DK158914B - Fremgangsmaade til fremstilling af traadstaenger af en udfaeldningshaerdbar aluminiumslegering - Google Patents

Description

DK 158914B

i

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til fremstilling af trådstænger af en udfældningshærdbar aluminiumslegering, såsom Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Zn-Cu og Al-Mg-Si, og af den i indledningen til krav 1 angivne art.

5 Denne fremgangsmåde er særlig anvendelig til aluminiumlegeringer til elektrisk ledningstråd, dvs. aluminiumlegeringer, som kan behandles til tråd med en specifik modstand på højst 32,8 milliohm x mm /m, selvom fremgangsmåden ikke er begrænset til denne aluminiumstype, der som legeringselementer til 10 udfældning omfatter 0,3 til 0,9 vægt% magnium, 0,25 til 0,75 vægt% silicium og 0 til 0,60 vægt% jern, hvor resten er aluminium og urenheder (dvs. grundstoffer i en mængde på mindre end 0,05 vægt%). Trådstænger er som bekendt udgangsproduktet til efterfølgende trækning eller valsning, hvor aluminiums-15 trådens tværsnit reduceres. Trådstængerne har sædvanligvis en diameter på 5-20 mm, i de fleste tilfælde mellem 7 og 12 mm, og en trækstyrke som er betydeligt lavere end trækstyrken hos det slutprodukt, som vindes ved trækning, fx for det ovennævnte aluminium til elektrisk ledningstråd en trækstyr- 2 20 ke på mindre end 250 N/mm , i alle tilfælde mindre end 300 N/mm . Som bekendt underkastes tråden efter trækningen en hærdning, under hvilken der dannes udfældning af de legeringselementer, som stadig var forblevet i opløsning, og denne hærdning forbedrer trådens mekaniske og elektriske 25 egenskaber.

Den konventionellle fremgangsmåde til produktion af aluminiumstrådstænger omfatter et første trin med varmevals-ning, hvor der dannes ruller af trådstænger, efterfulgt af en diskontinuerlig opløsningsbehandling og bratkøling af de 30 ved varmevalsningen vundne ruller. Hvis rullerne i stedet simpelthen nedkøles efter valsningen, vil legeringselementerne udfældes med det resultat, at der ikke mere befinder sig legeringselementer i opløsning til den efterfølgende hærdning. Dette er grunden til at disse elementer atter 35 bringes i opløsning efter valsning og tvinges til at forblive i overmættet opløsning efter den umiddelbart efterfølgende bratkølingsoperation.

Denne opløsningsbehandling er kostbar med hensyn til

DK 158914 B

2 opvarmningsenergi, og desuden kræver den, at fremstillingen foretages på en diskontinuerlig måde. Dette er grunden til, at det tidligere er foreslået at afslutte det første trin med varmevalsning ved en så høj temperatur som mulig, for at 5 holde den størst mulige mængde af legeringselementer i opløsning og at bratkøle trådstængerne øjeblikkeligt og ved en kontinuerlig proces efter udgangen fra valsemøllen til en bratkølingstemperatur på en sådan måde, at disse legeringselementer holdes i en overmættet opløsning.

10 Ved en sådan bratkølingtemperatur er atomernes mobi litet så lav, at den metallografiske struktur bliver praktisk talt fastlåst i den tilstand, den befinder sig i (bortset fra hærdningsfænomener): de legeringselementer, som er forblevet i overmættet opløsning vil således tilbageholdes 15 og udfældningerne og dislokationerne ændres ikke. For en given legering har området for "bratkølingstemperaturer" derfor en øvre grænse, som ikke er en nøje og absolut grænse.

Denne øvre grænse er bestemt af en tilstrækkelig immobilitet af atomerne, som ikke giver en væsentlig ændring af den me-20 tallografiske struktur i løbet af en tidsperiode af størrelsesordenen for en kontinuerlig fremgangsmåde til behandling af aluminium, dvs. i størrelsesordenen på 1 minut. Den acceptable maksimale grænse for hver legeringstype er tilstrækkelig kendt af fagmanden. For det ovennævnte aluminium 25 til elektrisk ledningstråd kan den maksimale bratkølingstemperatur sættes til 260°C, skønt den grænse ikke er nogen absolut grtænse.

Det har også været foreslået at benytte et første varmevalsningstrin, som slutter ved så høj en temperatur som 30 mulig, for at holde et maksimum af legeringselementer i opløsning, efterfulgt af en bratkøling, hvorunder metallet bearbejdes, idet der tages hensyn til, at metallet bearbejdes under en periode, hvori det går gennem det temperaturområde, der ligger mellem den maksimale bratkølingstemperaturgrænse 35 og den mindste temperaturgrænse for varmebearbejdning. Til trods for at der udførtes en bratkøling, blev det iaggtaget, at legeringselementerne i opløsning udfældede under denne termomekaniske operation. Mængden af legeringselementer, som 3

DK 158914 B

blev holdt i opløsning til det efterfølgende hærdningstrin, viste sig at være betydelig mindre end ønskeligt, og dette syntes at være en ulempe. Men det blev iagttaget, at de således vundne trådstænger var af en sådan type, for hvilken 5 nødvendigheden af hærdning efter efterfølgende trækning var elimineret enten delvis eller totalt, afhængigt af om udfældningen havde været partiel eller total. Således fremkom den forventede ulempe ikke, og der vandtes trådstænger med egenskaber, som muliggjorde betydeligt lettere opfyldelse af 10 de foreskrevne krav for mekaniske og elektriske egenskaber hos tråd trukket fra sådanne trådstænger. Desuden undgik man det kostbare trin til opløsningsbehandling, og der var opnået en kontinuerlig fremgangsmåde. Den i ansøgningen omhandlede fremgangsmåde adskiller sig imidlertid fra denne frem-15 gangsmåde ved rækkefølgen og udformningen af fremgangsmådetrinnene .

Det er formålet med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe et alternativ til den sidste fremgangsmåde, som giver de samme fordele, og som giver en yderligere fri-20 hedsgrad i valget af fremgangsmådens parametre til opnåelse af de ønskede kombinationer af trækstyrke, duktibilitet og ledningsevne.

Dette formål opnås ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen .

25 Fremgangsmåden ifølge opfindelsen omfatter et første, udelukkende termisk trin (dvs.: uden en samtidig bearbejdningsoperation), hvor en kontinuerlig stang af aluminiummet (som fx forlader en valsemølle og er i delvis afkølet tilstand eller forlader et kontinuerligt støbehjul eller en 30 ekstruderingspresse) bratkøles ved en kontnuerlig proces ned til en bratkølingtemperatur, som defineret ovenfor, hvorved der opnås en genopbygget struktur med legeringelementerne i overmættet opløsning. Med "genopbygget struktur" menes en metallografisk struktur, hvor kornene, der er blevet forlæn-35 get ved bearbejdningstrinnet, er blevet reorganiseret under indflydelse af varme til en mere eller mindre isotropisk struktur, som er strukturen vundet efter varmebearbejdning.

En minimumsmængde af legeringselementer i overmættethed er 4

DK 158914 B

også nødvendig, fx mindst 30% af de udfældelige elementer ved opløsningsbehandlingstemperaturen. Bratkølingen er derfor tilstrækkelig hurtig og starter fra en tilstrækkelig høj temperatur til at opnå dette mål.

5 Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er imidlertid ejen dommelig ved, at der foretages et andet trin, der er termo-mekanisk og ligger efter det første trin i den samme kontinuerlige operation, hvor stangen bearbejdes ved en hærdningstemperatur, og ved at de således vundne stænger før 10 enhver efterfølgende bearbejdning underkastes en hærdning.

En "hærdningstemperatur" er en temperatur, som ligger inden for et temperaturområde, for hvilket den maksimale grænse er den samme som den maksimale bratkølingstempera-turgrænse som defineret ovenfor, og for hvilken den nedre 15 grænse vil blive defineret i det følgende. En hærdningstemperatur er således en temperatur, ved hvilken atomerne er immobiliseret, bortset fra hærdningsfænomener, som optræder i et tidsrum, der er længere end varigheden af en kontinuerlig operation, dvs. i størrelsesordenen på 1 minut. Når i-20 midlertid strukturen underkastes bearbejdning ved hærdningstemperatur, er det blevet iagttaget, at udfældningen af legeringselementer under en sådan bearbejdning og under en efterfølgende hærdning giver en metallografisk struktur, som efter koldbearbejdning til tråd udviser en fremragende 25 trådkvalitet og eliminerer delvis eller totalt nødvendigheden for hærdning efter trådtrækning i overensstemmelse med, at der stadig er legeringselementer tilbage i overmættet opløsning. En sådan bearbejdning ved hærdningstemperatur er fortrinsvis en valsning, som reducerer tværsnitsarealet.

30 For en given aluminiumslegering skal den nedre grænse for hærdningstemperaturen bestemmes i det følgende. Det er kendt, at en aluminiumslegering med en given sammensætning, der er i en ikke koldbearbejdet tilstand, men som omfatter legeringselementer i overmættet tilstand, ved opløsningsbe-35 handling og bratkøling ned til en bratkølingstemperatur, hvis en sådan aluminiumslegering underkastes hærdning, først vil udvise en stigning i trækstyrke med en maksimal værdi og derpå udvise et fald i trækstyrken. Dette forhold skyldes, 5

DK 158914 B

at legeringelementerne udfælder under hærdningen, mens de allerede eksisterende udfældede dele yderligere konglomere- rer. Den første effekt, som får trækstyrken til at stige, dominerer i begyndelsen, mens den anden virkning, som får 5 trækstyrken til at falde, dominerer ved slutningen. Minimumsgrænsen for hærdningstemperaturen, som for en given aluminiumslegering med en given mængde af legeringselementer i overmættet opløsning, er den temperatur, hvor dette aluminium i ikke koldbearbejdet tilstand når sin maksimale træk-10 styrke efter 3 dage (den koldbearbejdede struktur når sin maksimalværdi tidligere på grund af blødgøringen af den koldbearbejdede struktur). For det ovenneævnte aluminium til elektrisk ledningstråd er denne nedre grænse ca. 130”c.

Et vigtigt punkt ved denne fremgangsmåde er, at det 15 andet trin gennemføres umiddelbart efter bratkølingsoperationen i det første trin (for ikke at tillade nogen som helst ændring af strukturen, når mellemproduktet efterlades uden behandling i et stykke tid), og således i den samme kontinuerlige operation sammen med det første trin. Til dette for-20 mål foretrækkes det at gennemføre bratkølingen i det første trin ned til en hærdningstemperatur, som defineret ovenfor, således at det andet trin kan starte uden nogen som helst mellemliggende opvarmning.

Den hærdning, som følger efter bearbejdningtrinnet 25 ved hærdningstemperatur, kan gennemføres direkte ved udgangen fra det instrument, som udfører en sådan bearbejdning, fx ved fri afkøling til den omgivende luft af trådstængerne, og dette fremkalder en udfældning af samtlige eller kun en del af de legeringselementer, der stadig er tilbage i over-30 mættet tilstand. Det kan siges, at der er sket en hærdning, når en betydelig del, fx den halve mængde af de elementer, der kan udfældes efter bratkøling, faktisk udfældes under en sådan hærdning. Det foretrækkes imidlertid at gennemføre en total udfældning for at eliminere enhver nødvendighed for 35 hærdning efter trådtrækning og for at eliminere alle forandringer af egenskaberne ved trådstængerne, efter at de er blevet fremstillet. Når temperaturen ved udgangen fra det instrument, som udfører bearbejdningsoperationen ved hærd-

DK 158914B

6 ningstemperatur/ kommer tæt ved den nedre grænse for hærdningstemperaturen, vil det i visse tilfælde være nødvendigt at forsinke afkølingen af trådstængerne ved denne udgang (dvs. langsommere end den frie afkøling til den omgivende 5 luft). Dette gøres ved at omgive trådstængerne med varmeiso-latorer, fx ved at danne trådruller, som indesluttes i tilstrækkeligt lukkede kasser for at undgå nedkøling ved luftkonvektion. Trådstængerne kan også ved opvarmning holdes i en bestemt tidsperiode ved den nævnte udgangstemperatur 10 eller temperaturen kan endog hæves til over udgangstemperaturen, for så vidt som den efterfølgende hærdning så gennemføres .

Den kontinuerlige stang, som benyttes ved begyndelsen af fremgangsmådens første trin, kan være en stang, som for-15 lader et varmefomende instrument, såsom en ekstruderings-presse eller et støbehjul. En sådan varmeformningsoperation vil fortrinsvis omfatte en kontinuerlig støbeoperation, som leverer en aluminumstreng, der er rettet mod indgangen til en valsemølle og en varmevalsningsproces, ved hvilken tvær-20 snitsarealet af strengen reduceres til dannelse af den nævnte stang. Med "varme"-valsning menes en valsning med genopbygning under operationen eller umiddelbart derefter før den efterfølgende bratkøling. For det ovennævnte aluminium til elektrisk ledningstråd betyder dette en valsning med en ud-25 gangstemperatur på over 350°C. Temperaturen ved indgangen til valsemøllen vil fortrinsvis være en temperatur, som overskrider opløsningsbehandlingstemperaturen, hvilket for aluminiummet til elektrisk ledningstråd betyder en temperatur på over 470°C.

30 Opfindelsen er specielt anvendelig til det aluminium til elektrisk ledningstråd, hvis sammensætning er angivet ovenfor. I en foretrukket udførelsesform vil der blive anvendt en kontinuerlig fremgangsmåde, som i produktionsrækkefølge omfatter: en kontinuerlig støbningsoperation, indfø-35 ring af strengen, som forlader det kontinuerlige støbningsinstrument ved en temperatur på over 470°C i en første valsemølle, kontinuerlig valsning ved en temperatur på over 350°C til formning af en kontinuerlig stang, kontinuerlig 7

DK 158914 B

bratkøling af denne stang ved udgangen fra den første valsemølle, indføring af den stang, der forlader bratkølingsinstrumentet ved en temperatur på over 130°C i en anden valsemølle, kontinuerlig valsning ved en temperatur på over 5 130°C, og hærdning ved fri afkøling ved hjælp af omgivende luft. Indgangstemperaturen til den anden valsemølle skal reguleres således, at der opnås en udgangstemperatur fra valsemøllen liggende fra 155 til 185°C, fortrinsvis 175eC.

Der har eksempelvis været anvendt en Al-Mg-Si-lege-10 ring af typen 6201 med følgende sammensætning: Mg: 0,60%,

Si: 0,55%, Fe: 0,18%, Zn: 0,006%, Cu: 0,004%, Mn: 0,015% Ti: 0,001% og V: 0,004%. Der kan imidlertid anvendes aluminium, som er rigere eller fattigere på legeringselementer, afhængig af hvilken pris man kan tillade sig eller må spare for 15 at opnå en bedre eller mindre god kvalitet som følge af sammensætningen. Men dette påvirker ikke mulighederne for den udvalgte legering til at forbedre kvaliteten ved anvendelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

Efter at legeringen med den ovenfor angivne sammen- 20 sætning forlader et kontinuerligt støbehjul i form af en 2 streng med et tværsnitsareal på ca. 2000 mm , indføres den ved en temperatur på 490°C i en kontinuerlig valsemølle med 9 passager. Den forlader valsemøllen i form af en rund stang med en diameter på 15 mm og ved en temperatur på 430°C. Ved 25 denne temperatur er de fleste af legeringselementerne stadig i opløsning, da kun 20% af det magnium og silicium, som kan udfældes i form af Mg2Si, da er i den udfældede form.

Denne stang, som forlader den første kontnuerlige valsemølle med en hastighed på ca. 2,4 m/sek., føres derpå 30 mod indgangen til en anden kontinuerlig valsemølle, hvis indgang er placeret ca. 2 m fra udgangen fra den første valsemølle. Mellem valsemøllerne passerer stangen gennem et rør med en diameter på 30 mm og med en længde på 1 m, hvilket rør forsynes med en kølende emulsion i modstrøm, hvis gen-35 nemløb kontrolleres på en sådan måde, at stangen forlader røret ved en temperatur på 220“C. Der kan også benyttes andre metoder til bratkøling, fx ved sprøjtning med en emulsion rettet mod stangen, for så vidt temperaturen kan regule-

DK 158914B

s res til den ønskede temperatur.

Den anden kontinuerlige valsemølle omfatter fire passager med samme tværsnitsreduktion, der reducerer stangen til trådstænger med en diameter på 9,5 mm, der forlader den 5 anden valsemølle ved en temperatur på 175eC og med en hastighed på ca. 6 m/sek. Trådstængerne bliver derpå oprullet eller opspolet i en rulle og anbringes i en beholder fremstillet af ildfast tegl. Det vigtige punkt er, at beholderen lukkes, således at nedkølingen med fri luftkonvektion om-10 kring rullen undgås. I eksemplets tilfælde var nedkølingshastigheden 2eC pr. time.

De vundne egenskaber kan nu sammenlignes med egenskaberne vundet ved trådstænger af samme sammensætning, fremstillet ved den konventionelle metode, som er: kontinuerlig 15 støbning efterfulgt af kontinuerlig varmevalsning, oprulning på ruller, som frit nedkøles i den omgivende luft, efterfølgende opløsningsbehandling, hvor rullerne holdes i en ovn i 8 timer ved en temperatur på 550°C og derpå bratkøling af rullerne ned til en temperatur på ca. 45eC.

20 Disse to typer trådstænger med en diameter på 9,5 mm, den ene fremstillet ifølge den foreliggende opfindelse og den anden fremstillet ifølge den konventionelle metode, trækkes derpå til tråd ned til en diameter på 3,60 mm og derpå yderligere til 3,15 mm. Den ved den konventionelle me-25 tode vundne tråd underkastes derefter en hærdning i løbet af 5 timer ved 160“C.

Claims (8)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af trådstænger af en 5 udfældningshærdbar aluminiumlegering, såsom Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Mg-Zn-Cu, Al-Mg-Si, især en legering med 0,6 -0,9 vægt% magnium, 0,25 - 0,75 vægt% silicium og 0 - 0,60 vægt% jern, idet resten udgøres af aluminium og urenheder, og omfattende et første udelukkende termisk trin, hvor en 10 kontinuerlig fremstillet stang af aluminiummet bratkøles ved en kontinuerlig proces ned til en bratkølingstemperatur, hvorved der opnås en genopbygget struktur med legeringselementerne i overmættet opløsning, kendetegnet ved et andet trin, der er termo-meka-15 nisk og ligger efter det første trin i samme kontinuerlige operation, hvor stangen bearbejdes ved en hærdningstemperatur, og ved at de således vundne trådstænger derefter før en eventuel efterfølgende bearbejdning underkastes en hærdning.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, 20 kendetegnet ved, at hærdningen gennemføres under en fri afkøling af trådstængerne til omgivelsernes temperatur umiddelbart efter bearbejdningen ved hærdningstemperaturen.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, 25 kendetegnet ved, at hærdningen gennemføres ved en forsinket afkøling af trådstængerne umiddelbart efter bearbejdningen ved hærdningstemperaturen.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hærdningen gennemføres ved at 30 holde trådstængerne på hærdningstemperaturen ved hjælp af opvarmning umiddelbart efter bearbejdningen ved hærdetempe-raturen.

5. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-4, kendetegnet ved, at bearbejdningen ved 35 hærdningstemperatur er en valsning med reduktion af tværsnitsarealet .

6. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-5, kendetegnet ved, at stangen i det første DK 158914 B trin bratkøles til en hærdningstemperatur.

7. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1-6, kendetegnet ved, at stangen i det andet trin bearbejdes ved en temperatur på mellem 130®C og 260®C.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at stangen bearbejdes i en kontinuerlig valsemølle, som forlades af trådstængerne ved en udgangstemperatur på mellem 155"C og 185"C, at trådstængerne oprulles, og at de således dannede ruller derefter afkøles i 10 en lukket beholder. 15