NO761628L - - Google Patents

Description

Elelctriske ledere av Al/Fe-legeringer.

Foreliggende oppfinnelse angår elektriske ledere av aluminium/jern-legeringer og nærmere bestemt elektriske ledere av sådanne legeringer med et jerninnhold på 0,5 til 5,0% og med sterkt utpreget fiberstruktur i lengderetningen,, samt utstyrt med alle de mekaniske og elektriske egenskaper som gjor det mulig å anvende sådanne ledere i form av utildekkede eller isolerte, boyelige eller stive, strimler og bånd, samt hule eller kompakte profiler, slik som f.eks. ror for forbindelse med kraver og flenser, samt isolerte eller uisolerte tråder og kabler.

Oppfinnelsen gjelder også en fremgangsmåte for fremstilling av sådanne ledere ved trekning av metallgranuler.

På grunn av sin hyppige forekomst i naturen, sin relativt lave

pris og sin ledningsevne, som er tilnærmet 2/3 av ledningsevnen for rent kobber, har aluminium fått utstrakt anvendelse som elektrisk ledermaterial. Uheldigvis er imidlertid dets mekaniske egenskaper i ren tilstand ikke tilfredsstillende i mange tilfeller, og de fleste av de legeringselementer som i vesentlig grad forbedrer de mekaniske egenskaper for aluminium, nedsetter dets elektriske egenskaper i en grad som ofte ikke kan godtas, I mer enn 50 år har alle anstrengelser i denne forbindelse vært rettet mot å-oppnå et kompromiss, mellom ledningsevne og mekaniske egenskaper.

Blant alle de mulige legeringselementer gjor jern det mulig å oppnå et ganske godt kompromiss. Al/Fe-legeringer for elektriske ledere er tidligere beskrevet f.eks. i fransk patentskrift nr. 2.009.027 og britisk patentskrift nr. 1.286.720, med jerninnhold fra noen få tiendels prosent til omkring 3%. Ledere av sådanne legeringer har blitt fremstilt ved smeltning, stopning, valsing og trådtrekning i henhold til konvensjonelle fremgangsmåter.

Det er videre kjent at losbarheten av jern i aluminium i fast tilstand ved vanlige omgivelsestemperaturer er lav (0,052% i henhold til Kent Van Horn, Aluminium, bind I, side 174, tabell 4), og oker raskt med temperaturen i flytende aluminium, slik det er angitt i folgende tabell:

I til-legg foreligger det intermetalliske forbindelser som dannes under storkningsprosessen, særlig Al^Fe og Al^Fe. Ved de Al/Fe-legeringer som fremstilles på vanlig kjent måte foreligger jerninnholdet i form av disse intermetalliske forbindelser. Resultatet av dette er at de elektriske ledere av Al/Fe-legeringer som hittil er fremstilt ved hjelp av konvensjonelle prosesser, ikke - oppviser egenskaper som er vesentlig bedre enn egenskapene for rent, ulegert aluminium, selv ikke etter kompliserte termo-mekaniske behandlinger.

Videre er det gjort forsok på å fremstille Al/Fe-legeringer med hoyt jerninnhold ved anvendelse av pulver-metallurgi, med utgangspunk! fra produkter oppnådd ved hjelp av den såkalte "plaske-kjolings"-prosess, som går ut på å avkjole droper av flytende Al/Fe-legering i ytterst hby takt, nemlig av storrelsesorden IO<6>til 10<7>°C pr. sek. Franske patentskrifter nr. 1.599.990 og 2.110.860 beskriver legeringelmed jerninnhold opptil 30% og med en hårdhet "fire ganger hårdheten av lignende produkter stopt i en kjoleform". På tross av sine gode mekaniske egenskaper er imidlertid disse produkter helt uegnet for anvendelse som elektriske ledere, og den ovenfor nevnte, såkalte "plaske-kjolings"-prosess egner seg ikke umiddelbart for produksjon i

industriell målestokk/på grunn av at den er meget komplisert.

Det er imidlertid funnet, og dette er det forste formål for foreliggende oppfinnelse, at det er mulig å anvende som elektriske ledere aluminium/jern-legeringer som inneholder fra 0,5 til 5,0% jern, 0,02 til 0,2% silisium samt de vanlige forurensninger i aluminium beregnet på elektriske anvendelser, idet det oppnås folgende særtrekk: Nevnte ledere har i lengderetningen en sterkt utpreget fiberstruktur av ikke-krystallisert, gjenopprettet art, som ikke forandres ved ustrakt varmebehandling ved temperaturer opptil 350°C;

En del av jerninnholdet befinner seg i en tilstand av overmetning

i fast form, mens resten foreligger i form av fint utfelt Al^Fe;

En bemerkelsesverdig evne til å kunne boyes i kold tilstand til former med meget stor krumning;

En overflatekvalitet som minst er like fordelaktig som for produkter fremstilt ved konvensjonelle prosesser;

En bruddstyrke på minst 13hb for et jernholdt storre enn 0,5% og minst 16hb for et jerninnhold storre enn 2%;

En bruddforlengelse på minst 30% for en hver termomekanisk behandling, samt

spesifikk motstand på under 2,90 ^u cm for et jerninnhold under 1%,

" " " " 3,00 / UJX. cm for et jerninnhold under 2,5°/ og en spesifikk mostand på under 3,15^u jt^cm for et jerninnhold under 5%.

Ytterligere elementer kan tilsettes innenfor de grenser som er

angitt nedenfor. For ælativt losbare elementer har man således:

-cu^ 0,2%

-Mg^ 0,2%

eller for nesten ulosbare elementer:

-Be^ 0,1%

-B ^ 0,1%

-Zr^ 0,1%

-Ni^ 0,2%

-Co^ 0,2%

-Sb^ 0,2%

Sådanne tilsatser kan i blandt fore til spesifikk mostand litt storre enn de verdier som er nevnt ovenfor, uten å forstyrre de ovrige egenskaper som er nevnt.

Det er også funnet, og dette er et annet formål for oppfinnelsen,

at sådanne ledere med bemerkelsesverdig kombinasjon av mekaniske, termiske og elektriske egenskaper kan oppnås ved hjelp av en ekstruderingsprosess utfort på granuler av Al/Fe-legering med lavt oksygeninnhold og fremstilt ved hjelp .av i og for seg kjente

tekniske metoder, f.eks. de som er beskrevet i fransk patentskrift nr. 1.291.039 eller i britisk patentskrift nr. 575.210, som begge

er offentlig tilgjengelig. Ved denne prosess bringes metall eller ]ffijering, som er oppvarmet over smeltepunktet til å flyte inn i en sylindrisk smeltedigel hvis vegger er gjennomhullet'av hull med diameter av størrelsesorden 1 mm, og som roterer med hoy hastighet rundt en vertikal akse. Sentrifugalkraften tvinger metallet gjennom hullene i form av mer eller mindre langstrakte væskedroper som storkner mens de slynges gjennom luften, dg oppsamles i en viss avstand fra digelen. I avhengighet av forskjellige faktorer, nemlig arten av vedkommende metall eller legering, arbeidstemperaturen, rotasjonshastigheten, hullenes form og storrelse, oppnås granuler av forskjellig form, alt fra nesten kuleformede dråper til tynne og langstrakte nåler, alt etter de foreliggende driftsforhold. Disse granuler har lavt oksygeninnhold, hvilket sikrer god ekstruderingsevne og god overflatekvalitet for de ekstruderte produkter.

Det er videre også funnet, og dette er også et formål for oppfinnelsen, at sådanne granuler av Al/Fe-legering med jerninnhold fra 0,5 til 5% samt innhold av silisium fra 0,03 til 0,2% og forovrig normale forurensninger for aluminium beregnet på elektriske anvendelser, er særlig egnet for ved ekstrudering og fremstille elektriske ledere av det. mest forskjellige former, slik som f .eks. emner beregnet for trådtrekning, boyelige eller stive strimler og bånd, samt hule eller kompakte profiler av forskjellig form og ror for kraver og flenser, idet disse produkter kan anvendes umiddelbart etter at de har forlatt ekstruderingspressen og uten ytterligere termisk eller mekanisk behandling, f.eks. når det gjelder stive flate skinner for telefonsentraler, eller alternativt\ anvendes som halvferdige produkter for påfolgende koldbearbeiding (valsing, trådtrekning eller lignende prosesser), eventuelt med en avsluttende termisk mykningsbehandling, for fremstilling av boyelige strimler eller tynne tråder for kabler eller koblingsarbeider husinnstallasjoner og lignende.

Oppfinnelsens fremgangsmåte for fremstilling av elektriske, .ledere

av Al/Fe-legeringer ved ekstrudering av granuler har folgende særtrekk ibhenhold til foreliggende oppfinnelse: Al/Fe-legering i fordelt form innfores i beholderen for en ekstrudering: presse, uten å ha vært utsatt for noen ytterligere behandling etter granulerings-prosessen, idet vedkommende granuler av Al/Fe-legering foreligger i nåleform og med diameter i området 50 - 1000^um og lengde fra 1 til 10 mm.

Ekstruderingspressens beholder formvarmes til en temperatur mellom

300 og 600°C og fortrinnsvis mellom 360 og 550°C, men forvarming av granulene er ikke nodvendig.

Ekstruderingsforholdet (forholdet mellom beholderens tverrsnitt og tverrsnittet av pressens formingsseksjon ) bor være minst lik 5 og fortrinnsvis storre enn 10.

Det foreligger herunder mulighet for å utfore ekstruderingen uten sammenpresning av beholdningen av granulert metall.

Videre foreligger mulighet for ekstrudering i hoy takt, hvilket

kan finne sted opptil minst 20 m pr. min. med pressens utlops-munnstykke. Det kan videre anvendes flate ekstruderingsmunnstykker og munnstykker med nedsatt bæreflate.

Det foreligger også muligheter for utforelse av kontinuerlig ekstrudering, særlig i samsvar med den teknikk som går ut på kontinuerlig ekstrudering fra et munnstykke med innlopskammer med avskrånet 'underside, når det gjelder ekstrudering av tråd eller flate bånd eller skinner for viklingsformål.

Videre foreligger muligheter for ekstrudering med to/ eller flere munnstykkeåpninger, samt muligheter for sterk nedkjoling av de formede produkter ved ekstruderingspressens utlop,hvilket gjor det mulig å vinne omkring 1 hbar i bruddstykket.

I henhold til den utforelsesvariant av oppfinnelsens, fremgangsmåte

kan granulene sammenpresses på forhånd, fortrinnsvis^! kold tilstand og eventuelt under storre eller miridre undertrykk, således at det dannes en barre som kan innfores i ekstruderingspressen etter forvarming til en temperatur under 300°C.

De folgende utforelseseksempler vil nærmere anskueliggjøre oppfinnelsens fremgangsmåte.

Eksempel 1.

En Al/Fe-legering med innhold av 2,9% jern sammenstilles av aluminium av såkalt A5/L-kvalitet (Fe: 0,18%, Si: 0,05%, behandlet med bor for fjerning av de fleste elementer som har uheldig innvirkning på den elektriske ledningsevne, f.eks. Ti, V, Cr, etc.), samt moderlegeringen Al/Fe 10 som inneholder 9,50% Fe og 0,01% Si.

Den således sammenstilte legering ble etter oppvarming til 860°C tilfort en smeltedigel med ytterdiameter pa 140 mm og veggtykkelse på 10 mm, samt utstyrt med 250 hull med 4 mm/s diameter jevnt fordelt i fire hoydenivåer, idet digelen var forvarmet med gass for å bibeholde en temperatur på omkring 600°C. Digelens rotasjonshastighet var innstilt på 2860 omdreininger pr. min., tilsvarende en omkrets-hastighet på omkring 21 m pr. sek.

Strålen av smeltet metall mellom smelteovnen og sentrifugal-digelen ble beskyttet av en strom av nitrogengass. Analyse av de frembragte granuler ga" folgende resultat: -Fe : 2,90% -Si : 0,05% -Cu : < 0,005% -Mn : < 0,005% -Ti : < 0,002% -Cr : <^ 0,001% -Mg : 0,001%

-O : 160 ppm

Partiklene hadde tilnærmet nåiEorm med diameter mellom 100 og 400 mikrometer og en lengde på 1 til 6 mm, en midlere enhetsvekt på 4.10 — 4 g, samt en spesifikk overflate av størrelsesorden 50 cm 2/g. Partikkelmaterialets tetthet for synkning var omkring 1,27, og forandret seg etter sykningen (uten sammentrykning) til 1,47*

,3 kg av disse granuler ble tilfort en beholder med 10 mm's diameter i en 800 tonns Loewy-ekstruderingspresse, idet beholderen på forhånd var forvarmet til og bibeholdt ved 450°C. Ekstruderingsmunnstykket ble valgt til frembringelse av en flat skinne av omfang 40„x 5 mm. Ekstruderingsforholdet var således 40. Det storste trykk var 280 bar og trykkstemplets hastighet var 2,2 mm/sek., tilsvarende en utlopshastighet for det formede tverrsnitt på 5,2 m/min. Det formede produkt forlot pressen ved en temperatur på omkring 410°C og ble tillatt å avkjoles spontant i uforstyrret atmosfære.

De mekaniske og elektriske egenskaper for det f.erdigtrukkede, flate, produkt ble målt med folgende resultater:

R = 17 hb

LEQ2= 12,1 hb

A = 35,2% (på 5,65 Vs,) hvor "s" er provestykkets kalibrerte

tverrsnitt.

P =2,95ai SLcm.

For å undersdke den termiske stabilitet for det ekstruderte

flate produkt, ble varmebehandling utfort ved okende temperatur ved plassering av nevnte flate stykker i en varm ovn og overforing av disse til en uforstyrret atmosfære etter bestemte tidsintervaller. De mekaniske og elektriske egenskaper ble målt med folgende resultater:

Der er funnet at mykning ved rekrystallisering bare opptrer over 350°C.

Tilslutt ble koldboyningsevnen for de flate ekstruderte prøvestykker undersøkt. Det ble utfort prover ved boyningsvinkler på 90° og 180°, samt med krumningsradier lik henhv. 2e, l,75e, l,5e og l,25e, hvor "e" er tykkelsen av det flate provestykke, nemlig 5 mm. Disse prover viste at prøvestykkene hadde en bemerkelsesverdig boyeevne uten sprekkdannelser og materialsigning.

Mikrografiske undersøkelser viste en materialstruktur med meget utpregede fiberdannelser i ekstruderingsretningen, idet den påviste struktur var av typisk ikke-rekrystallisert, gjenopprettet, art, og oppviste en meget ensartet fordeling av fine partikler som besto d av . monoklinisk Al^Fe.

Eksempel 2.

Under samme forhold som angitt i eksempel 1, ble det fremstilt Al/Fe-granuler med innhold av 0, 11% Fe og forovrig folgende sammensetning: Fe : 0,77% , Si : 0,05% , Cu . <^ 0,03%, Mn< :< 0,003%

Ti :<^ 0,003% , V :<J0,002% , Cr : < 0,002%, B : 0,010%,

Mg : <^ 0,001%.

Ekstrudering ble utfort under samme driftsforhold som i eksempel 1, men ekstruderingsbeholderen ble bare oppvarmet til 350°C.

De således frembragte flate provestykker med tverrsnitt 40 x 5 mm hadde folgende egenskaper:

R = 14 hb

LEQ 2=11,7 hb

A = 35,5% (på 5,65 Vs)

p =2,85^uJl_cm.

boyning 90°, r = 1,25 e (6,25 mm): utmerket, ingen sprekker,

boyning i 180°, endeflate mot endeflate (r^0,5e) : utmerket, ingen sprekker.

EKSEMPEL 3.

Med utgangspunkt fra Al/Fe-granuler som inneholdt 0,77% Fe og var

av samme art som anvendt i eksempel 2, ble det ekstrudert flate plater med tverrsnitt 40 x 5 mm under samme forhold som angitt i eksempel 22, men modifisert på folgende måte:

Beholdertemperatur: 450°C.

Stempelhastighet : 8,8 mm/sek. (i stedet for 2,2 i eksempel 2) Utlopshastighet : 21, m/min. (i stedet for 5,2 i eksempel 2).

De fremstilte flate provestykker hadde folgende egenskaper:

R = 13,7 hb

LEQ2= 11,5 hb

A = 40% (på 5,65 Vs )

p = 2,85yU .TL cm

boyning i 90°, r = l,25e (6,25 mm) : utmerket, ingen sprekker.

Eksempel 4.

Under samme forhold som angitt i eksempel 1, ble det fremstilt Al/Fe-granuler med innhold av 1,30% Fe samt med eller uten

tilsats av 0,03 vektprosent beryllium, idet den kjemiske sammensetning forovrig var som folger: Si: 0,09%, Cu 0,01%, Ni <^ 0,01%, Mn< 0,01%, Ti<^, 0,01%,

V < 0,01%, Cr<^ 0,01%, Mg<[ 0,01%.

Ekstruderingen ble utfort under samme forhold som angitt i eksempel 1 (800 tonns trykk, beholderdiameter 100 mm, beholderforvarming til 450°C, 3 kg granuler innfort i kold tilstand i beholderen, munnstykket på 40 x 5 mm)/ men med en stempelhastighet på 6,5 mm/sek., tilsvarende en utlopshastighet av de formede produkter på 16 m/min. (sammen-presningstakt opp til 250 bar: 2,2 mm/sek.= stempelhastighet).

Temperaturen av de formede produkter ved utlopet fra ekstruderings-miinnstykket var også omkring 400°C. Avkjolingbble tillatt i uforstyrret atmosfære. De målte mekaniske og elektriske egenskaper for de ekstruderte flate produkter av Al/Fe 1,30% ved henhv. begynnelsen og slutten av ekstruderingsprosessen, med og uten beryllium, var som folger:

Eksempel 5.

Under samme forhold som angitt i eksempel 1 og 2, ble Al/Fe-granuler med 0,77% Fe fremstilt og ekstrudert i form av trådevne med diameter på 9,5 mm, idet ekstruderingsbeholderen var forvarmet til 450°C. Ekstrudering ble utfort i flere presser i henhold til den kjente teknikk for kontinuerlig ekstrudering ved-hjelp av et munnstykke med innlopskammer. Trådevne ble så trukket ned til en diameter på 2 mm i en maskin med enkelt gjennomlop og uten noen form for mellomliggende utglodning. Egenskapene for den ferdigtrukkede tråd varmebehandlet i 3 timer ved henhv. 220, 250 og. 300°,ble målt med folgende resultater:

Eksempel 6.

Med utgangspunkt fra Al/Fe-granuler med innhold av 2,9% Fe og fremstilt i henhold tile eksempel 1, ble flate provestykker med tverrsnitt 40 x 10 mm og 50 x 15 mm ekstrudert for å vise virkningen av forskjellige ekstruderingsforhold (som var 40 for de 40 x 5 mm'.s flate provestykker oppnådd i en Loewy-presse med 100 mm's beholderdiameter). Folgende resultat ble oppnådd:

Det er funnet at ekstruderingsforhold mellom 10 og 40 under ellers like ekstruderingsbetingelser har liten virkning på de ekstruderte produkters egenskaper.

Eksempel 7.

F.late stykker av Al/Fe-legering og tilvirket i henhold til eksempel 1, ble koldvalset til en tykkelse på 1/5 mm og egenskapene for de således oppnådde strimler ble målt i koldtrukket tilstand (råvalsnings-produktet)samt etter forskjellige myknende glodningsbehandlinger.

De oppnådde resultater er som folger:

Det er funnet at koldbearbeidningen i vesentlig grad oker verdiene av R og LE uten at dette medforer noen uttillatelig sekning av A. Forskjellige betydningsfulle mellomtilstander kan oppnås ved utglodning i overensstemmelse med den tilsiktede anvendelse.

Claims (11)

1. Elektriske ledere av aluminium/jern-legeringer som inneholder

fra 0,5 til 5% jern, fra 0,02 til 0,2% silisium samt de vanlige forurensninger i aluminium beregnet for elektriske anvendelser, og foreligger i form av boyelige eller stive strimler og bånd, forneOe profiler, stive stenger, ror, boyelige tråder samt bare og isolerte kabler; karakterisert ved folgende særtrekk: - nevnte ledere har i lengderetningen en sterkt utpreget fiberstruktur av ikke-krystallisert, gjennopprettet art, som ikke forandres ved utstrakt varmebehandling ved temperaturer opptil 350°C; - en del av jerninnholdet befinner seg i en tilstand av overmetning i fast form, mens resten foreligger i form av fint utfelt Al^ Fe; - en bemerkelsesverdig evne til å kunne boyes i kold tilstand til former med meget stor krumning; - en overflatekvalitet som minst er like fordelaktig som for produkter fremstilt ved konvensjonelle prosesser; bruddstyrke på minst 13hb for et jerninnhold storre enn 0,5% og minst 16hb for et jerninnhold storre enn 2%; -bruddforlengelse på minst 30% for en hver termomekanisk behandling;, samt -spesifikk mostand på under 2,90^ u-A- cm for et jerninnhold under 1%, under 3,00^ uilcm for et jerninnhold under 2,5%, og under 3,15^ uJl cm for et jerninnhold under 5%.

2. Elektriske ledere av aluminium/jern-legeringer som inneholder fra 0,5 til 5% jern, fra 0,02 til 0,2% silisium samt minst ett av folgende elementer i angitt mengde: kobber £ 0,2% beryllium 0,1% bor 0,1% magnesium ^0,2% zirkonium^" 0,1% nikkel^ 0,2% kobolt 0,2% antimon ^0,2% idet lederne foreligger i form av boyelige eller stive strimler og bånd, formede profiler, stive stenger, ror, boyelige tråder samt bare og isolerte kabler; karakterisert ved folgende særtrekk: -lederne.har i lengderetningen en sterkt utpreget fiberstruktur av ikke-krystallisert,.gjenopprettet art, som ikke forandres ved utstrakt varmebehandling ved temperaturer opp til 350°C; en del av jerninnholdet befinner seg i en tilstand av overmetning i fast form, mens resten foreligger i form av fint fordelt Al^ Fe; - en bemerkelsesverdig evne til å kunne boyes i koldttilstand til former med meget stor krumning; - en overflatekvalitet som minst er like fordelaktig som for produkter fremstilt ved konvensjonelle prosesser, samt - bruddstyrke på minst 13 hb for et jerninnhold storre enn 0,5% og minst 16 hb for et jerninnhold storre enn 2%.

3. Fremgangsmåte for fremstilling av elektriske ledere av aluminium/jern-legeringer som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte legering ekstruderes etter å ha blitt innlagt i fast og fordelt form i ekstruderingsbeholderen i en ekstruderingspresse.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved . at nevnte legering innlegges i ekstruderingspressens beholder i form av et granulat hvis granuler hovedsakelig har nåleform med diameter mellom 50 og 1000^ um og en lengdeutstrekning mellom 1 og 10 mm.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at ekstruderingspressens beholder foroppvarmes til en temperatur mellom 300 og 600°C og fortrinnsvis mellom 300 og 500°C.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 3-5, karakterisert ved at ekstruderingsforholdet minst er lik 5 og fortrinnsvis minst er lik 10.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 3-6, karakterisert ved at massen av granulert metall i ekstruderingsbeholderen utsettes for en innledende sammenpresning for ekstruderingen.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 3-6, karakterisert ved at metallgranulatet sammenpresses i kold tilstand for dannelse av barrer for innforingen ved en' temperatur under 350° i ekstruderingspressens beholder.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at sammenpresningen i kold tilstand for dannelse av barrer utfores i vakuum og i samsvar med kjent teknikk.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 3 -9 karakterisert ved at ekstruderingen utfores kontinuerlig eller halv-kontinuerlig, f.eks. ved ekstrudering gjennom et munnstykke med innlopskammer forsynt med avskrånét " underside.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 3-10, karakterisert ved at det produkt som ekstruderes fra granulat-materialet, derpå deformeres eller kold-formes samt tilslutt varmebehandles.