NO155734B - Fremgangsmaate for fremstilling av en stangtraad av en utskillingsherdbar aluminiumlegering. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for fremtilling av stangtråd (valsetråd) av en utskillingsherdbar aluminiumlegering, såsom Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Mg-Zn-Cu og Al-Mg-Si. Denne fremgangsmåte er særlig anvendbar på aluminium for elektrisk ledningstråd, dvs. aluminium som kan forarbeides til tråd med en spesifikk motstand på maksimalt 32,8 milliohm x mm 2/m, selv om den ikke er begrenset til denne type aluminium i hvilken inngår, som legeringselementer for utskilling, 0,3

til 0,9 % magnesium, 0,25 til 0,75 % silisium og 0 til 0,60 % jern, og forøvrig aluminium og forurensninger (dvs. elementer i en mengde på mindre enn 0,05 %), basert på vekt. Stangtråd er som kjent utgangsproduktet for senere trekking eller valsing, der aluminiumtrådens tverrsnitt reduseres. Stangtråden har i alminnelighet en diameter på 5 til 20 mm, i de fleste tilfel-ler mellom 7 og 12 mm, og en strekkfasthet som er vesentlig mindre enn strekkfastheten til det endelige produkt oppnådd ved f.eks. trekking, for ovennevnte aluminium for elektrisk ledningstråd, en strekkfasthet på mindre enn 250 N/mm 2, i alle-fall mindre enn 300 N/mm 2. Etter trekking utsettes som kjent tråden for en utherdingsprosess der utskillingsproduktene dannes av de legeringselemeter som fremdeles befant seg i oppløs-ning, og denne utherdingsoperasjon forbedrer trådens mekaniske og elektriske egenskaper.

Den konvensjonelle fremstillingsprosess for aluminium-stangtråd omfatter et første varmvalsingstrinn hvorunder der dannes kveiler av stangtråd, fulgt av en avbrutt oppløsnings-behandling og bråkjøling av de ved varmvalsing dannede kveiler. Dersom kveilene bare blir avkjølt etter valsing vil legeringselementene utskilles med den følge at der ikke lenger forelig-ger noen legeringselementer i oppløsning for den påfølgende utherding. Dette er grunnen til at disse elementer bringes i oppløsning igjen etter valsing, og tvinges til å forbli i overmettet oppløsning etter den umiddelbart påfølgende brå-kjølingsoperasjon.

Denne oppløsningsbehandling er dyr med hensyn til varme-energi, og dessuten krever den at fremstillingen foregår på

en ikke-kontinuerlig måte. Dette er grunnen til at det tidligere er blitt foreslått å avslutte nevnte første varme-

valsingstrinn ved den høyest mulige temperatur, i den hensikt å holde en maksimal mengde av legeringselementer i oppløsning, og å bråkjøle stangtråden umiddelbart og ved en kontinuerlig prosess nedstrøms av utgangen fra valseverket, til en herdetemperatur, på en slik måte at disse legeringselementer holdes i overmettet oppløsning.

Ved slik herdetemperatur er atomenes bevegelighet så liten at den metallografiske struktur blir praktisk talt fastlåst i den tilstand den befinner seg i (bortsett fra utherdingsfeno-men): legeringselementene i overmettet oppløsning vil forbli slik og utskillingene og dislokasjonene vil ikke endres. For en gitt legering vil følgelig "herdetemperatur"-området ha en øvre grense som ikke er en nøyaktig og absolutt grense. Denne øvre grense bestemmes av en tilstrekkelig ubevegelighet av atomene som ikke frembringer noen vesentlig endring i den metallografiske struktur under et tidsforløp i samme størrelsesorden som en kontinuerlig prosess for behandling av aluminium, dvs.

i størrelsesorden på ett minutt. Den akseptable maksimumsgrense for hver type legering er tilstrekkelig kjent av fagmannen på området. For ovennevnte aluminium for elektrisk ledningstråd kan den maksimale herdetemperatur ansettes til 260°C, selv om denne grense ikke er noen absolutt grense.

Det har også vært foreslått å anvende et første varme-valsetrinn som avsluttes ved høyest mulig temperatur, for derved å holde et maksimum av legeringselementer i oppløsning, fulgt av en bråkjøling under hvilken metallet bearbeides, og idet det påsees at metallet bearbeides i det tidsrom det gjennomgår temperaturområdet mellom den øvre herdetemperaturgrense og den nedre temperaturgrense for varmebearbeiding. På tross av brå-kjølingen ble det observert at legeringselementene i oppløsning faktisk ble utskilt under denne termomekaniske operasjon. Meng-den av legeringselementer holdt i oppløsning for det påfølgende utherdingstrinn viste seg å være meget mindre enn ønskelig,

og dette syntes å være en ulempe. Men det ble bemerket at den således fremstilte stangtråd var av en slik art at, avhengig av hvorvidt utskillingen var delvis eller fullstendig, var behovet for utherding etter påfølgende trekking eliminert, enten delvis eller fullstendig. Den ventede ulempe forelå således

ikke, og der ble fremtilt stangtråd med egenskaper som gjorde det lettere å tilfredsstille de foreskrevne krav på mekaniske og elektriske egenskaper hos den tråd som ble trukket av slik stangtråd. Dessuten unngikk man det kostbare oppløsnings-behandlingstrinn, og en kontinuerlig prosess ble oppnådd.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å fremskaffe et alternativ til denne sistnevnte prosess, som frembringer de samme fordeler, og på denne måte gir en ytterligere frihets-grad i valget av parametere ved prosessen for oppnåelse av de ønskede kombinasjoner av strekkfasthet, seighet og ledningsevne.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, for fremstilling av

en stangtråd av den innledningsvis nevnte art, og særlig av en legering med den innledningsvis angitt prosentvise sammensetning, omfatter et første, rent termisk trinn (dvs. uten samtidig bearbeidingsoperasjon) der en stang av nevnte aluminium (som f.eks. kommer ut av et valseverk og i delvis nedkjølt tilstand, eller ut av et kontinuerlig støpehjul eller en ekstruderingspresse) bråkjøles i en kontinuerlig prosess ned til en herdetemperatur som ovenfor fastlagt, hvorved der oppnås en gjenopprettet struktur med legeringselementene i overmettet oppløsning. Med "gjenopprettet struktur" menes en metallografisk struktur der de på grunn av bearbeidingstrinnet forlengede korn under påvirkning av varme er blitt reorganisert til en mer eller mindre isotropisk struktur, lik den struktur som oppnås ved varmebearbeiding. Det er også nødvendig å ha en minste mengde legeringselementer i overmettet tilstand, f.eks. minst 30 %

av de utskillbare elementer ved oppløsningsbehandlingstemperatu-ren. Bråkjølingen er følgelig tilstrekkelig hurtig og starter fra en temperatur som er tilstrekkelig høy til at dette resultat nåes.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er imidlertid karakterisert ved et annet trinn, termomekanisk og nedstrøms av det første trinn i en samme kontinuerlig operasjon, der stangen bearbeides ved en utherdingstemperatur, og ved at den således oppnådde stangtråd deretter, før eventuell påfølgende bearbeiding, utsettes for en utherdingsoperasjon.

En "utherdingstemperatur" er en temperatur innenfor et temperaturområde hvis øvre grense er lik den øvre herdetemperaturgrense, som ovenfor angitt, og hvis nedre grense er angitt nedenfor. En utherdingstemperatur er følgelig en temperatur ved hvilken atomene er fastlåst, bortsett fra utherdingsfeno-men som opptrer under et tidsforløp som er lenger enn varighe-ten av en kontinuerlig prosess, dvs. i størrelsesorden ett minutt. Men når strukturen utsettes for bearbeiding ved utherdingstemperatur, har man observert at utskillingen av legeringselementene under slik bearbeiding og under en påfølgende utherding frembringer en metallografisk struktur som, etter kaldbe-arbeiding til tråd, oppviser en meget god trådkvalitet og som helt eller delvis, avhengig av hvorvidt der fremdeles er legeringselementer i overmettet oppløsning, eliminerer behovet for utherding etter trådtrekking. Slik bearbeiding ved utherdingstemperatur er fortrinnsvis en valseoperasjon som minsker tverrsnittsarealet .

For en gitt aluminiumlegering er nedre grense for utherdingstemperaturen angitt nedenfor. Det er kjent at en aluminiumlegering av en gitt sammensetning, i en ikke-kaldbearbeidet tilstand, men omfattende legeringselementer i overmettet tilstand ved oppløsningsbehandling og bråkjøling ned til en herdetemperatur, når en slik aluminiumlegering utsettes for utherding, vil den først oppvise en øking av strekkfastheten mot en øvre verdi, og deretter et fall i strekkfasthet. Dette skyl-des at legeringselementene utskilles under utherding, mens de allerede eksisterende utskillingsprodukter ytterligere konglo-mererer. Den første effekt, som bringer strekkfastheten til å øke, dominerer til å begynne med, mens den andre effekt, som får strekkfastheten til å falle, dominerer til sist. Den øvre grense for utherdingstemperaturen, for en gitt aluminiumlegering med en gitt mengde legeringselementer i overmettet oppløsning, er den temperatur der denne aluminium, i ikke-kaldbearbeidet tilstand, når sin maksimale strekkfasthet etter tre dager (den kaldbearbeidede struktur når sitt maksimum tidligere, som følge av avherdingen av den kaldbearbeidede struktur). For ovennevnte aluminium for elektrisk ledningstråd er denne nedre grense ca. 130°C.

Et vesentlig trekk ved prosessen er at det andre trinn utføres umiddelbart etter bråkjølingsoperasjonen i det første trinn (for derved å hindre eventuell endring av strukturen når mellomproduktet etterlates uten behandling over en viss tid),

og følgelig i en kontinuerlig operasjon sammen med det første trinn. I dette øyemed forretrekkes at bråkjølingen i det første trinn utføres ned til en utherdingstemperatur som ovenfor angitt, slik at det andre trinn kan påbegynnes uten mellomgående oppvarming.

Utherdingsoperasjonen som følger etter bearbeidingstrinnet ved utherdingstemperatur kan utføres direkte ved utgangen av det instrument som utfører slik bearbeiding, f.eks. ved fri nedkjøling til luften som omgir stangtråden, og dette bevirker en utskilling av alle eller bare endel av legeringselementene som fremdeles befinner seg i overmettet tilstand. Det kan sies at en utherding finner sted når en betydelig del, f.eks. halv-parten av utskillbare elementer etter bråkjøling, faktisk utskilles under slik utherding. Det foretrekkes imidlertid å utføre en fullstendig utskilling, i den hensikt å eliminere etthvert behov for utherding etter trådtrekking og for å eliminere alle endringer i stangtrådens egenskaper etter at tråden er fremstilt. Når temperaturen ved utgangen av instrumentet som utfører bearbeidingsoperasjonen ved utherdingstemperatur, nærmer seg den nedre grense for utherdingstemperaturene, vil det tidvis være nødvendig å forsinke nedkjølingen av stangtråden ved denne utgang (dvs. saktere enn fri nedkjøling til den omgivende luft). Dette oppnås ved å omgi stangtråden med varme-isolatorer, f.eks. ved å danne trådkveiler som opptas i behol-dere som er tilstrekkelig avstengt til å unngå nedkjøling ved luftkonveksjon. Stangtråden kan ved oppvarming også holdes i en viss tid ved nevnte utgangstemperatur, eller temperaturen kan også heves over utgangstemperatur, forsåvidt som en påføl-gende utherding deretter utføres.

Den kontinuerlige stang som benyttes ved innledningen av prosessens første trinn kan være en stang som forlater et varm-formingsinstrument, som f.eks. en ekstruderingspresse eller et støpehjul. En slik varmformingsoperasjon vil fortrinnsvis omfatte en kontinuerlig støpeoperasjon som leverer et aluminium-emne som ledes mot inngangen på et valseverk, og en varmvalse-prosess hvorved emnets tverrsnittsareal minskes for tildanning av stangen. Med "varm"-valsing menes en valseoperasjon med gjenopprettelse under operasjonen eller umiddelbart deretter, før den påfølgende bråkjøling. For ovennevnte aluminium for elektrisk ledningstråd innebærer dette valsing med utgangstemperatur på mer enn 350°C. Temperaturen ved inngangen til valseverket vil fortrinnsvis være en temperatur som ligger over opp-løsningsbehandlingstemperaturen, hvilket for aluminiumet for elektrisk ledningstråd vil si en temperatur høyere enn 470°C.

Oppfinnelsen er spesielt anvendbar på aluminium for elektrisk ledningstråd av den ovenfor angitte sammensetning. Ved en foretrukket utføringsform anvendes en kontinuerlig prosess som i rekkefølge fra oppstrøms til nedstrøms omfatter: en kontinuerlig støpeoperasjon, innføringen av bunten som forlater det kontinuerlige støpeinstrument og ved en temperatur på mer enn 47 0°C inn i et første valseverk, den kontinuerlige valsing ved en temperatur på mer enn 350°C for dannelse av en kontinuerlig stang, den kontinuerlige bråkjøling av stangen ved utgangen fra det første valseverk, innføringen av stangen som forlater bråkjølingsinstrumentet og ved en temperatur på mer enn 130°C inn i et annet valseverk, den kontinuerlige valsing ved en temperatur på mer enn 130°C, og utherdingen ved fri nedkjøling ved hjelp av den omgivende luft. Inngangstemperaturen ved det andre valseverk reguleres slik at man oppnår en utgangstemperatur fra valseverket i området fra 155 til 185°C, fortrinnsvis 175°C.

Det har f.eks. vært brukt en Al-Mg-Si med

følgende sammensetning: Mg : 0,60 %; Si : 0,55 %; Fe : 0,18 %; Zb : 0,006 %; Cu : 0,004 %; Mn : 0,015 %; Ti : 0,001 %;

V : 0,004 %. Man kan imidlertid anvende en aluminium som er rikere eller fattigere på legeringselementer, avhengig av de kostnader som kan tillates eller som må innspares for en bedre eller mindre god kvalitet som følge av sammensetningen. Men dette påvirker ikke mulighetene for forbedring av kvaliteten til den valgte legering ved bruk av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Etter at den ovenfor angitte legering forlater et kontinuerlig støpehjul i form av et emne med et tverrsnittsareal på

ca. 2000 mm , innføres det ved en temperatur på 490°C i et før-ste kontinuerlig valseverk med 9 stikk. Det forlater valsever-

ket i form av en rund stang med en diameter på 15 mm og ved en temperatur på 430°C. Ved denne temperatur er de fleste av legeringselementene fortsatt i oppløsning, fordi i likevekts-tilstanden er bare 20 % av innholdet av magnesium og silisium, som er utskillbart i form av Mg2Si, da i utskilt form.

Denne stang, som forlater det første kontinuerlige valseverk med en hastighet på ca. 2,4 m/sek., blir så ledet mot inngangen til et annet kontinuerlig valseverk hvis inngang er be-liggende ca. 2 meter fra utgangen fra det første valseverk. Mellom disse to valseverk løper stangen gjennom et rør med diameter 30 mm og lengde 1 m, som i motstrøm tilføres en kjøle-emulsjon, idet gjennomstrømningen reguleres slik at stangen forlater røret med en temperatur på 220°C. Andre metoder for bråkjøling kan også anvendes, f.eks. direkte påsprøyting av emulsjon på stangen, slik at temperaturen kan reguleres til ønsket nivå.

Det andre kontinuerlige valseverk omfatter fire stikk med samme tverrsnittsreduksjon, som reduserer stangen til stangtråd med diameter 9,5 mm, som forlater det andre valseverk med en temperatur på 175°C og med en hastighet på ca. 6 m pr. sekund. Stangtråden blir deretter kveilet opp og kveilen plasseres i en beholder fremstilt av ildfast sten. Det vesentlige er at beholderen blir lukket slik at nedkjøling ved fri luftkonveksjon rundt kveilen inngås. I det som eksempel omtalte tilfelle var nedkjølingshastigheten 2°C pr. time.

De oppnådde egenskaper kan nå sammenliknes med de egenskaper som er oppnådd ved stangtråd av samme sammensetning, fremstilt på konvensjonell måte, dvs.: kontinuerlig støping fulgt av kontinuerlig varmvalsing, oppkveiling i kveiler som fritt nedkjøles i den omgivende luft, deretter en oppløsningsbehand-ling der kveilene holdes i en ovn i 8 timer ved en temperatur på 550°C, og så bråkjøling av kveilene ned til en temperatur på ca. 4 5°C.

Disse to typer stangtråd med en diameter på 9,5 mm, den ene ifølge oppfinnelsen, den andre ifølge den konvensjonelle fremgangsmåte, blir så trukket til tråd, ned til 3,60 mm diameter og deretter videre til 3,15 mm. Tråden som er trukket i henhold til den konvensjonelle metode blir så utsatt for en utherdingsoperasjon i løpet av 5 timer ved 160°c.

Sammenlikningsresultatene er som følger:

Oppfinnelsen er ikke begrenset, hverken til den spesielle fremgangsmåte ved de i eksemplet angitt operasjoner, eller til aluminiumens sammensetning. Det er også mulig, uten å avvike fra rammen til foreliggende oppfinnelse, å anvende, som en aluminium med utskillbare legeringselementer, legerin-gene Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu og Al-Mg-Si.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en stangtråd av en utskillingsherdbar aluminiumlegering såsom Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Mg-Zn-Cu og Al-Mg-Si, særlig 0,3 - 0,9 vekt% magnesium, 0,25 - 0,75 vekt% silisium og 0 - 0,60 vekt% jern, idet resten utgjøres av aluminium og urenheter, omfattende et første, rent termisk trinn hvor en kontinuerlig stang av nevnte aluminium bråkjøles i en kontinuerlig prosess ned til en herdetemperatur hvorved der oppnås en gjenopprettet struktur med legeringselementene i overmettet oppløsning, karakterisert ved et annet trinn, termomekanisk og nedstrøms av det første trinn i en samme kontinuerlig operasjon, der stangen bearbeides ved en utherdingstemperatur, og at den således oppnådde stangtråd deretter, før eventuell påfølgende bearbeiding, utsettes for en utherdingsoperasjon.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at utherdingsoperasjonen utføres under en fri avkjøling av stangtråden til den omgivende luft umiddelbart etter bearbeidingstrinnet ved utherdingstemperatur .

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at utherdingsoperasjonen utføres under en forsinket avkjøling av stangtråden, umiddelbart etter bearbeidingen ved utherdingstemperatur.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at utherdingsoperasjonen utføres ved å holde stangtråden, ved hjelp av oppvarming, ved utherdingstemperatur, umiddelbart etter bearbeidingen ved utherdingstemperatur .

5. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at bearbeidingen ved utherdingstemperatur utføres ved valsing av aluminiumlegeringen, med reduksjon av tverrsnittsarealet.

6. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at stangen bråkjøles i det første trinn til en utherdingstemperatur.

7. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at stangen i det andre trinn bearbeides ved en temperatur i området fra 130°C til 260°C.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at stangen bearbeides i et kontinuerlig valseverk som stangtråden forlater med en utgangstemperatur i området fra 155°C til 185°C, og at stangtråden kveiles opp og at de således dannede kveiler deretter ned-kjøles i en lukket beholder.