FI62475C - Foerfarande foer tillverkning av en ledningstraod av aluminium - Google Patents

Description

Γ.."Μ .... KU ULUTUSJULKAISU ^ 4$Γα ^ 11 UTLÄGGN I NOSSKM FT 624 75 C Patentti myönnetty 10 01 1903 (^Patent rr.ciuolat (S1) Kv.!k?/1ntCI.3 c 22 F 1/04 SUOMI—FINLAND (21) fWtt!h*k«mu*-i*»tw»t«ekNn| 561+/70 (22) H»k«ml*pllvt — AiwOknlnstdai 03.03.70 * * (23) AlkupUvi—Giltl|h*udaf 03.03.70 (41) Tullut lulktMksI — Bllvlt jq

Patentti- j· r*ki«t«rih»llitu· /44) NlhUvikstp^on j. kuul,|ulk..*in pvm.-

Patant· och ragietaratyraltan ' AiwdkM uti^d och uti.»krifwn pubikarad 30.09.82 (32)(33)(31) Pyrdtttjf «uollwui —fefird pr+orlm 01+.03.69 Unkari-Ungern(HU) MA-19I+7 (71) Magyar Aluminiumipari Tröszt, Pozsony i ut 56, Budapest XIII,

Femipari Kutato Intlzet, FehervEri ut ll+l+, Budapest XI,

Unkari-Ungem( HU) (72) Andräs Domony, Budapest, Tibor Laar, Budapest, Endre Mucsy,

Budapest, Mihälyne Zakar, Budapest, Uhkari-Ungern(HU) (7*0 Oy Kolster Ab (5I+) Menetelmä johtimen valmistamiseksi alumiinista - Förfarande för tillverkning av en ledningsträd av aluminium

Keksintö koskee menetelmää johdinlangan valmistamiseksi alumiinista, jolloin hehkutettu lämpömuokkauksella valmistettu raakalanka ohennetaan kylmänä 60...98 % plastisella muokkauksella niin, että materiaalin lämpötila ei sen aikana nouse yli 100 °C, lopuksi lämpökäsitellään loppumittainen lanka - riippuen koostumuksesta - 80...220 °C lämpötilassa.

Seostamaton alumiinijohdin valmistetaan taloudellisista syistä yleensä sulattoalumiinista, jonka alumiinipitoisuus on 99,5 ...99,9 %. Siihen jääneet muutamia kymmenesosa % olevat vieraat elementit huonontavat tosin langan johtokykyä, mutta ne lisäävät samalla kestävyyttä, niin että on siis epätaloudellista valmistaa lankaa 99,99-prosenttisesta alumiinista.

Langan sähkönjohtokykyyn ja kestävyyteen vaikuttaa huomattavassa määrin vieraiden elementtien määrä - varsinkin Fe, Cu, Ti, V ja B -, joita on alumiinissa. Alkuaineiden koostumukset, jotka sopivat langanvalmistukseen, kehitettiin viime vuosikymmeninä.

2 62475

On tunnettua, että kylmämuokkauksen muuttamat ominaisuudet (esim. lujuus, sähkövastus) lähenevät seuraavassa lämpökäsittelyssä erilaisella nopeudella niitä arvoja, jotka niillä oli ennen muokkausta.

Edelleen on tunnettua, että jokaisen metallin johtokyky -myöskin alumiinin - huononee vähemmän vieraiden elementtien vaikutuksesta, jos ne ovat eri faasissa, kuin jos ne muodostaisivat kiinteän liuoksen perusmetallin kanssa. Edelliseen nähden voidaan tietysti metallien johtokykyä parantaa mielivaltaisilla koostumuksilla. Huomattava menestys, ts. erinomaista laatua oleva johdin-lanka voidaan saavuttaa vain jos perusmetallin koostumus määrätään aikaisemmin selvitettyjen näkökohtien mukaisesti ja alkuaine käsitellään keksinnön mukaisella menetelmällä.

Langanvalmistuksen tunnettu, perinnäinen teknologia muodostuu kahdesta työvaiheesta, nim. lämpömuokkauksesta, joka voi olla joko valssausta tai puristusta, ja kylmämuokkauksesta, joka tavallisesti on useampivaiheista vetämistä.

Erään aikaisemman mielipiteen mukaan haittaa langan johto-kykyä ratkaisevasti lämpömuokkauksen lämpötila, mutta sen lujuus lisääntyy kylmämuokkausasteen mukaan. Myöhemmin havaitiin, että johtokyvyn parantamisen vuoksi olisi suurempi ja lujuuden lisäämisen vuoksi pienempi muokkauslämpötila edullisempi. Sovitteluna näiden kahden katsantokannan välillä tuli lämpömuokkaus 400 ja 450 °C välillä yleiseksi.

Näistä ajatuksista seuraa - ja se on jo toteutettu - että molemmat ominaisuudet ovat parannettavissa, jos harkkoa ensin hehkutetaan 450...600 °C asti johtokyvyn parantamisen vuoksi, sitten jäähdytetään hitaalla jäähdytyksellä huoneen lämpötilaan ja sen jälkeen muokataan kylmämuokkauksella tätä alemmassa lämpötilassa. Epäedullisesti vaikuttaa kuitenkin se, että toteuttamista varten on perustettava uunikapasiteettia ja energian kulutus on suuri (kts. kuv.1).

Raakalangan valmistuksessa on viime aikoina yleistynyt -yllämainitun perinteellisen (tavallisen) teknologian ohella -valuvalssausmenetelmä.

Tässä tapauksessa kuluu juoksevan metallin jähmettymisen ja muokkauksen välillä niin lyhyt aika, että sen kuluessa ei voi esiintyä edes sellaista johtokyvyn muutosta kuin tavallisesti ai- 3 62475 haisimmassa lämpötilassa suoritetun lämpömuokkauksen aikana tai edeltävän kuumentamisen aikana.

Juuri sentähden voidaan valuvalssausmenetelmällä samasta alkuaineesta valmistaa lankaa, jolla on pienempi johtokyky, kuin perinteellisellä teknologialla. Valuvalssausmenetelmän tuottoisuus ja tankovalukustannuksien poisjääminen tekevät mahdolliseksi välttää puhtaampaa, siis kalliimpaa alkuainetta samanlaatuisen lopputuotteen valmistamiseksi.

Keksinnön perustana on tehtävä käyttää alkuaineessa olevia langanvalmistuksen mahdollisuuksia hyväksi paremmin kuin tähän asti, ts. valmistaa lankaa, jolla on suurempi johtokyky ja suurempi lujuus, mahdollisimman alhaisin kustannuksin.

Yllämainittu päämäärä saavutetaan keksinnön mukaan siten, että kun käytetään alkuainetta, jossa on vähintään 99,0 % alumiinia, niin kylmämuokkauksen aste valitaan niin, että langan vetolujuus loppumitassa ylittää lopullisen lujuusarvon 5...20 %:lla ja loppulämpökäsittely jatkuu niin kauan kunnes langan lujuus putoaa langan lopulliseen lujuusarvoon. Plastisen kylmämuokkauksen aikana kohoaa langan lujuus - hyvin korkea-asteiseen muokkaukseen asti - jatkuvasti, sitävastoin vähenee sen sähkönjohtokyky alussa nopeasti ja sen jälkeen se vähenee tai lisääntyy - vetämisen vaiheiden välillä mitattuna - vuorotellen.

Tästä huomiosta voisi päätellä, että monien vetovaiheiden jälkeen on tapahtunut liian aikainen uudestaan kitetytymisen (pehmenemisen) vaihe, jossa johtokyvyn uudistuminen jo alkaa, mutta lujuus ei vielä vähene oleellisesti. Onnellisessa tapauksessa voi tämä johtokyvyn spontaani parantuminen tapahtuakin pienessä määrässä juuri tosimittaan vetämisen jälkeen, mutta sen epävarmuus aiheuttaa valmiin langan johtokyvyn huomattavaa vaihtelua.

Keksinnön mukaisen menetelmän viimemainittu toimenpide (menetelmä-askel) - nim. lämpökäsittely loppumitassa - vähentää laatuvaihtelua ja parantaa langan johtokykyä, mutta tämän lämpökäsittelyn vaikutuksesta - yhtäaikaa johtokyvyn kasvamisen kanssa -alkaa myös lujuuden hidas aleneminen. On siis uhrattava osa muokkauksella saavutetusta lujuudesta, jotta voitaisiin saavuttaa 0,4 2 ...0,6 ohmi mm /km vastuksen väheneminen. Tämä uhraus voidaan siten tehdä mahdolliseksi, että keksinnön mukaisen menetelmän edelläkäyvillä vaiheilla voidaan saavuttaa 20...30 % lujuusyli-jäämä verrattuna ankarimpiin ohjeisiin lisäämättä valmistuskus- 4 62475 tannuksia.

Keksinnön mukaisen menetelmän selityksessä ei ole numerol- 2 lisesti määritelty miten monta kp/mm on langan lujuutta kohotettava muokkausella ja miten monta sitä on alennettava lämpökäsittelyn seurauksena. Syynä siihen on, että tavanomaiset kansainväliset ohjeet määräävät vaatimukset langan lujuudelle mitasta riippuvaisesti .

Keksinnön mukaisella menetelmällä on mahdollista valmistaa mielivaltaisesti tavallisesta alkuaineesta lankaa, jolla on parempi johtokyky ja sama lujuus, kuin tähän asti käytetyillä teknologioilla. Menneiden vuosikymmenien aikana valmistajat pyrkivät parantamaan johtokykyä ensi sijassa kohottamalla alkuaineen puhtautta. Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan saavuttaa 0,4...0,6 ohmi mm /km vastuksen väheneminen taloudellisemmin kuin yksinomaan alkuaineen puhtautta edelleen kohottamalla.

Tämän keksinnönmukaisen lämpökäsittelyn johtokykyä parantava vaikutus lisääntyy myös sen johdosta, että pienessä lämpötilassa vallitseva kiinteän liuoksen tasapainokonsentraatio lähenee nopeasti voimakkaan kylmämuokkauksen jälkeen - suuren ristik-kovirhekonsentraation vaikutuksen johdosta, kun taas valetussa tilassa siihen tarvittaisiin eitoteutettavissa olevan pitkä lämpökäsittely. Tästä ilmiöstä on samanaikaisen johtokyvyn paranemisen ohella seurauksena myöskin määrätty erkautumiskarkeneminen. Kylmämuokkauksen aikana täytyy lämpiämisen sentähden olla rajoitettua, koska ylilämpiäminen yksityisten vetovaiheiden välillä aiheuttaa samanlaisia seikkoja kuin lämpömuokkaus loppumitassa, mutta - siitä poiketen - ovat seuraukset tässä vahingoillisia, koska johtokyvyn parantuminen hävitetään seuraavalla muokkauksella, mutta lujuuden väheneminen jää ja voi olla mukana vielä tosi-mitassakin .

Tätä keksintöä selitetään seuraavassa tarkemmin muutamilla suoritusesimerkeillä viitaten piirustuksiin. Ne esittävät:

Kuvio 1: Lämpökäsittelyä erään tunnetun menetelmän mukaan, kaavamaisesti.

Kuvio 2: Lämpökäsittelyä erään keksinnön mukaisen menetelmän mukaan, kaavamaisesti.

Kuvio 3: Ominaisen sähkövastuksen ja lujuuden muuttumista eräässä keksinnön mukaisessa suoritusesimerkissä.

5 62475

Kuvio 4: Ominaisen sähkövastuksen ja lujuuden muuttumista eräässä toisessa keksinnön mukaisessa suoritusesimerkissä.

Kuvio 5: Yllämainittuja muuttumisia eräässä toisessa keksinnön mukaisessa suoritusesimerkissä.

Verrattaessa kuvioita 1 ja 2 tulee selvästi esiin se eroavaisuus, että tavallisessa menetelmässä on kaksi kuumennusta, mutta keksinnön mukaisessa menetelmässä vain yksi kuumennus.

Kokeilujen tuloksena on todettu, että saavutettava johto-kyvyn parantuminen ja takaisinjäähdyttämisen nopeus on riippuvainen keksinnön mukaisessa menetelmässä kuumentamisen ensimmäisessä vaiheessa toteutetuista lämpötilasuureista. Parhaat tulokset voitiin saavuttaa lyhyellä kuumentamisella 500 ja 550 °C välille ja jäähdytysnopeuden ollessa maks. 40...100 °C/h. Kuumennuslämpötilaa alennettaessa voidaan jäähdyttämisnopeutta korottaa ja kuu-mennusajan pidentäminen on edullista. Kuumennusolosuhteiden optimi ennen lämpömuokkausta on merkittävästi riippuvainen alkuaineen koostumuksesta.

Eräs toinen keksinnön mukaisen menetelmän tarkoituksenmukainen suoritusmuoto on siinä, että raakalanka joka on valmistettu valuvalssimenetelmällä, lämpökäsitellään ennen kylmämuokkausta 150...300 °c lämpötilassa. Tämä lämpökäsittely korvaa osaksi ne johtokykyä lisäävät lämpövaikutukset, jotka - perinteellisessä työskentelyssä - vaikuttavat harkkoon ennen muokkausta. Koska muokkauksen aiheuttamat ristikon vääntymiset nopeuttavat vieraiden elementtien erottumista, voidaan tällä tavalla saavuttaa vastaava johtokyvyn parantuminen vielä ennen raakalangan täydellistä pehmenemistä.

Eräässä toisessa keksinnön mukaisen menetelmän suoritusmuodossa liittyy lämpökäsittely tosimitassa kuljetuksen ratonali-sointiin, niin että lämpökäsittely suoritetaan kuljetusradalla langanvetolaitoksesta kaapelinvalmistustyöpajoihin tai varastoon. Lankarenkaat, jotka otetaan langanvetokoneesta, on asetettava tai ripustettava enintään irtonaisesti liitettyinä kuljetusrataan, niin että lämmönsiirtoväliaine - joka tarkoituksenmukaisesti on ilmaa - kulkee hyvin nipun läpi. Kuljetusrata on suljettava lämpöä eristävään vuoraukseen. Vuorauksen sisään on tarkoituksenmukaista taata lämpötilan tasaisuus keinotekoisella kierrolla ja automaattisella lämmönsäädöllä.

6 62475

Laitosta suunnitelman mukaisesti pysäytettäessä on langat, jotka vielä ovat kuljetusradalla lämpökäsittelyä varten, vietävä pois. Laitoksen pysähtyessä odottamatta, esim. virran katketessa, on vahingollinen lämpökäsittelyn piteneminen estettävä avaamalla lämpöä eristävä vuoraus. Lämpökäsittelyä palveleva kuljetusrata on tarkoituksenmukaisesti asetettava korkealle, katon ja muiden laitteiden väliin.

Eräs edullinen keksinnön mukaisen menetelmän mahdollisuus on, että lämpökäsittely tosimitassa voidaan yhdistää langan pintakäsittelyyn. Etupäässä langoissa, joita käytetään kuluttavissa olosuhteissa, voi olla tärkeää lisätä lankojen syövytyskestävyyt-tä. Tässä tapauksessa on tarkoituksenmukaista suorittaa lämpökäsittely syövytyskestävyyttä synnyttävää kerrosta tai päällystä muodostavassa väliaineessa, mikä parantaa johtokykyä.

Alempana selitetään keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettujen lankojen ominaisuuksia tarkemmin suoritusesimerkkien nojalla verrattuna lankoihin, jotka on valmistettu tunnetuilla menetelmillä.

Useampia koostumuksia käsittäviä sulattoalumiininäytteitä käsiteltiin erilaisilla, keksinnön mukaista menetelmää vastaavilla menetelmillä ja lopuksi tutkittiin miten langan vastus ja lujuus muuttuu, jos se lämpökäsitellään tosimitassa.

Esimerkki 1

Sulasta EAl 99,8 (Fe 0,11, Si 0,09 %) valettiin kaksi pu-ristusharkkoa, joista toista kuumennettiin johtokyvyn parantamiseksi tunnetulla tavalla 500 °C lämpötilassa kaksi tuntia, sen jälkeen jäähdytettiin hitaasti huoneenlämpöön asti, sitten puristettiin molemmat harkot 200 °C. Puristettu lanka muokattiin 98 % kylmävetämällä.

Siten valmistetuista langoista otettiin näytteitä ja muokatussa tilassa olevilla näytteillä suoritettiin pian lämpökäsittelyn jälkeen 120-140-160-180-200 °C:ssa puolen tunnin aikana sähkö-vastusmittauksia ja lujuusmittauksia.

Kuviossa 3 ylhäällä havainnollistettiin ominaisen sähkö-vastuksen ( p20) ja alhaalla vetolujuuden muuttuminen lämpökäsittelyn lämpötilasta riippuen.

Risteillä (+) esitetään ne arvot, jotka mitattiin kuumennetusta harkosta valmistetuista langoista, ja pisteillä (.) ne 62475 7 jotka mitattiin kuumentamattomasta harkosta valmistetuista langoista. Kuviossa olemme osoittaneet vaakasuoralla viivalla silloin ankarimmissa ohjeissa määrätyt arvot.

Esimerkki 2

Sulasta EA1 99,6 (Fe 0,25, Si 0,09 %) valmistettiin lankaa siten kuin edellisessä esimerkissä on selitetty. Ominaisuuksien muuttuminen riippuen lämpökäsittelylämpötilasta näkyy kuviosta 4. Esimerkki 3

Sulasta EAl 99,7 (Fe 0,18, Si 0,08 %) kylmämuokattiin käyttövalmistuksesta lähtöisin oleva, valuvalssimenetelmällä valmistettu raakalanka 97 %, sen jälkeen lämpökäsiteltiin ja tutkittiin, kuten edellisissä esimerkeissä on selitetty. Lopuksi ositetaan ominaisuudet kuviossa 5.

Näistä kolmesta esimerkistä näkyy, että kovavedetyn langan vastus riippuu materiaalin koostumuksesta, käsittelytavasta, mutta kaikissa kolmessa tapauksessa on niistä riippumatta ominainen 2 0,4...0,6 Ω mm /km vastuksenväheneminen saavutettavissa lämpökäsittelyllä loppumitassa.

Suoritusesimerkit todistavat, että vastaavaa koostumusta olevasta sulattoalumiinista voidaan keksinnön mukaisella menetelmällä valmistaa parempaa lankaa kuin mitä nykyään voimassa olevat ankarimmat ohjeet vaativat.