13	2,78	62

Beispiel 2

Aus zwei Legierungen C und D wurden durch kontinuierlichen beruhigten Guß, d. h. langsames Gießen in eine zunächst geneigte und allmählich aufgerichtete Kokille, Knüppel 0 83 mm hergestellt.

Si

Fe

C (Vergleich)
D

0,05
0,24

0,24
0,51

Die Knüppel wurden bei 450⁰C bis auf 9,5 mm und dann auf 0,5 mm gezogen.

Abschließende σ Β
Wärmebehandlung hbar

D°/o

ρ 20
μΩ/cm

% !ACS

C	1 h/275°	C	10,8	11	2,71	63,6
D	1 h/270°	C	13	10	2,76	62,5

Beispiel 3

Zwei Legierungen E und F wurden nach dem Properzi-Verfahren gegossen und das Band unmittelbar anschließend auf einer SECIM-Straße warmgewalzt auf 12 mm.

Si

Cu

Fe

E (Vergleich)
F

0,06
0,07

0,003
0,48

0,15
0,23

ni ania ladü 19JJ9W Jzi ε arnmal» szaiQ .

Abschließende o B
Wärmebehandlung hbar

I) % »20

200 mm μΩ/cm

1»

IACS

E 2 h/275°C
F4h/260°C

11,3
16,9

13
10

2,705 2,33

63,7 60,8

Beispiel 4

In Abwandlung des Beispiels 3 wurde die Legierung E und G (0,07% Si, 0,48% Cu, 0,38% Fe) warm auf 12 mm gewalzt und anschließend auf 0,5 mm gezogen.

Abschließende a B
Wärmebehandlung hbar

200 mm

ο 20 μΩ/cm

% IACS

E2h/275°C

G 1 h/280°C

4 h/280°C

11,3
17,3
16,3

13
10,5

11,5

2,705

2,85

2,86

63,7 60,5 60,2

IACS ist besonders bemerkenswert und überragt alles, was bisher auf diesem Gebiet erreicht wurde.

Die Beispiele 4 und 5 zeigen, daß die zulässige Temperatur und Zeit der abschließenden Wärmebe-

Ί handlung besonders weit auseinanderliegen können. Schwankungen von 20"C bei gleicher Zeit oder von 1 bis 4 h bei gleicher Temperatur haben praktisch keinen Einfluß auf das Endergebnis. Diese ungewöhnliche Tatsache garantiert eine gute Reproduzierbarkeit der

in Ergebnisse bei großtechnischer Fertigung.

Beispiel 6

Zwei Legierungen J und K wurden wie in Beispiel 1 halbkontinuierlich zu Knüppeln 83 mm gegossen und ι "> diese bei 350⁰C auf 9,5 mm und anschließend auf 0,5 mm gezogen.

Beispiel 5

Die Vergleichslegierung E und die Legierung H nach der Erfindung (0,2% Si, 0,48% Cu, 0,39% Fe) wurden kontinuierlich gegossen und anschließend auf 12 mm warm gewalzt und auf 0,5 mm gebracht.

Abschließende ο B D % ο 20 Wärmebehandlung hbar 200 mm μΩ/cm

% IACS

E2h/275°C

H 4 h/260°C

4h/280°C

11,3
18,5
18,1

13
10
11

2,705

2,88

63,7 59,9 59,9

Die Kombination 18 hbar, Bruchdehnung 10 bis 11% und eine elektrische Leitfähigkeit von praktisch 60% Si

Cu

Fe

0,06
0,06

0,20
0,20

0,18
0,18

Mg

0.02
0.15

Abschließende « B D %

Wärmebehandlung hbar 200 mm

υ 20 -/

μΩ/cm % IACS

1 h/230°C
1 h/240°C

13,8

14,5

12
11

2,785
2,84

61.9
60.7

Beispiel 7

Die Legierung B gemäß Beispiel 1 (0,18% Fe, 0,05% Si, 0,48% Cu) wurde halbkontinuierlich zu Knüppeln 83 mm gegossen und diese bei 350°C auf 9,5 mm und anschließend auf 2 mm gezogen und dazwischen 1 h bei 230°Cbzw. 1 h bei 350°C gehalten.

Zwischenwärmer	Abschließende Behandlung	oB hbar	D%	o20 μΩ/cm	% IACS
1 h/230°C 1 h/350°C	1 h/240°C 1 h/230°C	14,5 13,5	10 13	2,76 2,77	62,5 62,2

Beispiel 8

Durch beruhigten Guß wurden aus der Legierung D gemäß Beispiel 2 (0,51% Fe, 0,24% Si) Knüppel 83 mm hergestellt und bei 450°C auf 9,5 mm und dann auf 2 mm gezogen, und zwar mit Zwischenwärmen.

Zwischenwärmen	Abschließende Behandlung	ο Β hbar	D%	y20 μΩ/cm	% IACS
1 h/230"C 1 h/350°C	1 h/260°C 1 h/230°C	13 11	12,5 10	2,75 2,73	62,7 63,2

Die Beispiele 7 und 8 zeigen, daß eine Wärmezwischenbehandlung von 1 h bei 350"C nicht zu ebenso günstigen Eigenschaften führt wie eine Zwischenbchandlungbei nicht über 250°C.

Beispiel 9

Aus den Legierungen A und B gemäß Beispiel 1 wurden halbkontinuierlich Knüppel 83 mm gegossen und diese auf 81 mm abgewalzt und dann ohne Zwischenwärmen auf 40 χ 5 mm gebracht, welche auf 0,15 mm abgewalzt wurden.

Abschließende
Behandlung

1 h/280°C
I h/255^oC

»Β
hbar

D % « 20
200 mm μΩ/cm

12,2
15,5

9
8,5

2,76
2,83

% IACS

62.5
60,9

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Leitern aus einem Aluminium-Werkstoff, der min- ί destens ein Element aus einer ersten Gruppe von Legierungselementen, 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 250° C ist, :< > sowie mindestens ein Legierungselement aus einer zweiten Gruppe von Elementen, die komplizierte intermetallische Verbindungen bilden können und nur sehr partiell in der Grundmasse löslich sind enthält, durch Ziehen oder Walzen, dadurch r> gekennzeichnet, daß man zur praktisch vollständigen Ausscheidung der Elemente der zweiten Gruppe mit einem Abwalzgrad von zumindest 10 000% arbeitet und den Leiter abschließend einige Minuten bis 24 h bei einer Temperatur von 150 bis 300° C hält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Leiter 10 Minuten bis 10 h bei 180 bis 250° C hält.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf einen Aluminium-Werkstoff, der als Element der 1. Gruppe Kupfer, Silicium oder Mangan, als Element der 2. Gruppe Eisen, Nickel, Kobalt, Beryllium, Bor oder Zirkonium und gegebenenfalls als Element der 3. Gruppe Magnesium oder Zink enthält.