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Verfahren zur Herstellung von Aluminiumdrähten
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumdrahten,
wobei ein höchstens 0,7 % Verschmutzungen enthaltendes Hüttenaluminium geschmolzen,
die Schmelze kontinuierlich abgegossen und nach ihrer Erstarrung der Draht mittels
Walzen oder Pressen und danach mittels Kaltbearbeitung hergestellt wird.
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Zur Herstellung von Aluminiumdrähten, die bei der Produktion von elektrischen
J.e.;tern und Kabeln erforderlich sind wird nach den bekannten Verfahren Aluminium
hoher Reinheit verwendet, das höchstens 0,5 % Verschmutzungen enthält. Dieses Material
wird geschmolzen, danach mittels bekannter Methoden kontinuierlich abgegossen (zum
Beispiel über eine vorerhitzte Kokille oder eine Gießwalze) und nach erfolgter Erstarrung
bis
zum erforderlichen Querschnitt gewalzt oder gepreßt. Das auf diese Weise hergestellte
Halbzeug wird dann in die endgültige Form mittels Kaltbearbeitung gebracht. Bei
den obigen Bedingungen kühlt sich der Stoff in einem natürlichen Prozeß ab, dessen
Geschwindigkeit von der Umgebung und von den anderen Bedingungen abhängt und im
allgemeinen den Wert 102 K/s nicht überschreitet. Die Geschwindigkeit beeinflussende
Faktoren sind unter anderem ferner die Temperatur der Umgebung und die Zusammensetzung
des Stoffes.
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Aluminiumdrähte werden in erster Linie als Leiter zur Lieferung von
elektrischer Energie eingesetzt. Auf diesem Anwendungsgebiet ist der wichtigste
Parameter die Erzielung einer möglichst maximalen elektrischen Leitfähigkeit. Hierbei
wirkt sich die Verminderung der Menge der Verschmutzungen günstig aus, weil die
Atome des fremden Stoffes für sich im Kristallgitter Platz beanspruchen und in dieser
Weise zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften des Stoffes beitragen.
Im Zuge der Verbesserung der Reinheit des Stoffes wirkt sich ein anderer Prozeß
im zunehmenden Maße stärker aus. Je reiner das Aluminium ist, desto schlechter sind
seine mechanischen Eigenschaften (insbesondere die Härte und die Zugfestigkeit).
Daraus folgt, daß die Verbesserung der Reinheit bei Hüttenaluminium zur Erzeugung
eines Aluminiums führt, das die mechanischen Erfordernisse nicht mehr erfüllen kann.
Das eine Reinheit von 99,5 % aufweisende Aluminium hat eine Zugfestigkeit von etwa
130 N/mm2 ohne Weichglühen und von etwa 70 N/mm2 nach dem Weichglühen. Sein spezifischer
Widerstand beträgt entsprechend 28,7 bzw. 28,2 Ohm.mm2/m und seine Dauerbiegezahl
entsprechend 0 bis 2, bzw. 0 bis 5. Eine vergütete Legierung AlMgSi (die etwa 98,8
% Al enthält) weist eine bessere Zugfestigkeit (etwa 330 N/mm2) und eine höhere
Dauerbiegezahl
(4) als das Aluminium mit der oben erwahnten Reinheit auf, dabei ist jedoch die
elektrische Leitfähigkeit (mit dem Wert etwa 33 Ohm.mm2/m) eindeutig schlechter.
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Die Herstellung von Aluminium von hoher Reinheit erfordert die Anwendung
kostspieliger Prozesse. Deshalb ist dieser Weg, obwohl er zur Verbesserung der Leitfähigkeit
führt, für die Massenproduktion nicht geeignet.
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Zur Lösung dieses Problems hinsichtlich der Veränderungen der elektrischen
und mechanischen Eigenschaften ist sowohl die Anwendung von verschiedenen Stoffen
in Legierungen, als auch die Anwendung von Wärmebehandlungsprozessen bekannt.
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Bei der Erzeugung von Legierungen ist einerseits die genaue Dosierung
der Legierungsstoffe erforderlich, andererseits ist die Anwendung einer Wärmebehandlung
nach einer anspruchsvollen Technologie notwendig. Das gereinigte Aluminium ist auch
nach Wärmebehandlung zur Herstellung von Aluminiumdrähten geeignet. Die Wärmebehandlung
stellt einen anspruchsvollen Prozeß dar und enthält mehrere Schritte, deren Anzahl
von den erzielten Stoffeigenschaften abhängt.
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Im Verlaufe der Erzeugung von Aluminium entsteht im allgemeinen das
sogenannte Hüttenaluminium, das höchstens 0,7 % Verschmutzungen - unter anderem
Metalle aus der Gruppe der Übergangselemente (Fe, Co, Ni) - enthält. Dieser Stoff
kann nicht nach den bekannten Verfahren zur Erzeugung von Drähten verwendet werden,
denn dazu sollte ein Aluminium höherer Reinheit benutzt werden, das nur mit einer
anspruchsvollen und deshalb kostspieligeren Technologie herzustellen ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Hüttenaluminium
ohne Wärmebehandlung bzw. höchstens einer einmaligen Behandlung bei niedriger Temperatur
zur
Herstellung von Aluminiumdrähten entsprechender mechanischer
Eigenschaften verarbeitet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Hüttenaluminium
während der Erstarrung in der Endstrecke ersten exothermen Prozesses mit einem flüssigen
oder festen Kühlmittel solcher Wärmekapazität in Berührung gebracht wird, daß die
Kühlungsgeschwindigkeit zumindest 2,5-mal so groß ist als die bei den gegebenen
Bedingungen stattfindenden spontanen Erstarrungsprozesse.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die im Hüttenaluminium
vorhandenen metallischen Verschmutzungen, insbesondere Eisen, Kobalt und Nickel,
unter bestimmten Bedingungen geeignet sind, physikalische Prozesse zu initieren,
die zu einer bedeutenden Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führen können.
Das Wesen dieser Erkenntnis beruht auf folgendem: Da im Aluminium solche metallischen
Verschmutzungen (z.B.
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Ti, Si, Ni, Fe) vorhanden sind, die im Aluminium flüssiger Konsistenz
lösbar sind, findet die Auswahl des festen Aluminiums als eine Phase nicht bei einem
gegebenen. Temperaturpunkt, d.h. bei dem Schmelzpunkt des reinen Aluminiums (der
660"C beträgtr,statt, sondern fängt in einem ersten exothermen Prozeß bei einem
Temperaturwert an und dauert solange, bis die Temperatur einen anderen bestimmten
Wert erreicht. Die Breite dieses Temperaturbereiches kann sogar 200 erreichen und
hängt von der Menge und Qualität der Verschmutzungen ab. Vom Schmelzpunkt ab entsteht
bei einer Verminderung der Temperatur eine erste feste Phase neben der festen Aluminiumphase.
Dies läuft - wie bereits erwähnt wurde - in einem exothermen Prozeß ab. Die erste
feste Phase entspricht der festen Lösung der Verschmutzungen im
Aluminium.
Im Ablaufszweig dieses Prozesses ist der Großteil des metallischen Aluminiums (etwa
90 %) im kristallinen Zustand, und derart ist die sog. Aluminiummatrix ausgebildet,
die als Träger grundsätzlicher elektrischer Eigenschaften gilt. Bei einer weiteren
Verminderung der Temperatur beginnt ein zweiter exothermer Prozeß, wobei eine feste
Phase entsteht. Die obere Grenze für die Anfangstemperatur dieses zweiten Prozesses
beträgt etwa 6500C. Die Zusammensetzung des Aluminiums in dieser Phase entspricht
im wesentlichen der der eutektischen Phase, und sie ist für die Verschlechterung
der mechanischen Eigenschaften verantwortlich. Der zweite exotherme Prozeß findet
nach dem ersten statt und endet im allgemeinen bei einer Temperatur von etwa 6200C.
Der Erkenntnis nach ist eine bedeutende Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
dann zu erwarten, wenn die Zusammensetzung der zweiten festen Phase in Richtung
der metastabilen Eutektiken (der übersättigten Lösungen) abgeändert, d.h. verschoben
werden kann. Es wurde gefunden, daß durch diese Verschiebung der Zusammensetzung
eine hedeutende Steigerung der Kühlgeschwindigkeit erreichbar ist.
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Es ist jedoch wichtig, daß die beschleunigte Kühlung nicht unmittelbar
bei der überschreitung des Schmelzpunktes einsetzt, da dadurch die kristalline Struktur
des Aluminiums ungünstig abgeändert und eine Aluminiummatrix solchen Aufbaus entsteht,
die mit verschlechterten elektrischen Eigenschaften charakterisiert ist. Der Erkenntnis
nach kann dieser ungünstige Prozeß in der Weise vermieden werden, daß die beschleunigte
Kühlung im Ablaufs zweig des ersten exothermen Prozesses der Kristallisierung begonnen
wird, wenn in dem natürlichen Prozeß die erwünschte Kristallstruktur der Aluminiummatrix
schon entstanden ist.
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Unter Anwendung der obigen Erkenntnis entsteht ein Verfahren zur Herstellung
von Aluminiumdrähten, bei dem höchstens
0,7 % Verschmutzungen enthaltendes
Hüttenaluminium geschmolzen, die Schmelze kontinuierlich abgegossen und nach erfolgter,
mit natürlicher Kühlung in einer Geschwindigkeit in der Größenanordnung von 102
K/s durchgeführten Erstarrung der Draht mittels Walzen oder Pressen und danach durch
Kaltbearbeitung hergestellt wird, wobei erfindungsgemäß während der Erstarrung in
der Endstrecke des ersten exothermen Prozesses das Hüttenaluminium mit einem flüssigen
oder festen Kühlmittel solcher Wärmekapazität in Berührung gebracht wird, daß die
Kühlungsgeschwindigkeit zumindest das 2,5-fache der des bei den gegebenen Bedingungen
stattfindenden spontanen Erstarrungsprozesses beträgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird vom geschmolzenen Aluminium ausgehend
verwirklicht. Von diesem Gesichtspunkt aus betrachtet, ist es egal, ob das Schmelzen
einen gewöhnlichen Schritt der Herstellung des Aluminiums bildet oder das schon
feste Aluminium zum Schmelzpunkt erhitzt oder nach erfolgter Erhitzung bis zu einer
in der Nähe des Schmelzpunktes liegenden Temperatur und danach das Schmelzen unter
Anwendung eines entsprechenden Drucks sichergestellt wird.
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Die Kühlungsgeschwindigkeit hat zweckmäßig einen die Grenze 103 K/s
überschreitenden Wert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt, aus Hüttenaluminium unmittelbar
Aluminiumdrähte mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften herzustellen. Die hergestellten
Aluminiumdrähte weisen im wesentlichen unveränderte elektrische Eigenschaften auf,
jedoch ist ihre Dauerbiegsamkeit nach einer Wärmebehandlung bedeutend höher als
die der bekannten Aluminiumdrähte und nähert sich derjenigen der Kupferdrähte bis
zur Gleichwertigkeit an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, das in erster Linie beim kontinuierlichen
Abgießen von Aluminium anwendbar ist, erlaubt es, Aluminiumdrähte mit sehr guten
mechanischen Eigenschaften aus iiüttenaluminirnn herzustellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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Bei der Verwirklichung des Verfahrens wird Hüttenaluminium mit zumindest
99,3 %-igem Al-Gehalt verarbeitet. Der Schmelzpunkt des Hüttenaluminiums ist von
der Zusammensetzung abhängig und ändert sich zwischen 640"C und 6600C. Seine Zusammensetzung
ist beispielsweise die folgende: Gehalt, %, in Komponenten Muster 1 Muster 2 Al
99,40 99,30 Fe 0,35 0,35 Si 0,10 0,10 Cu 0,02 0,02 Ti+V+Mn+Cr 0,02 0,02 Co 0,09-Ni
-- 0,18 andere Elemente 0,02 0,03 Das Hüttenaluminium wird geschmolzen (oder das
geschmolzene Aluminium während der Herstellung entführt) . Aus dem Aluminium wird
eine Probe entnommen und bei der gegebenen Zusammensetzung wird der Prozeß der Kühlung
des Stoffes von der Flüssigkeit verfolgt. Zur Beobachtung des Kühlungsprozesses
ist zum Beispiel die Methodc der Differential-Thermoanalyse anwendbar, wobei die
Kühlung - nötigenfalls
auch mittels Energiezuführung - sichergestellt
wird, um die Beobachtungsbedingungen zu verbessern. Um die Einzelheiten des Kühlprozesses
beobachten zu können, wird eine Kühlungsgeschwindigkeit etwa 8 K/min zweckmäßigerweise
angewendet.
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Während der langsamen Kühlung können zwei exotherme Prozesse im Temperaturbereich
von 620 bis 660"C aufgefunden werden, von denen zum ersten die Maximumtemperatur
des Effektes zu bestimmen ist. Der Prozeß wird auch derart verfolgt, daß im Ablaufszweig
des Prozesses noch vor der Entstehung der festen Lösung ein Temperaturwert bestimmt
wird, der als Anfangspunkt der Beschleunigung der Kühlung gilt.
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Während des kontinuierlichen Abgießens kühlt sich der flüssige Stoff
zuerst in Betriebsbedingungen ab, die im allgemeinen mit einer Kühlungsgeschwindigkeit
von 20 bis 200 K/s zu kennzeichnen sind. Im Guß strom ist der Punkt leicht zu bestimmen,
bei dem die Temperatur des Aluminiums den nötigen Wert annimmt. Hier soll eine Kühlung
mit Anwendung der qut bekannten Kühlungsmöglichkeiten (zum Beispiel: Durchführen
des Guß stromes durch einen Clregen) mit solcher Kühlgeschwindigkeit sichergestellt
werden, die zumindest dem 2,5-fachen der bei den gegebenen Bedingungen bestimmbaren
Kühlungsgeschwindigkeit beträgt. Der Wert der Kühlgeschwindigkeit ist vorteilhafterweise
auf 103 K/s festgelegt. Aus dem in dieser Weise enthaltenen festen Stoff kann der
Aluminiumdraht mittels gewöhnlicher technologischer Schritte hergestellt werden.
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Beftspiel Zur Herstellung von Aluminiumdrähten wird als Halbzeug ein
Stab mit dem in der Technologie des Aluminiumabgießens gut bekannten Properzi-Verfahren
hergestellt. Nach dem bekannten Verfahren wird das flüssige Aluminium auf die Ober-
fläche
eines verdrehten Properzischen Rades gegossen, auf dem eine Mulde ausgebildet ist.
Unter der Oberfläche des Rades ist eine Kühlwasser enthaltende Rohrleitung angeordnet,
die zur Kühlung der Oberfläche vorgesehen ist.
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In diesem Verfahren wird das Properzische Rad zur Herstellung eines
Stabes von 5 mm Durchmesser verwendet. Die das flüssige Aluminium enthaltende Gußpfanne
wird so angeordnet, daß ihre Gicht über dem oberen Punkt des Properzischen Rades
in einer entsprechenden Höhe geöffnet ist. Auf diese Weise wird sichergestellt,
daß die Temperatur des ausfließenden Aluminiumstroms am Umfang des Rades möglichst
genau 6500C beträgt. In diesem Falle zirkuliert in der Mitte des Properzischen Rades
vorgekühltes Wasser einer Temperatur von iOOC und das Aluminium, das auf die Oberfläche
des Rades fließt, erreicht sofort mit der notwendigen hohen Kühlgeschwindigkeit
die Temperatur der Erstarrung. Durch Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit und
der Temperatur des Wassers können die Kühlungsbedingungen leicht verändert werden.
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Der erhaltene Stab von 5 mm Durchmesser wird weiter auf übliche Weise
verarbeitet. Die Qualität der herzustellenden Drähte verbessert sich, wenn der Stab
vor den technologischen Schritten der Drahtherstellung einmal in üblicher Weise
ausgeglüht wird, d.h. während einer bestimmten Zeitdauer der Einwirkung einer Temperatur
von 2200C bis zu 290"C ausgesetzt wird. Die Zeitdauer hängt von der Temperatur ab.
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Je höher die Temperatur ist, desto kürzer ist die Zeitspanne (von
0,2 bis 2 Stunden).
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Nach den Untersuchungen wurde festgestellt, daß - im Vergleich mit
aus Aluminium von 99,5 %-iger Reinheit hergestellten Drähten - die Zugfestigkeit
der mit dem erfindungs-
gemäßen Verfahren hergestellten Drähte
von 0,5 mm bis 1,0 mm Durchmesser die folgenden Werte aufweist: Ohne Ausglühen -
Muster 1: 230 bis 260 N/mm2, Muster 2: 240 bis 260 N/mm2.
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Mit Ausglühen im Temperaturbereich von 170 bis 2900C -Muster 1: 90
bis 100 N/mm2, Muster 2: 90 bis 105 N/mm2. Diese Werte sind um etwa 30 bis 40 %
höher als die für die in bekannter Weise hergestellten Drähte. Die Dauerbiegezahl
erreicht ohne Ausglühen Werte von 5 bis 11 (Muster 1), von 6 bis 10 (Muster 2),
und nach dem Ausglühen 16 bis 22 (Muster 1), und 15 bis 23 (Muster 2). Diese Werte
überschreiten diejenigen, die bei in bekannter Weise hergestellten Aluminiumdrähten
erhalten werden um ein Vielfaches und können mit dem für Kupferdrähte charakteristischen
Wert von 20 bis 24 verglichen werden.
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Der spezifische Widerstand erfindungsgemäß hergestellter Aluminiumdrähte
beträgt 29,0 bis 29,8 Ohm.mm2/m ohne Ausglühen und 28,2 bis 28,4 Ohm.mm2/m mit Ausglühen.
Dieser Wert liegt im Bereich der für die aus Reinaluminium von 99,5 % hergestellten
Aluminiumdrähte üblicherweise erreichten Widerstandswerte.
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Die Untersuchungen haben auch bewiesen, daß die mittels des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Verfahrens hergestellten Aluminiumdrähte die günstigen Werte in
bezug auf die elektrischen Parameter erreichen. Diese Werte sind für Aluminium höherer
Reinheit charakteristisch, wobei jedoch gleichzeitig eine bedeutende Verbesserung
der mechanischen Parameter erreicht wird.