NO761779L - - Google Patents

Description

Elektriske ledere av aluminiumlegering og fremgangsmåte for fremstilling av sådanne ledere. Foreliggende oppfinnelse angår forbedring av de mekaniske og elektriske egenskaper av aluminiumlegeringer med innhold av magnesium og silisium.

Svakt legerte sådanne legeringer (magnesium og silisium opptil ca. 1% hver) av, hvert anvendt nesten et halvt århundre som elektriske ledere, særlig i form av luftledninger for kraftoverføring over lange avstander. Den legering som vanligvis er kjent som "Almelec" eller AGS/L (i henhold til fransk standard A 02 001),

som er spesifisert i fransk standard AFNOR NF-C-34125, må oppvise følgende egenskaper når det gjelder tråder med mindre enn 3,6 mm diameter:

-minste bruddfasthet: 33 kg/mm<2>

p

-minste gjennomsnittsverdi for kabler: 34,5 kg/mm

-minste bruddforiengelse: 4%

-største spesifikke motstand ved 20°C: 3,28 ^u SL .cm

-største g jennomsnittsverdi . f or kabler: 3,25 ^u-fL . cm.

Denne legerings tilsatser av legeringsbestanddeler er av følgende størrelsesorden: Mg 0,6%, Si 0,6%, Fe ^ 0,35%.

I en vesentlig forbedring av de mekaniske.egenskaper uten tap av ledningsevne ville være en åpenbar fordel, enten med henijHiikkpå å kunne øke spennlengden for luftledninger uten å forandre lednings-mastenes høyde, eller med henblikk på å oppnå større mekanisk sikker-hetsfaktor ved samme spennvidde.

Det kan imidlertid ikke håpes på å vinne vesentlig forbedring av

de mekaniske egenskaper for en gitt elektrisk ledningsevne ved økning av inneholdet av legeringsbestanddeler (særlig Mg og Si), hvilket - ville gi seg til kjenne ved en nedsatt trekkbarhet av ledermateriaiet.

Det er imidlertid funnet at det er mulig å oppnå forbedrede ledningstråder av AGS/L ved kombinasjon av følgende faktorer: 1. Trekning ved moderat temperatur, hvilket vil si at den foregår ved en temperatur i området 110 - 180 C og fortrinnsvis i området 130 - 160°C av et stangemne som på forhånd har vært utsatt for løsnings-varmebehandling©g- bråkjøling; 2. En mindre forandring i legeringens material sammensetning med tilsats av kobber i en mengde på høyst 0,40%, og, 3. En kunstig eldningsbehandling etter trekningen og som kan utføres enten statisk i. en varmeovn, eller fortrinnsvis kontinuerlig.

Tilvirkning av tråder av Al/Mg/Si-1egeringer av AGS/L-type for luftledninger kan utføres ved hjelp av forskjellige prosesser.

Blant disse skal det spesielt henvises til tre prosésser som henhv. omfatter følgende rekke av arbeidsoperasjoner:

Første prosess: nedvalsing av firkantede barrer eller ekstrudering

av støpeblokker i en presse, sammensveisning til ringformet stangemne, trekning til omtrent tre ganger den ønskede sluttdiameter, løsnings-varmebehandling, bråkjøling, trekning til den endelige diameter samt kunstig eldning.

Annen prosess: halv-kontinuerlig presse-ekstrudering av støpeblokker med vannkjøling på utgangssiden av pressen, trekning til endelig diameter samt kunstig eldning.

Tredje prosess: kontinuerlig støping og"valsing av stangemner i maskiner av typen PROPERZI eller SECIM (tidligere SPIDEM), løsnings-varmebehandling i en varmeovn av kveiler av stangemne med vekt©a. 1 tonn, fulgt av bråkjøling, innbrenning, trekning til endelig diameter

samt kunstig eldning.

Den siste av disse prosesser har vært mest alminnelig brukt i omkring 20 år, fordi den gir best tilvirkningstakt, både i produksjons-trinnet for stangemnet og i behandlingstrinnene. Den anvendes for Al/Mg/Si-legeringer som inneholder 0,15 - 0,35% jern, 0,30-0,80% magnesium, 0,30 - 0,70% silisium samt andre elementer i sådanne mengdeandeler som vanligvis forekommer i aluminiumlegeringer for ' elektrisk bruk. Denne prosess egner seg også best for anvendelse i forbindelse med foreliggende oppfinnelse.

Det er kjent blant fagfolk at de mekaniske egenskaper for Al/Mg/Si-1egeringer ved til sats av kobber kan forbedres i vesentlig grad etter løsnings-varmebehandling, bråkjøling og kunstig eldning når det gjelder profiler, eller etter løsnings-varmebehandling, bråkjøling, trekning og kunstig eldning når det gjelder tråder.

På den annen sidé vil imidlertid den spesifikke elektriske motstand øke i vesentlig grad og, når det gjelder den annen ovenfor nevnte prosess, og materialets ekstruderbarhet bli vesentlig nedsatt hvilket opphever den praktiske fordel ved en sådan til sats. I tillegg må kobbertils&fcsénn være sterkt begrenset^i betraltning av den korrosjonsrisiko som nærvær av kobber kan medføre.

I tillegg er det kjent fransk patentskrift nr. 1.499.266 at trekning av tråder av Al/Mg-Si-legering, etter bråkjøling og eldning ved en temperatur under temperaturverdien for rask materialutfeining, som er av størrelsesorden 200°, samt over den normale trekningstemperatur som er på 20 - 70°C, medfører, når det gjelder trekning ved 110°C, en økning av bruddstyrken på 1 - 1,5 kg/mm^ for samme verdi av spesifikk motstand etter den endelige kunstige eldning/gjenvinnings-behandling som utføres ved en temperatur på 165°C.

Foreliggende oppfinnelse gjelder også en fremgangsmåte for fremstilling av klart forbedrede ledertråder av AGS/L-type,. og hvorved det oppnås: Eh kombinasjon'av mekaniske og elektriske egenskaper som er klart bedre for praktiske anvendelser enn de egenskaper som oppnås ved

konvensjonelle prosesserj

Forbedret termisk stabilitet og krype-bestandighet;

En tretthets-bestandighet som minst er tilsvarende den som oppnås

ved kjente prosesser.

Oppfinnelsens fremgangsmåte går således ut på at det tilsettes

kobber til en Al/Mg/Si-legering (AGS/L eller "Almelec") i en mengdeande! som ikke overskrider 0,40% og fortrinnsvis ikke ligger over 0,20%, idet det stangemne som oppnås f.eks. ved den ovenfor angitte prosess nr. 3, utsettes for nevnte trekning ved moderate temperaturer mellom løsnings-varmebehandlingen og bråkj øl ingen av stangernnet på

den ene side og den kunstige eldning av den trukkede tråd på den annen si'de, hvorunder de nevnte behandlinger utføres enten i faste porsjoner i en statisk varmeovn eller kontinuerlig.

Den nevnte trékningsprosess utføres i et temperaturområde som tilsvarer lav utfelningstakt for I^^Si, nemlig et temperaturområde fra 110 til 180°C når det gjelder Al/Mg/Si-legeringer med følgende sammensetninger: Fe 0,15 - 0,35%, Si 0,30 - 0,70%, Mg 0,30 - 0,80%. Trekningen utføres i dette temperaturområde med en trekningsgrad over 350%, således at ( ~— x 100) rv.^r350%., idet' S her er trådens begynnelsediameter og s er den endelige oppnådde tråddiameter. Dette fører overraskende til at de oppnådde egenskaper (kombinasjonen Br-^) etter den avsluttede kunstige eldning forbedres i kraft av en finere fordeling av de herdende Mg^Si-bestanddeler som utfelles under nevnte trékningsprosess ved moderat temperatur, samt på grunn av eliminering under nevnte trékningsprosess av såkalte Guiner-Preston-soner somd dannes ved eldning etter bråkjøling og i vesentlig grad bidrar til den spesifikke elektriske motstand, men bare i uvesentlig grad til struktur-herdning.

Det er overraskende funnet at nevnte kombinasjon av kobbertilsats '

i mengdeandeler begrenset til 0,4% og fortrinnsvis 0,2%, og nevnte trekning ved mdderat temperatur gjør det mulig å oppnå meget gunstige mekaniske og e3iekstriske egenskaper for det ferdige produkt, uten at det av denne grunn er behov for å anvende så store kobbermengder at

dette på uheldig måte ville påvirke materialets trekkbarhet under normale forhold og dets korrosjonsbestandighet.

Ved sin virkning på materialutfeininger i legeringsstrukturen gjør sådan trådtrekning ved moderat temperatur det mulig å utsette de trukkede ledningstråder for en kontinuerlig kunstig eldningsbehandling.

Denne trékningsprosess utføres på stangemnet på forskjellige måter, f.eks. ved trekning av koldt stangmaterial i spoleform, hvorved emnet er koldt ved inngangen til trekningsmaskinen, eller

. fortrinnsvis ved gradir&s forvarming til den moderate trekningstemperatur, eller eventuelt ved trekning av en forrådskveil av stangmateriale som er forvarmet i en ovn til en temperatur under

den moderate trekningstemperatur og ikke over 140°C, idet en klar herdningsvirkning oppnås over denne temperatur og gir seg til kjenne ved nedsatt trekkbarhet.

En fremgangsmåte for utføring av trekningsprosessen ved moderat temperatur går f.eks. ut på at tråden trekkes i en flertrinns-

maskin med fordelt fremtrekk som er nedsenket i et bad av smøremiddel termostatisk regulert til den valgte trekningstemperatur, samtidig som trekkdysene oversprøytes med samme termostatisk regulerte smøremiddel.' I dette tilfelle er smøremidlets temperatur innstilt til en verdi mellom 110 og 180°C samt fortrinnsvis mellom 130 og 160°C i avhengighet av arbeidsbetingelsene under trekningen (koldbearbeidingsgraden, trekningstakten og således også trekningstiden).

Etter en sådan trekning varmebehandles tråden enten i en statisk porsjons-ovn ved nominell temperatur i området 130 - 170°C i tidsperioder fra 30 min. til 12 timer, eller fortrinnsvis kontinierlig når den trukkede tråd forlater trådtrekningsanordningen ved nominell temperatur i området 180 - 240°C i løpet av en tid som ligger mellom 1 og 30 sek. En sådan varmebehandling kan f.eks. gå ut på at tråden kontinuerlig føres gjennom et termostatisk regulert oljebad, som også gjør det mulig å fremstille en tråd som er hensiktsmessig belagt med smøremiddel og således vel egnet for en påfølgende kabeldannende arbeidsoperasjon.

Denne varmebehandling av en gjenopprettende virkning og fremmer materialutfellinger i legeringsstrukturen på sådan måte at dette gir seg til kjenne ved:

-øket elektrisk ledningsevne,

-gjenopprettelse av trådens plastisitet (bruddforlengelsen og bøynings-evne),

samtidig som trådens mekaniske styrke (bruddfasthet) fremdeles er høy.

Oppfinnelsens fremgangsmåte vil nå bli nærmere forklart ved hjelp

av utførelseseksempler.

EKSEMPEL 1.

Fire legeringer, nemlig A, BT C og D, med følgende materialesammen-setninger bie trådtrukket på kjent måte:

Behandlingsprosessen ble utført ifjsibgende trinn: Press-ekstrudering av støpeblokker med 100 mm diameter for fremstilling av stangemnet med diameter på 9,5 ram; Løsnings-varmebehandling av stangemnet med diameter 9,5 mm i tre timer ved 540°C;

Bråkjøling ved hjelp av koldt vannj

Elding i åtte dager ved omgivelsestemperatur;

Trekning gjennom en enkelt dyseblokk til den diameter på 2,2 mm

ved omgivelsestemperatur og en fremtrekkstakt på 40 m pr. min.;

Avsluttende kunstig eldning i statisk varmeovn ved 165°C med en oppholdstid fra 90 min. til 9 timer.

Forskjellige kombinasjoner av bruddfasthet og elektrisk motstand

ble oppnådd i avhengighet av den anvendte kunstige eldningstid, idet det for de oppnådde kombinasjoner er mulig å trekke opp kurver: R = f ( P). Ved en og samme verdi for den spesifikke motstand, p = 3,25 j\\ SL . cm, ble følgende verdier for bruddfastheten oppnådd: 2

Legering A : 36,4 kg/mm

B : 36,8 kg/mm

C*": 39,5 kg/mm;D : 41,5 kg/mm;EKSEMPEL 2.;Legeringssammensetning: Fe 0,30%, Si 0,60%, Mg 0,64%, Cu 0,015%. ;Behandlingstrinn:;-støpning, fulgt av kontinuerlig valsing i en PROPERZI-maskin for fremstilling av et stangemne med diameter 9,5 mm; -løsnings-varmebehandling av det fremstilte stangemne i tre timer ved 540°C; -bråkjøling ved hjelp av koldt vann; -eldning i 4 dager ved omgivelsestemperatur; -trekning gjennom en enkelt dyseblokk til en tråddiameter på 2,2 mm ved 4 forskjellige temperaturer, nemlig: ;omgivelsestemperatur (omkring 20°C);110°C ;140°C ;160°C ;For trekning ved temperaturene 110, 140 og 160°C ble emnet oppvarmet ■> før dysegjennomføringen ved opphold i et termostatisk regulert oljebad idet dysen også ble oppvarmet til trekningstemperaturen. Den avsluttende kunstige eldningsbehandling (statisk varmeovn) ble utført ved 165°C i behandlingsperioder fra 1 til 7 timer. Forskjellige kombinasjoner av R og p ble oppnådd i avhengighet av den anvendte kunstige eldningstid. På basis av disse kombinasjoner var det mulig å teekke opp kurver av formen R » f ( p) for hver ovenfor angitt trekningstemperatur. Ved en og samme verdi for den spesifikke motstand p = 3,25 yU Jh.. cm, ble følgende bruddfastheter oppnådd: ; EKSEMPEL 3.;Den tråd med diameter på 2,2 mm som ble oppnådd i henhold til eksempel 2 ved trekning ved 140°C, ble utsatt for kontinuerlig kunstig eldning ved føring gjennom et oljebad oppvarmet til forskjellige temperaturer, nemlig 180°C, 200°C og 220°C. Føringstakten for tråden gjennom badet var sådan at oppholdstiden ved vedkommende kunstige eldningstemperatur var 15 sek.' ;De karakteristiske verdier som Ble oppnådd ved de forskjellige eltningstemperaturer samt umiddelbart etter trådtrekningen ved ovenfor angitte temperatur, er som følger: ; EKSEMPEL 4.;Trådtrekning ved moderat temperatur ble utført med tre prøvestykker av stangemnet med diameter 9$5 mm, tilsvarende henhv. material-sammensetningene A, B og C i eksempel 1, og som hadde vært utsatt for samme behandlingstrinn som angitt i dette eksempel, bortsett fra at' trådtrekningen ble utførtvved 140°C. ;Liksom i de tidligere angitte utførelseseksempler ble forskjellige kombinasjoner av R og poppnådd i avhengighet av forskjellige kunstige eldningsbetingelser. På basis av sådanne sammenhørende verdier, vil det være mulig å trekke opp en kurve R = f ( P) for hver legering, og de verdier av R som tilsvarer en og samme spesifikk motstandsverdi p= 3,25 yU cm. er angitt i følgende tabell: ; EKSEMPEL 5.;Under forøvrig samme betingelser som angitt i eksempel 4, ble en tråd trukket til en diameter på 3,45 mm med følgende resultater: ; EKSEMPEL 6. ' ;Tråder av legeringene A og C i eksempel 1 (henhv. kopperinnhold «^n0£008r,% 6g 0,20 %) behandlet i henhold til eksempel 4, nemlig ;trådtrekning ved 140 C fulgt av kunstig eldning i en statisk varmeovn, ;ble utsatt for forskjellige varmebehandlinger for å få et begrép om rt. den termiske stabilitet av trådenes mekaniske egenskaper samt deres krypebestandighet. ;De mekaniske verdier ble målt ved 20°G før gg etter varmebehandling;i 1 time ved henhv. 175, 200 og 250°C samt i 100 timer ved 125°C.;De oppnådde resultater er som følger:; ; Til sammenligning ga den 2, 2 mm tråd som i hemhold til eksempel 2 ble behandlet i samsvar med kjent teknikk, ved normal trekning ved ;20°, ffølgende resultater:; ; De samme tråder av legeringene A og C som ikke hadde blitt varmebahdndlet (angitt ved "ingen" i tabellen ovenfor), ble utsatt for krype-prøver i en periode på 1000 timer og ved 60°C under en strekk-påo kjenningen på 7,1 kg/mm 2. De fastlagte krype-forlengelse under disse forsøk var henhv. : A: 4,55 . 10~<2>mm over 125 mm, £ = 3,64 . 10~2 %' ;C 3,65 . 10~<2>'mm over 125 mm, £ = 2,92 . 10~<2>% ;Ved tråder med samme m©terialsammensetning'som legering A og behandlet i henhold til konvensjonelle metoder, ble det un^er samme prøvebeting-eiser oppnådd krype-f ori §figel ser hovedsakelig lik 4 . 10"" %. ;EKSEMPEL 7.;Det ble anvendt stangemner med diameter 9,5 mm og oppnådd ved kontinuerlig støping og valsing i en PROPERZI-maskin av to legeringer med.følgende material-sammensetning: ; Stangemnene ble i form av kveiler på 1 tonn i<r rekkefølge utsatt ■ > ;for: ;-løsnings-varmebehaddling i 10 timer ved 540°Cj;-bråkjøling med koldt vann; ;-tørkning i 10 timer ved 100°C;Trådtrekningen ble utført i en firetrinns trådtrekningsmaskin med;en trekningstakt på 100 m/min. og ved en trekningstemperatur på 160°C. ;Tråden løper inn i maskinen i kold tilstand og bringes til den moderate trekningstemperatur ved.nedsenkning i et bad av smøremiddel, som er termostatisk regialert til vedkommende temperatur, idet maskinens rmannstykkbr og trekkhoder også er nedsenket i smøremidlet. ;Den ferdige tråd med diameter 3,45 mm ble oppnådd ved to treknings-prosesser under ovenfor angitte betingelser og ble derpå utsatt for forskjellige kunstige eldningsbehandlinger, enten i en statisk ;varmeivn eller ved passasje gjennom et oljebad.;De mekaniske strekk-egenskaper og den elektriske ledningsevneverdi ;oppnådd Umiddelbart etter trådtrekningen og kunstig eldnigg i 12 timer ved 150°C, var fseks. som følger: ; ; EKSEMPEL 8.;Den tråd med diameter 3,45 mm som ble oppnådd i henhold til eksempel 7. ble for hver av de to legeringer umiddelbart etter trådtrekningen ved mdtderat temperatur utsatt for en tredje trékningsprosess under samme forhold, for å nedsette tråddiameteren til 2,25 mm . ;Den således oppnådde tr&lt ble også utsatt for kunstig eldningsbehandling i henhold til eksempel 7, og de tilsvarende oppnådde mekaniske og elektriske egenskaper var da, f.eks. , som følger: ; De oppnådde kombinasjoner av mekaniske og elektriske egenskaper;som således er oppnådd ved oppfinnelsens fremgangsmåte, er gunstige sammenlignet med tilsvarende egenskaper oppnådd ved konvensjonelle industrielle behandlinger og trådtrekning ved omgivelsestemperatur , slik som angitt i eksempel 2 under henvisning til en legering med lignende materialsammensetning som legeringE og behandlet ved støpning og valsing i en PROPERZI-rnaskin samt derpå trukket til samme diameter etter bråkjølingjfor fremstilling av vedkommende stangemne med diameter på 9,5 mm*

Claims (1)

1. Elektriske ledere av aluminiumlegering, særlig for fremstilling av luftledninger for kcaftforskyvning, og som inneholder 0,15 - 0,35% jern, 0,30 - 0,70 % silisium og 0,30 - 0,80 % magnesium, samt et kobberinnhold mindre enn 40%, og fortrinnsvis mindre enn 20 %, samt de vanlige forurensninger som tillades i aluminium for elektriske anvendelser; karakterisert ved at lederne i kombinasjon irar en bruddfasthet på minst 37 kg/mm 2, en bruddforiengelse på minst 4 % ■ samt en spesifikk elektrisk motstand på høyst 3,28 mikro-ohm-centimetei:

2. Elektriske ledere somiangitt i krav 1, karakterisert ved at de videre oppviser en kr>ipe-bestandighet på mindre enn 4,0 . 10 —2%, under prøvning av en tråo d på o 2,2 mm under et strekk på 7,1 kg/mm 2 i 1000 timer ved 60°C. -3i Fremgangsmåte for fremstilling av elektriske ledere som angitt' .1, -i-krav 1 eller 2, * s fra stangemnet som på forhånd har vært utsatt for en løsnings-1 t varmebehandling, fulgt av en eventuelt kontinuerlig bråkjøling; karakterisert ved at trekning av stangemnet utføres ved en temperatur i området 110 - 180°C, og fortrinnsvis i området 130 - 160°C, med en trekningsgrad på minst 350%, hvoretter kunstig eldning utføres ved en temperatur på 130 - 240°C. ■ 4..' -' Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at kunstig fc&dning utføres i en statisk varmeovn under en tidsperiode fra 30 min til 12 timer ved en temperatur i området 130 - 170°C.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at kunstig eldning utføres kontinuerlig under en tidperiode fra 1 til 30 sek. ved en temperatur i området. 180 - 240°C.