EP2527479B1 - Hochleitfähige Aluminiumlegierung für elektrisch leitfähige Produkte - Google Patents

Hochleitfähige Aluminiumlegierung für elektrisch leitfähige Produkte Download PDF

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EP2527479B1
EP2527479B1 EP11167951.0A EP11167951A EP2527479B1 EP 2527479 B1 EP2527479 B1 EP 2527479B1 EP 11167951 A EP11167951 A EP 11167951A EP 2527479 B1 EP2527479 B1 EP 2527479B1
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EP
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aluminium alloy
temperature
alloy
strip
electrically conductive
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Olaf Dr. Engler
Simon Dr. Jupp
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Speira GmbH
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Hydro Aluminium Rolled Products GmbH
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Priority to DK11167951.0T priority patent/DK2527479T3/da
Priority to ES11167951.0T priority patent/ES2461994T3/es
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    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
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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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • 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 aluminum alloy for electrically conductive products, the use of the aluminum alloy, a strip or sheet produced from the aluminum alloy according to the invention and a method for producing a strip or sheet.
  • Aluminum or aluminum alloys are also used for electrically conductive or current-carrying products, since aluminum or the aluminum alloys have a good electrical conductivity.
  • the electrical conductivity ⁇ in high-purity aluminum is about 36.5 MS / m.
  • Highly pure aluminum is, however, as Construction material is not suitable because it often does not meet the required mechanical properties, such as a desired strength or yield strength. If mechanical properties are also required for electrically conductive or current-carrying products, for example, a significant reduction in the electrical conductivity must be accepted in order to provide the desired mechanical properties.
  • the cost of high purity aluminum is very high, so that correspondingly manufactured pure aluminum products are relatively expensive to manufacture.
  • the present invention has the object to provide an aluminum alloy, which has the necessary mechanical properties and yet has an improved electrical conductivity.
  • advantageous uses and a method for producing an existing of the aluminum alloy strip or sheet are proposed.
  • Fe, Si, Mn and Mg content of the aluminum alloy are then in an extremely narrow corridor and therefore lead to a particularly preferred formation of the intermetallic, precipitated phases.
  • the use of the aluminum alloy according to the invention for electrically conductive or current-carrying products is particularly advantageous.
  • the aluminum alloy according to the invention can also provide good mechanical properties in addition to the very good electrical conductivity, so that corresponding products can also be used as construction parts.
  • the aluminum alloy according to the invention is used for an electrically conductive part of a circuit arrangement, a conductor track, an electrically conductive connector, an electrical circuit board, a cable, a ribbon cable or an electrode sheet. All uses have in common that these on the one hand require very good electrical conductivities in order to have the lowest possible electrical resistance.
  • the electrically conductive parts of a circuit so as well as conductors, connectors, circuit boards, cables, ribbon cables but also electrode plates requirements for the mechanical To meet properties that are not reached by highly conductive pure aluminum. Consequently, highly conductive products that can be used in the construction and that at least partially consist of the aluminum alloy according to the invention can also be provided.
  • the object is achieved by a band or sheet consisting of an aluminum alloy according to the invention, wherein the strip or sheet after annealing at 250 ° C for 1-4 hours, a yield strength R P0.2 of more than 140 MPa and an electrical conductivity of more than 31 MS / m, preferably more than 31.5 MS / m at room temperature.
  • the outstanding properties with very high electrical conductivity and yet good yield strength make it possible to use the strip or sheet for a wide variety of uses, such as those mentioned above, while at the same time providing extremely low electrical resistances during current conduction.
  • a method of making a strip or sheet of aluminum alloy according to the invention wherein a billet of a corresponding aluminum alloy is produced, the billet for a period of 2-12 hours at 550 ° C to 610 ° C is homogenized, cooled to a temperature of 380 ° C - 500 ° C and held at this temperature for at least one hour, the ingot is then hot rolled at a temperature of 280 ° C - 500 ° C and optionally a hot strip annealing at a Temperature of 280 ° C - 380 ° C for more than an hour and then subjected optionally cold rolled to final thickness.
  • the degree of precipitation which occurs during the homogenization is improved by cooling to a temperature of 380 ° C.-500 ° C. immediately after homogenization.
  • the hot rolling temperatures of 280 ° C - 500 ° C are compared to the usual hot rolling temperatures, which up to max. 550 ° C, slightly reduced. This is intended to ensure that the hot rolling does not change alloy constituents into solutions again, but rather remains in the precipitated state. Due to the state of precipitation, the hot strip produced in this way has very high conductivities and can therefore be used cost-effectively for the production of cathode sheets.
  • the ingot may be cooled to room temperature and reheated to a temperature of 380 ° C - 520 ° C prior to hot rolling.
  • This facilitates the logistics in the production of the tapes, without causing any significant loss of mechanical or electrical properties.
  • the moderate temperatures mean that alloyed constituents present in a precipitated state do not go into solution again.
  • one or more intermediate anneals are performed during the cold rolling at a temperature of 300 ° C - 450 ° C for one hour to 4 hours. Intermediate anneals are usually performed to adjust the mechanical properties of the cold rolled strip to final thickness.
  • the method according to the invention can be further developed by subjecting the finished rolled strip to a re-annealing at a temperature of 200 ° C.-350 ° C. for at least one hour.
  • the annealing in this temperature range not only significantly improves the mechanical formability of the strip, but also supports the formation of precipitated intermetallic phases.
  • the electrical conductivity can be increased again in the strip according to the invention by a
  • FIGS. 1 to 5 schematically exemplary embodiments of advantageous uses of the aluminum alloy according to the invention.
  • the alloy examples A and B were then made with two different methods according to variants I and II into strips and then into sheets, the variant I differs from the variant II in particular by the preparation of the rolling ingot and hot rolling.
  • the ingot was homogenized for 4 hours at 550 ° C - 610 ° C and then kept for 2 hours at 400 ° C - 500 ° C and fed to the hot rolling.
  • a homogenization for 12 hours at 550 ° C - 610 ° C was performed, the ingot then cooled to room temperature and heated to 400 ° C before hot rolling to 400 °.
  • the ingot was then hot rolled in both variants to a hot strip thickness of 7.5 mm. Subsequently, a hot strip annealing at a temperature of 300 ° C - 350 ° C for more than one hour instead.
  • the hot strip produced in this way was cold rolled to a thickness of 2.0 mm with and without intermediate annealing and fed to a annealing at various temperatures.
  • the annealing temperatures were 200 ° C, 250 ° C, 300 ° C and 350 ° C in the different experiments.
  • Variant I Variant II Homogenize for 4 h at 550-610 ° C, hold for 2 h at 400 ° C to 500 ° C, feeding the hot rolling Homogenize for 12 h at 550 ° C to 610 ° C, allow to cool to room temperature, warm bars to 400 ° C to 500 ° C before hot rolling Hot rolling to 7.5 mm Hot strip annealing at 300 ° C to 350 ° C Cold rolling to 2.0 mm with / without intermediate annealing Annealing at a temperature of 200 ° C, 250 ° C, 300 ° C and 350 ° C
  • the yield strength the sheets produced according to variants I and II about 40 MPa.
  • the conductivity values could be significantly increased by the annealing, but even in the hard-rolled state they are significantly higher than those of conventional aluminum alloys, which are in the range between 15 and 29 MS / m.
  • the electrical conductivity of more than 30 MS / m is close to the values of high-purity aluminum.
  • the increasing annealing temperature in particular with decreasing yield strength, changed the breaking elongation A 80 mm , which increased to a value of 37.5% -40 %.
  • it was found that apart from the increase in the electrical conductivity ⁇ can be provided with increasing annealing temperatures, regardless of the set mechanical properties very high electrical conductivities above 30 MS / m.
  • the hot strips already achieve very high values for the electrical conductivity.
  • cathode sheets for zinc electrolysis can therefore only be produced by hot rolling and thus very cost-effectively from the aluminum alloy according to the invention.
  • the special properties of the aluminum alloy according to the invention are particularly noticeable if good mechanical and very good electrical conductivity properties are required.
  • FIG. 1 schematically illustrated connector 1 of the case.
  • the connectors 1 require a good mechanical strength in order to form a sufficiently secure connection to the cables or rails 2a, 2b and at the same time the lowest possible electrical resistance.
  • FIG. 2 Another embodiment of an advantageous use of the aluminum alloy according to the invention shows Fig. 2 ,
  • Fig. 2 an embodiment of an electrical circuit board 3, for example, of a motor vehicle is shown.
  • the printed conductors 4, which are part of a circuit arrangement, consist of the aluminum alloy according to the invention and thus provide the necessary strength of the printed circuit board.
  • the significantly improved compared to high-purity aluminum strength facilitates the production of such boards due to the improved handling of the tracks 4, since they have a higher strength.
  • Fig. 3 shows in a perspective view of an electrode sheet 5, which can be used for example in the zinc electrolysis and consists of the aluminum alloy according to the invention.
  • a cathode plate holder 5a is shown schematically, but usually consists of a different aluminum alloy.
  • the electrode sheet 5 thus has the necessary mechanical stability and allows a reduced electrical resistance in the zinc electrolysis.
  • the show 4 and 5 a cable 6 or a ribbon cable 7, the conductors 6a and 7a of the consist of aluminum alloy according to the invention.
  • cable 4 or ribbon cable 5 must meet mechanical requirements, which are readily met by the use of aluminum alloy according to the invention.
  • the use of the aluminum alloy according to the invention represents a cost-effective replacement of high-purity aluminum in the cables.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung für elektrisch leitfähige Produkte, die Verwendung der Aluminiumlegierung, ein Band oder Blech hergestellt aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bandes oder Blechs.
  • Aluminium oder Aluminiumlegierungen werden auch für elektrisch leitfähige bzw. stromführende Produkte verwendet, da Aluminium bzw. die Aluminiumlegierungen eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. So liegt die elektrische Leitfähigkeit σ bei hoch reinem Aluminium etwa bei 36,5 MS/m. Hoch reines Aluminium ist allerdings als
    Konstruktionswerkstoff nicht geeignet, da es häufig die geforderten mechanischen Eigenschaften, beispielsweise eine gewünschte Festigkeit oder Streckgrenze nicht erfüllt. Sind beispielsweise bei elektrisch leitfähigen bzw. stromführenden Produkten auch mechanische Eigenschaften gefragt, muss eine signifikante Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit in Kauf genommen werden, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften bereitzustellen. Darüber hinaus sind die Kosten von hoch reinem Aluminium sehr hoch, so dass entsprechend hergestellte Produkte aus reinem Aluminium relativ teuer in ihrer Herstellung sind. Häufig für die Konstruktion verwendete Aluminiumlegierungen wie beispielsweise die Aluminiumlegierung vom Typ AA 5xxx weisen dagegen elektrische Leitfähigkeiten im Bereich von 15 bis 25 MS/m auf, so dass diese wiederum nicht ideal für die Verwendung in elektrisch leitfähigen Produkten anzusehen sind. Das Patent JP200207940 betrifft eine Aluminiumlegierung, die für elektrisch leitfähige Produkte vorgesehen ist.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Aluminiumlegierung vorzuschlagen, welche die notwendigen mechanischen Eigenschaften aufweist und dennoch eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit besitzt. Darüber hinaus sollen vorteilhafte Verwendungen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung bestehenden Bandes oder Blechs vorgeschlagen werden.
  • Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die aufgezeigte Aufgabe durch eine Aluminiumlegierung gelöst, welche die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist:
    • 0,25 % ≤ Si ≤ 0,7 %,
    • 0,25 % ≤ Fe ≤ 0,7 %,
      Cu < 0,1 %,
    • 0,25 % ≤ Mn ≤ 0,7 %,
    • 0,25 % ≤ Mg ≤ 0,7 %,
      Cr ≤ 0,15 %,
      Zn ≤ 0,1 %,
      Ti ≤ 0,1 %,
  • Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen einzeln maximal 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %,wobei für die Legierungsanteile der Legierungsbestandteile Si, Fe, Mn und Mg gilt:
    • |[si%] - [Fe%]| ≤ 0,1 % und
    • |[Si%] - [Mn%]| ≤ 0,1 % und
    • |[si%] - [Mg%]| ≤ 0,1 %.
  • Die Erfinder haben herausgefunden, dass zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Ausscheidungsgrad von Legierungsbestandteilen in der Aluminiumlegierung erhöht werden muss, damit die Aluminiumlegierung möglichst wenig Legierungsbestandteile in der Aluminiummatrix in gelöstem Zustand aufweist. Durch die erfindungsgemäße Aluminiumlegierungszusammensetzung wird erreicht, dass die Ausscheidung von intermetallischen Phasen in Form von quaternären intermetallischen Phasen beispielsweise Al(Fe,Mn)Si, ternäre Phasen in Form von beispielsweise AlFeSi und binäre Phasen beispielsweise in Form von Mg2Si bei Raumtemperatur unterstützt wird. Im Ergebnis werden die genannten intermetallischen Phasen leichter ausgeschieden. Die Legierungsbestandteile sind in geringerem Maße in der Aluminiummatrix gelöst. Hierdurch wird die elektrische Leitfähigkeit der Aluminiumlegierung deutlich verbessert, da weniger Legierungsbestandteile in gelöstem Zustand vorliegen. Die Anteile an Si, Fe, Mn und Mg liegen zwischen 0,25 Gew.-% bis 0,7 Gew.-%, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung zu gewährleisten. Darüber hinaus zeichnet sich die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung dadurch aus, dass für die Anteile an Si, Fe, Mn und Mg gilt:
    • |[Si%] - [Fe%]| ≤ 0,1 % und
    • |[Si%] - [Mn%]| ≤ 0,1 % und
    • |[Si%] - [Mg%]| ≤ 0,1 %, so dass ein möglichst hoher Anteil an intermetallischen Phasen ausgeschieden wird. Der Kupfergehalt von < 0,1 Gew.-% verbessert zusätzlich das
      Ausscheidungsverhalten der erfindungsgemäßen
      Aluminiumlegierung. Dispersoidbildner wie Cr müssen auch relativ geringe Anteile aufweisen, vorliegend maximal 0,1 Gew.-%. Zink und Titan sollten darüber hinaus auch weniger als 0,1 Gew.-% aufweisen, da anderenfalls die Ausscheidung der intermetallischen Phasen sich verschlechtert. Dadurch dass die Legierungsbestandteile Fe, Mn und Mg relativ zu Silizium in einem festen Korridor von +/- 0,1 Gew.-% in der Aluminiumlegierung enthalten sind, wird der Anteil an bei Raumtemperatur in ausgeschiedenem Zustand vorliegenden quaternären und ternären intermetallischen Phasen deutlich erhöht. Bevorzugt gilt dieser enge Korridor auch für die Legierungsbestandteile Fe, Mn und Mg auch untereinander, d.h. bevorzugt gilt zusätzlich:
      • |[Mn%] - [Fe%]| ≤ 0,1 % und
      • |[Mg%] - [Mn%]| ≤ 0,1 % und
      • |[Fe%] - [mag%]| ≤ 0,1 %.
  • Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Aluminiumlegierung weist die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% auf:
    • 0,4 % ≤ Si ≤ 0,6 %,
    • 0,4 % ≤ Fe ≤ 0,6 %,
      Cu < 0,05 %,
    • 0,4 % ≤ Mn ≤ 0,6 %,
    • 0,4 % ≤ Mg ≤ 0,6 %,
      Cr ≤ 0,1 %,
      Zn ≤ 0,05 %,
      Ti ≤ 0,05 %,
  • Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen einzeln maximal 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %,wobei für die Legierungsanteile der Legierungsbestandteile Si, Fe, Mn und Mg gilt:
    • |[Si%] - [Fe%]| ≤ 0,1 % % und
    • |[Si%] - [Mn%]| ≤ 0,1 % und
    • |[Si%] - [Mg%]| ≤ 0,1 %.
  • Die Beschränkung der Legierungsbestandteile von Si, Fe, Mn und Mg auf einen Korridor von 0,4 Gew.-% bis 0,6 Gew.-%, verbessert die Ausscheidung der intermetallischen Phasen. Zusätzlich wird durch die Verringerung der Anteile an Cu, Zn und Ti erreicht, dass noch weniger Legierungsbestandteile in Lösungen vorliegen. Im Ergebnis kann die elektrische Leitfähigkeit bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften noch einmal gesteigert werden.
  • Dies gilt auch sofern der Si-Gehalt den Mg-Gehalt übersteigt, da dann Silizium sowohl die bevorzugt ausgebildeten Mg2-Si als auch die übrigen quaternären und ternären intermetallischen Phasen bilden kann, welche dann in ausgeschiedenem Zustand in der Aluminiumlegierung bei Raumtemperatur vorliegen.
  • Schließlich kann die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung in Bezug auf ihre elektrische Leitfähigkeit dadurch weiter verbessert werden, dass für die Legierungsanteile der Legierungsbestandteile Si, Fe, Mn und Mg gilt:
    • | [Si%] - [Fe%] | ≤ 0,05 % und
    • | [Si%] - [Mn%] | ≤ 0,05 % und
    • |[Si%] - [Mg%] | ≤ 0,05 %,
    wobei bevorzugt für die Legierungsbestandteile Fe, Mn und Mg untereinander gilt ebenfalls zusätzlich:
    • |[Mn%] - [Fe%]| ≤ 0,05 % und
    • |[Mg%] - [Mn%]| ≤ 0,05 % % und
    • |[Fe%] - [Mg%]| ≤ 0,05 %.
  • Fe, Si, Mn und Mg-Gehalt der Aluminiumlegierung liegen dann in einem extrem engen Korridor und führen daher zu einer besonders bevorzugten Ausbildung der intermetallischen, ausgeschiedenen Phasen.
  • Aufgrund der besonders guten elektrischen Leitfähigkeit ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung für elektrisch leitfähige oder stromführende Produkte besonders vorteilhaft. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung neben der sehr guten elektrischen Leitfähigkeit auch gute mechanische Eigenschaften bereitstellen, so dass entsprechende Produkte auch als Konstruktionsteile verwendbar sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung für ein elektrisch leitfähiges Teil einer Schaltungsanordnung, eine Leiterbahn, einen elektrisch leitfähigen Steckverbinder, eine elektrische Platine, ein Kabel, ein Flachbandkabel oder ein Elektrodenblech verwendet. Allen Verwendungen ist gemein, dass diese einerseits sehr gute elektrische Leitfähigkeiten erfordern, um einen möglichst geringen elektrischen Widerstand aufzuweisen. Andererseits können die elektrisch leitfähigen Teile einer Schaltungsanordnung, also als auch Leiterbahnen, Steckverbinder, Platinen, Kabel, Flachbandkabel aber auch Elektrodenbleche Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften erfüllen, welche von hochleitfähigem Reinaluminium nicht erreicht werden. Mithin können auch in der Konstruktion einsetzbare, hochleitfähige Produkte, welche zumindest teilweise aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung bestehen, bereitgestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung wird die aufgezeigte Aufgabe durch ein Band oder Blech bestehend aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung gelöst, wobei das Band oder Blech nach einer Rückglühung bei 250°C für 1 - 4 Stunden eine Streckgrenze RP0,2 von mehr als 140 MPa und eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 31 MS/m, vorzugsweise mehr als 31,5 MS/m bei Raumtemperatur aufweist. Die herausragenden Eigenschaften mit sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit und dennoch guter Streckgrenze ermöglichen es, das Band oder das Blech für die unterschiedlichsten Verwendungen, wie sie beispielsweise zuvor genannt worden sind, zu verwenden und gleichzeitig extrem geringe elektrische Widerstände bei der Stromführung bereitzustellen.
  • Gemäß einer weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bandes oder Blechs aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung bereitgestellt, bei welchem ein Walzbarren aus einer entsprechenden Aluminiumlegierung hergestellt wird, der Walzbarren für einen Zeitraum von 2 - 12 Stunden bei 550°C bis 610°C homogenisiert wird, auf einer Temperatur von 380°C - 500°C abgekühlt und bei dieser Temperatur für mindestens eine Stunde gehalten wird, der Walzbarren anschließend bei einer Temperatur von 280°C - 500°C warm gewalzt wird und optional einer Warmbandglühung bei einer Temperatur von 280°C - 380°C für mehr als einer Stunde unterzogen wird und anschließend optional auf Enddicke kaltgewalzt wird. Der bei der Homogenisierung sich einstellende Ausscheidungsgrad wird durch die Abkühlung auf eine Temperatur von 380°C - 500°C unmittelbar anschließend an das Homogenisieren verbessert. Die Warmwalztemperaturen von 280°C - 500°C sind gegenüber den üblichen Warmwalztemperaturen, welche bis zu max. 550°C betragen, leicht verringert. Hierdurch soll erreicht werden, dass durch das Warmwalzen nicht erneut Legierungsbestandteile in Lösungen übergehen, sondern vielmehr im ausgeschiedenen Zustand verbleiben. Das so hergestellte Warmband weist aufgrund des Ausscheidungszustandes sehr hohe Leitfähigkeiten auf und kann daher kostengünstig zur Herstellung von Kathodenblechen verwendet werden. Dies gilt auch für die sich optional nach der Warmbandfertigung anschließende Warmbandglühung, welche bei relativ niedrigen Temperaturen von 280°C - 380°C durchgeführt wird. Auch hier wird versucht über die moderaten Temperaturen keine weiteren großen Mengen an Legierungsbestandteile in Lösung übergehen zu lassen. An diesem Lösungszustand ändert sich prinzipiell auch durch das abschließende Kaltwalzen auf Enddicke nichts, so dass ein so hergestelltes Band sehr gute elektrische als auch mechanische Eigenschaften aufweist.
  • Alternativ kann der Walzbarren nach dem Homogenisieren auch auf Raumtemperatur abgekühlt werden und vor dem Warmwalzen erneut auf eine Temperatur von 380°C - 520°C erwärmt werden. Dies erleichtert die Logistik bei der Herstellung der Bänder, ohne dass es zu signifikanten Einbußen der mechanischen oder elektrischen Eigenschaften kommt. Wiederum erreicht man durch die moderaten Temperaturen, dass in ausgeschiedenem Zustand vorliegende Legierungsbestandteile nicht erneut in Lösung gehen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während des Kaltwalzens eine oder mehrere Zwischenglühungen bei einer Temperatur von 300°C - 450°C für eine Stunde bis 4 Stunden durchgeführt. Zwischenglühungen werden üblicherweise zur Einstellung der mechanischen Eigenschaften des kalt gewalzten Bandes an Enddicke durchgeführt.
  • Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weiter ausgestaltet werden, dass das fertig gewalzte Band einer Rückglühung bei einer Temperatur von 200°C - 350°C für mindestens eine Stunde unterzogen wird. Durch die Rückglühung in diesem Temperaturbereich wird nicht nur die mechanische Umformbarkeit des Bandes signifikant verbessert, sondern auch die Bildung von ausgeschiedenen intermetallischen Phasen unterstützt. Die elektrische Leitfähigkeit kann bei dem erfindungsgemäßen Band durch eine Rückglühung noch einmal gesteigert werden.
  • Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in den Figuren 1 bis 5 schematisch Ausführungsbeispiele vorteilhafter Verwendungen der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung.
  • In Tabelle 1 sind zwei erfindungsgemäße Aluminiumlegierungen mit ihren Legierungsbestandteilen in Gew.-% angegeben. Die Legierungen A und B ähneln sich sehr und unterscheiden sich lediglich signifikant im Titangehalt. Gemäß den in der Tabelle 1 angegebenen Werten entsprechen die Ausführungsbeispiele einer weiter optimierten
    Aluminiumlegierung mit folgenden Legierungsbestandteilen in Gew.-%:
    • 0,40 % ≤ Si ≤ 0,50 %,
    • 0,40 % ≤ Fe ≤ 0,50 %,
    • Cu ≤ 0,05 %,
    • 0,40 % ≤ Mn ≤ 0,50 %,
    • 0,35 % ≤ Mg ≤ 0,45 %,
    • Cr ≤ 0,03 %,
    • Zn ≤ 0,04 %,
    • Ti ≤ 0,05 %,
    Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen einzeln max. 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %, wobei für die Legierungsanteile der Legierungsbestandteile Si, Fe, Mn und Mg gilt:
    • |[Si%] - [Fe%]| ≤ 0,05 % und
    • |[Si%] - [Mn%]| ≤ 0,05 % und
    • |[Si%] - [Mg%]| ≤ 0,05 %.
    Tabelle 1
    Legierung Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti
    A 0,43% 0,45% 0,0040 % 0,44% 0,41% 0,0007 % 0,0064% 0,0057 % 0,0055%
    B 0,44% 0,46 % 0,0040 % 0,44% 0,41% 0,0006 % 0,0063% 0,0050 % 0,0081 %
  • Die Legierungsbeispiele A und B erfüllen darüber hinaus die Gleichungen:
    • |[Mn%] - [Fe%]| ≤ 0,05 % und
    • |[Mg%] - [Mn%]| ≤ 0,05 % und
    • |[Fe%] - [Mg%]| ≤ 0,05 %.
  • Die Legierungsbeispiele A und B wurden dann mit zwei verschiedenen Verfahren gemäß der Variante I und II zu Bändern und anschließend zu Blechen gefertigt, wobei sich die Variante I von der Variante II insbesondere durch das Vorbereiten des Walzbarrens und des Warmwalzens unterscheidet. Gemäß Variante I wurde der Walzbarren für 4 Stunden bei 550°C - 610°C homogenisiert und anschließend über 2 Stunden auf 400°C - 500°C gehalten und dem Warmwalzen zugeführt. Im Gegensatz dazu wurde bei der Verfahrensvariante II eine Homogenisierung für 12 Stunden bei 550°C - 610°C durchgeführt, der Walzbarren anschließend auf Raumtemperatur erkaltet und vor dem Warmwalzen auf 400°C - 500°C erwärmt.
  • Der Walzbarren wurde dann bei beiden Varianten auf eine Warmbanddicke von 7,5 mm warm gewalzt. Anschließend fand eine Warmbandglühung bei einer Temperatur von 300°C - 350°C für mehr als eine Stunde statt. Das so hergestellte Warmband wurde auf eine Dicke von 2,0 mm mit und ohne Zwischenglühung kalt gewalzt und einer Rückglühung mit verschiedenen Temperaturen zugeführt. Die Rückglühtemperaturen betrugen in den unterschiedlichen Versuchen 200°C, 250°C, 300°C und 350°C. Eine Übersicht über die Parameter der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2
    Variante I Variante II
    Homogenisierung für 4h bei 550- 610 °C, 2 h auf 400 °C bis 500 °C halten, Zuführung dem Warmwalzen Homogenisierung für 12h bei 550 °C bis 610 °C, auf Raumtemperatur erkalten lassen, Barren vor dem Warmwalzen auf 400 °C bis 500°C erwärmen
    Warmwalzen auf 7,5 mm
    Warmbandglühung bei 300°C bis 350 °C
    Kaltwalzen auf 2,0 mm mit /ohne Zwischenglühung
    Rückglühung bei einer Temperatur von 200 °C, 250 °C, 300 °C und 350 °C
  • Die daraus hergestellten Bänder wurden in einem zertifizierten Labor gemäß DIN in Bezug auf die Bruchdehnung A80mm, auf ihre Streckgrenze RP0,2 und Zugfestigkeit Rm sowie auf ihre elektrische Leitfähigkeit σ untersucht. Die Messergebnisse sind in Tabelle 3 eingetragen. Tabelle 3
    Versuch-Nr Variante Zwischenglühung Rückglühung [°C] A80mm [%] Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] σ [S/m]
    1 I Warmband - 44 40 104 32,1
    2 I - - 5,8 174,5 192 30,88
    3 I - 200 5,65 157 168 31,23
    4 I - 250 9,05 146 151,5 31,51
    5 I - 300 40,4 38,5 98 32,7
    6 I - 350 38,25 39,5 99 32,6
    7 I Ja - 5 155 164,5 31,38
    8 I Ja 250 12,1 128 139,5 31,63
    9 II Warmband - 42,8 38 99 31,2
    10 II - - 6,2 169 185,5 31
    11 II - 200 6,4 154 167 31,5
    12 II - 250 9,4 142 149,5 31,75
    13 II - 300 37,85 40,5 98 32
    14 II - 350 36,8 40 99 31,8
    15 II Ja - 5,35 150,5 159,5 30,8
    16 II Ja 250 11,3 123,5 136 31,12
  • Nicht überraschend wurde festgestellt, dass abhängig von der Temperatur der Rückglühung die Werte für die Festigkeit, Bruchdehnung und elektrische Leitfähigkeit stark variieren. Bei einer Rückglühtemperatur von bis zu 250 °C und einer Rückglühdauer von mindestens 1 Stunde betrug die Streckgrenze der gemäß der Variante I und II gefertigten Bleche noch über 140 MPa, während die Bruchdehnung und die elektrische Leitfähigkeit gegenüber dem walzharten Zustand deutlich erhöht werden konnten.
  • Bei einer Rückglühtemperatur von 300°C und höher sowie einer Rückglühdauer von mehr als 1 Stunde betrug die Streckgrenze der gemäß der Variante I und II gefertigten Bleche ca. 40 MPa. Die Leitfähigkeitswerte konnten durch die Rückglühung signifikant erhöht werden, jedoch bewegen sich diese auch im walzharten Zustand deutlich über denen von konventionellen Aluminiumlegierungen, die im Bereich zwischen 15 und 29 MS/m liegen. Die elektrische Leitfähigkeit von mehr als 30 MS/m liegen nahe an den Werten von hoch reinem Aluminium. Wie nicht anders zu erwarten war, änderte sich zunehmender Rückglühungstemperatur insbesondere auch mit abnehmender Streckgrenze die Bruchdehnung A80mm, wobei diese auf einen Wert von 37,5 % - 40 % anwuchs. Insgesamt zeigte sich, dass abgesehen von der Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit σ bei Erhöhung der Rückglühtemperaturen unabhängig von den eingestellten mechanischen Eigenschaften sehr hohe elektrische Leitfähigkeiten oberhalb von 30 MS/m zur Verfügung gestellt werden können.
  • Wie an den Beispielen Nr. 1 und Nr. 9 zu erkennen ist, erreichen auch die Warmbänder bereits sehr hohe Werte für die elektrische Leitfähigkeit. Beispielsweise Kathodenbleche für die Zinkelektrolyse können daher nur durch Warmwalzen und damit sehr kostengünstig aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung hergestellt werden.
  • Die besonderen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung machen sich insbesondere dann bemerkbar, sofern gute mechanische und sehr gute elektrische Leitfähigkeitseigenschaften gefordert werden.
  • Dies ist beispielsweise bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Steckverbinder 1 der Fall. Über den Steckverbinder 1 werden zwei stromführende Kabel oder Schienen 2a, 2b miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Steckverbinder 1 benötigen dabei eine gute mechanische Festigkeit, um eine ausreichend sichere Verbindung zu den Kabeln respektive Schienen 2a, 2b auszubilden und gleichzeitig einen möglichst geringen elektrischen Widerstand.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Verwendung der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung zeigt Fig. 2. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Platine 3 beispielsweise eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Die Leiterbahnen 4, die Teil einer Schaltungsanordnung sind, bestehen aus der erfindungsgemäß0en Aluminiumlegierung und ergeben somit die notwendige Festigkeit der Platine. Darüber hinaus erleichtert die im Vergleich zu hochreinem Aluminium deutlich verbesserte Festigkeit auch die Herstellung solcher Platinen aufgrund der verbesserten Handhabbarkeit der Leiterbahnen 4, da diese eine höhere Festigkeit aufweisen.
  • Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung ein Elektrodenblech 5, welches beispielsweise bei der Zinkelektrolyse eingesetzt werden kann und aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung besteht. In Fig. 3 ist zudem ein Kathodenblechhalter 5a schematisch dargestellt, der üblicherweise aber aus einer anderen Aluminiumlegierung besteht. Das Elektrodenblech 5 weist damit die notwendige mechanische Stabilität auf und ermöglicht einen verringerten elektrischen Widerstand bei der Zinkelektrolyse.
  • Schließlich zeigen die Fig. 4 und 5 ein Kabel 6 bzw. ein Flachbandkabel 7, deren Leiter 6a bzw. 7a aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung bestehen. Auch Kabel 4 bzw. Flachbandkabel 5 müssen mechanische Anforderungen erfüllen, welche durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung ohne weiteres erfüllt werden. Zudem stellt die Verwendung der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung einen kostengünstigen Ersatz von hochreinem Aluminium in den Kabeln dar.

Claims (11)

  1. Aluminiumlegierung für elektrisch leitfähige Produkte, welche die folgenden Legierungsbestandteile in Gewichtsprozent aufweist:
    0,25 % ≤ Si ≤ 0,7 %,
    0,25 % ≤ Fe ≤ 0,7 %,
    Cu < 0,1 %,
    0,25 % ≤ Mn ≤ 0,7 %,
    0,25 % ≤ Mg ≤ 0,7 %,
    Cr ≤ 0,1 %,
    Zn ≤ 0,1 %,
    Ti ≤ 0,1 %,
    Rest A1 und unvermeidbare Verunreinigungen einzeln maximal 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %,
    wobei für die Legierungsanteile der Legierungsbestandteile Si, Fe, Mn und Mg gilt:
    | [Si%] - [Fe%]| ≤ 0,1 % und
    | [Si%] - [Mn%]| ≤ 0,1 % und
    | [Si%] - [Mg%]| ≤ 0,1 %.
  2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungsbestandteile in Gewichtsprozent aufweist:
    0,4 4 % ≤ Si ≤ 0, 6 %,
    0, 4 % ≤ Fe ≤ 0, 6 %,
    Cu < 0,05 %,
    0, 4 % ≤ Mn ≤ 0,6 %,
    0, 4 % ≤ Mg ≤ 0,6 %,
    Cr ≤ 0,1 %,
    Zn ≤ 0,05 %,
    Ti ≤ 0,05 %,
    Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen einzeln maximal 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %,
    wobei für die Legierungsanteile der Legierungsbestandteile Si, Fe, Mn und Mg gilt:
    | [Si%] - [Fe%]| ≤ 0,1 % und
    |[Si%] - [Mn%]| ≤0,1 % und
    | [Si%] - [Mg%]| ≤ 0,1 %.
  3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Si-Gehalt den Mg-Gehalt übersteigt.
  4. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    für die Legierungsanteile der Legierungsbestandteile Si, Fe, Mn und Mg gilt:
    | [Si%] - [Fe%]| ≤ 0,05 % und
    | [Si%] - [Mn%]| ≤ 0,05 % und
    | [Si%] - [Mg%]| ≤ 0,05 %.
  5. Verwendung einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für elektrisch leitfähige oder stromführende Produkte.
  6. Verwendung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung für ein elektrisch leitfähiges Teil einer Schaltungsanordnung, eine Leiterbahn, einen elektrisch leitfähigen Steckverbinder, eine elektrische Platine, ein Kabel, ein Flachbandkabel oder ein Elektrodenblech verwendet wird.
  7. Band oder Blech bestehend aus einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Band oder Blech nach einer Rückglühung bei 250 °C für 1 bis 4 Stunden eine Streckgrenze Rp0,2 von mehr als 140 MPa und eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 31 MS/m, vorzugsweise mehr als 31,5 MS/m bei Raumtemperatur aufweist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Bandes aus einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem ein Walzbarren aus einer entsprechenden Aluminiumlegierung hergestellt wird, der Walzbarren für einen Zeitraum von 2h bis 12h bei 550°C bis 610 °C homogenisiert wird, auf eine Temperatur von 380 °C bis 500 °C abgekühlt und auf dieser Temperatur für mindestens 1h gehalten wird, der Walzbarren anschließend bei einer Temperatur von 280°C bis 500°C warmgewalzt wird und optional einer Warmbandglühung bei einer Temperatur von 280°C bis 380°C für mehr als 1h unterzogen wird und anschließend optional auf Enddicke kaltgewalzt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass alternativ der Walzbarren nach dem Homogenisieren auf Raumtemperatur abgekühlt wird und vor dem Warmwalzen auf eine Temperatur von 380°C bis 520°C erwärmt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass während des Kaltwalzens eine oder mehrere Zwischenglühungen bei einer Temperatur von 300°C bis 450°C für 1h bis 4h durchgeführt werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das fertig gewalzte Band einer Rückglühung bei einer Temperatur von 200°C bis 350°C für mindestens 1h unterzogen wird.
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