Bleilegierung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bleilegierung, die sich insbesondere für Kabelmäntel eignet.
Bei Kabeln mit fluider Füllung, beispiels weise bei Kabeln mit Gasfüllung oder<B>Ölfül-</B> lung, die mit einem Bleimantel versehen sind, stellt die Kriechbeständigkeit als Faktor der Bruchfestigkeit bei der Wahl des Mantelmate rials einen der wichtigsten Faktoren dar. Der Grund dafür liegt darin, dass solche Kabel gewöhnlich unter dem innern Druck der flui- den Füllung arbeiten. Ferner kann bei ölge- füllten Kabeln das Öl bis zu einem gewissen Ausmass strömen.
Wird ein Teilstück eines ölgefüllten Kabels in einem Winkel zur Hori zontalen geführt, so kann der hydrostatische Druck des Öls im intern Teil des Kabels so gross werden, dass der Mantel anschwillt und schliesslich platzt, wodurch das Versagen des Kabels verursacht wird.
Ein weiterer wichtiger Faktor, der bei der Wahl von Bleimantellegie- rungen für Kabel mit fluider Füllung sowie für andere Kabel mit Bleimantel eine Rolle spielt, ist die Biegeermüdungsfestgkeit, die derart sein soll, dass der Mantel wiederholten und starken Biegungen, wie sie beispielsweise infolge Tem peraturänderungen und .Schwingungen auf treten, zu widerstehen vermag.
Sowohl hinsichtlich der Kriechbeständigkeit als auch der Biegeermüdungsfestigkeit ist rei nes oder technisches Blei für solche Kabel mäntel nicht befriedigend. Gewisse Bleilegie rungen, beispielsweise diejenigen, die kleine Mengen Arsen und Wismuth oder Arsen, Wis- muth und Zinn enthalten, haben sich gewöhn lich dem reinen Blei bei der Verwendung für Kabelmäntel als überlegen erwiesen und wer den bei der Kabelfabrikation in beträcht lichem Umfang verwendet.
Kabel werden unter allen möglichen Arten von Arbeitsbedingungen verwendet, u. a. un ter Bedingungen, bei welchen eine geringe oder überhaupt keine Wärmeableitung erfolgt oder verhältnismässig scharfe Biegungen des Kabels starken Temperaturschwankungen oder Erhöhungen des Innendruckes unterworfen sind. Ausserdem tritt oft der Fall ein, däss man die Kabel höheren elektrischen Belastun gen unterwerfen möchte oder muss, wodurch wieder erhöhte mittlere Arbeitstemperaturen zustande kommen.
Es besteht deshalb trotz der beträchtlichen Fortschritte, die in der Verbesserung von Kabelmantellegierungen ge macht wurden, eine fortdauernde Nachfrage nach besseren Mantelmaterialien und insbe sondere nach einer Mantellegierung mit grö sserer Dauerhaftigkeit im Betrieb bei den höheren Temperaturen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, dass eine weitere Verbesserung von Kabelmänteln durch Verwendung gewis ser Bleilegierungen, die kleine Mengen Tellur, Arsen und Zinn enthalten, erzielt werden kann.
Die neue Bleilegierung ist dadurch ge kennzeichnet, dass sie 0,01-0,4 o/oTellur, 0,05 bis 0,5 % Arsen und 0,05-1,011/o Zinn ent- hält, und dass der Rest aus Blei mit höchstens 0,3 II/o an weiteren Elementen besteht. Unter den weiteren Elementen sind vorwiegend die Metalle Antimon, Kupfer, Wismuth, Zink, Silber und Eisen, die in technischen Blei sorten vorhanden sind, zu verstehen.
Die Gegenwart solcher Verunreinigungen wirkt sich bei den erfindungsgemässen Bleilegierun- gen nicht nachteilig aus.
Bevorzugte Legie- rungen sind diejenigen, die 0,05-0,2 % Tellur, 0,15-0;3 % Arsen, 0,05-0,2 % Zinn und insbesondere 0,10-0,15 0/0 Tellur, 0,20 bis 0;
25 % Arsen, 0,10-0,15 % Zinn enthalten, während der Rest aus Blei mit höchstens 0,3 % an weiteren Elementen besteht.
Die erfindungsgemässen Bleilegierungen besitzen guten Kriechwiderstand bei höheren Arbeitstemperaturen und gute Biegeermü- dungsfestigkeit unter' Bedingungen starker Beanspruchung. Aus diesen Legierungen her gestellte Kabelmäntel weisen erhöhte Dauer haftigkeit im Betrieb, insbesondere bei den höheren Arbeitstemperaturen, auf.
Die vorteilhaften Eigenschaften der erfin dungsgemässen Legierung bezüglieh der Biege- ermüdungsfestigkeit sind aus den Resultaten der an einer Reihe von Legierungen durch- geführten Prüfungen, deren Zusammenset zung in der Tabelle I angegeben ist, ersicht lich.
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Die Resultate von unter verschiedenen Be lastungsbedingungen bei 43 C und 1 Schwin gung pro Minute an Probestreifen verschiede ner Bleilegierungen durchgeführten Prüfun gen durch wiederholtes Biegen zeigen, dass die Biegeermüdungsfestigkeit der arsenhalti gen Legierungen im allgemeinen, grösser ist als diejenige von Kupferblei, Die arsenhaltigen Legierungen sind jedoch gegenüber dem Be trag der pro Schwingung aufgezwungenen Dehnung empfindlicher.
Bei niedrigen Deh nungswerten, d. h. solchen unterhalb 0,31/o pro Schwingung, weisen alle arsenhaltigen Legierungen eine sehr grosse Biegedauerfestig keit auf.
Bei höheren Dehnungswerten von mindestens 0,3 0/0, 0,4 /o oder 0,5 % pro Schwingung tritt jedoch die Überlegenheit der Blel-Tellur-Arsen-Zinn-Legierung <B>(A378)</B> deutlich in Erscheinung, wie aus der Tabelle II nrairh+linh
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Die Kriecheigenschaften der kupferfreien, arsenhaltigen Legierung (C-389),
der kupfer- und arsenhaltigen Legierung (C-417) und der beiden . Blei-Tellur-Arsen, Zinn-Legierungen (A295 imd J298) sind in der Tabelle III wie dergegeben.
Die Legierungen A295 und J298 unterscheiden sich darin, dass die erstere un ter Verwendung- von Korrosionsblei (cor- roding lead) als Grundmetall und die Legie rung J298 unter Verwendung von chemi schem Blei (chemical lead) als Grundmetall hergestellt wurde. Der wichtigste Unterschied zwischen den beiden Legierungen beruht so mit auf der Anwesenheit von Kupfer in der Legierung J 298, wie aus der Tabelle I er sichtlich ist.
Die in der Tabelle III angeführten Resul- tate wurden erhalten, indem Streifen der be zeichneten Legierungen bei den angegebenen Temperaturen den angegebenen Belastungen unterworfen wurden und die unter den Prüf bedingungen erhaltene Dehnung bzw. das Gesamtkriechen periodisch ermittelt wurde.
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<I>Tabelle <SEP> III:</I>
<tb> Resultate <SEP> der <SEP> Kriechprüfung
<tb> Legierung <SEP> Temperatur <SEP> C <SEP> Belastung <SEP> Gesamtdehnung <SEP> in
<tb> kg/mm <SEP> 2000 <SEP> St. <SEP> 5000 <SEP> St. <SEP> 10000 <SEP> St.
<tb> C-389 <SEP> Raumtem- <SEP> 0,21 <SEP> 0,06715 <SEP> 0,074
<tb> peratur <SEP> 25 <SEP> 0,14 <SEP> 0,031 <SEP> 0,030
<tb> C-389 <SEP> 43 <SEP> 0,21 <SEP> 0,079 <SEP> 0,121 <SEP> 0,168
<tb> 0,14 <SEP> 0,032 <SEP> 0,044 <SEP> 0,060
<tb> C-389 <SEP> 65 <SEP> 0,21 <SEP> 0.,60 <SEP> 1,26 <SEP> 2,56
<tb> 0,14 <SEP> 0,11 <SEP> 0,19 <SEP> 0,28
<tb> C-417 <SEP> 25 <SEP> 0,21 <SEP> 0,116 <SEP> 0,145
<tb> 0,14 <SEP> 0,048 <SEP> 0,060
<tb> C-417 <SEP> 43 <SEP> 0,21 <SEP> 0,345 <SEP> 0;
645
<tb> 0,14 <SEP> 0,060 <SEP> 0,090
<tb> C-417 <SEP> <B>6</B>5 <SEP> 0,21 <SEP> 0,585 <SEP> 1,680
<tb> 0,14 <SEP> 0,109 <SEP> 0,106
<tb> <B>A2951</B> <SEP> 30 <SEP> 0,35 <SEP> 0,270 <SEP> 0,675 <SEP> 1,485
<tb> 0,14 <SEP> 0,027 <SEP> 0;032 <SEP> 0,037
<tb> <B>A2952</B> <SEP> 30 <SEP> 0,35 <SEP> 0,256 <SEP> 0,615 <SEP> 1,245
<tb> 0,14 <SEP> 0,026 <SEP> 0,027 <SEP> 0,036
<tb> A <SEP> 295 <SEP> 3 <SEP> 30 <SEP> 0,35 <SEP> 0,012 <SEP> 0,016 <SEP> 0,016
<tb> 0,14 <SEP> 0,007 <SEP> 0,007 <SEP> 0,007
<tb> <B>.1298</B> <SEP> 1- <SEP> 30 <SEP> 0,35 <SEP> 0,137 <SEP> 0,360 <SEP> 1,135
<tb> 0,14 <SEP> 0,015 <SEP> 0,020 <SEP> 0,030
<tb> J <SEP> 298 <SEP> 2 <SEP> 30 <SEP> 0,35 <SEP> 0,104 <SEP> 0,250 <SEP> 0;
496
<tb> 0,14 <SEP> 0,007 <SEP> 0,012 <SEP> 0,017
<tb> J <SEP> 29-8 <SEP> 3 <SEP> 30 <SEP> 0,35 <SEP> 0,017 <SEP> 0,017 <SEP> 0,024
<tb> 0,14 <SEP> 0,012 <SEP> 0,012 <SEP> 0,016
<tb> A <SEP> 295 <SEP> 3 <SEP> 25 <SEP> 0,35 <SEP> 0,026
<tb> A <SEP> 295 <SEP> 3 <SEP> 43 <SEP> 0,21 <SEP> Ö,018
<tb> 0,14 <SEP> 0,015
<tb> A <SEP> 295 <SEP> 3 <SEP> 65 <SEP> 0,21 <SEP> 0,019
<tb> 0,14 <SEP> 0,008
<tb> GE <SEP> 1340 <SEP> 43 <SEP> 0,14 <SEP> <B>0,065-</B>
<tb> 43 <SEP> 0,21 <SEP> 0,14 <B>65</B> <SEP> 0,21 <SEP> <B>0,8-6-</B>
<tb> <B>1</B> <SEP> Nach <SEP> dem <SEP> Ausstossen <SEP> luftgekühlt.
<SEP> 3 <SEP> Nach <SEP> dem <SEP> Ausstossen <SEP> luftgekühlt, <SEP> dann <SEP> wäh 2 <SEP> Nach <SEP> dem <SEP> Ausstossen <SEP> luftgekühlt, <SEP> dann <SEP> wäh- <SEP> rend <SEP> 4 <SEP> Stunden <SEP> bei <SEP> <B>2700</B> <SEP> C <SEP> erneut <SEP> erhitzt <SEP> und <SEP> abge rend <SEP> 4 <SEP> Stunden <SEP> bei <SEP> 24011 <SEP> C <SEP> erneut <SEP> erhitzt <SEP> und <SEP> abge- <SEP> schreckt.
<tb> schreckt, <SEP> a <SEP> Bei <SEP> 1500 <SEP> Stunden, Um aus der obigen Tabelle einen direkten Vergleich aller Legierungen zu gewinnen, nimmt man am besten eine Belastung von 0,14 kg/mm9 und eine Temperatur von 25 oder 30 C.
Dieser Vergleich zeigt, dass die er findungsgemässen Legierungen eine bessere Kriechbeständigkeit aufweisen als alle andern geprüften Legierungen und dass durch die erwähnten Wärmebehandlungen weitere Ver- besseriingen erzielt werden können.
So be trug beispielsweise die Dehnung bei der C-389- Legierung unter einer Belastung von 0,14 kg/mm2 bei 25 C 0,03 % nach 5000 Stunden und bei der kupfer- und arsenhaltigen Legie- rung C-4170 0,060 %,
während die gleiche Be- l.astimg im Verlaufe von 5000 Stunden, jedoch bei 30 C bei einer luftgekühlten Probe der Legierung A 295 eine Dehnung von nur 0,032 % verursachte. Eine luftgekühlte Probe der Legierung J 298 wies eine sogar noch bes sere Kriechbeständigkeit auf.
Unter einer Be- lastiing von 0,14 kg/mm-2- bei 30 C betrug die Dehnung nach 5000 Stunden nur 0,020 %.
Die Kriechbeständigkeit der Blei-Tellur- Arsen-Zinn-Legierung kann durch Wärmebe handlung erheblich gesteigert werden. Es ist dies durch Vergleich der nach verschiedenen Behandlungen bei der Legierung A295 er zielten Dehnung ersichtlich. So wurde bei spielsweise bei einer Probe der Legierung <B>A295,</B> die nach dem Ausstossen luftgekühlt worden war, eine Dehnung von 1,4851/o be obachtet, nachdem sie während<B>10000</B> Stun den einer Belastung von 0,35 kg/mm2 bei 30 C unterworfen worden war.
Unter den gleichen Prüfbedingungen wurde an einer Probe der gleichen Legierung, die von 240 C abge schreckt worden war, eine Dehnung von 1,245 % und bei einer von 270 C abgeschreck- ten Probe eine Dehnung von nur 0,
016 % be- obachtet. Ähnliche Resultate wurden erhalten, indem die Legierung J 298 (kupferhaltig) der gleichenWärmebehandlung unterzogen wurde.
Die Blei-Tellur-Arsen-Zinn-Legierungen zeigen auch bei höheren Temperaturen eine erhöhte Kriechbeständigkeit. Die mittels einer Belastung von 0,14 kg/mm2 bei 43 C bei Blei und Bleilegierungen erzielten Dehnungswerte kommen gewöhnlich bei der Kabelfabrikation in Frage. Unter diesen Prüfbedingungen er wies sich die wärmebehandelte Probe der Legierung A295 derjenigen der Legierung C-389 und auch derjenigen der kupfer- und arsenhaltigen Legierung C-417 als überlegen.
Es besteht das Bestreben, Kabel bei immer höheren elektrischen Belastungen und somit höheren mittleren Arbeitstemperaturen arbei ten zu lassen. Die Resultate der an der Legie rung A295 bei 65 C durchgeführten Prüfun gen zeigen nun, dass die Blei-Tellur-Arsen- Zinn-Legieriingen mit Erfolg bei dieser höhe ren Temperatur verwendet werden können. Die bessere Kriechbeständigkeit dieser Legie rungen ermöglicht ausserdem den Bau von Kabeln für höhere Drücke sowie höhere Arbeitstemperaturen.
Prüfungen haben gezeigt, dass zur Erzie lung einer maximalen Biegedauerfestigkeit der Gehalt an Verunreinigungen der Blei legierung so klein als möglich gehalten werden sollte. Während zwar die besten Resultate bei Verwendung von Blei von hohem Reinheits- grad (99,995 % Pb) bei der Herstellung der Legierungen erzielt wurden,
sind auch bei Verwendung anderer technischer Bleisorten mit den üblichen Verunreinig@.ingen in einer Menge von höchstens 0,3 % ausgezeichnete Legierungen erhalten worden.
Als Beispiele dieser Bleisorten sind das gewöhnliche entsil- berte Blei A und chemisches Blei- (chemical lead) zu nennen, die bis zu etwa 0,15 % Wis- muth bzw. 0,04-0,
08 % Kupfer und bis zu 0,020 % Silber in die Legierung einführen. Es können noch andere technische Bleisorten verwendet werden. Die Erfindung umfasst somit alle Legierungen, die durch Zugabe der bezeichneten Mengen an Tellur, Arsen und Zinn zu solchen technischen Bleisorten erhal ten werden.
Aus dem vorangehend Beschriebenen ist ersichtlich, dass mit der vorliegenden Erfin dung eine verbesserte Bleilegierung geschaf fen worden ist, die insbesondere für die Her stellung von Mänteln für alle Arten von Blei mantelkabeln geeignet ist. Durch deren An- w endung bei Kabeln mit fluider Füllung Lund insbesondere bei Kabeln mit Gasfüllung ist es möglich, höhere Drücke, beispielsweise Gas- driicke, zu verwenden und die Dicke der Iso lation, den Kabeldurchmesser und die Kosten zu vermindern.
Die hohe Kriechbeständigkeit und die gute Biegedauerfestigkeit der Legie rung sind auch bei durchwegs festen Kabeln von Vorteil, insofern als höhere Arbeitstempe raturen angewendet werden können und die Kabel innern Drücken, die durch Dehnung und Verschiebungen an geneigten und senk rechten Stellen verursacht werden, widerstehen können.