FI60462C - Elektrisk ledare av aluminiumlegering - Google Patents

Description

E5SF7] r , KUULUTUSjULKAISU , Λ , , 0 «ΜΑ IBJ v1) UTLAGG NI NGSSKRI FT 604 62 C /^ftatenttl myönnetty 11 01 1932 (äÄjy * Patent aeddelat V (51) Kv.ik.3/Int.a.3 H 01 B 1/02, C 22 C 21/00 SUOMI-FINLAND (21) Pw«nttlh»k#mu« — PumtaiwSknlng 1296/73 (22) Hakamlspilv· — Ani6knlngtdag 2H.0l.73 (23) Alkuptlvt — Glltlgheudag 2l.0l.73 (41) Tulkit Julkiseksi — Bllvlt offsntllg 28.10.73

Patentti· ja rekisterihallitus .... .... ... . . . .. ,, , p„. . _' ,.. , (+4) NlhtlvUttlpsnon )»kuul.|utk»l*un pvm. — __ nn o.

Patent- och registerstyrelsen Ansökan utltgd och uti.skriftsn pubikurad 30.09· ol (32)(33)(31) Pyydetty «uolksus —Begird priority 27-01-72

Ruotsi-Sverige(SE) 5519/72 (71) AB Elektrokoppar, Helsingborg, Ruotsi-Sverige(SE) (72) Anders Olof Sundin, Hälsingborg, Wolfgang Artur Bronnvall,

Hittarp, Ruotsi-Sverige(SE) (7l) Berggren Oy Ab (5l) Sähköjohdin alumiiniseoksesta - Elektrisk ledare av aluminium-legering

Esillä oleva keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaiseen sähköjohtimeen.

Alumiinia sähköisenä johdinmateriaalina käytettäessä vaaditaan normaalisti, että sen johtokyvyn on noustava yli tietyn minimiarvon. Tavallisesti vaaditaan, että johtokyvyn on oltava vähintään 6l % hehkutetun kuparin kansainvälisen standardin (International Annealed Copper Standard) mukaisesta johtokyvystä. Tämä edellyttää sitä, että voidaan olettaa alumiinin sisältävän pieniä määriä muita ainesosia kuten esimerkiksi rautaa ja piitä. Joissakin tapauksissa voidaan hyväksyä annetun arvon hieman alittava johtokyky. Näin on asianlaita erikoisesti silloin, kun alumiinin käytöllä saavutetaan muita etuja, kuten esimerkiksi paremmat mekaaniset ominaisuudet.

Alumiinia voidaan käyttää sähköisenä johdinmateriaalina mm. kaapeleissa ja johdoissa, sähkömoottoreiden ja -laitteiden käämi-lankana ja esim. asetuslaitteiden kiskoissa.

Kun alumiinia käytetään sähköisenä johdinmateriaalina niin syntyy suuria vaikeuksia tehokkaan kosketuksen aikaansaamisessa johtimen ja liitäntälaitteen, kuten esim. puristimien tai kaapeliken-kien välille. Erityisen huomattavia vaikeuksia esiintyy silloin,kun 60462 kosketus alumiinijohtimien ja liitäntälaitteen välillä on puhtaasti mekaaninen, kuten esimerkiksi ruuvi- ja puristinliitoksissa. Vaikka asennuksen yhteydessä kyettäisiinkin saamaan aikaan hyvä kosketus, ts. alhainen siirtymävastus, alumiinijohtimen ja liitäntälaitteen välille, niin on osoittautunut että siirtymävastus lisääntyy ajan mukana, erityisesti silloin, kun kosketus on alttiina lämmön ja/tai kosteuden vaikutukselle. Vaikeuksia on yritetty välttää useilla eri tavoilla. On mm. tunnettua varustaa alumiinipinta toisesta metallista tehdyllä päällyksellä, joka pitkäaikaisenkin käytön yhteydessä vaihtuvien olosuhteiden alaisena säilyttää alhaisen siirty-mävastuksen liitäntälaitteen suhteen, kuten hopeasta, tinasta, nikkelistä, kuparista ja sinkistä tehdyillä päällyksillä. Tämä voidaan saada aikaan esim. suorittamalla päällystys elektrolyyttisesti näiden metallien avulla. On myös käytetty menetelmää kuparijohtimen yhdistämiseksi alumiinijohtimeen kylmäpuristushitsauksen avulla niissä kohdissa, joissa johdin on saatettava kosketuksiin liitäntälaitteen kanssa. Toisena tunnettuna tapana, jota käytetään yritettäessä estää siirtymävastuksen lisääntyminen, on varmistua siitä, että tarpeellinen kosketuspaine vallitsee koko ajan alumiinijohdon ja liitäntälaitteen välillä. Eräs keino tämän aikaansaamiseksi on käyttää joustavaa liitäntälaitetta. Aikaisemmin tunnetut menetelmät edellyttävät kuitenkin joko ylimääräisiä ja liian kalliita toimintavaiheita tai saavat aikaan pitkällä tähtäyksellä epätyydyttävän kosketuksen ja liian korkean siirtymävastuksen alumiinijohtimen ja liitäntälaitteen välille.

Eräänä toisena ongelmana alumiinijöhdinta käytettäessä on ylläpitää ennakolta määrättyjä ominaisuuksia kokonaisuutena ajatellen tuotetta valmistettaessa. Tämä koskee erikoisesti sitä, että sellaiset mekaaniset ominaisuudet kuten murtolujuus ja venyminen riippuvat voimakkaasti mekaanisen muokkauksen ja lämpökäsittelyn käyttöedellytyksistä .

Esillä olevan keksinnön mukaisesti nämä välittömästi liitäri-tälaitteeseen yhdistettävissä olevaan ja siten alhaisen siirtymävastuksen tarjoamaan alumiinijohtimeen liittyvät ongelmat, silloinkin kun kosketus on alttiina lämmön ja/tai kosteuden vaikutukselle, ratkaistaan siten, että johdin samalla säilyttää ennakolta määrätyt hyvät ominaisuudet, kuten esim. hyvät virumisominaisuudet, ja että johtimen avulla on myös mahdollista saavuttaa suuruudeltaan ainakin 6l % IACS oleva johtokyky. Johtimen hyvät virumisominaisuudet edellyttävät, että kosketuspaine johtimen ja liitäntälaitteen avulla pi- 60462 3 detään yllä tehokkaalla tavalla.

Esillä olevalle keksinnölle on tunnusomaista, että johdin-aine sisältää ainakin 98,5 paino-# alumiinia, 0,001-0,10 paino-# berylliumia, 0,05-0,35 paino-# kuparia ja 0,01-0,20 paino-# magnesiumia, niin että berylliumin, kuparin ja magnesiumin yhteenlaskettu määrä on korkeintaan 0,50 paino-#, ja jolloin johdinaineen loppuosa muodostuu alumiinijohtimiin normaalisti sisältyvistä elementeistä.

Keksintö koskee myös tällaisen sähköjohtimen valmistustapaa, jolle on tunnusomaista, että alumiiniin lisätään 0,001-0,10 paino-# berylliumia, 0,05-0,35 paino-# kuparia ja 0,01-0,20 paino-# magnesiumia, niin että berylliumin, kuparin ja magnesiumin yhteenlasketut määrät ovat korkeintaan 0,50 paino-# ja seoksen alumiinipitoisuus on ainakin 98,5 paino-#, minkä jälkeen seos muodostetaan muodoltaan valmiiksi johtimeksi.

Johtimen alumiinipitoisuus nousee siis ainakin 98,5 paino-#: / iin, sopivimmin vähintään 99,0 paino-#:iin. Erityisesti suositellaan alumiinipitoisuudeksi ainakin 99,2 paino-#. Alumiiniseos sisältää lisäksi edullisesti piitä, pitoisuuden ollessa 0,02-0,12 paino-# ja rautaa pitoisuudessa 0,05-0,45 paino-#, ts. näiden aineiden normaalisti käytettyinä pitoisuuksina. Edelleen voi alumiiniseos sisältää pieniä määriä muita siihen johdinmateriaalina usein liittyviä ainesosia kuten kromia, titaania, sirkoniumia, vanadiinia, molybdeenia, booria, tinaa, sinkkiä, kadmiumia, mangaania, nikkeliä, kobolttia, antimonia ja harvinaisia maametalleja. Alumiinin lisäainesosien yhteenlaskettu pitoisuus alumiinia käytettäessä johdinmateriaalina saa olla korkeintaan 1,5 paino-#, sopivimmin korkeintaan 1,0 paino-#. Erityisesti suositellaan alumiinin lisäainesten kokonaispitoisuudeksi korkeintaan 0,8 paino-#.

Beryllium, kupari ja magnesium lisätään etupäässä esiseokse- * na sulaan alumiiniin, mutta ne voidaan myös lisätä puhtaassa muodossa suoraan alumiiniin. Esimerkkinä suuresta määrästä käytössä olevia esiseoksia voidaan mainita berylliumi-alumiiniseos, joka sisältää 5 paino-# berylliumia ja 95 paino-# alumiinia, kupari-alumiiniseos sisältäen 20 paino-# kuparia ja 80 paino-# alumiinia sekä magnesium-alumiiniseos sisältäen 25 paino-# magnesiumia ja 75 paino-# alumiinia. Myös muita ainesosia, joiden on lopullisesti sisällyttävä valmiiseen tuotteeseen, lisätään sulaan alumiiniin siinä määrin kuin ne eivät sisälly alusta pitäen raaka-alumiinimassaan. Sula " 60462 massa valetaan tämän jälkeen tavanomaisten menetelmien mukaiseksi valokseksi, joka valssauksen, puristuksen tai muunlaisen menettelytavan, tavallisesti lämpökäsittelyn, avulla saatetaan haluttuun muotoon, esim. valssatuiksi langoiksi, nauhoiksi tai levyiksi. Tätä seuraa usein kylmämuokkaus, esim. valssaus tai veto valmiin tuotteen saattamiseksi halutunkokoisiksi, esim. käämilangaksi. Esillä olevan keksinnön mukainen alumiinijohdin alistetaan sopivimmin lämpökäsittelyn alaiseksi joko valmiin tuotteen yhteydessä tai jossain aikaisemmassa valmistusvaiheessa. Esillä olevan keksinnön eräänä tärkeänä ominaisuutena on se, että kämpökäsittely voidaan suorittaa valmiin tuotteen, ts. valmiin johtimen yhteydessä, ja että valmiin tuotteen ennakolta määrätyt ominaisuudet voidaan saavuttaa myös erittäin vaih-te le vien lämpökäsitteljfedellytysten alaisina. Lämpökäsittely suoritetaan etupäässä 250~350°C:ssa 0,5_20 tunnin, sopivimmin 0,5-10 tunnin aikana, mutta se voi myöskin tapahtua muiden tavanomaisten käyttöedellytysten vallitessa. Tietyissä sovellutuksissa, kuten esim. ilmajohdoissa, saavutetaan alumiinijohtimen sopivimmat ominaisuudet ilman lämpökäsittelyä. Joissakin sovellutuksissa, kuten esim. levyjen kuumapursotuksessa on kaavauksen yhteydessä tapahtuva lämpökäsittely useinkin riittävä.

Keksintöä selostetaan lähemmin seuraavassa sovellutusesimerkkien avulla oheisiin piirustuksiin viitaten, joissa kuviot 1-3 esittävät keksinnön mukaisen alumiinijohtimen ominaisuuksia.

Esimerkki 1 99,68 paino-osaa raakamateriaalia käsittäen 99,7 paino-# alumiinia, 0,17 paino-# rautaa, 0,07 paino-# piitä, 0,01 paino-# sinkkiä sekä booria, titaania, vanadiinia ja mangaania, joiden kaikkien paino-# on alle 0,005, sulatetaan uunissa ja tähän lisätään 0,01 paino-osaa berylliumia, 0,23 paino-osaa kuparia ja 0,0ä paino-osaa ma gne s iumi a , jolloin beryllium, kupari ja magnesium seostuvat alumiinin kanssa. Sula massa valetaan Properzi-koneessa ja lämpövalssataan langaksi, jonka Holmitta on 9,5 mm. Tämä lanka vedetään tämän jälkeen vetokoneessa läpimitaltaan 2,0 mm olevaksi langaksi. Lanka lämpökäsitellään sitten lämmittämällä se noin 300°C:een kahden tunnin ajan yhden ilmakehän paineessa. Koekappaleita tästä langasta säilytetään yhdessä vastaavanlaisen ilman beryllium-, kupari, ja magnesiumlisäystä valmistetun langan koekappaleiden kanssa sekä lämpökaapissa 100°C:ssa että kosteuskaapissa 60°C:ssa. Siirtymävastus liitäntälaitteena toimivaan puristimeen mitataan päivittäin. Kun siirtymävastus beryllium-, kupari- ja magnesiumlisäyksellä varustettujen molempien koekappaleiden 5 60462 yhteydessä pysyy muuttomattomana vielä äoo koetunnin jälkeenkin ulkopuolisiin olosuhteisiin verrattuna, niin ilman näitä lisäyksiä olevan langan siirtymävastus kasvaa koekappaleiden kohdalla sekä lämpö-että kosteuskaapissa 100 tunnin jälkeen enemmän kuin 10 kertaiseksi ulkopuolisiin olosuhteisiin verrattuna. Lämpökäsitellyn langan veto-murtoraja on 13, 5 kp/mm^ ja murtovenymä 13 %. Johtokyky on 6l,5 % IACS.

Esimerkki 2 98,18 paino-osaan esimerkissä 1 käytettyä raakamateriaalia lisätään sulatuksen jälkeen 0,6 paino-osaa beryllium-alumiiniseosta käsittäen 5 Paino-* berylliumia ja 95 paino-3 alumiinia, ja edelleen 0,5 paino-osaa kupari-alumiiniseosta, käsittäen 20 paino-/» kuparia ja 80 paino-* alumiinia, sekä 0,72 paino-osaa magnesium-alumiiniseosta, käsittäen 25 paino-!? magnesiumia ja 75 paino-£ alumiinia. Sula massa valetaan ja käsitellään esimerkissä 1 selostetulla tavalla. Tuloksena olevalla käämi langalla on myös tässä tapauksessa huomattavasti alhaisempi siirtymävastus lämpö- ja kosteuskäsittelyn jälkeen kuin vastaavalla langalla ilman lisäyksiä.

Esimerkki 3 99,70 paino-osaan esimerkissä 1 käytettyä raakamateriaalia lisätään sulatuksen jälkeen 0,02 paino-osaa berylliumia, 0,20 paino-osaa kuparia ja 0,08 paino-osaa magnesiumia. Sula massa valetaan ja käsitellään esimerkissä 1 selostetulla tavalla, niin että valssatun langan veto tapahtuu läpimittaan 1,78 mm. Lämpökäsittely suoritettiin esimerkissä 1 selostetulla tavalla. Lämpökäsitellyn langan johtokyky on 61, % IACS. Virumisominaisuuksien mittaamiseksi lanka jännite tään tasaisen levyn ja tasaisella päätepinnalla varustetun ruuvin väliin kuormituksen ollessa 30 kp. Jäljellä oleva kuormitus mitataan eri aikavälein aina 500 tuntiin asti. 500 tunnin jälkeen on kuormi-tusta jäljellä vielä 26 kp. Samanlaiselle ilman beryllium-, kuparina magnesiumlisäyksiä olevalle langalle on vastaava arvo 15 kD ja siirtymävastus lämpö- ja kosteuskäsittelyn jälkeen huomattavasti korkeampi. Lämpökäsitellyn langan vetomurtoraja on 1*4 kp/mm2 ja murtovenymä 12 !?.

Esimerkki *4

Kokonaispainoltaan esimerkissä 3 selostetun kaltainen lanka valetaan, valssataan ja vedetään langaksi, jonka läpimitta on 0,50 mm. Lämpökäsittely suoritetaan 300°C:ssa ja kappale lankaa otetaan ulos puolen tunnin välein 15 tuntiin asti ja tutkitaan murtovetolujuuden, nurtovenymän ja sähköisen johtokyvyn suhteen. Saadut tulok- 6 60462 set on piirretty kuvioissa 1-3, joissa kuvio 1 esittää murtolujuuden riipnuvuutta lämpökäsittelyäjasta, kuvio 2 murtovenymän riippuvuutta lämpökäsittelyäjasta sekä kuvio 3 sähköisen johtokyvyn riippuvuutta lämpökäsittelyäjasta. Kuvioiden perusteella johdin saavuttaa lyhyen lämpökäsittelyäjän kuluttua tavallisia käänilanka- ja kaapelityyppejä varten edullisen ominaisuusyhdistelmän ja tämä edullinen ominaisuus-yhdistelmä ei katoa lämpökäsittelyn jatkuessa.

Claims (3)

7 60462

1. Elektrisk ledare med en elektrisk ledningsförmäga av minst 59 # av den för glödgad koppar enligt internationell standard (International Annealed Copper Standard, IACS), känneteck-n a d därav, att ledarmaterialet innehäller minst 98,5 vikt-# aluminium, 0,001-0,10 vikt-# beryllium, 0,05-0,35 vikt-# koppar och 0,01-0,20 vikt-# magnesium, varvid sammanlagda rnängden beryllium, koppar och magnesium utgör högst 0,50 vikt-# och varvid res-ten av ledarmaterialet utgöres av i aluminiumledare normalt, före-kommande element.

1. Sähköjohdon, jonka sähkönjohtokyky on ainakin 59 % hehkutetun kuparin johtokyvystä kansainvälisen standardin mukaisesti (International Annealed Copper Standard, IACS), tunnettu siitä, että johdinaine sisältää ainakin 98,5 paino-# alumiinia, 0,001-0,10 paino-# berylliumia, 0,05-0,35 paino-# kuparia ja 0,01-0,20 paino-# magnesiumia, niin että berylliumin, kuparin ja magnesiumin yhteenlaskettu määrä on korkeintaan 0,50 paino-#, ja jolloin johdinaineen loppuosa muodostuu alumiinijohtimiin normaalisti sisältyvistä elementeistä.

2. Elektrisk ledare enligt patentkrav 1, kännetecknad därav, att halten aluminium i ledaren uppgär tili minst 99,0 vikt,-#.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sähköjohdin, tunnettu siitä, että johtimen alumiinipitoisuus on ainakin 99,0 paino-#.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen sähköjohdin, tunnet-t u siitä, että johdinäine sisältää 0,02-0,12 paino-# piitä ja 0. 05.0,^5 paino-# rautaa.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen sähköjohdin, tunnettu siitä, että se on langan muodossa.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukaisen sähköjohtimen valmistustapa, tunnettu siitä, että alumiiniin lisätään 0,001-0,10 paino-# berylliumia, 0,05-0,35 paino-# kuparia ja 0,01-0,20 paino-# magnesiumia, niin että berylliumin, kuparin ja magnesiumin yhteenlasketut määrät ovat korkeintaan 0,50 paino-# ja seoksen alumiinipitoisuus on ainakin 98,5 paino-#, minkä jälkeen seos muodostetaan muodoltaan valmiiksi johtimeksi.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen tapa, tunnettu siitä, että valmis johdin hehkutetaan.

3. Elektrisk ledare enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e -