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Technischer Bereich
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten (ausgezeichneten) Torsionseigenschaften zur Verwendung beispielsweise als Drahtlernmaterial für Freileitungen mit geringem Durchhang sowie Draht aus der genannten Legierung.
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Stand der Technik
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Bisher wurden als Drahtkerne für Freileitungen in der Hauptsache Stahldrähte, gebildet aus verdrehten Drähten von wärmebeständigen Aluminiumlegierungen verwendet. Um weiterhin mit einer erhöhten Nachfrage an elektrischer Leistung in den nächsten Jahren fertig zu werden, muß die Menge an übertragener elektrischer Leistung erhöht werden. Eine Erhöhung der Menge der übertragenen elektrischen Leistung führt jedoch zu dem Problem, daß die elektrischen Drähte aufgrund der hohen thermischen Expansion von gewöhnlichen Stahldrähten durchhängen. Um dieses Problem zu lösen wird eine Invar-Legierung mit einem geringen thermischen Ausdehnungkoeffizienten als Kerndrahtmaterial verwendet, um das Durchhängen zu verringern, wobei die Menge der übertragenen elektrischen Leistung erhöht werden kann. Da in diesem Falle die Invar-Legierung letztendlich als dünne gedrehte Drähte verwendet wird, muß die Invar-Legierung eine hohe Zugfestigkeit sowie ausgezeichnete Torsionseigenschaften besitzen, welche hochstabil erhalten werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hochfeste Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung zur Verfügung zu stellen, welche hohe Zugkraft, ausgezeichnete Torsionseigenschaften und geringe thermische Ausdehnung zeigt, wobei diese jeweils hochstabil aufrecht erhalten werden können.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen hochfesten Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung unter Verwendung einer Vanadium enthaltenden Legierung auf Eisen-Nickel-Basis zur Verfügung zu stellen, der eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 1300 MPa, vorzugsweise nicht weniger als 1400 MPa sowie ausgezeichnete Torsionseigenschaften aufweist, was heißt, dass der Torsionswert nicht geringer als 20 Mal/100D, vorzugsweise nicht weniger als 60 Mal/100D, ist.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden zusammengefasst.
- (1) Hochfester Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften,
der mit Aluminium überzogen oder mit Zink plattiert ist.
wobei der Legierungsdraht umfasst (in Gew.-%):
Kohlenstoff: 0,1% bis 0,4%
Vanadium: mehr als 0,5% bis 3,0% sowie
Nickel: 25% bis 50%,
unter der Voraussetzung, dass die Forderung, dargestellt durch die Formel 2 ≤ Vanadium/Kohlenstoff ≤ 9, erfüllt ist,
wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht,
wobei der Legierungsdraht eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 1300 MPa und einen Torsionswert von nicht weniger als 20 Mal/100D aufweist, wobei D den endgültigen Drahtdurchmesser repräsentiert.
- (2) Legierungsdraht gemäß Anspruch 1, welche weiterhin (in Gew.-%) zumindest ein Mitglied ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium von nicht mehr als 2,0%, Mangan von nicht mehr als 2,0%, Chrom von nicht mehr als 3,0%, sowie Kobalt von nicht mehr als 10% aufweist.
- (3) Legierungsdraht gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei 0,5 ≤ Vanadium/Chrom ist.
- (4) Legierungsdraht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei 37 Gew.-% ≤ Nickel + Kobalt ≤ 40 Gew.-% ist.
- (5) Legierungsdraht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, welche weiterhin (in Gew.-%) mindestens ein Mitglied ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bor von nicht mehr als 0,05%, Kalzium von nicht mehr als 0,05%, sowie Magnesium von nicht mehr als 0,05% aufweist.
- (6) Legierungsdraht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, welche weiterhin (in Gew.-%) insgesamt nicht mehr als 5% von zumindest einem Mitglied ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Molybdän, Titan, Niob, Tantal, Zirkon, Hafnium, Wolfram oder Kupfer aufweist.
- (7) Legierungsdraht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei dieser eine Dehnung von nicht weniger als 0,8% hat.
- (8) Legierungsdraht gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei dieser das Eigenschaftserfordernis erfüllt, dass der lineare Expansionskoeffizient nicht mehr als 3 × 10–6/°C im Sinne des mittleren linearen Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 15 bis 100°C (15 bis 100°C), nicht mehr als 4 × 10–6/°C im Sinne des mittleren linearen Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 15 bis 230°C (15 bis 230°C), nicht mehr als 4 × 10–6/°C im Sinne des mittleren linearen Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 100 bis 240°C (100 bis 240°C) und nicht mehr als 11 × 10–6/°C im Sinne des mittleren linearen Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 230 bis 290°C (230 bis 290°C) beträgt.
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Bestes Verfahren zur Ausführung der Erfindung
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Die Gründe für die Einschränkung der chemischen Zusammensetzungen der hochfesten Legierung mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften gemäss der vorliegenden Erfindung werden beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind Prozentangaben in den Verhältnissen der Bestandteile in den Legierungen in Gewichtsprozent angegeben, sofern nicht anders spezifiziert.
Kohlenstoff: 0,1% bis 0,4%
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Kohlenstoff ist ein Element, welches für die Festigkeit des Materials durch die Verfestigung der festen Lösung und Fällungsverfestigung von Karbiden notwendig ist. Wenn der Gehalt an Kohlenstoff zu hoch ist, so werden jedoch die Torsionseigenschaften beeinträchtigt und der lineare Expansionskoeffizient erhöht. Aus diesem Grund ist der Kohlenstoffgehalt auf 0,1% bis 0,4% limitiert.
Vanadium: mehr als 0,5% bis 3,0%
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Vanadium ist ein Element, welches für die Verfestigung des Materials durch die Fällungsverfestigung von Karbiden notwendig ist. Weiterhin unterdrückt Vanadium die interkristalline Fällung von groben Karbiden und beschleunigt die Fällung von feinen überkristallinen Karbiden. Daher ist Vanadium wirkungsvoll bei der Verbesserung der Torsionseigenschaften. Wenn der Gehalt an Vanadium zu hoch ist, werden jedoch die Torsionseigenschaften beeinträchtigt und der lineare Expansionskoeffizient erhöht. Aus diesem Grund ist der Gehalt an Vanadium auf mehr als 0,5% bis 3,0% beschränkt.
Nickel: 25% bis 50%
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Nickel ist unentbehrlich zur Realisierung der geringen thermischen Ausdehnung, und somit ist aus diesem Grund der Gehalt von Nickel auf 25% bis 50% begrenzt.
2 ≤ Vanadium/Kohlenstoff (V/C) ≤ 9
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V/C ist wichtig für die vorliegende Erfindung. Wenn der Vanadiumgehalt übermäßig gering im Verhältnis zum Kohlenstoffgehalt ist, so wird die Fällungsverfestigung unbefriedigend. Weiterhin wird in diesem Falle die Menge an Kohlenstoff in der festen Lösung erhöht und so der lineare Expansionskoeffizient erhöht. Ebenso ist, wenn der Vanadiumgehalt übermäßig groß in Bezug auf den Kohlenstoffgehalt ist, der lineare Expansionskoeffizient erhöht und zusätzlich die Torsionseigenschaften beeinträchtigt. Aus den oben genannten Gründen ist das V/C-Verhältnis beschränkt auf 2 ≤ V/C ≤ 9, vorzugsweise 3 ≤ V/C 5.
Silizium: nicht mehr als 2,0%.
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Silizium ist wichtig für die Festigkeit des Materials. Die Zugabe von einer großen Menge an Silizium erhöht jedoch den linearen Expansionskoeffizienten. Daher ist die obere Grenze für den Siliziumgehalt 2,0%.
Mangan: nicht mehr als 2,0%
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Mangan ist ein Desoxidator und weiterhin nützlich für die Festigkeit des Materials. Die Zugabe einer großen Menge von Mangan erhöht jedoch den linearen Expansionskoeffizienten. Daher ist die obere Grenze für den Gehalt an Mangan 2,0%.
Chrom: nicht mehr als 3,0%
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Chrom ist nützlich für die Festigkeit des Materials. Die Zugabe einer großen Menge von Chrom erhöht jedoch den linearen Expansionskoeffizienten. Daher ist die obere Grenze des Chromgehaltes 3,0%.
0,5 ≤ Vanadium/Chrom (V/Cr)
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Was V/Cr betrifft, so werden, wenn der Chromgehalt übermäßig groß im Verhältnis zum Vanadiumgehalt ist, grobe Chromkarbide und grobe Vanadiumchrom-Kompositkarbide erzeugt, was in einer Beeinträchtigung der Torsionseigenschaften resultiert. Wenn die Torsionseigenschaften weiter hochstabil erhalten werden sollen, so beträgt das V/Cr-Verhältnis vorzugsweise 0,5 ≤ V/Cr, bevorzugt 0,9 ≤ V/Cr.
Kobalt: nicht mehr als 10%
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Kobalt ist in vielen Fällen als unvermeidbare Verunreinigung in den Rohmaterialien enthalten. Ebenso wie Nickel ist Kobalt, wenn absichtlich zugegeben, wirkungsvoll bei der Reduktion des linearen Expansionskoeffizienten. Die Zugabe einer großen Menge an Kobalt führt jedoch zu erhöhten Kosten. Aus diesem Grund ist die obere Grenze des Gehaltes an Kobalt 10%.
37% ≤ Nickel (Ni) + Kobalt (Co) ≤ 40%
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Wenn das Material als Drahtkernmaterial für wenig durchhängende Überlandleitungen verwendet wird, sollte das Material einen im Durchschnitt geringen linearen Expansionskoeffizienten über den gesamten Temperaturbereich von Raumtemperatur bis etwa 300°C zeigen. Aus diesem Grund ist der Gesamtgehalt von Nickel und Kobalt auf 37% ≤ Ni + Co ≤ 40% limitiert. Falls notwendig, wird der Gesamtgehalt von Nickel und Kobalt auf 37,5% ≤ Nickel + Kobalt ≤ 39% gebracht.
Bor: nicht mehr als 0,05%
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Bor ist vorteilhaft für die Verbesserung der Verarbeitbarkeit. Die Zugabe einer großen Menge an Bor beeinträchtigt jedoch die Zähigkeit. Daher ist die obere Grenze des Gehaltes an Bor 0,05%.
Kalzium: nicht mehr als 0,05% und Magnesium: nicht mehr als 0,05%
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Kalzium und Magnesium sind Elemente, welche zur Bindung von Verunreinigungen wie Schwefel dienen, um die Zähigkeit des Materials zu verbessern. Die Zugabe dieser Elemente in großer Menge beeinträchtigt jedoch die Zähigkeit. Daher ist die obere Grenze für den Gehalt von Kalzium und den Gehalt von Magnesium jeweils 0,05%.
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Der Gehalt von einem Mitglied oder der Gesamtgehalt von zumindest zwei Mitgliedern, ausgewählt aus Aluminium, Molybdän, Titan, Niob, Tantal, Zirkon, Hafnium, Wolfram und Kupfer, beträgt nicht mehr als 5%.
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Aluminium, Molybdän, Titan, Niob, Tantal, Zirkon, Hafnium, Wolfram und Kupfer sind nützlich für die Festigkeit des Materials. Die Zugabe dieser Elemente in großer Menge führt jedoch zu einer Beeinträchtigung der Duktilität und der thermischen Ausdehnungseigenschaften des Materials. Aus diesem Grund beträgt die obere Grenze des Gesamtgehaltes dieser Elemente nicht mehr als 5%.
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Der erfindungsgemäße hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften hat vorzugsweise eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 1300 MPa und einen Torsionswert von nicht weniger als 20 Mal/100D. Wenn die Zugfestigkeit geringer als 1300 MPa ist, dann kann der für elektrische Drähte notwendige Zug nicht angewendet werden, und der Durchhang kann nicht ohne Schwierigkeiten im gewünschten Maße reduziert werden, d. h. es wird schwierig, die Kapazität zu erhöhen. Wenn der Torsionswert geringer ist als 20 Mal/100D, bewirkt das Verdrillen der Drähte einen Bruch von Drähten oder ähnliches, und somit geht die Verlässlichkeit der Drähte verloren. Aus diesem Grund muss der hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 1300 MPa und einen Torsionswert von nicht weniger als 20 Mal/100D haben. Weiterhin hat der erfindungsgemäße hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften eine Dehnung von nicht weniger als 0,8%. Wenn die Dehnung geringer als 0,8% ist, so tritt ein Bruch der Drähte oder ähnliches während der Drahtverarbeitung auf und somit ist der Legierungsdraht unzuverlässig. Aus dem zuvor genannten Grund ist die Dehnung auf nicht weniger als 0,8% eingeschränkt.
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Weiterhin genügt der erfindungsgemäße hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften vorzugsweise der Eigenschaftsanforderung, dass der lineare Expansionskoeffizient nicht mehr als 3 × 10/°C im Sinne des mittleren linearen Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 15 bis 100°C (15 bis 100°C) beträgt, nicht mehr als 4 × 10–6/°C in Bezug auf den mittleren linearen Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 15 bis 230°C (15 bis 230°C) beträgt, nicht mehr als 4 × 10–6/°C in Bezug auf den mittleren linearen Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 100 bis 240°C (100 bis 240°C) beträgt, und nicht mehr als 11 × 10–6/°C in Bezug auf den mittleren linearen Expansionskoeffizienten zwischen zwei Punkten im Temperaturbereich von 230 bis 290°C (230 bis 290°C) beträgt. Wenn der lineare Expansionskoeffizient größer als der oben definierte Bereich ist, kann ein gewünschter Durchhängegrad nicht erreicht werden, was es unmöglich macht, die Kapazität zu erhöhen.
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Der erfindungsgemäße hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften besitzt vorzugsweise auf seiner Oberfläche einen Korrosionsschutzüberzug. Dieser Überzug ist vom Standpunkt der Produktivität her vorzugsweise ein Aluminiumüberzug oder eine Zink-Plattierung. Es können jedoch andere Überzüge, die den gleichen Grad an Korrosionsschutz bieten, verwendet werden.
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Der erfindungsgemäße hochfeste Legierungsdraht mit geringer thermischer Ausdehnung und verbesserten Torsionseigenschaften wird vorzugsweise wie folgt hergestellt. Nach Beendigung des Formens und Walzens wird eine Kaltbearbeitung mit einer Flächenreduzierung von 30 bis 90% und Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 450 bis 750°C nacheinander ausgeführt und danach Kaltverarbeitung mit einer Flächenreduzierung von 30 bis 99% durchgeführt. Nach Beendigung des Formens und Walzens wird die Kaltverarbeitung mit einer Flächenreduktion von 30 bis 90% deshalb ausgeführt, da dann, wenn bei einer Wärmebehandlung bei geeigneter Temperatur ein durch die Kaltverarbeitung vorhandener Spannungszustand vorhanden ist, eine wirksame Fällungshärtung realisiert werden kann. Wenn die Flächenreduktion geringer als 30% ist, so ist dieser Effekt unbefriedigend, während, wenn die Flächenreduktion 90% überschreitet, die Produktionskosten erhöht sind.
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Die Wärmebehandlung nach der Kaltbearbeitung wird zur Fällungshärtung und Spannungsabbauzwecken ausgeführt. Wenn die Temperatur der Wärmebehandlung unterhalb von 450°C liegt, kann eine wirksame Fällungshärtung nicht erreicht werden. Andererseits führt eine Wärmebehandlungstemperatur oberhalb von 750°C zu einer Verringerung der Festigkeit auf Grund von Überalterung und Rekristallisation. Die Wärmebehandlung produziert Schuppen, welche ursächlich für eine Beeinträchtigung der Torsionseigenschaften sind. Um diese Schuppen zu entfernen, kann ein Schritt zum Abschälen oder ein Schritt, welcher den gleichen Effekt hat wie der Schritt zum Abschälen, nach der Wärmebehandlung bereit gestellt werden. Der Grund, warum nach der Wärmebehandlung eine Kaltbearbeitung mit einer Reduktion der Fläche im Bereich von 30 bis 99% ausgeführt wird ist der, dass diese Kaltbearbeitung eine Verarbeitungshärtung bewirken kann. Wenn die Reduktion der Fläche geringer als 30% ist, so ist der gewünschte Effekt unzufriedenstellend, während eine Reduktion der Fläche von mehr als 99% zu einer Beeinträchtigung der Torsionseigenschaften und der Zähigkeit, wie beispielsweise der Dehnung, bewirkt.
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Beispiel
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Die folgenden Beispiele zeigen weiterhin die vorliegende Erfindung.
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Erfindungsgemäße Stahllegierungen sowie Vergleichstähle, welche die in Tabelle 1 gezeigten Elemente sowie übliche Verunreinigungen enthalten, werden durch ein Schmelzverfahren hergestellt. Danach wird für die erfindungsgemäßen Stähle Nr. 1 bis 12 und die Vergleichstähle Nr. 24 bis 30 ein Drahtstabwalzen bis auf einen Durchmesser von 12 mm ausgeführt, und die Drahtstäbe werden einem Drahtziehen mit einer Flächenreduktion von 51%, d. h. auf einen Durchmesser von 8,4 mm, unterzogen. Die Drähte werden bei 650°C wärmebehandelt und auf einen Durchmesser von 8,0 mm skalpiert (abgeschält). Zum Schluss wird Drahtziehen mit einer Reduktion der Fläche von 86%, d. h. auf einen Durchmesser von 3,0 mm, ausgeführt, um Legierungsdrähte zu erhalten. Für die erfindungsgemäßen Stähle Nr. 13 bis 23 und die Vergleichsstähle Nr. 31 bis 33 wird Drahtstabwalzen auf einem Durchmesser von 16 mm ausgeführt, und die Drahtstäbe werden einem Drahtziehen mit einer Flächenreduktion von 72%, d. h. bis auf einen Durchmesser von 8,4 mm unterzogen. Die Drähte werden bei 580°C wärmebehandelt und dann auf einen Durchmesser von 8,0 mm skalpiert (abgeschält). Schließlich wird Drahtziehen mit einer Flächenreduktion von 92%, d. h. bis auf einen Durchmesser von 2,2 mm, ausgeführt, um Legierungsdrähte herzustellen.
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Diese Materialien werden auf Zugfestigkeit, Dehnung, Torsionseigenschaften, sowie thermische Expansionseigenschaften untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Für die Zugfestigkeit und die Dehnung werden Zugteststücke mit einem Durchmesser von 3,0 mm oder 2,2 mm und einer Messlänge von 250 mm verwendet. Für die thermischen Ausdehnungseigenschaften werden Exemplare mit einer Größe von 3,0 mm oder 2,2 mm im Durchmesser × 10 mm in der Länge durch Induktionsheizen erwärmt oder gekühlt und die Längenänderung mit einem Kraftwandler abgelesen. Für die Torsionseigenschaften wird ein Ende eines Legierungsdrahtes mit einer Größe von 3,0 mm im Durchmesser × 300 mm in der Länge (100 × größer als der Durchmesser) oder einer Größe von 2,2 mm im Durchmesser × 220 mm in der Länge (100 × größer als der Durchmesser) befestigt und bis zum Bruch verdreht, um die Anzahl der Male des Umdrehens zu zählen, die bis zum Zerbrechen notwendig sind. Diese Anzahl der Male von Umdrehungen wird als Torsionswert angesehen. Als ein Ergebnis, wie es aus Tabelle 1 hervorgeht, haben die erfindungsgemäßen Legierungsdrähte auch dann, wenn die Zugfestigkeit auf nicht weniger als 1300 MPa, vorzugsweise nicht weniger als 1400 MPa erhöht wurde, ausgezeichnete Torsionseigenschaften, Dehnung und einen geringen linearen Expansionskoeffizienten.
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Wie oben beschrieben haben Legierungsdrähte, die unter Verwendung von erfindungsgemäßen, Vanadium-enthaltenden hochfesten Legierungen mit geringer thermischer Ausdehnung hergestellt wurden, welche das Erfordernis, dargestellt durch die Formel 2 ≤ Vanadium/Kohlenstoff ≤ 9, erfüllen, auch wenn die Zugkraft auf nicht weniger als 1300 MPa, vorzugsweise nicht weniger als 1400 MPa gebracht wurde, ausgezeichnete Torsionseigenschaften, d. h., einen Torsionswert von nicht weniger als 20 Mal/100D, wenn nicht sogar nicht weniger als 100 Mal/100D. Weiterhin haben die Legierungsdrähte, da keinerlei spannungsinduzierter Martensit auftritt, eine ausgezeichnete Wirkung, d. h. einen geringen linearen Expansionskoeffizienten.
