DE2029584A1

DE2029584A1 - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters unter Verwendung von Aluminium

Info

Publication number: DE2029584A1
Application number: DE19702029584
Authority: DE
Inventors: Paul Philip Oakland; Roberts Sidney George Livermore; Calif. Zeigler (V.St.A.)
Original assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Current assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Priority date: 1969-06-18
Filing date: 1970-06-16
Publication date: 1970-12-23
Also published as: GB1286720A; JPS4837492B1

Description

Aluminium findet als elektrischer leiter steigende Verwendung. Bei elektrischen Leiterlegierungen ist die Duktilität von Bedeutung, damit die Anschlüsse ohne zu brechen verbogen und verdreht werden können. Reines Aluminium ist ein ausgezeichneter elektrischer Leiter mit einer elektrischen Leitfähigkeit von ungefähr 65 $ IACS (65 £ des internationalen standardausgeglübten Kupfers). Um jedoch ausreichende Festigkeit zu haben, muß es kräftig kalt bearbeitet sein. Das Ausmaß der Verfestigung, die durch Kaltbearbeitung erreicht werden kann, wird durch die Kapazität des Materials, eine Kaltverfestigung zu erreichen und den Verlust an Duktilität, der starke Verformungen begleitet,

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begrenzt. Gegenwärtig wird relativ reines Aluminium (99,45 #), welches man als EC-Aluminium oder Aluminium für elektrische Leiter bezeichnet, kalt auf eine Zugfestigkeit bis etwa 1900 kg/cm bearbeitet. Bei dieser Zugfestigkeit besitzt das Material eine Streckung von etwa 1 1/2 bis 2 <fi auf 25 cm.

Aluminium kann auch in seiner Festigkeit duroh die Zugabe von Legierungselementen oder durch die Zugabe sowohl von Legierungselementen als auch durch Kaltbearbeitung verbessert werden. Die wirksamsten Legierungselemente, die z. Z. verwandt werden zur Verbesserung der Pestigkeitseigensobaften von Aluminium besitzen eine merkliche Löslichkeit in Aluminium, und nur geringe Mengen dieser Elemente könnten verwandt werden, ohne die elektrische Leitfähigkeit unzulässig zu verschlechtern. Aus diesem Grund enthalten Aluminiumlegierungen, die als elektrische Leiter verwandt werden, nur geringe Mengen von Magnesium oder Magnesium und Silizium.

Im Jahre 1948 veröffentlichte R. H* Harrington einen Artikel "The Effect of Single Addition Metals on the Recrystallization, Electrical Conductivity and Rupture Strength. of Pure Aluminium¹¹ in den Transactions der American Sooiety for Metals. Dieser Artikel stellte fest, daß die Zugabe von 1 # Eisen, die man gewöhnlich als eine unerwünschte Verunreinigung ansah, eine Legierung ergab, die außerordentliche Bruchfestigkeit im ausgeglühten Zustand zeigte und dennoch eine hohe elektrische Leitfähigkeit von 61 # besaß. Seit

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dieser Zeit ist nichts Bemerkenswertes getan worden, daß Eisen ohne wesentliche Verluste der elektrischen Leitfähigkeit zugesetzt werden kann, ansoheinend deswegen, weil das von Warrington hergestellte Material keine raerkliobe Verbesserung in der Duktilität zu normalem Aluminium zeigte, wie man es für elektrische Leiter verwandte.

Es wurde nun gefunden, daß man eine wünschenswerte Kombination von Festigkeit, Leitfähigkeit und Duktilität eines elektrischen Leitermaterials erhalten kann, wenn man Aluminium, welches etwa 0,7 bis etwa 3 Gew.-ji Eisen enthält, in einer besonderen Weise behandelt. Ganz allgemein-muß die Legierungszugabe dadurch ausgezeichnet sein, daß sie adequate Löslichkeit im flüssigen Aluminium besitzt, aber eine sehr niedrige oder begrenzte Löslichkeit im festen Aluminium. Unter den Bedingungen, unter welchen das Aluminium als Leiter verwandt wird, muß somit nahezu die gesamte Eisengabe als intermetaLlische Phase vorliegen. In dieser Form ist das Eisen der elektrischen Leitfähigkeit nicht so abträglich, als wenn es als'Gelöstes, in der festen Aluminiumlösung vorläge· Bei den allgemein üblichen Verfahren zur Behandlung von Aluminiumlegierungen ergeben die geringen vorhandenen Mengen von Eisen große Teilchen der intermetallischen Phase während des Erstarrens. Solche Teilchen sind für die mechanischen Eigenschaften der Legierung schädlich und machen es schwierig, ein gutes Produkt

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herzustellen. Es wurde gefunden, daß, wenn die Größe der intermetallischen Teilchen beschränkt, d. b. klein gehalten werden kann, das bedeutet, wenn eine Gußstruktur erhalten werden kann, die ein verhältnismäßig reines AIuminiumgefüge umfaßt, das gleichmäßig verteilt feine intermetallisohe Teilchen enthält und diese Struktur während der Behandlung erhalten werden kann, danndie Legierung aus Aluminium und Eisen tatsächlich verbesserte Eigenschaften besitzt.

Erfindungsgemäß wird eine homogene Schmelze aue im wesentlichen reinem Aluminium und etwa 0,7 bis etwa 3 Gew.~$ Eisen hergestellt. Das Metall wird naoh einem Verfahren^gegossen, bei dem ein schnelles Abschrecken möglioh ist, damit das Eisen, welches während des Gießens ausfällt, kleine gleichmäßig verteilte intermetallische Xeilqhen in dem Aluminiumgitter bildet. Der Rest des Eisens ist ate Lösung in einer übersättigten festen lösung aua-Aluminium vorhanden. Zu irgendeinem Abschnitt in der Behandlung anschließend an das Gießen wird das Metall auf ein© Temperatur beispielsweise im Bereiche von 260 bis 482⁰G für eine Zeitspanne erwärmt, die ausreicht, damit der größte Teil dee in äex Übersättigten Lösung vorliegenden Eisens aioh in einer Zwisobenphase ausscheidet. Diese Pxäzipitation kann neue Teilchen eier Eisen-Aluminium-Phase erzeugen ale auch an den bereits- gebildeten und gleichmäßig verteilten kleinen Eieen-Alutninium-Teilchen stattfinden» Auf diese Weise verleiht äas JDiflea

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Festigkeit und Duktilität, ohne daß seine Leitfähigkeit

f
in unzulässigem Maße beeinträchtigt wird. Vorzugsweise

enthält die Schmelze 1 bis 2 <fi Eisen und insbesondere etwa 2 fo Eisen.

Die bevorzugte Glühtemperatur in der oben angegebenen Spanne liegt bei etwa 426⁰O. Nach dem Glühvorgang erfolgt die Abkühlung mit einer Geschwindigkeit, vorzugsweise von etwa 56⁰O pro Stunde auf eine Temperatur von etwa 204⁰O, worauf das Metall an der Luft auf Zimmertemperatur abgekühlt wird. Das erstarrte Metall kann meohanisoh bearbeitet werden, ehe es auf die gewünschte Glühtemperatur erhitzt wird. Andererseits aber können Erhitzung und Bearbeitung gleichzeitig vorgenommen werden. Naoh dem Glühen kann das Metall einer Kaltbearbeitung zur Quersohnittsflächenverringerung unterworfen werden, so daß sich ein Endprodukt mit der gewünschten !Festigkeit ergibt. Wenn z. B. die Legierung etwa 2 56 Eisen enthält, kann eine 93#ige kalte Quersohnittsfläohenverringerung zur Erzeugung eines Drahtes vorgenommen werden, der eine Zugfestigkeit von

etwa 2039 kg/cm besitzt, eine Dehnung von etwa 4 bis 5 om auf etwa 25 om Länge und eine elektrische Leitfähigkeit von nicht weniger als etwa 59 # IAOS.

Die Erstarrungsgeschwindigkeit während des Gießens soll so sein, daß das Eisen, welches sich niederschlägt, in Zwisohenphasenteilohen vorliegt, deren größte Abmessung 0,005 mm beträgt.

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Die tatsächliche Erstarrungsgesobwindigkeit, die erforderlioh ist, um diese Bedingungen zu erreichen, hängt von dem Eisengehalt in der !©gierung ab. Je höher der Eisengehalt, umso schneller muß die legierung erstarren. Die notwendige Erstarrungsgesctav/indigkeit wird jedoch beim Gießen mit direkter Abschreckung leicht überschritten. Wenn z. B. eine legierung, die 2 $ Eisen enthält, mit direkter Absohreokung gegossen wird ale ein Stab von etwa 25 mm Durchmesser mit einer AfezugsgesofawiEäigk'eit von etwa 43 mm/Min, erstarrt das Metall isebaell genug, um die Größe der Zellen der dendritischen Struktur auf Abmessungen zn begrenzen, die kleineu als O_sOO875 mm sind. Bei einer ausreichenden Erstarrungsgesotawindigkeit können.auoh Gußstücke mit einer gsö8e»en Quexschßittsfläohe,. beispielsweise von 10 χ 10 cm oder 15" x 15 om, gegossen werden,,die die riohtigen dendritischen Zellen uuä EisenteilobeagröSeo. aufweisen. Mit einem solchen Material kann man die gewünschten GlühbedingUEgen dactacta erhalten, daß raaa das Material bearbeitet und ee dann auf die GliibtemperatuK für etwa zwei Stunden erhitzt.

Die Zeichnung zeigt die Wirkung der Erhitzung auf die leitfähigkeit und die Härte kalt Tbearbeitet@n mit 2 56 Eisen als Legierungsbestandteil. Es sind in der Zeichnung auoh die Leitfähigkeit osefa dem KaltbeaElbeiten und die Härte nach dem KaltbeaEbeiten gezeigt«

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In der in der Zeichnung dargestellten Graphik ist auf der linken Ordinate die Leitfähigkeit in % IAOS aufgetragen, in der rechten Ordinate die Härte in Rockwell. Die Kurve 1 zeigt die Leitfähigkeit, die Kurve 2 die Härte, die Kurve 5 die Leitfähigkeit der nur bearbeiteten Legierung, die Kurve 4 die Härte der bearbeiteten Legierung und die Kurve 5 die Härte der gegossenen Legierung.

Wie bereits dargestellt, bezieht sieb die vorliegende Erfindung auf einen elektrischen Leiter aus Aluminium, der sowohl Festigkeit als auch Duktil!tat besitzt, die man durch Kaltbearbeitung einer Aluminiumlegierung erhält, welche eine verhältnismäßig gleichmäßige Verteilung von kleineu Teilchen der Eisen-Aluminium-Pbaee enthält. Die Behandlung des Metalles wird so gesteuert, daß eich kleine gleichmäßig verteilte Teilchen der Eisen-Aluminium-Pbaee anfänglich ergeben und diesen schließlich ausreichend Beweglichkeit gegeben wird, damit die letzten Spuren gelösten Eisens in dem Aluminium aus der Lösung ausscheiden» entweder in Form neuer kleiner Teilchen oder sioh an die bereits gebildeten Seuchen ansetzen. Alle diese ZwiaobenpbasenteHohen in dem Metall sind so klein, daß sie die Festigkeit und die Duktilität des Aluminiums beeinflussen, aber gleichzeitig wiederum zu groß, daß sie eine nachteilige Beeinflussung der Leitfähigkeit des Aluminiumgitters bewirken.

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Als Beispiel einer Anwendung dieser Erfindung wurden Stangen aus einer Legierung von Aluminium mit etwa 2 "%> Eisen von etwa 25 mm Durchmesser gegossen. Die Stangen wurden direkt bei einer Abzugsgesohwindigkeit von .43 om/Min» abgesobreokt. Beim taerkömmliohen Stranggußverfahren mit direkter Abschreckung größerer Abmessungen und damit langsamerer Erstarrungsgesohwindigkeit erhält man normalerweise große, spröde Primärteilohen der Eisen-Aluminium-Pbase FeAl,* in dieser legierung. Metallographisobe Untersuchungen der inneren Struktur der sehr sobnell abgeschreckten und damit erstarrten Stangen zeigten, daß der Eisen-Aluminium-Bestandteil sehr fein und gleichmäßig über das Gitter der Stange verteilt war. Die Eisen-Aluminium-Phasenteilchen besaßen eine maximale Abmessung von nicht mehr als etwa 0,005 mm. Eine dieser Stangen wurde dann leicht entzundert und kalt- durch Waisen im Durchmesser verringert auf einen solchen von etwa 9,4 mm? ohne daß eine Zwischengliihung vorgenommen wurde. An dieser Stelle wurde die elektrische Leitfähigkeit der Stange gemessen, und es zeigte sich, daß sie etwa 54 f> HGS betrug. Teile der gewalzten Stange wurden auf Temperaturen sswieohen 215 und 482⁰O erwärmt und wie die Zeichnung zeigt, nahm die elektrische Leitfähigkeit zu und die Härte ab. Die Zunahme in der elektrischen Leitfähigkeit ist größer ale maa aufgrüne! der Erweichung a Hein erwarten könate«. Das zeigt @a₅ übB die.

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Erstarrungsgesobwindigkeit der Stange beim Gießen ausreichte, die Diffusion des ganzen Eisens aus dem Aluminiumgitter während des Gießens zu verhindern. Mit anderen Worten, das Aluminiumgitter war ursprünglich mit Eisen übersättigt, das als gelöstes eine bedeutsame Verringerung der elektrischen Leitgähigkeit verursaohte. Die Erwärmung gestattete eine Diffusion und Aussoheidung, wodurch der Eisengehalt im Gitter verringert wurde. Die maximale feste löslichkeit von Eisen in Aluminium bei der eutektisoben Temperatur von etwa 654⁰O kann bei etwa 0,05 # liegen. Sie nimmt sehr schnell auf nur etwa 0,006 # bei 500⁰O ab. Metallographisohe Untersuchungen der erhitzten Proben zeigten, daß die Eisen-Aluminium-Teilchen größer wurden mit erhöhter Glühtemperatur.

Eine etwa 10 mm dicke Stange aus diesem Material wurde zwei Stunden bei einer Temperatur von etwa 571⁰C geglüht. Anschließend wurde sie kalt auf einen Durchmesser von etwa 2,5 mm gezogen, oder mit anderen Worten, es wurde eine Querschnitt sverringerung von 93 $> in kaltem Zustand ohne eine Wärmebehandlung erreicht. Die Zugfestigkeitseigenschaften dieses Drahtes wurden zusammen mit den typisohen Pestigkeitseigensobaften elektrischer Leiterlegierungen und den minimalen Werten anderer Aluminiumlegierungen, die man für leiterzwecke verwendet, in Tabelle I aufgeführt.

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1715	4,8	59
1687	1,5	61
—.	1,5	53,5
	3,0	52,5

Tabelle I

Vergleioh von Eestigkeitswerten von leiterlegierungen aus Aluminium in Form eines etwa 2.5 mm dicken Drahtes

legierung Zugfestig-« Streckgrenze % Dehnung # IACS ————— keit kg/cm kg/om^z auf 2*p om ____

2 # le 2060

EC-H19

(typisch) 1898

5OO5-H19

(Min.) 2707

6201-T81

(Min.) 3374

Die Aluminiumlegierung 5005 enthält nominell 0,8 ^ Magnesium und die legierung 6201 nominell 0^7'^ Si und 0,8 Mg. Der Rest ist in beiden Alumimium und kleine Mengen an Veruureiniguagselementen» H19 uafl 181 sind !EenperbeKeiobttun» gen entsprechend übt ¹¹AIlOy and Temper Designation Systems for Aluminium" (USAS H35.1-1967)· -H19 bedeutet, daß das Material auf eine Extrabärte getempert worden ist, T81 bedeutet, daß das Material lösungsbebandelt, kalt beaubeitet und dann künstlich gealtert wurde»

Ein.Vergleich dieser Daten zeigt, da8 die legierung mit 2 % Eisen bessere Zagfestigkeit besitzt als ei ie EG-Iegierung mit ©twa dem dreifachen West äer Debnung eaä aus. etwa 2 Ji weniger elektrische leitfähigkeit. Die erhöhte Duktilität ist insbesondere deshalb bedeutsam₉ weil man bei leitungen oft geknickte und gebogene» gekrümmte usw»

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Verbindungen benötigt. Die Legierung ist niobt so stark wie die Legierung 5005 oder die Legierung 6201, aber sie besitzt überlegene Duktilität und überlegene elektrische Leitfähigkeit.

Weitere Versuche wurden durchgeführt, die den Verfahren entsprachen, welche in der Veröffentlichung von Harrington, die eingangs erwähnt ist, beschrieben sind. Für diese Versuche wurde Aluminium «it einem Reinheitsgrad von 99,95 1> auf 798⁰O erhitzt, um mit 1 i» Eisen legiert zu werden. Dann wurde die Legierung auf 698⁰O abgekühlt, mit Chlor entgast und in vorgeheizte Graphitfortnen in form von etwa 12 mm dicken Stangen gegossen. Die gegossenen Stangen wurden kalt gewalzt auf einen Durchmesser von etwa 10 mm. Die 10 mm dicken Stangen wurden dann schnell auf 398⁰C erwärmt, für 4- Stunden bei dieser Temperatur gehalten und in Luft abgekühlt. Das MateriaL wurde dann auf einen Durchmesser von 5 mm ausgewalzt. Dieses so behandelte Material ist nachfolgend als "XS^w bezeichnet· Ein Teil dieser etwa 5 mm dioken Stange wurde durch schnelles Erwärmen auf 371⁰C und Verweilen für 2 Stunden behandelt, anschließend auf 204⁰C abgekühlt, und zwar mit einer Abkühlungsgesohwindigkeit von etwa 50°C/b, unö dann wurde es an der Luft gekühlt. Dieses Material ist nachfolgend als ^MXA^W bezeichnet.

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Es wurde eine weitere Probe gemäß der vorliegenden Erfindung hergerichtet, d. b. die 1 # Eisen enthaltende Legierung wurde geschmolzen, mit Chlor entgast und direkt auf 70O⁰O abgekühlt. Dabei wurde eine Stange mit einem Durohmesser von etwa 2 1/2 cm hergestellt. Die gegossene Stange wurde kalt auf einen Durohmesser von etwa 10 mm ausgewalzt. Yor dem Ziehen des Drahtes wurde die Stange auf 371⁰C erwärmt, 2 Stunden bei dieser Temperatur gehalten und dann auf 204⁰C abgekühlt mit einer Abküh!geschwindigkeit von etwa 50°C/h, um dann an der Luft weiter zu kühlen. Proben von XS, XA und dem erfindungsgemäßen. Material, welches mit Y bezeichnet wurde, wurden kalt unter Verwendung von üblichen Drabtziehmatrizen kalt gezogen. Die Eigenschaften dieses Materials nach der Quersobnittsverringerung auf Drahtgröße sind in Tabelle II aufgeführt» Die Zugfestigkeitswerte wurden bestimmt gemäß American Society for Testing Materials Standard Procedures for Wire Specimens«, Alle Leitfestigkeitsmessungen wurden bei 21⁰C mit einer Kelvin-Brücke durchgeführt.

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Tabelle II Eigenaobaftsvergleioh der legierungen.

Iiegierungen # Quer- Draht- Zugfestig- Dehnung Leitfä-

sobnitts-duKbmes- kei± in kg/ $> bigkeit

verringe-ser in om auf 25 % IACS mm om

90	1,9	1786	2,8
95	1,38	1715	2,7
90	1,9	1708	3,6
95	1,38	1638	2,8
90	4,76	1765	6,2
95	2,26	1694	6,4
98,5	1,15	1631	6,3

60,6

61,4

Diese Ergebnisse zeigen klar, daß der naob der -vorliegenden Erfindung hergestellte Draht bemerkenswert mehr Duktilität zeigt bei gleioher Festigkeit und Leitfähigkeit als das XS-und XA-Material. Tabelle III zeigt die spezifische Zusammensetzung der drei Legierungen.

Tabelle III

Legierung $ Si % Ee $> Ou $> Mn # Mg $> Cr # Zn

XS + XA 0,02 0,97 0,00 0,01 0,00 0,00 0,07 Y 0,05 0,87 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters unter Verwendung von Aluminium, dadurch gekennzeichnet, daß man eine homogene Sohmelze aus im wesentlichen reinem Aluminium und etwa 0,7 bis etwa 3 Gew.-jS Eisen herstellt, daß man aus dieser Sohmelze unter schnellem Abschrecken Gießlingeher stellt, so daß die Eisen-Aluminium-Phase, die während des Erstarrens ausfällt, in Form kleiner Teilchen von weniger als 0,005 mm Größe im Aluminiumgitter vorhanden ist und der Best des Eisens als Lösung in einer übersättigten festen Aluminiumlösung vorliegt, worauf das erstarrte Metall auf eine Temperatur'zwisoben etwa 26O⁰C und 480⁰C erwärmt wird, eine Zeitspanne bei dieser Temperatur behalten wird, damit das meiste des in übersättigter Lösung vorliegenden Eisens diffundiert und sich entweder als neue Teilchen oder auf den sich bereits gebildeten Eisen-Aluminium-Teilchen niederschlägt.

2. Verfahren nach"Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze 1 bis 2 Gew.-^ enthält.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erstarrte Metall in eeiner endlioben Gestalt einer Kaltbearbeitung unterzogen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gltihtemperatur etwa 37O⁰C beträgt.

5. Verfahren naoh einem der vorhergehenden Ansprüche, daduroh gekennzeichnet, daß das erstarrte Metall vor dem Erwärmen auf die Glübtemperatur durch Bearbeitung gehärtet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall in Form einer etwa 25 mm dicken runden Stange stranggegoaaen wird mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 43 cm/Min, und anschließend zwei Stunden auf Glübteraperatur erwärmt wird.

7. Verfahren'nach einem der vorhergebenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das geglühte Metall von der Glübtemperatur auf etwa 20O⁰O mit einer Geschwindigkeit von etwa 50°C/b gekühlt und dann an der Luft abkühlen gelassen wird.

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8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das MetaLl während der Erwärmung auf die Glühtemperatur bearbeitet oder bei der Glühtemperatur bearbeitet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daus das geglühte Metall durch Kaltbearbeitung in seinem Querschnitt um wenigstens 50 $ ver- , r.Ln:;ert wird.

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