DE2840418A1

DE2840418A1 - Verbesserung der elektrischen leitfaehigkeit von aluminiumlegierungen durch die zugabe von mischmetall

Info

Publication number: DE2840418A1
Application number: DE19782840418
Authority: DE
Inventors: Duncan G Block; Ronald G Hardy; Mathur Raghavan; Stanley Shapiro
Original assignee: Alusuisse Holdings AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1978-06-05
Filing date: 1978-09-16
Publication date: 1979-12-06
Also published as: FR2428079A1; ZA792400B; SE7904832L; NO791834L; IT7923292A0; IT1121267B; GB2023655A; US4213799A

Description

SCHWEIZ!SISCHE AIUMINIUM AG, 3965 CkLppis

Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von Alunniniumlegierungen durch die Zug: be von Mischmetall

11. September 1978
FPA-I IBr/Ri - 1292 -

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Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit von Aluminiumlegierungen durch die Zugabe von Mischmetall·

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Legierung auf der Basis von Aluminium mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit sowie auf ein Verfahren zu deren Verarbeitung.

Aluminium weist eine verhältnismässig hohe Leitfähigkeit und ein niedriges spezifisches Gewicht auf und wird deshalb seit vielen Jahren zur Herstellung von überirdischen elektrischen Freileitungsdrähten verwendet. Da die meist erwünschte Eigenschaft von solchem Draht eine gute elektrische Leitfähigkeit ist, hat man das für diesen Zweck eingesetzte Aluminium früher als EC-Aluminium bezeichnet, die entsprechende Legierung ist jedoch heute unter der Bezeichnung AA 1350 (Registrationsnummer der Aluminum Association) bekannt. Diese spezielle Muminiumlegierung enthält in einem Reiraluminiumgrundgefüge wenig Silizium und Eisen, um einen Draht mit hoher Leitfähigkeit, aber mit höherer Festigkeit als mit einem Grundgefüge aus hochreinem Aluminium, zu erhalten.

Leider haben aus diesem Metall hergestellte Erzeugnisse, weil diese spezielle Mumlniumlegierung die Verwendung von Reinaluminium als Grundgefüge für die Legierung erforderlich macht, dazu geführt, dass die Kosten erhöht und das Nutzen-Kosten-Verhältnis von Aluminium im Vergleich zu anderen Materialien gesenkt werden.

Als Ersatzmaterialien für die Legierung 1350 sind manche andere Legierungen vorgeschlagen worden. Z.B. beschreibt die US-PS 3 278 300 eine Eisen und Metalle der seltenen Erden enthaltende Murniniumlegierung, welche- für die Verwendung zur Herstellung elektrischer Leiter besonders geeignet ist. Dieses spezielle Legierungssystem kann auch Elemente wie Zirkon und Magnesium enthalten. Die besonders bevorzugten Metalle der seltenen Erden sind die als Mischmetall bekannten Kombinationen. Der Einfluss von Mischmetall auf Leiter aus Aluminiumlegierungen wird in den Metallurgical Transactions _1 (1970) 2638 - 2641 beschrieben. In diesem Artikel wird gezeigt, dass die Zugabe von bis zu 3 % Mischmetall zum Aluminiumgrundgefüge die mechanische

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Festigkeit der entstehenden Legierung erhöht, während ihre elektrische Leitfähigkeit erniedrigt wird. Oberhalb dieser 3 %-Grenze sinken sowohl die mechanische Festigkeit als auch die elektrische Leitfähigkeit. Das Aluminiumgrundgefüge der Legierung kann ausserdem kleine Gehalte von Mangan, Titan, Vanadium, Chrom, Eisen, Kupfer und/oder Silizium aufweisen. Weiter ist in einer Arbeit, die im Journal of Metals 22_ (1970) 40 veröffentlicht worden ist, die Zugabe von Mischmetall zu Aluminiuleitlegierungen und Aluminiumgusslegierungen in Erwägung gezogen worden. Leider machen diese Vorveröffentlichungen die Verwendung von Aluminium - welches als Grundgefüge für die entsprechenden Legierungssysteme eingesetzt wird - von verhältnismässig hohem Reinheitsgrad erforderlich.

Die Erfinder haben sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Legierung auf der Basis von Aluminium mit gegenüber üblichen Aluminiumleitlegierungen mindestens gleichwertiger elektrischer Leitfähigkeit und ein Verfahren zu deren Verarbeitung zu schaffen, wobei für das Grundgefüge Aluminium von handelsüblicher Reinheit, unter Zugabe von bestimmten, die mechanische Festigkeit erhöhenden Elementen, eingesetzt wird. Die hohe elektrische Leitfähigkeit der Muminiumleitlegierung soll im kaltverfestigten, teilweise oder vollständig geglühten Zustand aufrechterhalten bleiben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Legierung 0,001 1,0 Gew.-% Eisen, 0,001 - 1,0 Gew.-% Kupfer, 0,001 - 1,0 Gew.-% Mischmetall, 0,001 - 0,2 Gew.-% Silizium, 0 - 0,2 Gew.-% Bor, 0 - 0,05 Gew.-% Zink, 0,01 Gevj.-% Mangan und 0 - 0,01 Gew.-% Chrom, Rest Aluminium, enthält.

Das zu den Gegenständen der erfindungsgemässen Leitlegierung führende Verarbeitungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass

eine Legierung mit 0,001 - 1 Gew.-% Eisen, 0,001 - 1,0 Gew.-% Kupfer, 0,001 - 1,0 Gew.-% Mischmetall, 0,001 - 0,2 Gew.-% Silizium, 0-0,2 Gew.-% Bor, 0-0,05 Gew.-% Zink, 0-0,01 Gew.-% Mangan und 0 - 0,01 Gew.-% Chrom, Rest Aluminium, vergossen,

- die vergossene Legierung bei einer Temperatur von mehr als warm verformt, und

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die warm verformte Legierung durch Kaltverformung verfestigt wird.

Die einmalige Zugabe von Mischmetall zu den Legierungen auf der Basis von Aluminium bewirkt entweder eine im Vergleich zu handelsüblichen Aluminiumlegierungen erhöhte elektrische Leitfähigkeit, oder sie verleiht Aluminiumlegierungen mit einem höher als normalen Verunreinigungsgrad die elektrische Leitfähigkeit von weniger verunreinigten Legierungen. Die Zugabe von Mischmetall wirkt wie ein Reinigungsmittel (scavenging agent), wobei das Mischmetall den Anteil der Verunreinigungen beispielsweise durch deren mindestens teilweisen Ausfällung vermindert. Die elektrische Leitfähigkeit solcher Legierungen wird im kaltverfestigten, teilweise oder vollständig geglühten Zustand erhöht.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Legierung 0,001 - 0,2 Gew.-% Bor enthält.

Die Zugabe von 0,001 - 1,0 Gew.-% Mischmetall zu dem angegebenen Zweck folgende Legierungen besonders gut geeignet:

Muminiumlegierung mit 0,001 - 0,4 Gew.-% Eisen, 0,001 - 0,1 Gew.-% Silizium, 0,001 - 0,05 Gew.-% Kupfer, 0,001 - 0,05 Gew.-% Zink, 0,001 0,01 Gew.-% Mangan, 0,001 - 0,01 Gew.-% Chrom und 0 - 0,2 Gew.-% Bor.

Aluminiumlegierung mit 0,04 - 1,0 Gew.-% Eisen, 0,1 - 1,0 Gew.-% Kupfer, 0,02 - 0,2 Gew.-% Silizium und 0,001 - 0,2 Gew.-% Bor.

Aluminiumlegierung mit 0,5 - 1,0 Gew.-% Eisen, 0,35 - 0,5 Gew.-% Kupfer, 0,02 - 0,1 Gew.% Silizium und 0,001 - 0,2 Gew.-% Bor.

Die elektrische Leitfähigkeit der Aluminiumleitlegierungen wird im wesentlichen sowohl durch den Gehalt als auch durch die Art der Verunreinigungen in den Muminiumlegierungen bewirkt. Eisen und Silizium sind in Aluminiunilegierungen gewöhnliche Verunreinigungselemente und haben in den erwähnten Leitlegierungen entgegengesetzte Einwirkungen auf die elektrische leitfähigkeit. Eisen hat nur einen geringen Einfluss auf die elektrische Leitfähig-

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keit, während Silizium die Leitfähigkeit der Legierungen merklich beeinträchtigt. Andere Verunreinigungen, wie z.B. Gallium und Titan, sind der elektrischen Leitfähigkeit solcher Legierungen auch abträglich. Wenn einige dieser verunreinigenden Elemente in höherer Menge als bei normalen Verunreini-jungen in den Legierungen anwesend sind, wird deren Festigkeit erhöht, weshalb Legierungszusätze, welche die elektrische Leitfähigkeit solcher hochfester Legierungen erhöhen können, von besonderer Wichtigkeit sind. Diese Legierungszusätze erlauben eine zusätzliche Iösungsverfestigung ohne merklichen Verlust an elektrischer Leitfähigkeit. Nach der vorliegenden Erfindung wird Mischmetall als "Reinigungsmittel" zugegeben, um die elektrische Leitfähigkeit der Aluminiumleitlegierungen entweder im kaltverfestigten, teilweise oder vollständig geglühten Zustand zu erhöhen.

Das Verarbeitungsverfahren hängt von den erforderlichen Endeigenschaften der aus dieser Legierung hergestellten Gegenstände ab. In allen Fällen kann die Legierung in üblicher Weise vergossen werden, beispielsweise nach dem Durville-, Kokillen- oder Stranggussverfahren. Die gegossenen Bolzen oder Barren können homogenisiert werden, indem sie während 30 Minuten oder mehr in einem Temperaturbereich von 340 - 510 C gehalten werden.

Der Barren oder Bolzen, ob homogenisiert oder nicht, wird dann bei einer erhöhten, oberhalb 200 C liegenden Temperatur verformt. Das Warmverformen erfolgt vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 315 und 510 C. Dieser Warmverformungsschritt ist im Hinblick auf die erforderlichen Endeigenschaften der Legierung wichtig. Wenn die Legierung für die Herstellung von Draht eingesetzt werden soll, entsteht beim Warmverformen der sogenannte Vorziehdraht. Das warmverformte Material kann während 1-8 Stunden bei einer Temperatur zwischen 200 und 320 C geglüht werden.

Anschliessend wird die Legierung durch Kaltverformung auf irgend ein. erforderliches Endmass, welches vorzugsweise zwischen 0,05 und 10 mm liegt, gebracht. Wenn hohe mechanische Festigkeitseigenschaften erwünscht sind, sollte die Legierung bei der Kaltverfestigung in bezug auf den Querschnitt um mindestens 75 %, vorzugsweise um mindestens 90 %, reduziert werden. Natürlich wird der Grad der Kaltverformung, der zum Erreichen einer vorausbe-

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stimmten Festigkeit erforderlich ist, von den besonderen Eigenschaften der zu verarbeitenden Legierung und deren Warmverf ormungsprof il abhängen. Die durch Kaltverformen verfestigte Legierung kann abschliessend während 1-8 Stunden einem Warmauslägerungsschritt bei 120 - 320 C unterworfen werden.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung und die Vorteile, die damit erreicht werden können, werden anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Beispiel

Zu der Aluminiuraleitlegierung 1350 mit 0,25 Gew.-% Eisen und 0,10 Gew.-% Silizium wird ein Zusatz von 0,5 Gew.-% Mischmetall (ungefähr 50 Gew.-% Cer, 25 Gew.-% Lanthan, 16 Gew.-% Neodym, 6 Gew.-% Praseodym und 3 Gew.-% von metallischen Elementen anderer seltener Erden) hinzugefügt. 2 kg von dieser Legierung 1 werden in einem Induktionsofen geschmolzen, mit Freongas durchflutet und nach dem Durville-Verfahren zu Barren vergossen. Diese Barren werden dann von der Gusshaut befreit, während 1,5 Stunden bei 400 C homogenisiert, und anschliessend durch Warmverformen bei 400 C in einen Vorziehdraht von 9,5 mm Durchmesser umgewandelt, wobei bei 400 C eine einmalige Zwischenglühung eingeschaltet wird, um während dem Verfahren einen zu gr; >ssen Wärmeverlust zu vermeiden. Dieser Vorziehdraht wird dann mittels mehrerer Matrizen mit runder Oeffnung kalt auf einen Drahtdurchmesser von 3,25 mm gezogen (AWG 8). Die elektrische Leitfähigkeit dieses Drahtes wird ansch Messend unter Verwendung einer üblichen Kelvin-Brücke gemessen. Sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die ebenfalls gemessenen mechanischen Festigkeitseigenschaften der Legierung sind in Tabelle I dargestellt. Diese Ergebnisse werden mit· den Eigenschaften eines Drahtes der handelsüblichen Legierung 1350 (welche in Tabelle I als Legierung 2 bezeichnet ist) desselben Durchmessers verglichen.

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Tabelle I

Eigenschaften von Aluminiumleitlegierungen mit und ohne Zusatz von MischiT3tall (MM).

Logierung	Elemente	[Gew.-%]	Elektrische	"kit Zerreissfestigkeit
	Fe Si	MM	Leitfähigkeit [%IACS] *	[kg/mm J
1	0.25 0.1	0.5	62.1	19,9
2	Minimum. 99	.5 Al	61.0	19,7

* AWG 8, H 14 (1/2-hart, 35% Kaltverfestigung) ** H 19 (federhart)

Die Ergebnisse zeigen, dass der Mischmetallzusatz die elektrische Leitfähigkeit, verglichen mit derjenigen von Legierung 1350, erhöht hat, ohne die Zerreissfestigkeit wesentlich zu beeinflussen. Es ist bemerkenswert, dass sowohl die Leitfähigkeitswerte als auch die Festigkeitseigenschaften der Legierung mit Mischmetallzusatz die Anforderungen für die Handelslegierung 1350 mehr als erfüllen.

Aus diesem Beispiel ist leicht ersichtlich, dass der Zusatz von Mischmetall einmalige Vorteile erbringt, indem die eletrische Leitfähigkeit von Aluminiumleitlegierungen gegenüber der gegenwärtig im Handel befindlichen Legierungen erhöht wird. Das Legierungssystem der vorliegenden Erfindung erbringt auch den Vorteil, dass vergleichbare Leitwerte wie bei handelsüblichen Material erreicht werden können, wobei jedoch billigeres und weniger reines Aluminium als Grundgefüge der Legierungen eingesetzt wird. Dadurch können beträchtliche Kosteneinsparungen erreicht werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Legierung auf der Basis von Aluminium mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 - 1,0 Gew.-% Eisen, 0,001 - 1,0 Gew.-% Kupfer, 0,001 0,1 Gew.-% Mischmetall, 0,001 - 0,2 Gew.-% Silizium, 0-0,2 Gew.-% Bor, 0 - 0,05 Gew.-% Zink, 0 - 0,01 Gew.-% Mangan und 0 - 0,01 Gew.-% Chrom, Rest Aluminium, enthält.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,001 0,2 Gew.-% Bor enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,001 - 0,4 Gew.-% Eisen, 0,001 - 0,1 Gew.-% Silizium, 0,001 -0,05 Gew.-% Kupfer, 0,001 - 0,05 Gew.-% Zink, 0,001 - 0,01 Gew.-% Mangan und 0,001 - 0,01 Gew.-% Chrom enthält.

4. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,04 1,0 Gew.-% Eisen, 0,1 - 1,0 Gew.-% Kupfer und 0,02 - 0,2 Gew.-% Silizium enthält.

5. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,5 - 1,0 Gew.-% Eisen, 0,35 - 0,5 Gew.-% Kupfer und 0,02 - 0,1 Gew.-% Silizium enthält.

6. Verfahren zur Verarbeitung einer Legierung auf der Basis von Aluminium mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass

eine Legierung mit 0,001 - 1,0 Gew.-% Eisen, 0,001 - 0,1 Gew.-% Kupfer, 0,001 - 1,0 Gew.-% Mischmetall, 0,001 - 02 Gew.-% Silizium, 0-0,2 Gew.-% Bor, 0 - 0,05 Gew.-% Zink, 0 - 0,01 Gew.-% Mangan und 0 - 0,01 Gew.-% Chran, Rest Aluminium, vergossen,

- die vergossene Legierung bei einer Temperatur von mehr als 200 C warm verformt, und

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- die warm verformte Legierung durch Kaltverfoi^iiung verfestigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gegossene Legierung, während mindestens 30 Minuten bei einer -Temperatur von 340 - 510 C homogenisiert und dann vorzugsweise bei einer Temperatur von 315 - 510 C warm verformt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die warm verformte Legierung vor dem Kaltverformen während 1-8 Stunden

• bei einer Temperatur von 200 - 320°C geglüht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass die geglühte Legierung bei der Kaltverformung in bezug auf den Querschnitt um mindestens 75%, vorzugsweise um mindestens 90% veri lindert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichret, dass die kalt verformte Legierung abschliessend während 1-8 Stunc en bei einer Temperatur von 120 - 320 C v/arm ausgelagert wird.

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