EP1201779A1 - Elektrischer Leiter aus einer Aluminiumlegierung - Google Patents

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EP1201779A1 EP00811003A EP00811003A EP1201779A1 EP 1201779 A1 EP1201779 A1 EP 1201779A1 EP 00811003 A EP00811003 A EP 00811003A EP 00811003 A EP00811003 A EP 00811003A EP 1201779 A1 EP1201779 A1 EP 1201779A1
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    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/05—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys of the Al-Si-Mg type, i.e. containing silicon and magnesium in approximately equal proportions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/023—Alloys based on aluminium

Definitions

  • the invention relates to an electrical conductor made of an aluminum alloy type AlMgSi with high current carrying capacity.
  • an electrical conductor made of an aluminum alloy type AlMgSi with high current carrying capacity.
  • a method for producing the electrical conductor and a busbar and a composite busbar are also a method for producing the electrical conductor and a busbar and a composite busbar.
  • busbars When overhead lines are not considered fall. Mainly busbars have emerged from among the busbars an aluminum profile with a stainless steel layer as a tread for current grinding shoes enforced.
  • So-called composite busbars are produced economically in the extrusion process.
  • a metallic one is created under the influence of pressure and temperature Bond between the aluminum profile and the stainless steel overlay.
  • the characteristic of conductor rails is the current carrying capacity. This essentially depends on the electrical resistance per unit length.
  • the electric one Resistance per unit length is the product of the specific electrical Resistance multiplied by the conductor length divided by the cross-section of the aluminum profile. From this relationship it follows that for a given Aluminum profile cross section then a higher current carrying capacity or reduced electrical power losses can be achieved if a Material with improved conductivities is used. On the other hand, by tried the use of aluminum alloys with optimized guide values cross-section with the same electrical properties of the product of the aluminum profile, the aluminum operating weight and subsequently reduce material costs.
  • the invention has for its object to provide an electrical conductor made of an aluminum alloy with high current carrying capacity and high mechanical strength.
  • the electrical conductor should meet the following minimum requirements: tensile strenght rm 220 MPa 0.2% proof stress Rp 0.2 200 MPa strain A 5 10% Brinell hardness HB 75 elec. conductivity ⁇ 32 MS / m
  • the alloy in% by weight silicon 0.4 to 0.6 iron 0.15 to 0.2 copper Max. 0.03 manganese Max. 0.05 magnesium 0.4 to 0.6 chrome Max. 0.01 zinc Max. 0.03 titanium Max. 0.02 further alloy components individually max. 0.03, total max. 0.10 and aluminum as the remainder, and that the alloy is in an outdated condition T7.
  • the electrical conductor according to the invention is preferably produced in that the alloy is extruded into a profile and subsequently is swapped out to generate the outdated condition T7.
  • the aged T7 condition can generally be determined by heat treatment in a temperature range of 160 to 230 ° C for a period of 5 can be reached up to 30 h. In general, one strives for productivity reasons however, minimizing the glow duration.
  • the hot aging takes place preferably in one Temperature range from 165 to 175 ° C for about 19 to 21 hours.
  • the profile can be quenched on the extrusion press, for example with water become.
  • Conductors are extruded busbars or composite busbars.
  • the characteristic values measured on a conductor according to the invention in the material state T7 are various state-of-the-art conductors made of the alloys EN AW 6101 B T6 / T7, EN AW 6060 T66 and EN AW 6063 T6 according to DIN EN 573-3 and properties compared to DIN EN 755-2.
  • the material state T7 according to the invention was set by annealing at 170 ° C. for 20 h.
  • material Status Rm [MPa] Rp0.2 [MPa] ⁇ [MS / m] 20 ° C EN AW 6101B T6 minute 215 minute 160 minute 30 EN AW 6101B T7 minute 170 minute 120 minute 32 EN AW 6060 T66 minute 215 minute 160 (min. 30) EN AW 6063 T6 minute 215 minute 170 (min. 30) invention T7 minute 220 minute 200 minute 32
  • inventive Conductors can be busbars with the same profile geometry Voltage drops and power losses in electrical networks Reduce by around 5% without additional costs.

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Abstract

Ein elektrischer Leiter besteht aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlMgSi und weist eine hohe Stromtragfähigkeit bei gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit auf. Die Legierung enthält in Gew.-% Silizium, 0,4 bis 0,6; Eisen, 0,15 bis 0,2; Kupfer, max. 0,03; Mangan, max. 0,05; Magnesium, 0,4 bis 0,6; Chrom, max. 0,01; Zink, max. 0,03; Titan, max. 0,02 weitere Legierungselemente einzeln max. 0,03, insgesamt max. 0,10 und Aluminium als Rest. Die Legierung liegt in einem überalterten Zustand T7 vor.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlMgSi mit hoher Stromtragfähigkeit. Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Verfahren zur Herstellung des elektrischen Leiters sowie eine Stromschiene und eine Verbundstromschiene.
Es ist bekannt, für den Antrieb elektrischer Bahnen, Kabinentaxis, Laufkrane und dgl. Stromschienen zu verwenden, wenn Freileitungen ausser Betracht fallen. Unter den Stromschienen haben sich vor allem Stromschienen aus einem Aluminiumprofil mit einer Edelstahlauflage als Lauffläche für Strom-schleifschuhe durchgesetzt.
Eine wirtschaftliche Herstellung von sogenannten Verbundstromschienen erfolgt im Strangpressverfahren. In der Schweisskammer des Strangpresswerkzeuges entsteht unter dem Einfluss von Druck und Temperatur eine metallische Bindung zwischen dem Aluminiumprofil und der Edelstahlauflage.
Für Anwendungen von Strangpressprofilen aus Aluminium als Stromschienen in der Elektrotechnik ist die elektrische Leitfähigkeit der eingesetzten Legierung von Bedeutung. Dies gilt selbstverständlich auch für Verbundstromschienen aus stranggepresstem Aluminium mit Edelstahlauflage.
Kenngrösse von Stromschienen ist die Stromtragfähigkeit. Diese hängt im wesentlichen vom elektrischen Widerstand pro Längeneinheit ab. Der elektrische Widerstand pro Längeneinheit ergibt sich als Produkt des spezifischen elektrischen Widerstandes multipliziert mit der Leiterlänge dividiert durch den Querschnitt des Aluminiumprofils. Aus dieser Beziehung ergibt sich, dass bei gegebenem Aluminiumprofilquerschnitt dann eine höhere Stromtragfähigkeit bzw. reduzierte elektrische Verlustleistungen erreicht werden können, wenn ein Werkstoff mit verbesserten Leitwerten eingesetzt wird. Andererseits kann durch den Einsatz von Aluminiumlegierungen mit optimierten Leitwerten versucht werden, bei gleichen elektrischen Eigenschaften des Produktes den Querschnitt des Aluminiumprofil, das Aluminiumeinsatzgewicht sowie in der Folge die Materialkosten zu reduzieren.
Bei der werkstoff- und fertigungsseitigen Optimierung von Strangpresslegierungen für die Elektrotechnik ist grundsätzlich ein Zielkonflikt zwischen mechanischen und elektrischen Eigenschaften zu berücksichtigen. So ist generell festzustellen, dass die Verbesserung elektrotechnischer Eigenschaften die Einschränkung mechanischer Werte wie beispielsweise der Zugfestigkeit, Streckgrenze und Werkstoffhärte zur Folge hat.
Nach DIN EN 573-3 sind für Anwendungen in der Elektrotechnik hauptsächlich folgende Legierungen und Legierungszusammensetzungen bekannt:
Bezeichnung EN AW 6101B EN AW 6060 EN AW 6063
Silizium 0,30 - 0,6 0,30 - 0,6 0,20 - 0,6
Eisen 0,10 - 0,30 0,10 - 0,30 0,35
Kupfer 0,05 0,10 0,10
Mangan 0,05 0,10 0,10
Magnesium 0,35 - 0,6 0,35 - 0,6 0,45 - 0,9
Chrom - 0,05 0,10
Zink 0,10 0,15 0,10
Titan - 0,10 0,10
Weitere
- einzeln 0,03 0,05 0,05
- insgesamt 0,10 0,15 0,15
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Leiter aus einer Aluminiumlegierung mit hoher Stromtragfähigkeit bei gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit zu schaffen. Insbesondere soll der elektrische Leiter die folgenden Minimalanforderungen erfüllen:
Zugfestigkeit Rm 220 MPa
0,2% Dehngrenze Rp 0,2 200 MPa
Dehnung A5 10%
Brinellhärte HB 75
elektr. Leitfähigkeit χ 32 MS/m
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass die Legierung in Gew.-%
Silizium    0,4 bis 0,6
Eisen    0,15 bis 0,2
Kupfer max. 0,03
Mangan max. 0,05
Magnesium    0,4 bis 0,6
Chrom max. 0,01
Zink max. 0,03
Titan max. 0,02
weitere Legierungsbestandteile einzeln max. 0,03, insgesamt max. 0,10 und Aluminium als Rest enthält, und dass die Legierung in einem überalterten Zustand T7 vorliegt.
Bevorzugt erfolgt die Herstellung des erfindungsgemässen elektrischen Leiters dadurch, dass die Legierung zu einem Profil stranggepresst und nachfolgend zur Erzeugung des überalterten Zustandes T7 warm ausgelagert wird.
Der überalterte Zustand T7 kann generell durch eine Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 160 bis 230 °C während einer Zeitdauer von 5 bis 30 h erreicht werden. Im allgemeinen strebt man aus Produktivitätsgründen jedoch eine Minimierung der Glühdauer an.
Erfindungsgemäss erfolgt die Warmauslagerung hingegen bevorzugt in einem Temperaturbereich von 165 bis 175°C während etwa19 bis 21 h.
Das Profil kann an der Strangpresse beispielsweise mit Wasser abgeschreckt werden.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für den erfindungsgemässen elektrischen Leiter sind stranggepresste Strom- bzw. Verbundstromschienen.
Die Vorzüge des erfindungsgemässen elektrischen Leiters gegenüber Leitern nach dem Stand der Technik ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles.
In der nachfolgenden Tabelle sind die an einem erfindungsgemässen Leiter im Werkstoffzustand T7 gemessenen Kennwerte verschiedenen Leitern nach dem Stand der Technik aus den Legierungen EN AW 6101 B T6/T7, EN AW 6060 T66 sowie EN AW 6063 T6 nach DIN EN 573-3 und Eigenschaften nach DIN EN 755-2 gegenübergestellt. Der erfindungsgemässe Werkstoffzustand T7 wurde durch eine Glühung bei 170°C während 20 h eingestellt.
Werkstoff Zustand Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] χ [MS/m] 20°C
EN AW 6101B T6 min. 215 min. 160 min. 30
EN AW 6101B T7 min. 170 min. 120 min. 32
EN AW 6060 T66 min. 215 min. 160 (min. 30)
EN AW 6063 T6 min. 215 min. 170 (min. 30)
Erfindung T7 min. 220 min. 200 min. 32
Zusätzlich wurden beim erfindungsgemässen Leiter noch die folgenden Kennwerte ermittelt: A5 13,7%, HB=78.
Die bei vergleichbaren Festigkeitswerten erhöhte Leitfähigkeit des erfindungsgemässen Leiters ist ohne weiteres erkennbar. Mit der Verwendung des erfindungsgemässen Leiters lassen sich bei gleicher Profilgeometrie von Stromschienen Spannungsabfälle und Leistungsverluste in elektrischen Netzen ohne Mehrkosten um rund 5% reduzieren.

Claims (7)

  1. Elektrischer Leiter aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlMgSi mit hoher Stromtragfähigkeit,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Legierung in Gew.-% Silizium    0,4 bis 0,6 Eisen    0,15 bis 0,2 Kupfer max. 0,03 Mangan max. 0,05 Magnesium    0,4 bis 0,6 Chrom max. 0,01 Zink max. 0,03 Titan max. 0,02
    weitere Legierungsbestandteile einzeln max. 0,03, insgesamt max. 0,10 und Aluminium als Rest enthält, und dass die Legierung in einem überalterten Zustand T7 vorliegt.
  2. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlMgSi mit hoher Stromtragfähigkeit,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Legierung mit (in Gew.-%) Silizium    0,4 bis 0,6 Eisen    0,15 bis 0,2 Kupfer max. 0,03 Mangan max. 0,05 Magnesium    0,4 bis 0,6 Chrom max. 0,01 Zink max. 0,03 Titan max. 0,02
    weitere Legierungsbestandteile einzeln max. 0,03, insgesamt max. 0,10 und Aluminium als Rest zu einem Profil stranggepresst und nachfolgend zur Erzeugung des überalterten Zustandes T7 warm ausgelagert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der überalterte Zustand T7 durch eine Warmauslagerung in einem Temperaturbereich von 160 bis 230°C während einer Zeitdauer von 5 bis 30 h erzeugt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmauslagerung in einem Temperaturbereich von 165 bis 175°C während etwa 19 bis 21 h durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil an der Strangpresse vorzugsweise mit Wasser abgeschreckt wird.
  6. Stromschiene aus einem elektrischen Leiter nach Anspruch 1, hergestellt durch Strangpressen.
  7. Verbundstromschiene aus einem elektrischen Leiter nach Anspruch 1 mit einer Auflage aus Edelstahl, hergestellt durch Verbundstrangpressen.
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