-
Bleilegierung Die Erfindung bezieht sich auf eine Bleilegierung, die,
verglichen mit unlegiertem Blei, verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist.
Diese Eigenschaften machen sie besonders --als Werkstoff für Kabelmäntel geeignet.
-
Die mechanische Beanspruchung von Bleimänteln für elektrische Kabel
kann von verschiedener Art sein, so daß die an eine ideale Kabelmantellegierung
zu stellenden Anforderungen mehrere Eigenschaften betreffen, die schwierig in einer
Bleilegierung zu vereinen sind. Die Beanspruchungen sind oft von solchem Ausmaß,
daß Brüche nach sehr kurzer Verwendungszeit auftreten, wenn unlegiertes Blei als
Mantelmaterial verwendet wird.
-
Gewöhnlich ist ein Teil des Querschnitts von durch Bleimäntel geschützten
elektrischen Kabeln von Isolieröl oder ölimprägniertem Isoliermaterial bedeckt.
Bei durch elektrische Überladung oder äußere Einwirkungen verursachtem Erhitzen
des Kabels oder wenn beim Verlegen des Kabels verhältnismäßig
große
Niveauunterschiede zu überwinden sind, kann sich in dein Kabel ein statischer oder
hydrostatischer Überdruck entwickeln, der zum größten Teil von dem Bleimantel ertragen
werden muß.
-
Während der Arbeit und des Transportes ist das Kabel oft Stößen und
Erschütterungen ausgesetzt, die bei längerer Dauer einen Bruch in dem unlegierten
Bleimantel bedingen. Es ist erwiesen, daß derartige Brüche auf Ermüdung des Bleis
zurückzuführen sind. Es ist deshalb sehr wichtig, daß geeignete Bleilegierungen
mit hoher Ermüdungsgrenze zur Herstellung von Bleimänteln benutzt werden.
-
Die Behandlung, der der Bleikabelmantel während des Herstellens und
Legens unterworfen ist, z. B. Aufwickeln auf Trommeln, Krümmen usf., erfordert gutes
Formänderüngsvermögen oder gute Dehnbarkeit des Mantelmaterials, welche Eigenschaften
gewöhnlich unlegiertem Blei eigen sind, aber oft durch Verunreinigungen oder vorsätzlich
hinzugefügte Legierungsbestandteile beeinträchtigt werden. Ein zu sprödes Material
kann leicht brechen, wenn Krümmungskräfte angewendet werden. Ein guter Werkstoff
für Kabel sollte eine Bruchdehnung von etwa 50% haben.
-
Endlich wird Beständigkeit der gewünschten Eigenschaften einer Bleikabelmantellegierung
während langer Lagerungszeiten und bei etwas erhöhten Temperaturen verlangt. Gewisse
Legierungsarten zeigen die Neigung zu altern, wobei entweder die Zugfestigkeit oder
die Bruchdehnung beträchtlich geschädigt werden.
-
Blei-Zinn-Legierungen mit einem Prozentgehalt an Zinn zwischen i und
3 % werden unter anderem für Kabelmäntel verwendet, deren mechanische Eigenschaften
in vieler Hinsicht ausgezeichnet sind. Infolge des vorherrschenden Mangels an und
der hohen Kosten von Zinn ist angestrebt worden, das Zinn in der Legierung ganz
oder teilweise zu ersetzen. Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, daß eine Legierung
auf Bleibasis mit Zusätzen von kleinen Mengen Arsen, Kupfer und Silber oder Zinn
in gewissen wohl abgewogenen Anteilen die Eigenschaften besitzt, die den Anforderungen
an eine Kabelmantellegierung hoher Güte entsprechen. Diese Legierung hat ebenso
gute Zugfestigkeit und Bruchdehnung wie eine 2%ige Blei-Zinn-Legierung und übertrifft
diese hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit.
-
Die Kosten der vorgeschlagenen Bleilegierung sind niedrig trotz der
Tatsache, daß verhältnismäßig teuere Metalle, wie Silber und Zinn, benutzt werden,
obgleich diese, wie Kupfer und Arsen, nur in verhältnismäßig kleinen Mengen verwendet
werden.
-
Binäre Blei-Arsen-Legierungen sind in der Literatur bekannt und beschrieben.
Durch den Zusatz von Arsen werden mit steigendem Arsen-Prozentgehalt Härte und Zugfestigkeit
von Blei erhöht. Binäre Blei-Arsen-Legierungen sind als Kabelinantelmaterial nicht
benutzt worden, teils weil sie gewöhnlich, und besonders bei hohem Arsengehalt,
schlechte Bruchdehnungseigetischaften haben, teils weil diese Legierungen nach langen
Lagerungszeiten weich werden.
-
Es hat sich jedoch erfindungsgemäß herausgestellt, daß Blei-Arsen-Legierungen
sehr gute Bruchdehnungswerte innerhalb gewisser Konzentrationsgrenzen haben. Der
Arsen-Prozentgehalt besagter Legierungen liegt bei 0,03 bis 0,05"/o (vgl.
Tabelle i). Bei solchen Arsengehalten wird das Arsen in dem festen Bleikristall
gelöst. Es wurde gefunden, daß bei verhältnismäßig hohen Arsengehalten, wenn angenommen
werden kann, daß das Arsen in der Struktur als eine besondere Phase in einer Korngrenze
erscheint, die Dehnbarkeit beträchtlich verringert wird.
-
Die Löslichkeit des Arsens in festem Blei ist bei 28o° C mit o,o5
% am größten und nimmt mit sinkender Temperatur bis etwa o,oi % bei Raumtemperatur
ab. Die mechanischen Eigenschaften der Blei-Arsen-Legierung hängen hauptsächlich
von dem Prozentgehalt des im festen Blei gelösten Arsens ab. Legierungen mit dem
größten Löslichkeitsprozentgehalt (0,05% As) sind bei Raumtemperatur übersättigt,
und während langer Lagerung findet Ausscheidung des Arsens aus der festen Lösung
in Blei statt, wodurch die mechanischen Eigenschaften geschädigt werden.
-
Bei normalen Guß- und Druckbedingungen (für Kabelmäntel) sind, in
Abhängigkeit von den Kühlbedingungen, von 0,03 bis 0,045% Arsen in gelöstem Zustand
im festen Blei enthalten. Die Ausscheidungsneigung des gelösten Arsens ist bei diesen
Konzentrationen beträchtlich niedriger als bei maximaler Löslichkeitskonzentration.
-
Der Gesamtprozentgehalt an Arsen in der Legierung sollte nicht viel
höher sein als der Prozentgehalt an gelöstem Arsen, da die ungelösten Arsenteilchen
die Fällung des Arsens in fester Lösung fördern und darüber hinaus die Bruchdehnungseigenschaften
verschlechtern (s. oben).
-
Wir haben so festgestellt, daß die besten Eigenschaften in Blei-Arsen-Legierungen
für Kabelmäntel erhalten werden, wenn der Prozentgehalt an Arsen so gewählt wird,
daß der größte Teil des Arsens eine feste Lösung in dem Blei bildet und der Prozentgehalt
von in festem Blei gelöstem Arsen zwischen 0,03 und 0,045% liegt. Einhöherer Prozentgehalt
an Arsen (etwa o, i %) wird gewöhnlich für die bisher vorgeschlagenen Bleilegierungen
angegeben, aber auch niedrigere Prozentgehalte sind schon ohne irgendeinen Vorteil
angegeben worden, der jedoch in einer Legierung mit einem Prozentgehalt unterhalb
der Löslichkeitsgrenze für Arsen in Blei festgestellt worden ist.
-
Praktisch ist es jedoch schwierig, Blei-Arsen-Legierungen herzustellen,
die einen Prozentgehalt aufweisen, der in den obenerwähnten Grenzen von 0,03 bis
o,0450/0 liegt und sie so zu behandeln (vielleicht durch Wärmebehandlung), daß das
Arsen in dem Mischkristall gelöst wird. Die Gefahr des Alterns (Weichwerdens) kann
überdies nicht vollständig ausgeschaltet werden, selbst wenn der
Prozentgehalt
an Arsen unter die Löslichkeitsgrenze gesenkt wird. Es wurde gefunden, daß es durch
Zugabe weiterer Mengen anderer Metalle, nämlich von Silber und/oder Zinn, möglich
ist, die Löslichkeitsbeziehungen von Arsen in Blei bis zu einem gewissen Grade zu
stabilisieren. Es wurde weiter gefunden, daß durch diese Zugaben die Festigkeit
weiter erhöht wird, und daß innerhalb gewisser Konzentrationsgrenzen auch eine gute
Bruchdehnung erhalten wird. Es ist ferner gefunden worden, daß bei gleichzeitiger
Anwesenheit von Silber oder Zinn die Konzentrationsgrenzen für den Prozentgehalt
von Arsen ausgedehnt werden können, ohne daß die Eigenschaften beeinträchtigt werden.
Der Prozentgehalt an Arsen soll jedoch innerhalb der Begrenzung o,oi bis 0,2% und
noch besser 0,03 bis 0,07% gehalten werden.
-
Der Prozentgehalt von beiden, Silber und Zinn, soll begrenzt werden,
um ihre obere Löslichkeitsgrenze in festem Blei nicht zu überschreiten. So wird
ein Prozentgehalt von Silber von o,oo5 bis o,o7% empfohlen, aber die Silbermenge
kann vorteilhaft auf unter 0,03% herabgesetzt werden. Die besten Ergebnisse werden
bei einem Prozentgehalt an Silber von etwa o,oi % erhalten.
-
Der Prozentgehalt an Zinn, dessen obere Grenze mit i % angegeben wird,
kann jedoch ohne Nachteil unter i % herabgesetzt werden, der unterste Prozentgehalt
an Zinn, der mit Vorteil angewendet werden kann, ist 0,25%. Tatsächlich kann die
Stabilisation der Festigkeitseigenschaften von Blei-Arsen-Legierungen auch bis zu
einem gewissen Grade mit niedrigeren Prozentgehalten an Zinn erreicht werden, aber
die Duktilität wird dann so schlecht, daß die Legierung für Kabelmäntel wenig geeignet
ist (vgl. Tabelle i). Die günstigsten Ergebnisse werden bei Prozentgehalten an Zinn
von 0,3 bis 0,7% erhalten.
-
Gute Ergebnisse können auch erreicht werden, wenn sich sowohl Silber
als auch Zinn in der Legierung befinden.
-
In der vorgeschlagenen Bleilegierung mit dem Zusatz solcher Mengen
an Arsen und Silber oder Zinn, daß sie in einer homogenen Mischkristallphase eingeschlossen
sind, bestehen Gefahren hinsichtlich der Bildung einer groben Kristallstruktur in
dem Mantelmaterial. Es ist bekannt, daß die Korngrenzflächen vom Festigkeitsstandpunkt
her am schwächsten sind und in Kabelmänteln mit grobkristalliner Struktur zuweilen
innerkristalline Risse auftreten, besonders wenn die Korngrenzfläche sich von der
Innen- nach der Außenseite des Kabelmantels hin vergrößert. Eine solche Schwächung
an gewissen Punkten im Kabelmantel beeinträchtigt die anderen Widerstandseigenschaften
des Materials. Es ist deshalb erwirkt worden, daß ein Kabelmantel eine gleichförmige
Kornfeinstruktur besitzt. Es wurde gefunden, daß dies erreicht wird, wenn der oben
beschriebenen Bleilegierung mit Zusätzen an Arsen und Silber oder Zinn Kupfer in
einer Menge von 0,o2 bis 0,1% zugesetzt wird. In der besagten neuen Legierung wird
eine Durchschnittskorngröße von o, i mm in Bleirohren und/oder -mänteln erreicht.
Es wurde gefunden, daß der niedrigste Prozentgehalt an Kupfer, der während einer
48stündigen Wärmebehandlung bei i20° C Kornwachstum vdrhütet, bei o,02,1/0 liegt.
o,i% wird als obere Grenze für den Prozentgehalt an Kupfer angesehen, obwohl noch
höhere Prozentgehalte ebenso gute Ergebnisse zeitigen, jedoch infolge Abscheidung
des Kupfers in geschmolzenem Blei Schwierigkeiten bedingen. Es ist vorteilhaft,
die Kupferkonzentration in der Nähe des Prozentgehaltes des Eutektikums zu halten,
das sind 0,o5 0/0. Der Prozentgehalt an Kupfer beeinflußt nicht merklich die Festigkeitseigenschaften,
aber die Feinheit (Dichtheit) der Kornstruktur macht es möglich, weniger sorgfältig
beim Einhalten der für den angegebenen Prozentgehalt gezogenen engen Grenzen sein
zu können. Das gilt besonders bezüglich des Arsens, dessen Prozentgehalt bis auf
0,2% erhöht werden kann. Das kann am leichtesten durch die Annahme erklärt werden,
daß die Grenzflächen zwischen den Kristallen in einem feinkörnigen Material in der
Tat viel größer sind als in einem grobkörnigen Material, und daß möglicherweise
abgesonderte Arsenteilchen über eine größere Oberfläche verteilt sind und hinsichtlich
der Bruchdehnung weniger schädigen. Es ist ebenso möglich, den Prozentgehalt des
Zinns auf den niedrigsten angegebenen Wert zu senken, ohne daß die Ausdehnungseigenschaften
zu schlecht werden.
-
In Tabelle i sind Zugfestigkeit, Brinellhärte und Bruchdehnung für
Bleilegierungen angegeben, die Zusätze von teils Arsen allein, teils Arsen und Zinn,
Arsen und Silber und schließlich Arsen, Kupfer und Silber oder Zinn enthalten. Die
Bestimmung besagter mechanischer Eigenschaften ist an Hand von Proben festgestellt
worden, die durch Niederwalzen des Materials von 2o mm auf 3 mm erhalten wurden.
Die Prüfung wurde erstens unmittelbar nach dem Walzen und zweitens nach einer 48stündigen
Wärmebehandlung bei i20° C durchgeführt.
-
Die Wärmebehandlung wurde mit dem Gedanken durchgeführt, eine mögliche
Alterungserscheinung zu bestimmen. Ein leichtes Erweichen des Werkstoffs ist bei
allen Legierungsverbindungen zu beobachten, und zwar am meisten bei den binären
Blei-Arsen-Legierungen mit einem hohen Prozentgehalt an Arsen und am wenigsten bei
Legierungen mit Gehalten an Zinn und Silber.
-
Wie aus der Tabelle hervorgeht, hat die neue Legierung gute Zugfestigkeitseigenschaften
und ausgezeichnete Bruchdehnung.
-
Die bei der Untersuchung von gepreßten Versuchslegierungen erhaltenen
Festigkeitswerte sind in Tabelle 2 angegeben und zeigen, daß etwa dieselben Eigenschaften
auch nach dem Pressen erhalten geblieben sind.
-
Schließlich sind die Ergebnisse von einigen Ermüdungsversuchen an
der neuen Legierung in Tabelle 3 wiedergegeben, wobei die Ermüdungsgrenzen höher
lagen als bei irgendeiner für Kabelmäntel bekannten Bleilegierung.
| Tabelle i |
| As Ag Sn Cu Vor der W ärme-(i)-Behandlung Nach der Wärme-(2)-Behandlung |
| (3) I (4) I (5) |
| (3) (4) I (5) |
| 0,03 - - - 1,97 42 6,5 0 53 4,8 |
| 0;045 - - - 1'95 , 47 5,4 1,8 53 419 |
| 0,088 - - - 2,10 36 5,9 1,86 40 5,3 |
| o,162 - - - 2,05 40 5,9 1,92 36 5,2 |
| o,264 .- - - 2,14 34@ 5#9 204 39 5.2 |
| 0,04 O,OI - - 2,24 4(J 5,8 1,92 51 5,I |
| 0,05 o,oi - 0,049 2,22. 48 5,7 1,95 52 5,0 |
| 0,103 - 0,02 - 2,03 37 5,9 2,11 35 5,8 |
| 0,05 - 0,i - 2,28 32 6,4 2,28 38 6,2 |
| 0,05 - 0.3 - 2,38 39 7,0 2,16 43 5,2 |
| 0,05 - 0,5 - 2,6o 1 38 9,4 2,14 39 5,7 |
| 0,05 - 0,7 - 2,37 1 46 7,2 2,I7 55 5'7 |
| 0,05 - I,0 - 2,31 46 6,7 2,18 55 5,6 |
| 0,05 - 0,o9 0,054 2,35 44 6,1 2,27 45 6,2 |
| 0,04 - 0,27 0,o68 2,32 47 6,2 2,13 50 5.7 |
| 0,05 - o,69 0,073 2,39 54 6,2 2,20 54 5,8 |
| Tabelle 2 |
| Widerstandseigenschaften von geprellten Röhren |
| As Sn Cu Vor der Wärme-(i)-Behandlung - Nach der Wärme-(2)-Behandlung |
| (3) (4) (5) (3) (4) (5) |
| 0 .,05 0,22 0,042 1,75 61 I 5,1 1,77 59 4,7 |
| 0,05 0.21 0,041 2,14 39 7,1 1,75 44 5,6 |
| 0,05 0,48 0,038 2,5 46 6,5 1,83 46 5 ,7 |
| 0.05 0,74 0039 2,04 45 6,2 196 55 5,7 |
| 0,05 1.20 0,040 2,o6 46 6,4 2,04 50 5,7 |
| In den Tabellen i und 2 bedeutet: (3) Zugfestigkeit in kg/mm2, |
| (i) gewalzte Versuchsprobe 3 mm, (4) Bruchdehnung in %, |
| (2) 48stündige Wärmebehandlung bei i20° C, (5) Brinellhärte;
5 mm Stahlkugel 15 sec. |
| Tabelle 3 |
| Ermüdungsgrenze (i) |
| Pb + 0,o5 % As + o,oi % Ag + 0,o5 % Cu ... o,95 |
| Pb + O,05 % As + o,3 % Sn + 0,05'10 Cu .... 0,9
eigene Bestimmung |
| Pb + 0,o5 % As . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . o,9 |
| Weichblei ... .. .. .......................... |
| . o28 |
| Pb + 2 % Sn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . o,56 i |
| aus Hofmann, Bleilegierungen, 1942 |
| Pb + 0,o5 % Cu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 0,q.2 |
In Tabelle 3 bedeutet (i) Ermüdungsgrenze kg/mm2/IO7 Cyclen (Belastungswechsel)
Frequenz 90o Cyclen/min.
-
Die British Patent Specification Nr. 595 339 beansprucht einen Kabelmantel
aus einer Bleilegierung, die sich zusammensetzt aus Blei mit mehr als o,oi% und
bis zu 0,25% Silber und einem oder zweien der folgenden zusätzlichen Metalle in
den Mengen: o,oo5 bis o,o5% Kupfer, 0,05 bis 0,25% Zinn, 0,03 bis o,8o% Antimon,
0,03 bis o,6o% Arsen, 0,o2 bis o,5o% Zink, o,oi bis 0,20 % Magnesium.
-
Es wird auf einen solchen Kabelmantel kein Anspruch erhoben.