DE2406446A1

DE2406446A1 - Induktionsschiene

Info

Publication number: DE2406446A1
Application number: DE19742406446
Authority: DE
Inventors: Heinz F Dr Sc Nat Bichsel; Peter Dr Furrer
Original assignee: Alusuisse Holdings AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1974-02-11
Publication date: 1974-08-22
Also published as: JPS5732102B2; IT1006343B; GB1439563A; FR2218221A1; CH572268A5; US3891433A; JPS49113709A; DE2406446C2; FR2218221B1; CA1008276A

Description

Telefon (0B9) 22S30O Telegramme pateinua mündien

8000 ."dünchen 22 Widenmayerstraße 38

Patentanwalt Dr.-!ng. R. Liesegang

SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG
P 009 60 .

Die Erfindung betrifft Induktionsschienen auf der Basis von Aluminium-Mangan-Legierungen, die wegen ihrer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit bei Schnellbahnen mit Linearmotorantrieb verwendet werden, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Es ist bekannt, dass ge.wisse uebergangsmetalle die Leitfähigkeit von Aluminium erniedrigen, wenn sie in so kleinen Mengen zugegeben werden,, dass die zulegierten Elemente in fester Lösung vorliegen. Bei der Zugabe von Mangan wirkte sich aber bisher nachteilig aus, dass die Leitfähigkeit aufgrund verschiedener Ausscheidungszustände nicht mit Sicherheit vorausgesagt werden kann. Nach dem Stand der Technik ist es deshalb als notwendig erachtet worden, ausser Mangan noch mindestens eines der Uebergangselemente Zirkon, Vanadium, Titan, Chrom oder Zink zuzusetzen, damit einheitliche Ergebnisse erreicht werden können. Diese Legierungen sind beispielsweise für Rotoren oder Gehäuse von Motoren und Messscheiben für elektrischen Strom verwendet worden.

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«ν

Es ist auch bekannt, dass sich beim Glühen von Aluminium Mangan - Legierungen AIgMn-Ausseheidüngen bilden, und dass diese Ausscheidungsprozesse durch Pe und/oder Si begünstigt -werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus gut verform- und schweissbaren, mittlere Festigkeit aufweisenden Aluminium-Mahgan-Legierungen Induktionsschienen mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 5/ΐΛ·σηι herzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Induktionsschiene aus einer Legierung der Zusammensetzung 0,7 - 3,5 % Mn

Rest-Al, mindestens 99,5 % rein, insbesondere mit Verunreinigungen von höchstens 0,1 % Pe und' 0,15 % Si besteht, und dass die Legierung durch Stranggiessen rasch aus der Schmelze abgekühlt, dann auf eine Warmverformtemperatür von 300 - 500⁰C erhitzt, anschliessend durch Strangpressen geformt und das austretende Profil rasch abgekühlt wird. Sind erhöhte Festigkeiten erforderlich, so kann man Mg allein oder zusammen mit Si zugeben.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich folgende Vorteile erzielen:

Das Vorurteil, AlMn-Legierungen könnten nur bei Zugabe eines weiteren Uebergangsmetalls als Widerstandslegierung mit reproduzierbaren Eigenschaften verwendet werden, wird widerlegt.

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Durch die Zugabe von Mg kann die Zugfestigkeit verbessert werden, ohne dass die elektrische Leitfähigkeit merklich beeinflusst wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.

Zum Bau der heute in voller Entwicklung stehenden Schnellbahnen mit Antrieb durch Linearmotoren werden ausser den eigentlichen Stromschienen Induktionsschienen benötigt. Diese müssen einen definierten hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Ausserdem sollte das Material für die Induktionsschienen gut verarbeitbar und schweissbar sein und eine gute Korrosionsbeständigkeit besitzen. Hingegen genügen nach den heutigen Konzepten im allgemeinen Festigkeiten im mittleren Bereich, d.h. eine Zugfestigkeit von ungefähr 10 -

25 kp/mm ist für Induktionsschienen normalerweise ausreichend.

Von den untersuchten Uebergangsmetallen hat Mangan bei erhöhten Temperaturen die grösste feste Löslichkeit in Aluminium, es ist im binären AlMn-System sehr ausscheidungsträge.. Aus der Schmelze abgeschreckt, wie beispielsweise beim Strangguss, lässt sich Mangan stark übersättigt in feste Lösung bringen. Enthalten aber eine oder mehrere Legierungskomponenten

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Verunreinigungen von Pe und/oder Si, so bewirken diese Elemente eine beschleunigte Ausscheidung der Mn-Atome. Die Bildung einer Mn-reichen zweiten Phase kann sowohl während der Erstarrung als auch in der festen Phase auftreten.

Messungen haben ergeben, dass die Ausscheidung von Mn vor allem zwei, für die Herstellung von Induktionsschienen unerwünschte Effekte zeigt.

Der elektrische Widerstand wird vermindert, d.h. die Leitfähigkeit wird erhöht. Die Verformbarkeit wird verschlechtert.

Das Giessen von binären AlMn-Legierungen mit möglichst kleinen Verunreinigungen von Fe und Si muss rasch erfolgen, damit eine grobe Ausscheidung der Phase AIgMn weitgehend unterdrückt werden kann, das Mangan soll nach dem Erstarren der Schmelze möglichst vollständig im Aluminium gelöst bleiben. Aus dem gleichen Grund wird auf eine Hochglühung des Gussbarrens verzichtet, die bei AlMn-Legierungen üblicherweise, bei Temperaturen von mehr als 500⁰C erfolgt.

Die Induktionsschienen erhalten die gewünschte geometrische Form durch Strangpressen bei erhöhter Temperatur. Dabei ist eine zu strake Erwärmung des Gussbolzens zu vermeiden, auf keinen Fall dürfen 500⁰C überschritten werden, sonst bilden sich innerhalb kürzester Zeit merkliche Mengen von unerwünschten

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Ausscheidungen. Zur Erreichung gesteigerter* Festigkeitswerte ist es hingegen vorteilhaft, den Gussbolzen während einiger Zeit auf erhöhter Temperatur zu halten. Um eine AlgMn-Ausscheidung wirkungsvoll zu verhindern, sollten folgende Metalltemperatu^!ren und Zeiten nicht überschritten werden:

■ · ■ ■::;■-. . · . ■ .. ·■■■

Metalltemperatur·· Dauer

	500⁰C	max.	1	h
	45O⁰C t	max.	H	h
	UOO⁰C	max.	2k	h
300-	350°C	max.	100	h

Da die Temperatur des austretenden Profils wesentlich höher ist als die Bolzentemperatur, muss das Profil, um eine Ent-

mischung zu verhindern, nach dem Verlassen der Strangpresse rasch abgekühlt werden. Das austretende Profil kann sofort wasserabgeschreckt v/erden, was sich vor allem bei grösseren Querschnitten oder höheren Temperaturen vorteilhaft auswirkt.

Binäre Legierungen mit über 99,5 % reinem Al und 0,7 - 3,5 %> vorzugsweise 0,7 - 2,5 % Mangan ergeben hinsichtlich des spezifischen elektrischen Widerstandes reproduzierbare Ergebnisse, die oberhalb 5/u*-«cm liegen, bei einer Zugfestigkeit von 12 - 16 kp/mm².

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Durch Zugabe' von 0,1 - 2'% Magnesium lässt sich die Zugfestigkeit erhöhen, ohne dass die übrigen vorteilhaften Eigenschaften beeinträchtigt werden. Die Zugabe von Magnesium wirkt sich im weitern dahingehend vorteilhaft aus, als dass die thermische Stabilität des Gefüges verbessert wird, wodurch insbesondere die Unterschiede zwischen Profilanfang und -ende bedeutend vermindert werden.

Bei Mg-haltigen AlMn-Legierungen kann durch die Zugabe von Silizium eine weitere Festigkeitssteigerung erreicht werden, die jedoch begrenzt ist durch den Mg-Gehalt, da möglichst alles Si als Magnesiumsilizid abgebunden werden soll. Zur nochmaligen Steigerung der Zugfestigkeit kann das gepresste Profil warm ausgelagert werden.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wurde zur Herstellung der Legierungen Aluminium mit einer Reinheit von 99,8 % verwendet.

Beispiel 1

Bei einem nicht hochgeglühten Stranggussbolzen von 200 mm Durchmesser ergab eine Analyse folgende Resultate:

Mn 2,04 %

Si 0,06 %

Fe 0,06 ί

Al Rest

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Der Bolzen wurde in 15 Minuten induktiv auf 500⁰C erwärmt, dann sofort mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 20 m/min verpresst, und das resultierende 50 χ 3 mm Plachprofil direkt nach dem Austritt aus der Strangpresse wasserabgeschreckt. Das Profil besitzt die folgenden Eigenschaften:

Elektrischer Widerstand 7 - 7,5/uA^;cm

Zugfestigkeit 12,5 kp/mm

2 Streckgrenze 8,5 kp/mm

Zur Kontrolle der Schweissbarkeit, einer wichtigen Eigenschaft des Materials für Induktionsschienen, wurden Widerstandsmessungen an je zwei seitwärts aneinandergeschweissten Profilabschnitten durchgeführt.

Es wurden die Widerstandswerte vor dem Schweissen, nach dem Schweissen und über die Schweissnaht gemessen. Dabei stellte sich heraus,dass die Mittelwerte dieser Messungen immer in demselben Bereich lagen; insbesondere hat also die Schweissnaht den gleichen elektrischen Widerstand wie das übrige Metall vor dem Schweissen, nämlich 7-7*5 /lA-cm.

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Beispiel 2

Ein Stranggussbolzen der Legierung:

Mn 2,06 %

Mg 0,98 %

Si 0,05 % ;

Fe 0,08 % .. ,

Al Rest ;. ·

wurde schnell auf eine Presstemperatur von 400°C gebracht, mit einer Geschwindigkeit von k m/min zu einem Plachprofil von 120 χ 20 mm verpresst und wasserabgeschreckt. Das Profil besitzt über die ganze Länge folgende Eigenschaften Elektrischer Widerstand 8,5yu-a-«cm

Zugfestigkeit 21 kp/mnu.

Streckgrenze 13 kp/mm

Beispiel 3

Wird die in Beispiel 2 beschriebene Legierung vor dem Pressen während 5 Stunden bei 400⁰C gehalten, so besitzt das abgeschreckte Profil über die ganze Länge folgende Eigenschaften:

Elektrischer Widerstand 7,0/iA«cm

Zugfestigkeit . 25 kp/mm ·

Streckgrenze 17,5 kp/mm

Durch die Glühung vor dem Strangpressen kann die Festigkeit verbessert werden, dabei wird der spezifische elektrische Widerstand nur wenig reduziert.

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Beispiel 4

Wird ein Stranggussbolzen der Zusammensetzung:

Mn 2,02 %

Mg 1,05 %

Si 0,31 % .

Fe 0,04 %

Al Rest

wie in Beispiel 2 beschrieben, verpresst, so besitzt das abgeschreckte und kaltausgelagerte Profil über die ganze Länge folgende Eigenschaften:

Elektrischer Widerstand 7,2/i«.«cm

Zugfestigkeit 23,5 kp/mm

Streckgrenze 17,5 kp/mm

Nach einer Warmauslagerung des Profils.während 8 Stunden bei 150⁰C wurden nachstehende Werte gemessen:

Elektrischer Widerstand 7,0/UJfcm

Zugfestigkeit 25 kp/mm .

2 Streckgrenze . · 16,5 kp/mm

Wird zu der magnesiumhaltigen AIMn-Legierung noch das aushärtende Element. Si gegeben, so erhält man mit einer Warmauslagerung des abgeschreckten Profils eine Erhöhung der Zugfestigket, ohne dass der spezifische elektrische Widerstand nennenswert erniedrigt wird,. ,· . ._{it ;}.

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Claims

8000 München 22 Widenmayerstraße 38 Patentanwalt Dr.-Ing. R. Liesegang Telefon (0811)225300 Telegramme patamus münchen SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG P 009 60 - 10 - Ansprüche

1. Gut verform- und schweissbare Induktionsschiene mit hohem elektrischen Widerstand, die für den Antrieb von Linearmotoren von Schnellbahnen verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsschiene aus einer Legierung der Zusammensetzung

0,7 - 3,5 % Mn

Rest Al, mindestens. 99,5 % rein, insbesondere mit Verunreinigungen von höchstens 0,1 % Fe und 0,15 % Si besteht.

2. Induktionsschiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 0,7 - 2,5 % Mn enthält.

3. Induktionsschiene nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 0,1 - 2 % Mg enthält.

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ORIGiNAL WSPECTED

4. Induktionsschiene nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zusätzlich Silizium enthält, jedoch höchstens soviel, wie durch Magnesium als Magnesiums!Iizid abgebunden werden kann.

5. Verfahren zur Herstellung der Induktionsschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung durch Stranggiessen rasch aus der Schmelze abgekühlt, dann auf eine Warmverformtemperatur von 300 bis 500 C erhitzt, anschliessend durch Strangpressen geformt und das austretende Profil rasch abgekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gußbolzen beim Erwärmen zum Strangpressen bei einer Temperatur von höchstens 500 C während max. 1 Stunde, bei 450 C während max. 4 Stunden, bei 400 C während max. 24 Stunden, oder bei 300 bis 350°C während max. 100 Stunden geglüht wird.

Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aus— tretende- Profil sofort wasserabgeschreckt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7zum Herstellen einer Induktionsschiene nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das stranggepresste Profil warm ausgelagert wird.

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