NO143632B - Elektrisk leder av aluminiumlegering. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en elektrisk leder av aluminiumslegering og med stor styrke og liten vekt, i form av tråd, stav eller annet lignende fremstillingsprodukt.Foreliggende leder passer ve] for anvendelse i form av trad,stav, kabel, samleskinne, rørforbindelse, uttaksklemme, stikk-kontakter eller andre elektriske kontaktinnretninger.

Legeringer på aluminiumbasis finner stadig større anerkjen-

nelse på dagens materialmarked på grunn av liten vekt og lave omkostninger. Et område hvor aluminiumlegeringer har funnet økende anvendelse er som erstatning for kobber ved tilvirkning av elektriske ledere i trådform. Vanlig elektrisk ledende aluminiumslegeringstråd (i det følgende betegnet med EC) inne-holder en.hovedandel av rent aluminium samt spormengder av forurensninger som silisium, vanadium, jern, kobber, mangan, magnesium, sink, bor og titan.

Skjønt de ligger gunstig til når det gjelder vekt og omkostninger, har imidlertid aluminiumlegeringene langt fra vunnet full anerkjennelse på markedet som elektrisk leder. En av hovedgrunnene til dette er at visse fysisiske egenskaper som kan oppnås ved en vanlig EC-aluminiumlegeringsleder, ikke er tilfredsstillende under alle forhold. Hvis derfor egenskaper som termisk stabilitet, høy strekkfasthet, relativ forlengelse, bearbeidbarhet, og elastisitetsgrense kunne forbedres i vesentlig grad uten at dette medfører vesentlig senkning av den elektriske ledningsevne for det ferdige produkt, vil en meget ønskelig forbedring kunne oppnås. Det er imidlertid kjent at tilsats av legeringselementer vil redusere ledningsevnen, men forbedre andre fysiske egenskaper. Bare tilsats av elementer som forbedrer viktige materialegenskaper uten i vesentlig grad å nedsette ledningsevnen, vil følgelig gi et akseptabelt og brukbart produkt.

Fra norsk patentskrift nr. 137.408 er det kjent aluminiumlegeringer hvor dette er oppnådd, idet mange av de ovenfor angitte materialegenskaper og andre fysiske egenskaper er for bedret. Disse legeringer har imidlertid et forholdsvis høyt koboltinnhold (0.2-1.6 vektprosent) og med økende koboltpris på verdensmarkedet vil sådanne legeringer' bli for dyre.

På denne bakgrunn av kjent teknikk er det derfor et formål for oppfinnelsen å frembringe en ny elektrisk leder som kombinerer godtagbar elektrisk ledningsevne med tilfredsstillende øvrige fysiske egenskaper og vesentlig lavere fremstillingsomkostning-er enn den nettopp omtalte koboltholdige legering.

Oppfinnelsen gjelder således en elektrisk leder av aluminiumlegering og med en ledningsevne på minst 51% ifølge den internasjonale kobberstandard (IACS), idet lederens særtrekk i henhold til oppfinnelsen ligger i at den består av 0.20 til 1.60 vektprosent nikkel, 0,3 til 1.30 vektprosent jern, 0.0 til 0.2 vektprosent kobolt og 0.0 til 2.0 vektprosent magnesium samt resten aluminium med de sporelementer som normalt forekommer sammen med dette element.

Sådanne legeringer for fremstilling av elektriske ledere i henhold til oppfinnelsen har således lavt eller intet koboltinnhold, men det er overraskende funnet at det med øket nikkel--innhold kan oppnås like gode eller bedre fysiske egenskaper for foreliggende oppfinnelsesgjenstand, sammenlignet med den tidligere kjente legering med høyere koboltinnhold.

Hovedtilsatsene til aluminium utgjøres således i henhold til oppfinnelsen av nikkel og jern, og det foretrukkede mengdeom-råde for disse elementer er henholdsvis 0.60 - 0.80 og 0.45 - 0.65 vektprosent. Det er da særlig gunstig med en ytterligere tilsats på 0.03 - 0.10 vektprosent kobolt eller magnesium.

Etter at smeiten er gjort i stand, støpes fortrinnsvis alumini-umslegeringen til en kontinuerlig støpestang i en støpemaskin for dette formål, hvoretter stangen umiddelbart varmebearbeides i et valseverk for fremstilling av et bearbeidet stangmaterial av foreliggende aluminiumslegering.

Et eksempel på en kontinuerlig støpe- og valse-prosess for

sådan fremstilling av kontinuerlig stangmaterial vil bli beskrevet i de følgende avsnitt. Det bør imidlertid forstås at andre fremstillingsmetoder også kan anvendes og gi guns-

tige resultater, men de beste resultater oppnås dog ved en kontinuerlig prosess. Nevnte øvrige fremgangsmåter omfatter konvensjonell ekstrudering og hydrostatisk ekstrudering for fremstilling av stang elier tråd direkte, sintring av et aluminiumlegeringspulver for direkte fremstilling av stang eller tråd, støpning av stang eller tråd direkte fra en smeltet aluminiumlegering, samt konvensjonell støpning av aluminiums-legeringsbarrer som senere varmbearbeides til stangmaterial og trekkes til'tråd med mellomliggende utglødningstrinn.

En støpemaskin for kontinuerlig støpning anvendes for forming

og størkning av den smeltede aluminiumlegering for fremstilling av en støpestang som i den oppnådde størknete tilstand umiddelbart overføres fra støpemaskinen til et valseverk, som anvendes for varmformning av støpestangen til et varmbearbeidet stangmaterial eller annet vårmeformet produkt, hvorunder støpestangen bearbeides i flere retninger som danner vinkler med hverandre.

Støpemaskinen kan være av konvensjonell type og omfatte et støpe-hjul med et støpespor langs omkretsen, idet sporet er delvis tildekket ved hjelp av en endeløs drivrem som omslutter støpe-hjulet og et frittløpende hjul. Støpehjulet og den endeløse rem danner til sammen en støpeform, hvor smeltet metall tilføres ved den ene ende og støpestangen trekkes ut fra den annen ende, hovedsakelig i den form hvori den er størknet.

Nevnte valseverk kan også være av vanlig type med flere valsestikk anordnet for varmformning av åen støpte stang ved hjelp av en rekke deformasjoner. Støpemaski»en og valseverket er anordnet slik i forhold til hverandre at den støpte stang trer inn i valseverket umiddelbart etter størkningen og hovedsakelig i den form den antar ved støpingen. I derne tilstand befinner støpestangen seg i det riktige temperaturområde for varmformning uten at det er nødvendig med noen oppvarmning mellom støpe- maskinen og valseverket. T tilfelle det er ønskelig å ha nøyaktig kontroll med varmformningstemperaturen for den-støpte stang innenfor det vanlige temperaturområde for en sådan prosess, kan utstyr for regulering av støpestangens temperatur plasseres mellom støpemaskinen og valseverket.

Valsestolene omfatter hver flere valser som trer i kontakt ,med støpestangen. Antall valser i hvert stikk kan være to eller flere samt være anordnet rett overfor hverandre eller være anbragt med jevne mellomrom langs bevegelsesbanen for støpe-stangen gjennom valseverket. Valsene i hvert stikk i valseverket dreies med forut bestemt hastighet ved hjelp av passende drivinnretninger, som f.eks. en eller flere elektriske motorer, mens støpehjulet dreies med en hastighet som hovedsaklig be-stemmes av dets arbeidskarakteristikk. Valseverket tjener til varmformning av støpestangen til et stangmaterial med vesentlig mindre tverrsnitt enn stangens opprinnelige tverrsnitt da den ble f?rt inn i valseverket.

Ytterflatene av de respektive valser i påfølgende valsestikk i valseverket er anbragt i innbyrdes forskjellige stillinger. Dette betyr at støpestangen kommer i kontakt med valsene i på-følgende valsestiHcméd forskjellige ytterflater, som angripes fra forskjellige retninger. Denne varierende overflatekontakt for støpestangen i valsestikkene knar eller former støpemateri-alet på en slik måte at det bearbeides i hvert valsestikk, sam-tidig som materialtverrsnittet reduseres.

Det er ønskelig at stangen tilføres hvert valsestikk med tilstrekkelig material-volum pr. tidsenhet til at støpestangen stort sett fyller ut rommet mellom valsestikkenes valser, således at disse vil være mest mulig effektive ved bearbe;dning av stangmaterialet. Det er imidlertid også ønskel<i>g at rommet, mellom valsene i hvert stikk ikke overfylles, slik at støpe-stangen ikke blir tvunget inn i gapet mellom valsena. Det er derfor hensiktsmessig at stangen føres henimot h^ert valsestikk med et materialvolum pr. tidsenhet som er tilstrekkelig til å fylle men ikke overfylle området mellom de respektive valser i valsestikket.

I den form den støpte stang mottas fra støpemaskinen , har

den vanligvis en bred flat' overflate som tilsvarer innerflaten for den endeløse rem, samt sideflater som skråner innover tilsvarende formen av sporet i støpehjulet. Etterhvert som stangen presses sammen av valsene i valsestikkene, deformeres stangen på sådan måte at den stort sett antar en tverrsnitt-form som tilsvarer samarbeidende ytterflater på valsene i hvert valsestikk.

Det vil forstås at støpte aluminiumlegeringsstenger av hvilken som helst lengde ved hjelp av dette utstyr kan fremstilles ved kontinuerlig støpning av smeltet aluminiumlegering og umiddel-bar påfølgende valsning av den støpte stang. Den kontinuerlige stang har en elektrisk ledningsevne på minst 57% regnet etter den internasjonale kobber-standard (IACS), og kan anvendes direkte som elektrisk leder eller viderebearbeides til tråd med mindre tverrsnitt.

For fremstilling av tråd med forskjellige tverrsnittsmål utset-tes den kontinuerlige stang som er fremstilt ved ovenfor angitte støpings- og valse-prosess for en tverrsnittsreduserende behandling. Uten forutgående utgløding (hvilket vil si i den tilstand som foreligger etter valsningen) blir stangen koldtrukket gjennom en rekke åpninger med avtagende tverrsnitt, uten mellomliggende glødninger, for dannelse av en kontinuerlig tråd med ønsket diameter. Det er funnet at utelatelse av mellomliggende glødeprosesser er gunstig under behandling av stangen og forbedrer materialegenskapene for den fremstilte tråd. Fremstilling med mellomliggende glødeprosesser kan benyttes når kravene til trådens fysiske egenskaper ikke er så store.Ledningsevnen for den hårdtrukkete tråd er minst 57%-ifølge nevnteIACS-standard. Hvis bedre ledningsevne eller øket bruddforlengelse ønskes, kan tråden utglødes eller delvis glødes etter at det ønskede tråd-tverrsnitt er oppnådd, hvoretter tråden avkjøles. Fullt utglødet tråd har en ledningsevne på minst 58% etter IACS-standarden. Etter trådtrekkingen og eventuelt utglødingen er det funnet at legeringstråden har forbedret strekkfasthet og høyere flytegrense kombinert med øket termisk stabilitet, relativ bruddforlengelse

samt øket formbarhet og motstandsdyktighet mot utmatting,

slik som tidligere angitt. Glødingsprosessen kan være kontinuerlig som Ved motstands-glødning, induksjons-glødning, konveksjons-glødning eller bestrålnings-glødning i kontinuerlige smelteovner, men fortrinnsvis foregår glødingen samlet for en viss trådlengde i en smelteovn for dette formål. Ved kontinuerlig gløding kan temperaturer mellom 230 og 650°£ anvendes med gløde-tider mellom 5 minutter og 1/10.000 minutt. I alminnelig-het kan imidlertid glødetemperaturens og glødingens varighet tilpasses de øvrige behandlingsprosesser i den utstrekning de ønskede fysiske egenskaper oppnås. Ved en samlet utglødning anvendes fortrinnsvis temperaturer i området 200 til 400°C med opphold i glødeovnen mellom 30 minutter og 24 timer. Som nevnt i forbindelse med kontinuerlig glødning, kan gløde-tidene og -temperaturene tilpasses de øvrige behandlingsprosesser i den utstrekning de ønskede fysiske egenskaper oppnås.

Det er funnet at egenskapene for en mykglødet tråd av foreliggende legering og med tverrsnitt tilsvarende tverrsnittsmål nummer 10 i amerikansk trådstandard, varierer mellom de verdier som er angitt i følgende tabell:

For å gi en bedre forståelse av oppfinnelsen vil imidlertid nå flere utforelseseksempler bli beskrevet.

EKSEMPEL 1.

Forskjellige smelter ble fremstilt ved tilsats av sådanne

mengder legeringselementer til 1816 gram smeltet aluminium,

sorr; inneholdt mindre enn 0,10% sporelement eller forurensninger, at de prosentvise fordelinger av tilsatselementene som er vist i tabell 1 ble oppnådd, mens resten bestod av aluminium. Støpe-former av.grafitt ble anvendt, bortsett fra de tilfeller hvor tilsatselementene er kjent for å danne karbider, og i disse tilfeller ble då stopeformer av aluminiumoksyd benyttet. Smeltene

ble heldt ved tilstrekkelig høy temperatur i tilstrekkelig lang tid til å sikre fullstendig oppløsning av legeringselementene i aluminiumbasen. En argon-atmosfære ble opprettholdt over smeiten for å hindre oksydering. Hver smelte ble støpt kontinuerlig i en hensiktsmessig støpemaskin for formålet og deretter umiddelbart varm-valset gjennom et valseverk for dannelse av en kontinuerlig stang med diameter på ca. 1 cm. Den hårdvalsete stang ble så avvekslende trukket og glødet i 5 timer ved en temperatur på 345°C, til bløt (glødet) tråd. •

Den endelige tråddiameter som ble oppnådd var ca. 3 mm, tilsvarende tverrsnittmål nr- 10 i den amerikanske trådstandard (AWG) . De anvendte legerings-sammensetninger og de oppnådde prøve-resultater vil fremgå av følgende tabell:

EKSEMPEL 2.

En ytterligere legeringssmelte ble tilvirket i overensstemmelse med eksempel 1, således at sammensetningen ble som følger, angitt i vektprosent:

Smeiten ble behandlet for tilvirkning av bløt tråd med tverrsnitt i overensstemmelse med tverrsnittsmål nr. 10 etter amerikansk trådstandard, og trådens materialegenskaper ble da som følger:

EKSEMPEL 3.

En ytterligere legeringsmelte ble tilvirket i overensstemmelse med eksempel 1 med følgende sammensetning i vektprosent:

Smeiten ble anvendt for fremstilling av bløt tråd med tverrsnittsmål nr. 10 etter amerikansk trådstandard, (AWG), og de oppnådde materialegenskaper for tråden ble da:

EKSEMPEL 4.

En ytterligere legeringsmelte ble fremstilt i overensstemmelse med eksempel 1 og med følgende sammensetning i vektprosent:.

Smeiten ble anvendt for fremstilling av bløt tråd med tverrsnittsmål nr. 10 i overensstemmelse med amerikansk trådstandard (AWG), og trådens materialegenskaper ble da som følger:

EKSEMPEL 5.

En ytterligere legeringssmelte ble fremstilt i overensstemmelse med eksempel 1 og med følgende sammensetning i vektprosent:

Smeiten ble anvendt for fremstilling av bløt tråd med tverrsnittsmål nr-. 10 i henhold til amerikansk trådstandard (AWG) , og trådens materialegenskaper ble da som følger:

EKSEMPEL 6.

En ytterligere legeringssmelte ble fremstilt i henhold til eksempel 1 og med følgende sammensetning i vektprosent:

Smeiten ble anvendt for fremstilling av bløt tråd med tverrsnittsmål nr. 10 etter amerikansk trådstandard (AWG), og de oppnådde materialegenskaper for tråden var da som følger:

Ved undersøkelse og analyse av en legering som inneholdt 0,80 vektprosent nikkel, 0,30 vektprosent jern og resten aluminium, er det funnet at denne aluminiumbaserte legering etter koldbearbeidning inneholdt hurtigdannede intermetalliske forbindelser. En av disse forbindelser ble identifisert som nikkel-aluminat (NiAl^), mens en annen ble gjenkjent som jern-aluminat (FeAl^) • Den nevnte intermetalliske forbindelse med nikkel^-innhold ble funnet å være meget stabil, spesielt ved høye temperaturer. Denne forbindelse har også liten tendens til å dannes under glødning av produkter fremstilt av foreliggende legering, og forbindelsen er vanligvis inkoherent med aluminium-matrisen, Den mekanisme som er virksom for å gjøre foreliggende legering sterkere, er delvis basert på dispersjon av den angitte intermetalliske nikkelholdige forbindelse utfelt over aluminiummatrisen. Denne utfelle nikkelforbindelse har en tendens til å binde dislokasjoner som oppstår ved koldbearbeidning av den tråd som,fremstilles av legeringen. Ved undersøkelse av sådan utfelt intermetallisk nikkelforbindelse i en koldtrukket tråd, er det funnet at disse material-utfellinger er orientert i trekkretningen. I tillegg er det funnet at material-utfellingene kan være stavformet, plateformet eller ha sfærisk form.

Andre intermetalliske forbindelser kan også dannes, i avhengig-het av smeltens bestanddeler og de relative konsentrasjoner av legeringselementene. Disse intermetalliske forbindelser omfatter følgende forbindelser: Ni2Al3<MgCoAl, Fe2Al,-, Co.-,Alg, C<o>4Al13, CeAl4, CeAl2, VAln, VA1?, VAlg, VAI , VAl^, Zr3Al,Zr2Al,LaAl4, LaAl2, Al3Ni2, Al2Fe5<Fe^NiAl^^, Co^ l^, FeNiAlg.

Den intermetalliske jernaluminatforbindelse bidrar også til binding av dislokasjonsstedene under koldbearbeiding av tråden. Ved understøttelse av sådan intermetallisk jernforbindelse utfelt i en koldtrukket tråd, er det funnet at utfellingen er hovedsakelig jevnt fordelt i legeringsmassen og har en partikkel-størrelse på mindre enn 1 yum. Hvis trekkingen av tråden utføres uten å avbrytes av glødebehandlinger, vil partikkelstørrelsen av de intermetalliske jernforbindelser være mindre enn 2.000 Å.

Et særtrekk ved aluminiumlegeringstråder med høy ledningsevne

og som ikke fremgår av vanlige prøver for bestemmelse av strekkfasthet, relativ forlengelse og elektrisk ledningsevne,

er mulige forandringer av materialets egenskaper som en følge av økning, senkning eller variasjon av trådenes temperatur.

Den maksimale driftstemperatur for en tråd eller gruppe av tråder vil således være avhengig av denne materialegenskap. Denne egenskap er også av betydning fra et fremstillingssynspunkt,

da mange isolasjonsprosesser krever varmebehandling ved høy temperatur.

Det er funnet at aluminiumlegeringstråden i henhold til foreliggende oppfinnelse har vesentlig større termisk stabilitet enn konvensjonelle aluminiumlegeringstråder og også større termisk stabilitet enn legeringene i henhold til norsk patentskrift nr. 137.408.

For å 'teringe klarhet i begrepene, vil den terminologi som er anvendt i foreliggende ansøkning bli definert på følgende måte: En bearbeidet aluminiumlegeringsstang er et fast produkt som har en stor lengde i forhold til sitt tverrsnitt. En sådan stang har normalt en diameter mellom 75 og 9,5 mm.

En aluminiumlegeringstråd er et fast, mekanisk bearbeidet produkt som har stor lengde i forhold til sitt tverrsnitt. Tråden har kvadratisk eller rektangulær tverrsnittsform med avrundete hjørner eller kanter, eller har rund, regulær heksagonal eller oktagonal tverrsnittsform, idet trådens diameter eller dens største perpendikulære avstand mellom parallelle flater ligger mellom 9,5 og 0,0 8 mm.

Claims (3)

1. Elektrisk leder av aluminiumlegering og med en ledningsevne på minst 57% ifølge den internasjonale kobberstandard (IACS), karakterisert vedat den består av 0,20 til 1,60 vektprosent nikkel, 0,3 til 1,30 vektprosent jern, 0,0 til 0,2 vektprosent kobolt og 0,0 til 2,0 vektprosent magnesium samt resten aluminium med de sporelementer som normalt forekommer sammen med dette element.

2. Elektrisk leder som angitt i krav 1,karakterisert vedat den består av 0,60 til 0,80 vektprosent nikkel, 0,45 til 0,65 vektprosent jern, 0,03 til 0,10 vektprosent magnesium og 97,80 til 98,92 vektprosent aluminium.

3. Elektrisk leder som angitt i krav 1,karakterisert vedat den består av 0,60 til 0,80 vektprosent nikkel, 0,45 til 0,65 vektprosent jern, 0,03 til 0,10 vektprosent kobolt og 97,80 til 98,92 vektprosent aluminium.