DE2624976C2

DE2624976C2 - Verfahren zur Herstellung von elektrischen Leitern aus AlMgSi-Legierungen

Info

Publication number: DE2624976C2
Application number: DE2624976A
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Saint-Egreve Nicoud
Original assignee: Societe de Vente de lAluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1975-06-06
Filing date: 1976-06-03
Publication date: 1983-05-26
Also published as: JPS51148608A; AT344270B; GR58458B; LU75067A1; SE426956B; NO761870L; DK245676A; BR7603544A; CA1073785A; JPS5615709B2; FR2313458A1; PT65184A; OA05342A; BE842551A; SE7606306L; CH604329A5; GB1511087A; DE2624976A1; ATA411776A; FR2313458B1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Leitern aus AIMgSi-Legierungen in Form von Drähten und isolierten Kabeln für die Haus-Installation, für Telefon und biegsame Kabel sowie Starkstromkabel.

Bei Isolierkabeln ging die Entwicklung von Starkstromkabeln mit großem und mittlerem Querschnitt auf handelsübliches Leitaluminium A5/L, 3/4-hart mit mindestens 0,5% Gesamtbegleitstoffen. Für blanke Starkstromkabel hoher mechanischer Festigkeit wer- w den verschiedene technische Lösungen angewandt, in Frankreich z. B. Mischkabel, Aluminium/Stahl oder allgemein homogene Kabel aus ALMELEC (oder ASS/L) einer aushärtbaren Aluminiumlegierung enthaltend 030 bis 030% Fe, 030 bis 0,70% Si und 0,15 bis ^ 035% Fe. Die Verseilung der Drähte findet im T8-Zustand statt (lösungsgeglüht, abgeschreckt, gezogen, warm ausgelagert). Andere Arbeitsweisen sind möglich, z. B. wird eine AlMg-Legierung »5005« (Aluminium Association) 4/4-harte Drähte ohne War- «o mebehandlung verseilt

Man war auch bemüht, auf anderen Gebieten Kupfer durch Aluminium oder Aluminium-Legierungen zu ersetzen, wie Drähte für Hausinstallationen, Drähte und Kabel für Telefon, Telegraph und dgl., Drähte für Spulen «⁵ und Wicklungen, biegsame Drähte. Diese Anwendungen setzen eine elektrische Leitfähigkeit voraus, die ähnlich derjenigen ist von A5/L, bessere mechanische Eigenschaften als A5/L und eine gute (Draht-)Ziehbarkeit. Kabel für Telecommunication enthalten zweier- *> oder viererverseilte isolierte Drähte mit kleinem Durchmesser, beispielsweise 0,5 oder 0,63 mm. Die Herstellung solcher Drähte erfolgt beispielsweise durch Ziehen und gleichzeitig Isolieren mit großer Geschwindigkeit auf Ziehwerken und erfordert Lei'erweikstoffe, ^5S die eine verbesserte Kombination von Bruchfestigkeit und Bruchdehnung aufweisen bezogen auf Werte, die üblicherweise mit A5/7 erreicht werden. Gefordert wird weiterhin eine ausgezeichnete Ziehbarkeit bei großer Geschwindigkeit und eine sehr gute Homogenität der ^M Endeigenschaften.

In der FR-PS 20 53 838 wird ein Verfahren zur Herstellung von Drähten für Haus- und Hausgeräteinstallationen aus AGS/L beschrieben, bei dem durch Gießen und Properzi-Walzen ein Walzdraht mit Durchmesser 7.5 bis 12 mm hergestellt und dieser einer Homogenisierungsbehandlung von mindestens 0,5 h bei 500 bis 580°C unterworfen und anschließend mit kaltem Wasser abgeschreckt, getrocknet und in mehreren Durchzügen bis zum Enddurchmesser gezogen wird; abschließend wird noch 2 bis 4 h bei 250° C und wenige Sekunden bei 550" C ausgelagert

Man erhält so eine Bruchfestigkeit von 150 bis 180 N/mm², eine Bruchdehnung von 8 bis 14% und einen spezifischen elektrischen Widerstand von 2,86 bis 2,90 μΩ · cm. Diese Eigenschaften sind durchaus zufriedenstellend, aber das Verfahren hat den Nachteil, daß eine Homogenisierungsbehandlung erforderlich ist, die im großtechnischen Maßstab etwa 8 h dauert Dieser Arbeitsgang wird nämlich in einem Ofen mit Zwangsgasführung mit einer Anzahl von Drahtbunden von etwa 1 t durchgeführt und muß — wenn auch nur 0,5 h — über die gesamte Drahtlänge in jedem Sand erfolgen. Außerdem braucht das Trocknen nach dem Abschrekken mit Wasser im Ofen bei 120°C mehrere Stunden. Dieses Verfahren ist also langwierig und kostspielig.

Aus der FR-PS 2179 515 ist ein vereinfachtes Verfahren bekannt, mit welchem die gleichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften durch Ziehen des Walzdrahies im Rohzustand erreicht werden, d. h. unmittelbar so wie er von der Properzi-Walzstraße kommt, dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß das Drahtziehen durch eine Verringerung der Bruchfestigkeit des Walzdrahtes von 200 bis 230 auf 150 N/mm² für den rohen Walzdraht (nach dem Walzen) vereinfacht wird. Aus diesem Grunde kann der Draht auf den für A5/7 vorgesehenen Ziehwerken gezogen werden. Vorteilhafterweise nutzt man das Kneten aus, das sich beim Properzi-Verfahren ergibt, wenn dieses Walzen bis herunter auf Durchmesser von beispielsweise 7,5 mm vorgenommen wird.

Bei der großtechnischen Herstellung von Leitern nach dem bekannten Verfahren hat sich jedoch gezeigt, daß die Gleichmäßigkeit der Draht-Eigenschaften unzureichend ist und zu stark von den Bedingungen beim Gießen und beim Weitererarbeiten des Properzi-Walzdrahtes aus AGS/L abhängen.

Ausgehend von diesem Verfahren ist es Aufgabe der Erfindung, Inhomogenitäten auszuschließen und die Herstellung eines gleichmäßigen elektrischen Leiters in einfacher, sicherer und wirtschaftlicher Weise zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebenen Maßnahmen gelöst

Wesentlich für den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das schnelle Abkühlen auf eine Temperatur unter 150° C mit anschließendem Auslagern bei 220 bis 280° C während 1 bis 12 h. bevorzugt werden Legierungen, enthaltend 030 bis 0,60% Mg, 030 bis C,fi0% Si und 0,15 bis 0,25% Fe verarbeitet, z. B. auf einem kontinuierlichen Properzi-Gieß- und Walz-Werk. Unmittelbar beim Austritt aus dem Walzwerk wird schnell auf <I5O°C abgekühlt, so daß es zunächst zu einer übersättigten festen Lösung und beim anschließenden Auslagern zu einer beträchtlichen Ausscheidung von Mg2Si kommt.

Die Schmelze, die mit etwa 700°C aufgegeben wird, erstarrt beim Austritt aus dem Gießrad in Form eines im wesentlichen trapezoidcn Bandes und hat kurze Zeit nachher beim Eintritt in das Walzwerk (etwa 1 min zwischen Rad und Walzwerk) eine Temperatur von 400 bis 500°C. Diese Temperatur liegt wesentlich unter der, bei der die sich verfestigende feste Lösung bei ausreichend langsamen Abkühlen Magnesium und Silicium ausscheidet. Das Walzen des im wesentlichen trapezoiden Bandes (S a 2240 mm²) bis zum Walzdraht

10

(Durchmesser 9,5 mm oder 7,5 mm) erfolgt schnell, nämlich in der Größenordnung von t min. Die Temperatur des Walzuahtes beim Anstritt aus dem Walzwerk liegt zwischen 250 und 350⁰C je nach Gieß- und Walzbedingungen, im Walzwerk finden gleichzeitig mehrere Vorgänge ststt, nämlich Formgebung, Kneten und dynamische Erholung, die sich aus der Verformung bei hoher Temperatur und Abschrecken ausgehend von einem mehr oder weniger vollkommenen Zustand der festen Lösung ergeben und im wesentlichen von der Temperatur des Bandes beim Eintritt in das Walzwerk abhängen. Ein schnelles Abkühlen verhindert im Inneren des aufgewickelten Walzdrahtes eine merkliche Ausscheidung, die zwangsläufig zu beträchtlichen Inhomogenitäten der mechanischen und elektrischen is Eigenschaften entlang der Drahtringe von etwa 11 aufgrund der unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeit führt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Temperatur des Bandes beim Austritt aus dem Gießrad und Eintritt in das Wakverk zwischen 400 und 520⁰C, bevorzugt wird 400 bis 450° C

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Walzdraht einer Wärmebehandlung zur Ausscheidung der intermetallischen Verbindung Mg₂Si unterzogen, ausgehend vom Zustand der partiellen festen Lösung, die durch kontinuierliches Gießen, Walzen und Abkühlen erhalten worden ist Durch die Auslagerungsbedingungen nach der Erfindung wird die Mg2Si-Ausscheidung verdoppelt gegenüber dem Sekundäreffekt der Enthärtung infolge Erholung. Der Haupteffekt der Wärmebehandlung ist die Heterogenisierung der partiellen festen Lösung nach dem Walzen und unmittelbar anschließendem Abschrecken des Walzdrahtes. Diese Heterogenisierung trägt zur Enthärtung (Weichmachen) des Walzdrahtes bei χχ.ή vor allen Dingen zur Verringerung der Kaltverfestigung beim Ziehen, Mit anderen Worten, wird die Geschwindigkeit, mit welcher die Bruchfestigkeit des Ziehdrahtes als Funktion der Querschnittsverminderung erhöht wird, verringert und,folglich der Kraftbedarf beim Ziehen stark herabgesetzt, d. h. die Ziehbarkeit ist wesentlich verbessert.

Diese Heterogenisierung führt zu einer Legierung mit verbesserten Eigenschaften infolge der Anwesenheit von reversibel ausgeschiedenem feinem Mg₂SL

Eine solche Wärmebehandlung des Walzdrahtes führ i nicht zu einer nachteiligen Rekristallisation für das Drahtziehen und das abschließende Weichglühen bewirkt ein Verhältnis Bruchfestigkeit zu Bruchdehnung hochwertiger Drähte. Sie stört auch nicht die hervorragende Gleichmäßigkeit der Eigenschaften des Drahtes in 1 t-Bunden oder Ringen aufgrund des laufenden Abkühlens bei Austritt aus dem Walzwerk.

Die erfindungsgemäß hergestellten Drähte oder Leiter sind gekennzeichnet durch eine Bruchdehnung im Rohzustand nach dem Drahtziehen, die deutlich über den Werten für A5/7-Legierungen 3/4-hart liegt, in Verbindung mit einer erheblich verbesserten mechanischen Festigkeit (Bruchfestigkeit von 200 bis 300 N/mm² je nach Durchmesser).

Die Erfindung wird in den folgenden Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Dieses Beispiel soll die Unzulänglichkeiten der bekannten Verfahren zeigen, hinsichtlich der Ungleichmäßigkeiten der Eigenschaften des Walzdrahtes aus der Legierung AGS/L,—0 = 9,5 mm, enthaltend 0,29% Fe, 0,60%Si und 0,59% Mg. Dieser Walzdraht wurde nach dem Properzi-Verfahren auf 23 mm gezogen und in bekannter Weise (FR-PS 21 79515) ohne kontinuierliches Abkühlen und ohne Wärmebehandlung verarbeitet

Wärmebehandlung	Lage der	Proben	in den lt-Walzdrahtritigen	mitte	D	P	innen	D	P
des Walzdrahtes				α	1,0	ipyi	α	4,0	2,950
	außen			223	15,0	2,856	230	5,2	2,879
	σ	D	P	127	25,4	2,859	154	12,9	2,883
Keine	284	3,0	3,111	112			140
3 h 240° C	184	6,7	2,896
3 h 260° C	165	9,0	2,894
σ in N/mm².
D % auf 200 mm.
ρ in μίΐ-ctn.

Daraus ergeben sich die inhomogenen Eigenschaften ss über die Drahtlänge infolge eines Selbst-Weichglühens in der MiUe der Drahtringe. Die entsprechenden Werte des Walzdrahtes sind in folgender Tabelle zusammengestellt

Lage der Proben im Walzdrahtring (0 9,5 mm)

Außen

σ N/mm²

C2Q0

157 120 133

6,5 16,7 13,5

60

μίΐ ■ cm

3,061 2,906 2.920

65

Beispiel 2

Es wurde nach dem Properzi-Verfahren ein Walzdraht aus einer Legierung AGS/L, enthaltend 0,20% Fe, 0,45% Si und 0,51% Mg mit üblichen Begleitern von Leitaluminium hergestellt Die Temperatur des Rohlings bei Verlassen des Rades betrug 450°C₁ bei Eintritt in den Walzenspalt 440⁰C, die Temperatur des Walzenöls 65° C; nach laufender Abkühlung des Walzdrahtes am Austritt aus dem Walzwerk hatte dieser eine Temperatur von 70⁰C, einen Durchmesser von 9,5 mm und wurde auf 11-Ringe aufgewickelt, deren mechanische und elektrische Eigenschaften im folgenden zusammengestellt sind

5,35	21,4	7,0	2,924
4,16	23,0	6,6	2,934
3,64	24,2	5,8	2,943
2,70	24,8	5,6	2,948

Frisch hergestellt 17,6 12,5

Nach 7 Tagen 19,6 12,8 3,326

Kaltauslagern

Man stellt eine merkliche Härtung durch das

Auslagern fest Die Bruchdehnung ist trotz der Kaltumformung hoch

.Der Walzdrahtring wurde im Anschluß daran einer geblieben.

Ausscheidungshärtung unterworfen, und zwar 8 h bei Die Werte obiger Tabelle für 0 2,7 mm sind

230⁰C mit anschließendem Abkühlen in ruhender Luft is Mittelwerte aus dem 11-Walzdrahtring, wobei die

Nach dieser Wärmebehandlung betrug die Bruchfestig- Probeentnahme aus 14 Drahtringen erfolgte,

keit 180 N/mm², die Dehnung 10% und der elektrische Folgende Tabelle gestattet einen guten Überblick

Widerstand 2£4 μΩ · cm. Nach einem Ziehen auf einer über die hervorragende Gleichmäßigkeit der Eigen-

großiechnischen Anlage auf unterschiedliche Durch- schäften,

messer wurden folgende Eigenschaften ermittelt 20

σο,2 ο D 200 ρ

N/mm² N/mm² % μΐ> · cm

Minimal 22,7 24,2 4,9 2,942

Maximal 24,0 25,5 6,4 2,952

Mittel 23,3 24,8 5,6 2,948

Standard-Abweichung*) 4,2 4,3 0,42 0,003

n-\

χ = Mittel von x\

Die 14 Drahtproben mit einem 0 von 2,7 mm wurden abschließend 3 h bei 250° C gehalten. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften sowie deren Schwankungen sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

	σο.2	σ	D 200	Wechsel- Biegen r. 10 mm	P
	N/mm²	N/mm²	%		μΠ · cm
Minimal	15,3	17,1	6,4	15	2,887
Maximal	16,1	17,7	8,7	18	2,894
Mittel	15,6	17,3	7,8	-	2,890
Standard-Abweichung	2,3	1,9	0,71	-	0,002

Auch hier zeigt sich wieder die hervorragende ;: 9,i mm wurde zu 1 t-Ringen aufgewickelt und verschie-Gleichmäßigkcit der Eigenschaften über die ganze denen Wärmebehandlungen zur Ausscheidungthärtung Drahtlänge. unterworfen.

Beispiel 3

Es wurde nach dem Properzi-Verfahren ein Walzdraht aus einer Legierung AGS/L, enthaltend 0,23% Fe, 0,55% Si, 0,59% Mg mit üblichen Begleitelementen von Leitaluminium hergestellt; die Temperatur des Rohlings am Ausgang des Rades betrug 460⁰C und am Eintritt in das Walzwerk 450⁰C₁ die Temperatur des Walzöls 68⁰C und die Temperatur des laufend abgekühlten Drahtes 70⁰C. Dieser WalzcViht mit einem Durchmesser von

Wärmebehanalng	σ	D 200	P
(Auslagern)	N/mm²	%	μΩ ■ cm
Keine	20,9	10,7	3,3 IS
8 h 200° C	21,3	7,3	2,989
8 h 240° C	17,1	9,5	2,928
8 h 260° C	!5,1	10,4	2,903
8 h 280° C	13,5	13,0	2,892

Es konnte festgestellt werden, daß eine Wärmebehandlung von 8 h bei 200" C zu einem geringfügigen Härten durch Auslagern führt. Die Wärmebehandlung bei 240 bzw. 260⁰C führen jedoch zu einer Enthärtung infolge eines »Überauslagerns«. Bei 280⁰C beginnt bereits die Rekristallisation.

Der Walzdraht, entsprechend den 5 Wärmebehandlungsstufen obiger Tabelle, wurde auf einen 3 mm Draht gezogen und dann geglüht.

Wärmebehandlung (Auslagern)	N/mm²	a N/mm²	D 200 %	Wcchsel- biegung r. 10 mm	P μί< ■ cm
Keine	32.0	33.3	4.8	3	3.399
8 h 200⁰C	29,1	30,2	4,0	7	3.007
8 h 240° C	21,9	23.0	5.0	8	2.944
8 h 260° C	20,5	21,7	5.0	10	2,927
8 h 280° C	19.7	21,1	3.5	11	2.915

Das Auslagern bei 240 bis 260⁰C wirkt sich somit auf die Kaltverfestigung und damit die Ziehbarkeit des Drahtes aus.

Obige 3 mm Drähte wurden nun unterschiedlich weich geglüht, wodurch man Kurven über die Abhängigkeit der Dehnung von der Festigkeit (73 200 = fa) und der Anzahl der ertragenen Wechselbedingungen von der Festigkeit aufstellen kann. Wird für die Festigkeit ο = löON'mm² angenommen, so ergeben sich für die Dehnung und die Anzahl der Wechselbedingungen folgende Werte.

Wärmebehandlung
(Auslagern ι

Wechstlbiegungen ''

Keine	9	15
8 h 200⁰C	7.5	18
8 h 240° C	8	18
8 h 26O⁰C	8	18
8 h 280" C	4.5	18

Aus dieser Gegenüberstellung ergibt sich, daß man bei Drähten nach einer Wärmebehandlung von 8 h bei 240 bzw. 260⁰C und anschließendem Weichglühen den besten Kompromiß der mechanischen Eigenschaften erreicher kann.

Beispiel 4

Ein Draht — 2,7 mm 0, unbehandelt nach dem Ziehen, erhalten im Sinne des Beispiels 2 — wurde auf 2 mm heruntergezogen und dann verschiedenen abschließenden Wärmebehandlungen (Weichglühen) zwischen 220 und 360⁰C während 30 min bis 9 h unterworfeil mit dem Ziel, die Vorteilhaftigkeit der abschließenden Wärmebehandlung zu untersuchen. Der Begriff »Vorteilhaftigkeit« bezeichnet hier die maximale Variationsbreite der Arbeitsbedingungen in industriellem Maßstab zur Erreichung der angestrebten Endeigenschaften.

Aus den Beziehungen der Dehnung (D 200%) in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur und der Festigkeit in N/mm² in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur ergibt sich, daß die Dehnung zwischen 4 und 10% und die Festigkeit zwischen 150 und 250 N/mm² liegen kann und die möglichen Wärmebehandlungen z. B. 5 h zwischen 220 und 260⁰C oder 1 h zwischen 230 und 280⁰C sind. Dies ist eine sehr bedeutende Vorteilhaftigkeit und ergibt eine leichte Reproduzierbarkeit im industriellen Maßstab.

Beispiel 5

Ein nach Beispiel 2 gezogener Draht, 0 2,7 mm, wurde auf 0,5 mm heruntergezogen und verschiedenen abschließenden Wärmebehandlungen (Weichglühen) unterworfen. Man stellte folgende mechanische und elektrische Eigenschaften fest

Wärmebehandlung (Weichglühen)

N/mm²

σ N/mm² D 200

μ<2 · cm

Keine	30,4	32,2	3	3,016
3 h 250° C	14,6	16,4	6	2,871
3 h 260° C	12,8	14,9	7	2,868

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von elektrischen Leitern aus AJMgSi-Legierungen, die 0,30 bis 0,80% Magnesium, 0,30 bis 0,70% SiMuin, 0,15 bis 0ß5% s Eisen sowie die üblichen Begleiter in Leitaluminium enthalten, indem ein kontinuierlich gegossener und bei 400 bis 520⁰C gewalzter Draht dieser Legierung mit einem Durchmesser von 7,5 bis 9,5 mm in der Kälte fertig gezogen und dann gegebenenfalls bei 220 bis 280° C während 1 bis 9 Stunden weichgeglüht wird, dadurch gekennzeichnet, daß man den Walzdraht nach der Walzstraße auf Temperaturen unterhalb i50°C abschreckt und ihn 1 bis 12 Stunden zur Ausscheidung von Mg:>Si bei 220 bis '5 280⁰C hält