EP1201779B1 - Verfahren zur Herstellung von einem elektrischen Leiter aus einer Aluminiumlegierung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von einem elektrischen Leiter aus einer Aluminiumlegierung Download PDF

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EP1201779B1 EP00811003A EP00811003A EP1201779B1 EP 1201779 B1 EP1201779 B1 EP 1201779B1 EP 00811003 A EP00811003 A EP 00811003A EP 00811003 A EP00811003 A EP 00811003A EP 1201779 B1 EP1201779 B1 EP 1201779B1
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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 a method for the installation of an electrical conductor made of aluminum alloy of the type AlMgSi with high current carrying capacity.
  • Busbars when overhead lines fall out of consideration. Above all, busbars made of an aluminum profile with a stainless steel support as a running surface for current-grinding shoes have prevailed under the busbars.
  • Characteristic of busbars is the current carrying capacity. This depends essentially on the electrical resistance per unit length.
  • the electrical resistance per unit length is calculated as the product of the specific electrical resistance multiplied by the conductor length divided by the cross section of the aluminum profile. From this relationship results that with a given aluminum profile cross-section then a higher current carrying capacity or Reduced electrical power losses can be achieved when a material with improved conductivities is used.
  • the use of aluminum alloys with optimized conductance values can be used to reduce the cross-section of the aluminum profile, the aluminum weight and consequently the material costs for the same electrical properties of the product.
  • the invention has for its object to provide an electrical conductor made of an aluminum alloy with high current carrying capacity at the same time 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% Brinetlhärte HB 75 elec. conductivity ⁇ 32 MS / m
  • the over-aged state T7 can be generally achieved by a heat treatment in a temperature range of 160 to 230 ° C for a period of 5 to 30 hours. In general, however, one strives for reasons of productivity to minimize the annealing time.
  • the thermal aging takes place in a temperature range from 165 to 175 ° C. for 19 to 21 hours.
  • the profile can be quenched on the extruder, for example with water.
  • a preferred field of application for the electrical conductor according to the invention are extruded current or composite busbars.
  • the characteristic values measured on a conductor according to the invention in the material state T7 are various prior art conductors made of the alloys EN AW 6101B T6 / T7.
  • the inventive material state T7 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 min.215 minute 160 minute 30 ENAW6101B T7 minute 170 minute 120 minute 32 EN AW 6060 T66 minute 215 minute 160 (at least 30) EN AW 6063 T6 minute 215 minute 170 (at least 30) invention T7 minute 220 minute 200 minute 32
  • the conductivity of the conductor according to the invention which is increased at comparable strength values can be readily recognized. With the use of the conductor according to the invention, it is possible to reduce voltage drops and power losses in electrical networks by around 5% at the same profile geometry of busbars without additional costs.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstallung eines elektrischen Leiters aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlMgSi mit hoher Stromtragfähigkeit.
  • 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 Stromschleifschuhe 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
  • Aus GB-A-2 096 172, US-A-4 405 385, US-A-4 065 326 und GB-A-1 511 087 sind Verfahren zur Herstellung elektrischer Leiter aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlMgSi in der Form gezogener Drähte bekannt. Die auf Enddicke gezogenen Drähte werden warm ausgelagert. Als Beispiele für Warmauslagerungsbedingungen sind genannt: 10 Stunden bei 145°C, 5 Stunden bei 164°C, 7 Stunden bei 155°C und 1 bis 12 Stunden bei 220° bis 280°C.
  • 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%
    Brinetlhärte HB 75
    elektr. Leitfähigkeit χ 32 MS/m
  • Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt ein Verfahren mit den Merkmalen von Auspruch 1.
  • 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 in einem Temperaturbereich von 165 bis 175°C während 19 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 6101B 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
    ENAW6101B 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: A513,7%, 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 (5)

  1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AIMgSi mit hoher Stmmtragfähigkeit,
    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 überafterten Zustandes T7 in einem Temperaturbereich von 165 bis 175°C während 19 bis 21 h warm ausgelagert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil an der Strangpresse abgeschreckt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil an der Strangpresse mit Wasser abgeschreckt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil als Stromschiene verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil mit einer Auflage aus Edelstahl im Verbund stranggepresst und als Verbundstromschiene verwendet wird.
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