NO760686L - - Google Patents

Description

"Fremgangsmåte for fremstilling av en varmebéstandig elektrisk leder av aluminiumlegering".

Foreliggende oppfinnelse angår en aluminiumlegering egnet til fremstilling av en elektrisk leder, og mere spesielt angår den en aluminiumlegering egnet' til fremstilling av en elektrisk leder som kan anvendes der hvor denne utsettes for hoye temperaturer over lerjgre tid og således må ha god termisk stabilitet.

Bruk av forskjellige aluminiumlegeringer, konvensjonelt angitt som EC, for fremstilling av elektriske ledere er vel etablert innen faget. Disse legeringer har typisk ledningsevne på minst

61% av International Annealed Copper Standard, heretter betegnet med IACS, og kjemisk består de av betraktelige mengder ren aluminium og mindre mengder med «like forurensninger som

jern, silisium, vanadium, kobber, mangan, magnesium, sink, bor og titan. Det er vanligvis mindre enn 0,30% jern, og mindre enn 0,15% silisium. De fysiske egenskaper for elektriske ledere fremstilt av kjente. aluminiumlegeringer har vist seg utilstrek-kelige for mange anvendelser hvor det kreves at den elektriske leder må ha stor termisk stabilitet. Den nodvendige termiske

stabilitet er blitt oppnådd bare på bekostning av utilfredstil-lende strekkfasthet, forlengelse eller ledningsevne.

For eksempel, det er alminnelig akseptert at industrielt ren aluminium har en rekrystalleringstemperatur fra 150°C til 350°C.r

Det er også akseptert at denne aluminium har meget lav varme-bestandighet og gjennomgår en blotgjoringsfasé i området 100°C til 200°C. Det er gjort store anstrengelser for å oke varme-bestandigheten for aluminium. Men de fleste legeringer som har god nok elektrisk ledningsevne taper betydelig styrke når de utséttes for 150°C - 200°C i noen timer. Slike legeringer beholder vanligvis bare 60 - 80% av sin opprinnelige strekkfasthet og forlengelse etter at de er blitt utsatttfor slike temperaturer imflere timer.

Det er derfor tydelig at der er behov innen den elektriske industri for en aluminiumlegering som kan anvendes til fremstilling av elektriske ledere med bedre termisk stabilitet og bedre strekk-fag the t, i tillegg til akseptabel elektrisk ledningsevne,

forlengelse og bruddstyrke.

Inntil nu er aluminiumlegeringer og stenger for tilvirkning av tråd blitt frefnstilt kommersielt i en rekke separate trinn.

Disse omfatter stoping av et valseerane av aluminiumlegering,

gjenoppvarmning av dette slikkat det kan varmevalses til

stenger for trekking, losningsbehandling og fcsr.åkjoling av stangen for den kaldtrekkes. Vanligvis vil den således fremstilte tråd bli utglodet slik at der fremkommer en akseptabel strekkfasthet. Skjont der på denne måten riktignok oppnås akseptabel strekkfasthét, så er det vanskelig, ja æestérw umulig å fremstille en aluminiumlegering som både har teoy -tec-rr^Kr^iBLfeilxtet., akseptabel forlengelse og god elektrisk ledningsevne ved hjelp, av ovenfor nevnte fremgangsmåte. Dette skyldes at den inne-bærer fremvekst av en struktur som inneholder elementer i opplosning, fordi ikke alle legerende elementer går ut av opplosning

ved bråkjolingen, og fordi omfattende presipitater eller utfeininger blir dannet hvis legeringen blir behandlet ved hbye

temperaturer. Cellestrukturen i tråd fremstilt av dette metall er ustabil og har derved en tendens til å bli svært grov hvis tråden gjennomgår varmebelpandling. Produktet vil derved enten ha dårlig termisk stabilitet, eller dårlige fysiske og elektriske egenskaper.

U.S. patent nr. 3.512.221 omhandler en forbedring av elektrisk

leder av aluminiumlegering. Denne fremstilles ved kontinuerlig stoping av en barre med en legering som essensielt består av mindre enn cirka 99,70% (vektprosent) aluminium, mere enn 0,30%

jern, ikke mere enn 0,15% silisium, samt små mengder av typiske forurensninger, derpå varmebearbeiding av denne barren slik at der fremkommer en kontinuerlig stang som deretter ekstraderes

t

til tråd uten forutgående utgjpdning, og til slutt utg|.odning av tråden f Skjont dette produkt viser bedre egenskaper hva angår forlengelse, bbyelighet og motstand mot tretthetsbrudd enn konvensjonelle EC legeringer, så har det fremdeles ikke hoy nok , termisk stabilitet til at det kan anvendes ved hoye temperaturer over lengre tid.

Det er derfor klart at behovet fremdeles er til stede innen den elektriske industri for en effektiv og okonomisk fremgangsmåte for fremstilling av en aluminiumlegering og utforming av denne til stenger, hvorfra kan fremstilles en elektrisk leder med hoy termsik stabilitet og akseptablé fysiske og elektiske egenskaper.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er det fremskaffet en elektrisk leder av aluminiumlegering for anvendelse hvor nevnte leder må ha hoy termisk stabilitet, og som har snorre strekkfast-

het enn tidligere kjente hoy-temperatur aluminiumlegeringer.

4 henhold til oppfinnelsens bredeste aspekter blir nevnte elektriske leder fremstilt av en aluminiumlegering som inneholder 0,15—• 1,00% silisium, 0,10 - 0,95% jern, og resten ,aluminium:toed^^^

gruppen kobber, mangan, magnesium, titan, vanadium og sink, idet hvert enkelt ikke overstiger 0,05% og samlet utgjor spore-

elementene ikke over 0,15%.

Nærmere spesifisert ligger oppfinnelsen i en frmegangsmåte for fremstilling avesn varmebestandig elektrisk leder av aluminium^legering, som omfatter legering av 0,15 ip0% silisium og 0,10 - 0,95% jern med cirka 98,70 - 99,92% aluminium, idet sistnevnte inneholder sporelementer innen gruppen kobber, mangan, magnesium, titan, vanadium og sink, hvor h^ért^^sp^^eiianantovij^e overstiger 0,05% og déres sum ikke overstiger 0,15%, videre stoping ay legeringen i en bevegelig form, nemlig mellom spor langs omkretsen på et roterende hjul og et metallbelte som dekker en viss Lengde av sporet* derpå varmevalsing av stopegodset så å siLuiiddeltoart etter stopingen, innen dette har undergått noen vesen-vesentlig,forandring, slik at der fremkommer en kontinuerlig stang; kaldekstrudering av tråd fra stangen uten varmebehandling og sluttelig varmebehandling, helt eller delvis, av den fremkomne tråd slik at minimum elektrisk ledningsevne blir 61% IACS..

I en forste foretrukket utforelse av. oppfinnelsen består aluminiumlegeringen av 0,15 - 1,00% silisium og 0,10 - 0,30% jern, idet resten er aluminium med sporelementer innen gruppen kobber, mangan, magnesium, titan, vanadium og sink, hvorved de enkelte sporelementer ikke overstiger 0,05% og tilsammen ikke overstiger 0,15%. Der er oppnådd god strekkfasthet, bruddstyrke og forlengelse, samt gode ielektriske egenskaper og god termisk stabilitet med en legering som består av 0,16 - 0,40% silisium, maksimum 0,30% jern, samt aluminium med sporelementer inne gruppen kobber, mangan, magnesium, titan, vanadium og sink, hvorved disse samlet utgjorde maksimum 0,15% og individuelt maksimum 0,05%. Gode resultater blir også oppnådd når silisiuminnholdet er 0,50 - 1,00% og jernet ikke overstiger 0,30%, med aluminium og sporelementer som ovenfor angitt. Ekstra gode resulater fremkommer når der er 0,40 - 0,49% silisium, og maksimum 0,30%

jern, med aluminium og sporelementer som angitt ovenfor. -

I en andre foretrukket utf5relsé av foreliggende oppfinnelse består aluminiumlegeringen av 0,15 - 0*85% silisium og 0,30 - 0,95% jern, idet resten er aluminium og sporélementer i mengde som spesifisert i ovennevte forste foretrukne utf5relse. iSod strekkfasthet, bruddstyrke, forlengelse, elektriske egenskaper og termisk stabilitet er blitt oppnådd når silisiumkonsentrasjonen var 0,15 - 0,40% og ellers som ovenfor. Resultatene var også gode når denne var 0,40 - 0,85%. Men 0,25 - 0,60% silisium gav en uovertruffen legering, forutsatt at jern, aluminium og sporelementer<y>ar til stede' i ovennevnte måneder Resulatene var også gode "hvis jernkonsé/i&casjonen lå i omtcådet 0,30 - 0,60%,. med silisium, aluminium og spore&amenter som i ovennevnte andre foretrukne utforelse. Ekstra godt var resultatet med 0,30 - 0,57% jern og 0,25 - 0,60% silisium. Eksepsjonelt gode resul-fcater ble oppnådd når disse konsentrasjoner var 0,25 - 0,60% silisium og (2,-40 - 0,57% jern.

For den påfolgende detaljerte beskrivelse av oppfinnelsen vil betegnelsene "stang" og "tråd" ha folgende betydnings

Stangs et produkt (legering) i fast form hvis leigde er meget storre enn. dets tykkelse, som vanligvis ligger i området 9,5 - 75 mm.

Tråds et bearbeidet produkt i fast form med lengde meget storre enn tykkelsen, med et tverrsnitt som kan være sirkulært, rektangulært,eller kvadratisk med skarpe eller avrundede hjorner, en regulær hexagon eller en regulær oktagon, og hvis diameter (stbrste avstand «rjsllom parallelle flater) er 0,08 - 9, 5 mm;

Den elektriske leder av aluminiumlegering i henhold til foreliggende oppfinnelse blir fremstilt ved forst å smelte aluminium og legere den med de spesifiserte mengder jern og silisium, idet typiske sporelementer forekommer med maksimum 0,15% totalt og 0,05% for hvert.. Siden noen av sporelementene har storre innflydelse på den elektriske ledningsevne enn andre, må sammensetningen av disse foregå ganske omhyggelig. Typiske sporelementer er vanadium, mangan, magnesium, sink, bor og titan. Hvis der er meget titan tilstede (men dog svært lite i forhold til silisium, jern og aluminium), kan srftå mengder bor tjene til å binde overflodig titan, og hindre dette i å redusere trådens ledningsevne.

Silisium og jern er de hovedingredienser som tilfores smeiten for å frerrfejiringe en legering i henhold til oppfinnelsen. I den for ste utforelse vil normalt omtrent 0,40% silisium bli tilfort den omtalte typiske aluminiumkomponent, idet jernet holdes under 0,30%.

I andre utforelse tilfores omtrent 0,50% silisium og 0,57$

jern. Men oppfinnelsen omfatter selvsagt tilforsel av silisium og jern i stdrre eller mindre mengder enn dette, med justeringer hva angår aMe bestanddeler av legeringen.

Etter at legeringen er fremstilt, blir den kontinuerlig stdpt og tar form av en lang kontinuerlig barre. Denne blir så varmbe-arbeidet så å si i den tilstand den forlater stopemeskinen. Typisk består dette i varmevalsing umiddelbart etter stopoiiigen.

St eksempel på kontinuerlig stopjing og varmevalsing som kan~ £remstille en kontinuerlig stang som spesifisert i foreliggende soknad er som folger s

En maskin for kontinuerlig stdping tjener til å solidifisere den flytende aluminiumlegering og frembringe en stdpt barre, som så mates ut av stdpemaskinen, i hovedsakelig den tilstand som den sterknet i, og over i valsemollen som foretar varmebearbeiding av barren, slik den tar form av en standj eller liknende og på en slik måte at den stbpte barre settes i bevegelse langs et antall ikke-parallelle akser.

Nevnte stopemaskin er av konvensjonell type, med et hjul som har et spor som delvis er tildekket med et endelost belte som henger på hjulet, samt minst ett frittlopende hjul. Stopehjulet og det endelSse belte samvirker på en slik måte at der fremkommer en

støpeform, idet smeltet metall helles inn i den ene ende og en stdrknet ibarre kommer ut av den andre ende på formen, så å si

i den tilstand den stor Imet i.

Valsemollen er av konvensjonell type med flere stasjoner som kan utforme den varme barren gjennom en serie av deformasjoner. Valsemollen og stoperaaskinen er slik plassert at den stopte barren mates inn i valsemoilen umiddelbart et_tér stdrkningen og så å si i stdrknet tilstand. Barren har da en temperatur som ligger, i det området som er brukbart for varmbearbeiding, uten ytterligere oppvarming mellom de to maskiner. Oppfinnelsen omfatter imidlertid en eventuell anordning som måtte være onskelig å plassere mellom de to maskiner for det formål å kunne kontrollere valsetemperaturen mere noyaktig.

Valsefzollens stasjon omfatter hver et antall valser som kommer

i inngrep med den stopte barren. Der kan være to eller flere valser som er montert jevnt fordelt rundt barrens bevegelses-retning. De roterer med bestemt hastighet, drevet f.eks. av en, eller flere elektriske motorer, og stopehjulet roterer med en hastighet i samsvar med dets operativedparametre. Denne valsemollen tjener til å utforme deV? stopte barren til en stang med vesentlig mindre diameter.

Dette vil gjdteedet klart at denne apparatur fremstiller stopte aluminiumstenger med alle slags lengder, ved at stoping av flytende aluminiumlegering umiddelbart etter folges av utvalsing av den stopte barre.

Den kontinuerlige stang som fremkommer ved stoping og valsing gjennomgår deretter en reduksjonsprosess hvis formål er å

fremstille kontinuerlig tråd med forskjellige tverrsnitt.

Den varmebehandlende stang (utsatt for varmevalsrrågg) blir

trukket gjennom én rekke stadig mindre dyser uten ioelloraliggende utgloding, således at en tråd med dnsket diameter fremkommer. Denne tråd'vil Via en altior stor strekkfasthet og bruddstyrke, .

og altfor lav forlengelse, ved siden av at den elektriske ledningsevne er mindre enn den aksepterte minimum standard for elektriske ledere, dvs. 61% av IACS. Tråden blir derfor

helt eller delvis utglodd for å redusere strekkfastheten og oke forlengelsen og ledningsevnene til onsket nivå, og derpå avkjolt. Ved avslutningen av dette kan det konstanteres at tråden har akseptabel ledningsevne, hoyere strekkfasthet enn vanlig, samt ganske uventet bedre forlengelse pg overraskende hoy termisk stabilitet, som tidligere omtalt. Den siste utglodingen kan foregå kontinuerlig, som ved motstandsglGding, induksjonsgldding, konveksjonsgldding eller strålingsgloding, men utgloding av stdrre mengder tråd samtidig i en ovn er å foretrekke (batch).

Ved kontinuerlig gldding kan temperaturen være 480 - 660°C over

et tidsrom på 0,001 - 1,0 sekunder. Diskontinuerlig (batch)

gloding kan foregå ved ca. 175 - 420°C i 0,5 - 8 ttianer. Men i sin alminnelighet kan disse temperaturer og tider justeres i avhengighet av deri forutgående prosess, hvis bare der oppnås den strekkfasthet, forlengelse, ledningsevne og termisk stabilitet som onskes.

Ved den kontinuerlige stoping av denne legering vil en vesentlig del av forekommende jern og silisium presipiteres ut av ldsningen i form av en intermetallisk forbindelse av aluminium-jern-silisium. Etter stdpingen vil barren således inneholda >-*9n dispersjon av fine parti Id er av ovennevnte intermetalliske forbindelse i fast losning i over-nettet matrise. Når så barren blir valset i varm tilstand umiddelbart etter stoping, vil disse partiklene bli brutt istykker og bli fordelt i aluminium-matriseh og kan derved hindre fremvekst av storre «seller. Når så stangen videre trekkes til tråd uten g|6ding, og eldes i en avsluttende varmebehandling, vil strekkfasthet, forlengelse, og termisk stabilitet vsere hoyere enn vanlig på grunn av liten seliestorrelse, og på grunn av at nevnte aluminium/jern/siligium-forbindelser fortrinnsvis presipiteres ut ved dislokasjbner og derved fastholder disse. Disse dislokasjoner vil derfor aktiveres under strekningen når tråden ekstruderes, hvilket gjor at strekkfasthet, bruddstykke, forlengelse og termisk stabilitet blir enda bedre. Foreliggende aluminiumlegering har egenskaper som er

betydelig påvirket av stor velsen på de partikler av aluminium-jem-silisium som befinner seg i matrisen. Grove presipåate : reduserer den prosentvise forlengelse og trådens termiske stabilitet, ved at de fremmer kjernedannelser og derved dannelse av store celler, som igjen senker trådens rekrystalleringstemperatur. Fine partikler oker strekkfasthet, forlengelse, . ledningsevne og termisk stabilitet ved at de hemmer kjernedannelser og dker rekrystalleringstemperaturen. Meget grove partikler av aluminium-jern-silisium forer til at tråden blir spro dg generelt ubrukbar. Med grove presipitater menes pa r ti k-kelstcVrrelser på mer enn en mikron, målt langs dens trans-versale, akse, og fine partikler er de som ligger under denne grense..

De folgehde eksempler vil tjene til å gi en mere fullstendig, forståelse av foreliggende oppfinnelse.

EKSEMPLER. 1 - 10•

Provestykker ble fremstilt med 0,12% jern, 0,003% kobber, 0,00i% mangan, 0,001% magnesium, 0,00193 titan, 0,001% vanadium, 0,015% sink, og resten aluminium. Hvert stykke inneholdt dessuten. silisium innen omcådet 0, 04% til 0,98%. De som hadde mindre enn 0,15% silisium ble ansett som konvensjonelle EC legeringer, mens

de stykker som hadde mere enn 0,15% silisium var i henhold til forste utforelse av foreliggende oppfinnelse, idet jerninnholdet var mindre enn 0,30%. Alle provené ble kontinuerlig stopt og barrene varmvalset til kontinuerlig stenger på samme måte. Provene ble så kaldekstrudert gjennom mindre og mindre dyser ned til en tråd på 2,59 mm diameter. Stykker av tråden ble spolett opp på forskjellige sneller, og disse gjennomgikk forskjellig utgloding hva angår temperatur og varighet, hvilket ga forskjellige strekkfastheter. Flere stykker fra samme snelle ble så provet i

spesielt utstyr innrettet for å måle endelig strekkfasthet, for-^j lengelse, elektrisk ledningsevne, og bruddstyrke for hvert prove-stykke. Tabell I pg II angii -resultatene av disse målinger.

Termisk stabilitet ble.■ målt ved at andre tråder, fremstilt som . ovenfor, ble utglodet i en ovn ved 275°C i to timer og. så overlatt til å kjole ned av seg selv. Etter dette ble trådene .provet med "hensyn på strekkfasthet og bruddstyrke, og liknendee tråder ble så aldret i fire timer ved 250°C for å undersbke den termiske stabilitet av prover som har forskjellige konsentrasjoner. Resultatene fremgår av tabell III.

Barrer nr. 4 - 10, som inneholdt mer enn 0,15% silisium og således var sammensatt i henhoibd til foreliggende oppfinnelse, bevarte i alminnelighet mere av som strekkfasthet og sin bruddstyrke etter

eldning i fire timer ved 250°C enn barrer nr. 1 - 3, som var konvensjonelle EC legeringer. Det kan derfor konkluderes åt tråd fremstilt i henhold til foreliggende oppfinnelse har en forbausende hoyere termisk stabilitet enn konvensjonell EC aluminiumlegeringstråd.

EKSEPLENE 11 - 19

Provestykker ble fremstilt som inneholdt 0,57% jern, 0,003% kobber, 0,Q01% mangan, 0/001% magnesium, 0.001% titan, 05-001% vanadium og 0,015% sink, og resten aluminium. Hvert stykke hadde dessuten silisium, som lå innen området 0,04 - 0,8%. De som inneholdt mindre enn 0,15% silisium antas være i henhold til U.S. patent nr. 3.512.221, mens de som har mere enn 0,15% silisium er i samsvar med andre utforelser av foreliggende

r oppfinnelse, idet jernet ligger innen 0,30 -0,95%. Alle prover ble så fremstilt som tråd i henhold til sammenfremgangs-måte som for eksempler 1-10, og resultatene fremgår av tabell IV og V.

Termisk stabilitet ble målt ved at andre tråder, fremstilt som ovenfor, ble utglodet i en ovn ved 275°C i to timer og s& overlatt til å kjole ned. Trådene ble derpå provet hva angår strekkfasthet, og bruddstyrke, mens liknende tråder dessuten ble aldret i fire timer ved 250°C for å kunne finne hvordan termisk stabilitet avhang av silisiumkonsentrasjon, se tabell Vir.

Som tabell VI viser så beholdt barre nræ 13 19, som i henhold til oppfinnelsen inneholdt mere enn 0,15% silisium, en storre del av.sin strekkfasthet og sin bruddstyrke i behold etter denne aldring enn barre 11 - 12., som ble fremstilt i henhold til U.S patent nr..3.512.221. Konklusjonene er derfor at-tråd fremstilt i henhold til foreliggem.de oppfinnelse viser en overraskende forbedring med hensyn til termisk stabilitet, sammen-liknet med tidligere eksisterende tråd av konvensjonell aluminiumlegering.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for frmmstilling av en varmébestandig elektrisk leder av aluminiumlegering med elektrisk ledningsevne tilsvarende minst 61% IACS, karakterisert ved følgende prosesstrinn: a) fremstilling av en legering ved sammenføring av 0.15 - 1.00 vektprosent silisium, 0.10 - 0.95 vektprosent jarn; og-resten aluminium med sporelementer fra en materialgfuppe bestående av kobber, mangan, magnesium, titan, vanadium og sink, idet intet sporelement utgjør mer enn 0.05 vektprosent og alle forekommende sporelementer tilsammen ikke mer enn 0.15 vektprosent, b) støping av nevnte legering i en bevegelig støpeform utformet mellom et spor langs omkretsen av et roterende støpenjul og et metallbelte som dekker nevnte spor langs en del av dets lengde, for dannelse av en kontinuerlig bare av aluminiumlegering med indre intermetalliske jern/aluminium/silisium-utfeininger, og c) varmvalsing av nevnte kontinuerlige barre umiddelbart etter dens støpning og, mens materialet ennå befinner seg i støpetilstand, således at nevnte varmvalsing bevirker oppbrytning av nevnte utfeininger og jevn fordeling av disse i aluminium-matrisen, idet det*0 av det; utfelte material dannes partikler med diameter mindre enn l^ um målt langs partiklenes transversalakse.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at innholdet av jern i legeringen ikke overstiger 0.30 vektprosent. 3V Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at innholdet av silisium i legeringen holdes mellom 0.40 og 0.49 vektprosent.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at innholdet.av jern i .legeringen ligger innen området 0.30 - 0.95 vektprosent, og innholdet av silisium ligger innen områdét 0.15-0.85 vektprosent.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at innholdet av silisium i legeringen haldes mellom Q.% 5 ag 6, 60 vektprosent,

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at den videre omfatter trekking av en stang som frembringes ved nevnte varmvalsirig, gjennom en rekke trekkdyser for fremstilling av. tråd, uten forutgående eller mellomliggende gløding, men en avsluttende hel eller delvis utglødning av nevnte tråd.

7. En varmébestandig elektrisk leder av aluminiumlegering fremstilt ved en fremgangsmåte som angitt i krav 1-6, karakterisert ved at nevnte leder beholder minst nitti prosent (90%) av sin opprinnelige strekkfasthet etter eldning ved 250°C i fire timer.