FI69974C - Foerfarande foer framstaellning av aluminiumtraodar - Google Patents

Description

69974

Menetelmä alumiinilankojen valmistamiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä korkeintaan 0,7 % epäpuhtauksia sisältävän raaka-alumiinin jäähdyttämiseksi jat-5 kuvassa valussa, erityisesti alumiinilankojen valmistamiseksi. Tämä menetelmä tekee mahdolliseksi valmistaa kuonapitoi-sesta alumiinista alumiinilankoja, joiden mekaaniset ominaisuudet ovat hyvät.

Valmistettaessa alumiinilankoja, joita tarvitaan säh-10 köjohtimien ja -kaapeleiden valmistuksessa, käytetään tavallisesti alumiinia, joka sisältää korkeintaan 0,5 % epäpuhtauksia. Tämä materiaali sulatetaan, minkä jälkeen se sinänsä tunnetulla jatkuvan valun menetelmällä esimerkiksi päästetään ulos esikuumennetusta kokillista tai johdetaan valu-15 valssiin, ja sitä seuraavan jähmettymisen jälkeen valssataan tai puristetaan vaadittavaan läpimittaan. Siten valmistettu puolivalmiste saatetaan lopulliseen muotoonsa kylmäkäsittelyn avulla. Yllä mainituissa olosuhteissa aine jäähtyy luonnollisesti, jolloin jäähtymisnopeus riippuu ympäristöstä ja 20 muista olosuhteista, eikä yleensä ole suurempi kuin 100 K/s. Nopeuteen vaikuttavia tekijöitä ovat ennen muuta ympäristön ja itse aineen lämpötila ja aineen koostumus.

Alumiinilankoja käytetään ennen kaikkea sähköenergian johtamiseen. Tähän tarkoitukseen käytettäessä on tärkeintä 25 varmistaa suurin mahdollinen sähköjohtokyky. Tällöin on apua epäpuhtauksien määrän pienentämiseksi, koska vieraan aineen atomit asettuvat kidehilaan, ja aiheuttavat siten aineen sähköisten ominaisuuksien huononemisen. Parannettaessa aineen puhtausastetta törmätään yhä voimakkaammin toi-30 seen ilmiöön: mitä puhtaampaa alumiini on, sitä huonommat ovat sen mekaaniset ominaisuudet, erityisesti kovuus ja vetolujuus. Siitä seuraa, että puhdistettaessa kuonapitoista alumiinia saadaan alumiinia, jonka mekaaniset ominaisuudet eivät täytä asetettuja vaatimuksia.

2 69974

Puhtausasteen 99,5 % omaavan alumiinin vetolujuus noin 2 2 130 N/mm ilman pehmityshehkutusta ja noin 70 N/mm pehmitys- hehkutuksen jälkeen, sen ominaisvastus on vastaavasti 28,7 2 tai 28,2 ohm mm /m ja sen taivutuksenkestoluku vastaavasti 5 0-2 tai 0-5. Nuorrutetulla AlMgSi-lejeeringillä, joka sisäl- 2 tää noin 98,8 % Ai, on parempi vetolujuus (noin 330 N/mm ) ja korkeampi taivutuksenkestoluku (4), kuin puhtausasteen 99,5 % omaavalla alumiinilla, toisaalta sähkönjohtokyky (omi- 2 niasvastus noin 33 ohm mm /m) on huomattavasti huonompi.

10 Puhtaamman alumiinin valmistus vaatii kalliimman prosessin käyttöä, eikä tämä menetelmä, vaikkakin soveltuu johtokyvyn parantamiseen, ole käyttökelpoinen laajassa tuotannossa.

Sähköisten ja mekaanisten ominaisuuksien muuttumisen aiheuttaman ristiriidan ratkaisemieksi käytetään tunnetusti 15 erilaisia aineita lejeeringeissä sekä lämpökäsittelymenetelmiä. Valmistettaessa lejeerinkejä on ensinnäkin tärkeää annostella lejeeringin aineosat tarkasti, toisaalta on välttämätöntä käyttää tekniikaltaan vaativaa lämpökäsittelyä. Puhdistettu alumiini sopii myös lämpökäsittelyn jälkeen alumii-20 nilankojen valmistukseen. Lämpökäsittely muodostaa vaativan prosessin, joka sisältää useita vaiheita, joiden lukumäärä riippuu vaadittavista aineominaisuuksista.

Valmistettaessa alumiinia saadaan yleensä niin kutsuttua kuonapitoista alumiinia, joka sisältää korkeintaan 25 0,7 % epäpuhtauksia, joihin kuuluvat mm siirtymäalkuaine- ryhmän metallit Fe, Co, Ni. Tätä ainetta ei voida tavanomaisia menetelmiä käyttäen käyttää alumiinilankojen valmistukseen, johon tulisi käyttää puhtaampaa alumiinia, jonka valmistus vaatii vaativamman ja siksi kalliimman teknologian 30 käyttöä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on tehdä mahdolliseksi käyttää kuonapitoista alumiinia lankojen valmistukessa.

Se sisältää menetelmän, jota käytettäessä voidaan kuonapi- 3 69974 toista alumiinia käyttää ilman lämpökäsittelyä tai käsiteltynä kerran melko alhaisessa lämpötilassa valmistettaessa alumiinilankoja, joilla on vastaavat mekaaniset ominaisuudet.

5 Keksintö perustuu siihen tosiasiaan, että kuonapi- toisessa alumiinissa aina läsnä olevat metalliset epäpuhtaudet, erityisesti rauta, koboltti ja nikkeli, saavat tietyissä olosuhteissa aikaan prosessin, joka voi johtaa mekaanisten ominaisuuksien huomattavaan parantumiseen. Havait-10 semiamme seikkoja voidaan valaista seuraavasti:

Koska alumiini sisältää sellaisia metallisia epäpuhtauksia (esimerkiksi Ti, Si, Ni, Fe), jotka liukenevat nestemäiseen alumiiniin, ei kiinteän alumiinin erottuminen yhtenä faasina tapahdu yhdessä tarkassa lämpötilassa, so. puh-15 taan alumiinin sulamispisteessä (660°C), vaan alkaa ensimmäisessä eksotermisessa prosessissa jossakin lämpötilassa ja kestää, kunnes saavutetaan toinen tietty lämpötila. Tämän lämpötila-alueen laajuus voi olla jopa 20°C, ja se riippuu epäpuhtauksien määrästä ja laadusta. Lähdettäessä su-20 lamispisteestä muodostuu lämpötilan aletessa ensimmäinen kiinteä faasi alumiinitaasin alapuolelle. Tämä johtaa, kuten edellä mainittiin, ensimmäiseen eksotermiseen prosessiin. Ensimmäinen kiinteä faasi vastaa epäpuhtauksien kiinteää liuosta alumiinissa. Tämän prosessin loppuvaiheessa 25 suurin osa alumiinista (noin 90 %) on kiteisenä, ja muodostaa siten alumiinimatriisin, joka toimii perustana tärkeimmille sähköisille ominaisuuksille. Lämpötilan edelleen aletessa alkaa toinen eksoterminen prosessi, jonka aikana muodostuu yksi kiinteä faasi. Tämän toisen prosessin alkuläm-30 pötilan yläraja on noin 650°C, ja faasin koostumus vastaa suurin piirtein eutektisen faasin koostumusta ja aiheuttaa mekaanisten ominaisuuksien huononemisen. Toinen eksoterminen prosessi tapahtuu ensimmäisen jälkeen ja loppuu yleensä lämpötilaan noin 620°C tultaessa. Havaintojemme mukaan, kun 35 mainitun toisen kiinteän faasin koostumusta voidaan muuttaa metastabiilin eutektisen koostumuksen (ylikylläisen lia- 4 69974 oksen) suuntaan, voidaan odottaa mekaanisten ominaisuuksien paranevan merkittävästi. On havaittu, että koostumuksen muuttuminen on saatavissa aikaan nostamalla jäähtymisnopeutta merkittävästi. On kuitenkin tärkeää, ettei nopeutettu jääh-5 dytys ala välittömästi sulamispisteestä, mikä saisi aikaan alumiinin kiderakentaan muuttumisen epäedullisesti ja rakenteeltaan sellaisen alumiinimatriisin muodostumisen, jolle on ominaista sähköisten ominaisuuksien huonontuminen. Havaintojemme mukaan tällainen epäedullinen prosessi voidaan vält-10 tää siten, että nopeutettu jäähdytys aloitetaan ensimmäisen eksotermisen kiteytymisprosessin loppuvaiheessa, jolloin luonnollisen jäähtymisen aikana on jo ehtinyt muodostua haluttu alumiinimatriisin kiderakenne.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle korkeintaan 0,7 % 15 epäpuhtauksia sisältävän raaka-alumiinin jäähdyttämiseksi jatkuvassa valussa, erityisesti alumiinilankojen valmistamiseksi onkin tunnusomaista, että valuvirrassa olevan alumiinin nestemäisen ja kiinteän olomuodon väliseltä jähmettymis-alueelta määritetään lämpötilapiste , jossa alumiinin jäh-20 mettyessä vapautuva sulamislämpö saavuttaa suurimman arvonsa, ja T^:n määrittämisen jälkeen mutta ennen kiinteän olomuodon saavuttamista valuvirta jäähdytetään nopeudella, joka on vähintään 2,5-kertainen T^:n spontaanin jähmettymis-nopeuteen verrattuna.

25 Keksinnön mukaisessa menetelmässä lähdetään sulate tusta alumiinista. Tästä näkökulmasta katsottuna on samantekevää, muodostaako sulatus tavanomaisen vaiheen alumiinin valmistuksessa, tai kuumennetaanko jo kiinteää alumiinia sulamispisteeseen, vai kuumennetaanko se edelleen sulamis-30 pisteen lähellä olevaan lämpötilaan ja varmistetaan sulaminen käyttämällä vastaavaa painetta. Jäähtymisnopeuden on hyvä olla suurempi kuin 10 K/s.

Keksinnön mukaista menetelmää käyttäen voidaan valmistaa suoraan kuonapitoisesta alumiinista alumiinilankoja, ti 5 69974 joiden mekaaniset ominaisuudet ovat edulliset. Täten valmistettujen alumiinilankojen sähköiset ominaisuudet ovat suurinpiirtein muuttumattomat, mutta niiden taivutuksenkesto on lämpökäsittelyn jälkeen merkittävästi parempi kuin ta-5 vanomaisilla alumiinilangoilla ja lähenee kuparilangan vastaavia arvoja, voipa olla jopa yhtä hyvä.

Keksinnön mukaista menetelmää kuvataan seuraavassa lähemmin toteutusesimerkin avulla.

Menetelmää toteutettaessa käytetään kuonapitoista 10 alumiinia, jonka Al-pitoisuus on vähintään 99,3 %. Kuonapi-toisen alumiinin sulamispiste on koostumuksesta riippuva, ja vaihtelee alueella 640-660°C. Koostumus on esimerkiksi seuraava:

Aineosa Pitoisuus-% 15__Koe 1__Koe 2_ AI 99,40 99,30

Fe 0,35 0,35

Si 0,10 0,10

Cu 0,02 0,02 20 Ti+V+Mn+Cr 0,02 0,02

Co 0,09

Ni - 0,18 muut aineet 0,02 0,03 25 Kuonapitoinen alumiini sulatetaan tai käytetään val mistuksen aikana sulatettua alumiinia. Alumiinista otetaan näyte ja koostumuksen ollessa annettu seurataan aineen jääh-tymisprosessia nestemäisestä tilasta lähtien. Jäähtymis-prosessin tarkkailuun voidaan käyttää esimerkiksi differen-30 tiaalista termoanalyysimenetelmää, jolloin jäähtymistä säädellään, käyttäen tarvittaessa myös energian lisäystä, tar-kasteluolosuhteiden parantamiseksi. Jotta voitaisiin tarkastella jäähtymisprosessin yksityiskohtia, on tarkoituksenmukaista käyttää jäähdytysnopeutta noin 8 K/s. Hitaan jäähty-35 misen tapahtuessa voidaan havaita kaksi eksotermista prosessia lämpötila-alueella 620-660°C, joiden maksimilämpö- 6 69974 tilat tulisi ensin määrittää.

Prosessia seurataan myös siten, että voidaan määrittää prosessin loppuvaiheessa, kuitenkin ennen kiinteän liuoksen muodostumista, lämpötila, joka sopii jäähdytyk-5 sen nopeuttamisen alkupisteeksi.

Jatkuvan valun aikana nestemäinen aine jäähtyy ensin olosuhteissa, joille yleensä ominaista jäähtymisnopeus 20-200 K/s. Valuvirrasta on helppo määrittää kohta, jossa alumiinin lämpötila on sopiva. Tässä pitäisi säätää jääh-10 dytys (esimerkiksi johtamalla valuvirta öljysuihkuun) sellaiseen nopeuteen, että se on vähintään 2,5-kertainen annetuissa olosuhteissa muuten saavutettavaan jäähtymisnopeu- 3 teen verrattuna. Jäähtymisnopeus on edullisesti 10 K/s.

Siten saadusta kiinteästä aineesta voidaan valmistaa alu-15 miinilankaa tavanomaisten teknisten vaiheiden kautta.

Esimerkki

Alumiinilankojen valmistamiseksi tehdään puolivalmisteena toimiva tanko alumiinin valutekniikassa hyvin tunnetulla Properzi-menetelmällä. Tunnetun menetelmän mukaises-2Q ti kaadetaan sula alumiini kallistetun Properzi-pyörän, jonka päällä on valukaava, pinnalle. Pyörän pinnan alla on jääh-dytysvesiputkisto, joka jäähdyttää pintaa.

Esimerkin mukaisessa menetelmässä käytetään Properzi-pyörää, jolla saadaan tankoa, jonka halkaisija on 5 mm. Sulaa 25 alumiinia sisältävä valupannu asennetaan siten, että sen aukko on Properzi-pyörän ylintä kohtaa vastaavalla korkeudella. Siten varmistetaan se, että pyörän pinnalle virtaavan alumiinin lämpötila on mahdollisimman tarkasti 650°C. Tässä tapauksessa kierrätetään Properzi-pyörän keskellä esijäähdytettyä 30 vettä, jonka lämpötila on 10°C, ja siten pyörän pinnalla virtaava alumiini saavuttaa heti jähmettymislämpötilan kyllin suurella jäähtymisnopeudella. Muuttamalla virtausnopeutta ja veden lämpötilaa voidaan jäähtymisolosuhteita muuttaa vähän.

35 Saatu tanko, jonka halkaisija on 5 mm, käsitellään edelleen tavanomaisesti. Valmistettujen lankojen laatu pa- 7 69974 ranee, jos tanko ennen langan valmistusvaihetta hehkutetaan kerran tavanomaisesti, so pidetään määrätyn ajan lämpötilassa 220-290°C. Aika riippuu lämpötilasta, ja mitä korkeampi lämpötila on, sitä lyhyempi on käsittelyaika 5 - 0,2-2 h.

Tutkimuksissa havaittiin, että verrattuna lankoihin, jotka oli valmistettu puhtausasteeltaan 99,5 %:sesta alumiinista, keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettujen lankojen, joiden läpimitta oli 0,5-1,0 mm, vetolujuus on: 10 Ilman hehkutusta - koe 1: 230-260 N/mm^, koe 2: 240-260 N/mm^

Hehkutuksen jälkeen (17Q-290°C) - koe 1: 90-100 N/mm^, koe 2: 2 90-105 N/mm . Nämä arvot ovat noin 30-40 % korkeammat kuin tavanomaisesti valmistetuilla langoilla. Taivutuksen kesto-luku on ilman hehkutusta 5-11 (koe 1), 6-10 (koe 2), ja heh-15 kutuksen jälkeen 16-22 (koe 1) ja 15-23 (koe 2). Nämä arvot ylittävät moninkertaisesti tavanomaisesti valmistetuilla alu-miinilangoilla saavutettavat, ja ovat vertailukelpoisia kuparilangoille luonteenomaisten arvojen, 20-24 , kanssa.

Keksinnön mukaisesti valmistetun alumiinilangan omi- 2 20 naisvastus on 29,0-29,8 ohm mm /m ilman hehkutusta ja 28,2-2 28,4 ohm mm /m hehkutuksen jälkeen. Tämä arvo on suurinpiirtein samaa suuruusluokkaa kuin 99,5 %:sesta alumiinista valmistetuilla langoilla.

Kokeet osoittivat myös, että keksinnön mukaisesti 25 valmistetut alumiinilangat täyttivät sähköisten parametrien edulliset arvot, jotka ovat luonteenomaisia puhtaammalle alumiinille, ja samalla mahdollistivat mekaanisten ominaisuuksien merkittävän parantamisen.

Claims (3)

69974

1. Menetelmä korkeintaan 0,7% epäpuhtauksia sisältävän raaka-alumiinin jäähdyttämiseksi jatkuvassa valussa, erityi- 5 sesti alumiinilankojen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että valuvirrassa olevan alumiinin nestemäisen ja kiinteän olomuodon väliseltä jähmettymisalueelta määritetään lämpötilapiste T^, jossa alumiinin jähmettyessä vapautuva sulamislämpö saavuttaa suurimman arvonsa, ja T1:n määrittä- 10 ' misen jälkeen mutta ennen kiinteän olomuodon saavuttamista valuvirta jäähdytetään nopeudella, joka on vähintään 2,5- kertainen T^:n spontaanin jähmettymisnopeuteen verrattuna.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n - 3 n e t t u siitä, että jäähtymisnopeus on vähintään 10 K/s. 1 5

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että nopea jäähtyminen saadaan aikaan nestemäisellä tai kiinteällä jäähdytysaineella. Il