DE3214813C2

DE3214813C2 - Verfahren zum Abkühlen von Hüttenaluminium beim Stranggießen, insbesondere zur Herstellung von Aluminiumdrähten

Info

Publication number: DE3214813C2
Application number: DE19823214813
Authority: DE
Inventors: Laszlo Dipl.-Phys. Dr. Kertesz; Maria Dipl.-Ing Kovacsne; Jozsef Dipl.-Ing. Budapest Ritecz
Original assignee: MAGYAR KABEL MUEVEK BUDAPEST HU
Current assignee: MAGYAR KABEL MUEVEK BUDAPEST HU
Priority date: 1982-04-21
Filing date: 1982-04-21
Publication date: 1985-05-09
Also published as: DE3214813A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumdrähten, dessen Wesen darin besteht, daß vor der Herstellung der Aluminiumdrähte das abgegossene Hütten alu minium während der Erstarrung in einer vorausbestimmten Endstrecke in einem ersten exothermen Prozeß mit einem flüssigen oder festen Kühlmittel in Berührung gebracht wird und derart die Kühlungsgeschwindigkeit zumindest um etwa das 2,5-fache im Vergleich mit natürlichen Kühlungsprozessen vergrößert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, aus Hüttenaluminium Aluminiumdrähte herzustellen, deren elektrische Eigenschaften mit denen der aus Aluminium höherer Reinheit hergestellten Drähte zumindest gleich ist, und deren mechanische Eigenschaften die hohen Anforderungen der Kabelindustrie erfüllen und die Belastungen der Exploitation bei elektrischen Netzen vertragen können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen von höchstens 0,7% Verunrebi^mgen enthaltenden Hüttenaluminium (Rohaluminium) beim Stranggießen, insbesondere zur Herstellung von Aluminiumdrähten.

Es ist bereits bekannt, daß die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium vom Prozentsatz der im Aluminium enthaltenden Verunreinigungen abhangL So erbringt Hüiienaiuminium (Rohaiuminium), weiches nur geringe Verunreinigungen enthält hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit maximale Ergebnisse. Zur Herstellung von elektrischen Leitern, wie beispielsweise Kabeln und Drähten wird daher meist Hüttenaluminium eingesetzt welches höchstens 0,7% Verunreinigungen enthält.

Hüttenaluminium dieser Reinheit hat allerdings den Nachteil, daß seine mechanischen Eigenschaften sehr schlecht sind. So beträgt die Zugfestigkeit von Hüttenaluminium von 99,5%iger Reinheit im ungeglühten Zustand etwa 130 N/mm² und im weichgeglühten Zustand etwa 70 N/mm². Der Wert der Dauerbiegezahl wiederum liegt bei etwa 0 bis 2 bzw. 0 bis 5. Hinsichtlich des spezifischen Widerstandes werden dagegen äußerst günstige Werte in der Größenordnung von 28,7 bzw. 28,2 nmm²/m erreicht.

Um die sehr schlechten mechanischen Eigenschaften von Hüttenaluminium hoher Reinheit zu verbessern, ist es bereits bekannt, dieses nach dem Vergießen einer Wärmebehandlung zu unterziehen. Eine derartige Wärmebehandlung ist jedoch technologisch sehr anspruchsvoll und deshalb relativ teuer. Auch erbringt eine nachträgliche Wärmebehandlung hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften nur eine geringfügige Verbesserung.
Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kann zwar durch die Verwendung einer AIMgSi-Legierung (98,8% Al) anstelle von reinem Hüttenaluminium erreicht werden (Zugfestigkeit etwa 330 N/mm²; Dauerbiegezahl 4). Diese Verbesserung muß jedoch mit einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit (spezifischer Widerstand etwa 33 ßmm²/m) erkauft werden. Darüber hinaus ist zur Herstellung der Legierung ein aufwendige Technologie erforderlich, da die Legierungsbestandteile präzise dosiert werden müssen. Die Herstellungskosten für derartige Legierungen sind daher relativ hoch. Auch ist zur Erzielung der gewünschten mechanischen Eigenschaften in jedem Falle eine aufwendige nachträgliche Wärmebehandlung erforderlich, die ebenfalls sehr anspruchsvoll und daher teuer ist

Der Ausgangsstoff zur Herstellung von elektrischen Leitern, wie beispielsweise Kabeln, Drähten und dergleichen, aus reinem Hüttenaluminium wird meist durch Stranggießen erzeugt Im Verlaufe dieses Prozesses wird das höchstens 0,7% Verunreinigungen enthaltende Hüttenaluminium in bekannter Weise geschmolzen, über eine Kokiiie zu einem Strang geformt und abgekühlt. Die Abkühlgeschwindigkeit wird dabei entsprechend den gegebenen Bedingungen und in Abhängigkeit der bekannten Parameter gewählt. Sie überschreitet im allgemeinen einen Wert von 10² K/s nicht. Nach erfolgter Erstarrung wird der Strang auf den erforderlichen Querschnitt gewalzt und der auf diese Weise hergestellte Ausgangsrohstoff (Halbzeug) meist im Wege einer Kaltbearbeitung in die endgültige Form gebracht.

Es ist bekannt, daß der Abkühlvorgang beim Stranggießen durch die freiwerdende Schmelzwärme von zwei exothermen Vorgängen begleitet wird. Im Verlaufe des erster exothermen Vorganges bildet sich das Grundgitter aus, welches für die elektrischen Eigenschaften des Aluminiums maßgeblich ist. Im Verlaufe des zweiten exothermen Vorganges wiederum werden in bekannter Weise die Verunreinigungen in das Grundgiuer eingebaut, wodurch die mechanischen Eigenschaften beeinflußt werden. Beide exothermen Vorgänge weisen einen Temperaturpunkt auf, an dem die Rate der freiwerdenden Schmelzwärme ihr Maximum erreicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vollkommen neues Verfahren zu schaffen, mit dem bei einem höchstens 0,7% Verunreinigungen enthaltenden Hüttenaluminium (Rohaluminium) unter Beibehaltung der optimalen elektrischen Eigenschaften ohne eine besondere Nachbehandlung die mechanischen Eigenschaften erheblich verbessert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Erstarrungsbereich zwischen Liquiduspunkt und Soliduspunkt der Temperaturpunkt Tj bestimmt wird, an dem die Rate der freiwerdenden Schmelzwärme ihr Maximum erreicht, und daß nach Unterschreiten von 7Ί noch vor Erreichen des Soliduspunktes mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die zumindest dem 2,5fachen der Abkühlgeschwindigkeit vor T\ entspricht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die im Hüttenaluminium noch vorhandenen geringfügigen metallischen Verunreinigungen, insbesondere Eisen, Kobalt und Nickel unter bestimmten Bedingungen in der Lage sind, physikalische Prozesse in Gang zu setzen, die zu einer bedeutenden Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Aluminiums führen. So enthält das Hüttenaluminium unter den metallischen Verunreinigungen solche, die in flüssigem Aluminium löslich sind, wie z. B. Ti, Si, Ni, Fe. Aufgrund dieser Verunreinigungen

findet die Ausscheidung des festen Aluminiums als Phase beim Gießen nicht bei dem gut bestimmbaren Schmelzpunkt des reinen Aluminiums (d. h. bei 660° C) statt, sondern erfolgt, während der Abkühlung in einem Temperaturbereich, dessen Anfangspunkt im wesentlichen dem von der Zusammensetzung abhängigen Schmelzpunkt des Hüttenaluminiums entspricht (d.h. im Bereich von 640 bis 660°C). Der Endpunkt dieses Temperaturbereiches liegt bei einem von der Art der Verunreinigungen abhängigen Wert Seine Breite kann — abhängig von der Menge und Art der Verunreinigungen — sogar 20° C ausmachen. Die Ausscheidung spielt sich während der Abkühlung im Verlaufe des ersten exothermen Vorganges ab, der z. B. mittels der sogenannten Differential-Thermoanalyse (Abkürzung DTA) verfolgt werden kann, und zwar in dem Sinne, daß die den einzelnen Temperaturwerten des sich abkülenden Hüttenaluminiums zuzuordnenden Raten der freiwerdenden Schmelzwärme bestimmt werden. Dadurch kann der Temperaturpunkt (T\), an dem die Rate der freiwerdenden Schmelzwärme ihr Maximum erreicht, definiert werden. Am Ende dieses Prozesses ist das sogenannte Grundgitter ausgebildet, das als aus Aluminium bestehendes Gefüge die grundsätzlichen elektrischen Eigenschaften bestimmt Bei den unter dem Temperaturpunkt (Ti) liegenden Temperaturen ist das Grundgitter im wesentlichen ausgebildet und umfaßt bereits etwa 90%. In diesem Bereich bildet sich der zweite exothermische Vorgang aus, in dem die Verunreinigungen in das Grundgitter eingebaut werden und der die mechanischen Eigenschaften beeinflußt Die Zusammensetzung entspricht im wesentlichen der des Eutektikums der im Hüttenaluminium vorhandenen Elemente. Der Temperaturbereich des zweiten exothermen Prozesses ist durch einen unter dem Schmelzpunkt liegenden, eine absolute Grenze von etwa 650° C nicht überschreitenden oberen Wert sowie einen unteren Wert begrenzt, der im allgemeinen bei etwa 620° C liegt

Wird nun die ,"Zusammensetzung der letztgenannten festen Phasen in Richtung der metastabilen Eutektiken (der übersättigten Lösungen) verschoben, so wird eine bedeutende Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erreicht Diese Verschiebung der Zusammensetzung kann gemäß der erfindungsgemäßen Erkenntnis durch eine bedeutende Steigerung der Abkühlungsgeschwindigkeit erreicht werden. Es ist dabei jedoch wesentlich, daß die beschleunigte Kühlung nicht unmittelbar in dem Temperaturbereich eingeleitet wird, in dem die freiwerdende Schmelzwärme ihr Maximum erreicht weil dadurch das kristalline Gefüge des Aluminiums ungünstig beeinflußt wird, und zwar dadurch, daß ein Grundgitter entsteht dessen elektrische Parameter nachteilige Werte aufweisen. Von Bedeutung ist vielmehr, daß die beschleunigte Kühlung im Ablaufzweig des ersten exothermen Vorganges, d. h. erst nach Unterschreiten von T\ begonnen und somit zu einem so spaten Zeitpunkt eingeleitet wird, zu dem das gewünschte kristalline Gefüge des Grundgitters bereits im wesentlichen entstanden ist

Grundsätzlich k^nn für den Abkühlungsprozess jede Abkühlgeschwindigkeit gewählt werden, die zumindest dem 2,5fachen der Abkühlgeschwlidigkeit von T\ entspricht. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch mit einer Abkühlgeschwindigkeit erzielt, die zumindest 10³ K/s beträgt

Die erhöhte Abkühlgeschwindigkf ί kann sowohl über ein flüssiges als auch ein festes Kühlmittel erzielt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend an einem Beispiel näher erläutert

Zur Durchführung des Verfahrens wird Hüttenaluminium mit zumindest 993%igem AI-Gehalt vergossen. Der Schmelzpunkt dieses Hüttenaluminiums ist von der Zusammensetzung abhängig und liegt zwischen 640° C und 66O⁰C. Folgende Zusammensetzung wurde gewählt:

Komponente Gehalt, %, in Muster! Muster 2

Al 99,40 993Ο

Fe 0,35 Ο35

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 als Schmelze zur Drahtherstellung in einem Gießgefäß zur Verfügung gestellt. Aus der Schmelze wird eine Probe entnommen und der Abkühlungsverlauf ausgehend von der flüssigen Phase verfolgt. Zur Beobachtung des Abkühlungsverlaufes kann zum Beispiel die Differential-Thermoanalyse-Methode eingesetzt werden, wobei für eine langsame Abkühlung — im Bedarfsfalle unter Energiezuführung — Sorge getragen wird, um die Beobachtungsbedingungen zu verbessern. Um die Einzelheiten des Abkühlungsverlaufes gut beobachten zu können, ist zweckmäßig eine Abkühlgeschwindigkeit von etwa 8 K/min zu wählen, Im Verlaufe der langsamen Abkühlung sind zwei exotherme Vorgänge im Temperaturbereich zwischen 620°C und 660° C zu beobachten, von denen die erste — wie oben bereits beschrieben — die Ausbildung des die elektrischen Eigenschaften bestimmenden Grundgitters bestimmt Bei diesem exothermen Vorgang wird der Temperaturpunkt T₁ bestimmt, an dem die Rate der freiwerdenden Schmelzwärme ihr Maximum erreicht Der Abkühlungsverlauf wird dann weiter beobachtet und nach Unterschreiten von T\ noch vor Erreichen des Soliduspunktes ein Temperaturwert bestimmt, der als Startpunkt für die Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit dient. Zweckmäßigerweise wird der Startpunkt derart gelegt, daß sich zu diesem Zeitpunkt bereits 90% des Grundgitters ausgebildet haben.

Bei der Herstellung von Aluminiumdrähten durch Stranggießen wird im allgemeinen je nach Strangquer-

schnitt rait einer Abkühlgeschwindigkeit gefahren, die unter 200 K/s liegt. Dabei ist am Strang nach Unterschreiten von T\ der oben erwähnte Temperaturwert leicht zu bestimmen. Von diesem Startpunkt ab wird dann der Strang mit einer Geschwindigkeit abgekühlt, die zumindest dem 2^5fachen der Abkühlgeschwindigkeit vor Ti entspricht Eine derartige erhöhte Abkühlgeschwindigkeit kann unter Anwendung bekannter Kühlverfahren, wie z. B. mittels eines Ölregens erzielt werden. Ein vorteilhafter Wert für die erhöhte Abkühlgeschwindigkeit liegt beispielsweise bei ΙΟ³ K/s.

Aus dem auf diese Weise erzeugten Strang kann dann mittels herkömmlicher Verfahrensweisen der eigentliche Aluminiumdraht hergestellt werden.

Eine Möglichkeit zur Herstellung eines derartigen Stranges bietet das bekannte Properzi-Verfahren. Bei ίο dieser bekannten Verfahrensweise wird die Schmelze in der Rinne auf der Oberfläche eines sogenannten Properzi-Rades eingeleitet Diese Oberfläche des Rades wird in herkömmlicher Weise mittels Kühlwasser gekühlt

Im vorliegenden Beispiel soll mittels eines Properzi-Rades ein Strang von 5 mm Durchmesser gegossen werden. Die Anordnung ist dabei derart getroffen, daß die Schmelze mit der Oberfläche des Properzi-Rades an einer genau vorgegebenen Stelle mit einer genau vorbestimmten Temperatur von beispielsweise 650° C in Berührung kommt Das Rad selbst wird bei diesem Beispiel mit vorgekühltem Wasser mit einer Temperatur von 10° C gekühlt, so daß für den sich ausbildenden Aluminiumstrang die erforderliche hohe Abkählgeschwindigkeit sichergestellt ist Die Abkühlungsbedingungen können dabei durch eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur des Kühlwassers leicht verändert und den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden.

Der auf diese Weise erzeugte Strang (Stab) von 5 mm Durchmesser wird auf die übliche V/eise weiterverarbeitet Die Qualität der herzustellenden Drähte kann im übrigen dadurch verbessert werden, daß der Stab vor der Weiterverarbeitung einem einmaligen Weichglühvorgang unterzogen, d. h. über einen vorbestimmten Zeitraum einer Temperatur von 170° C bis 290°C ausgesetzt wird. Die Zeitdauer dieser Wärmebehandlung hängt von der Höhe der Temperatur ab und beträgt zwischen 0,2 urd 2 Stunden. Je höher die Temperatur gewählt wird, desto kürzer ist die zum Weichglühen erforderliche Zeitdauer.

Untersuchungen haben gezeigt, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Drähte von 0,5 mm bis 1,0 mm Durchmesser hinsichtlich der Zugfestigkeit folgende Werte aufweisen:

Ohne Weichglühen: Muster 1 Muster 2

230 bis 260 N/mm² 240 bis 260 N/mm²

Mit Weichglühen in einem Temperaturbereich 90 bis 100 N/mm² 90 bis 105 N/mm²
zwischen 170 und 290°C:

Die oben angegebenen Werte sind um etwa 30 bis 40% höher als die entsprechenden Werte von nach bekannten Verfahren aus Aluminium von 99,5%iger Reinheit hergestellten Drähten.
Hinsichtlich der Dauerbiegezahl wurden folgende Werte erzielt:

Ohne Weichglühen:

Muster 1: Werte zwischen 5 bis 11

Muster 2: Werte zwischen 6 u:;d 10

Mit Weichglühen:

Muster 1: Werte zwischen 16 bis 22

Muster 2: Werte zwischen 15 und 23

Auch diese Werte überschreiten die entsprechenden Werte vom Aluminiumdrähten, die mit bekannten Verfahren hergestellt wurden, um ein Vielfaches. Diese Werte können sogar mit dem für Kupferdrähte charakteristischen Wert in der Größenordnung von 20 bis 24 verglichen werden.

Der spezifische Widerstand von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Aluminiumdrähten beträgt:

Ohne Weichglühen: 29,0 bis 29,8 Ωτηπ)²/π7

Mit Weichglühen: 28,2 bis 28,4 Qram²/m

Diese Werte liegen im wesentlichen im Bereich derjenigen Werte, die bei aus Aluminium von 99,5^o/oiger Reinheit hergestellten Aluminiumdrähten gemessen werden. Sie sind darüber hinaus bedeutend niedriger als die entsprechenden Werte von Drähten aus AlMgSi-Legierungen.

Die Untersuchungen haben gezeigt, daß mittels des erfindungsgemäße.i Verfahrens hergestellte Aluminiumdrähte elektrische Eigenschaften aufweisen, die denjenigen Eigenschaften entsprechen, die für Aluminiumdrähte aus Rohaluminium hoher Reinheit charakteristisch sind, wobei jedoch hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften gegenüber Drähten aus Rohaluminium hoher Reinheit eine bedeutende Verbesserung erreich? wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abkühlen von höchstens 0,7% Verunreinigungen enthaltenden Hüttenaluminium (Rohaluminium) beim Stranggießen, insbesondere zur Herstellung von Aluminiumdrähten, dadurch gekennzeichnet, daß im Erstarmngsbereich zwischen Liquiduspunkt und Soliduspunkt der Temperaturpunkt Ti bestimmt wird, an dem die Rate der fretwerdenden Schmelzwärme ihr Maximum erreicht und daß nach Unterschreiten von Ti noch vor Erreichen des Soliduspunktes mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die zumindest dem 2,5FaChCn der Abkühlgeschwindigkeit vor TJ entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch '., dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Abkühlgeschwindigkeit zumindest 10³ K/s beträgt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die erhöhte Abkühlgeschwindigkeit über ein flüssiges oder festes Kühlmittel erzielt wird.