Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012), pp. 343–349.
Al59 VILLAMOS IPARI CÉLÚ HUZAL GYÁRTÁSÁNAK VIZSGÁLATA REVIEW OF THE PRODUCTION OF ELECTRICAL PURPOSE WIRE FROM ALLOY Al59 POLYÁK ATTILA, MERTINGER VALÉRIA, BARKÓCZY PÉTER Miskolci Egyetem, Anyagtudományi Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros
[email protected] Az Al59 ötvözetből készült villamos vezetéksodronyok kedvező szilárdsági és villamos tulajdonságai miatt népszerű az észak-európai áramszolgáltatók körben. A megnövekedett kereslet miatt szükségessé vált a gyártási technológia felülvizsgálata a huzal tulajdonságainak jobb kézben tarthatósága miatt. Cikkünkben végighaladunk a szokásos gyártási technológia soron és bemutatjuk a huzal tulajdonságának változását, és a végtermék tulajdonságait meghatározó technológiai paramétereket. Kulcsszavak: Al59, alumínium huzal, Properzi, huzal húzás. The electrical cables form Al59 aluminum alloys are popular in the electricity suppliers from Nord-Europe. The increasing demand needs to review the cable production technology and guarantee the better and constant properties of the wires. In this article the properties of the wires is examined through the whole production technology and the technological parameters are introduced, which have a primary effect to the wires. Keywords: Al59, aluminum wire, Properzi, wire drawing. Bevezetés Az elektromos áram szállítására használt távvezetékeket és elosztó vezetékeket több éve acél-alumínium vezeték sodronyokkal (ACSR – Aluminum Conductor Steel Reinforced) és alumínium-ötvözet sodronyokkal (AAAC – All-Aluminum-Alloy Conductor) szerelik [1]. A 70-es évek közepétől a villamos-energia előállítás költsége rohamosan növekedni kezdett, ezért olyan új típusú ötvözetek alkalmazása vált szükségessé, amely ötvözetből készült vezetők energia vesztesége kisebb. A 70-es évek elején az AB Elektrokopper svéd cég kifejlesztett egy új vezeték ötvözetet, DUCTALEX márka névvel, Al59 szabvány névvel, ami jobb vezetőképességgel és valamivel kisebb szakítószilárdsággal rendelkezett mint a korábban kifejlesztett ötvözet. Az „59”-es szám a Nemzetközi Lágyított Réz Szabvány szerint vett vezetőképességre utal [1]. A távvezetékeknél és elosztóvezetékeknél alkalmazott vezető sodronyokra olyan tulajdonságoknak kell teljesülnie, mint a nagy vezetőképesség, nagy áramterhelhetőség, nagy átviteli kapacitás, nagy szakítószilárdság, relatíve kis sűrűség, villám-, korrózió- és szélállóság. Az acél-alumínium sodronyok maximális terhelhetősége 838 Amper, ezzel szemben az Al59 ötvözetből készült vezető sodronyokra jellemző akár az 1405 Amper. Továbbá az Al59 sodronyok szilárdság/tömeg aránya 9%-kal jobb, és 8%-kal kisebb a belógás mértéke. A Svéd Szabványügyi Hivatal kidolgozta az Al59 huzalra az SS4240813 számú és a Al59 vezetőre vonatkozó SS4240814 számú szabványokat egyaránt, amelyek rögzítik a vezetőképességet, a szilárdság értékeket, a kúszási tulaj-
344
Polyák Attila–Mertinger Valéria–Barkóczy Péter
donságokat, függetlenül a vegyi összetételtől. Ennek megfelelően a gyártók különböző összetételű huzalokat gyártanak. A különböző összetétel bizonyos határon belül a végtermék szabvány szerinti megfelelését nem, de a gyártás (húzás) közbeni viselkedést erősen befolyásolja. Az alumínium huzalhúzás közbeni viselkedést az összetételen túl a kiinduló szilárdság és szemcseméret is erőteljesen befolyásolja. A vezeték sodronyokat Properzi huzalokból húzzák és sodorják [2]. Az először 1986-ban alkalmazott folyamatos öntési technológiai lényege, hogy az öntőkerékről lejövő pászmát az öntési meleget kihasználva folyamatos üzemben hengerek közé vezetik és a kívánt mértékűre és profilúra alakítják [3]. A hengerek illetve az huzal hűtésének megfelelően (amit a Properzi huzallal szemben támasztott vevői előírások határoznak meg), ez az alakítás lehet meleg, félmeleg és hideg alakítás is. Ez természetesen meghatározza a huzal szemcseméretét, és ami a ennél fontosabb, a mechanikai és villamos tulajdonságait is [4]. A ME Anyagtudományi intézete és a Fux zRt. közötti együttműködés során egy, a Scholz Kft. által legyártható új Al59 típusú ötvözet kifejlesztettek ki. Jelen munkánkban a fejlesztés azon eredményeiről számolunk be, mely a Properzi huzal véghőmérsékletének hatását vizsgálja a húzási alapanyag tulajdonságai szempontjából. 1. Vizsgált technológia és az ötvözet A vizsgált ötvözet elemzett összetételét az 1. táblázat tartalmazza. Az ötvözetet a Scholz Kft. tatabányai üzeme készítette. Az ötvözetből ugyanott Properzi eljárással ∅12 mm hengerhuzalt gyártottunk. A Properzi soron a Scholz Kft. munkatársai mérik az öntési hőmérsékletet, a pászma hőmérsékletét a hengerállványok előtt és a hengerhuzal hőmérsékletét közvetlenül tekercselés után. A gyártás közben változtattuk a hengerlés véghőmérsékletét. Így négy kísérleti tekercset készítettünk. A hengerhuzalok tulajdonságait a Scholz Kft. anyagvizsgáló laboratóriumában vizsgáltuk. Mértük a hengerhuzalok szakítószilárdságát, szakadási nyúlását 100 mm-es jeltávon, és a fajlagos villamos ellenállását. Si 0,08499 Cr 0,0024
Fe 0,27147 Ni 0,00672
Cu 0,17706 Ti 0,0045
Mn 0,00757 B 0,00775
Mg 0,07343 Zn 0,0099
1. táblázat. A vizsgált ötvözet elemzett összetétele, m% A négy tekercsből kettő azonos technológiai paraméterek mellett készült. Az egyik tekercset a Fux zRt. miskolci telephelyére szállítottuk, ahol 10 fokozatban ∅3.5 mm huzalt gyárttattunk belőle. A tekercs utolsó szakaszán a húzógépet megállítva, minden alakítási fokozatból vettünk mintát, így fel tudtuk térképezni a huzalok keményedését. A végterméknek mértük ugyancsak a szakítószilárdságát, szakadási nyúlását 200 mm-es jeltávon és a fajlagos villamos ellenállását. Méréseinket a Fux zRt. és a Miskolci Egyetem Anyagtudományi Intézetének közös gondozásában működő Kötéldiagnosztikai Laboratóriumban végeztük el.
A159 villamos ipari célú huzal gyártásának vizsgálata
345
A pászma hengerlésénél a legkisebb alkalmazott véghőmérséklet esetén a Properzi sort is megállítottuk és a hengerlési fokozatokból mintát vettünk. A Miskolci Egyetem Anyagtudományi Intézetének Komplex Képelemző és Mikroszerkezet-vizsgáló Laboratóriumában vizsgáltuk az egyes hengerlési fokozatok között kialakult szemcseszerkezetet.
2. Eredmények A Properzi hengerhuzal gyártásnál változtattuk a hengerlés véghőmérsékletét, miközben az öntési hőmérsékletet azonos értéken próbáltuk tartani. Az eredményeket a 2. táblázat tartalmazza. Ami természetes, hogy a hengerlés véghőmérsékletének változásával változik a tekercselés befejezésekor mért huzalhőmérséklet is. Mivel a hengersorból kilépő huzal hőmérsékletét nem mértük, így a tekercseléskor mért hőmérsékletek alapján vetjük össze az eredményeket. Öntési hőm. °C 695 694 695 695
Pászma Hőm. °C 360 351 330 330
Tekercs Hőm. °C 137 220 203 203
Rm, Mpa 190 163 172 166
A100, % 5,5 7,5 6,5 7,5
ρ, Ωmm2/km 29,82 29,55 29,54 29,58
2. táblázat. A kísérleti gyártásban készített hengerhuzal gyártási és mechanikai adatai A fenti táblázatból kiolvasható, hogy a hengerlés véghőmérsékletének emelkedésével erősen csökken a huzal szakítószilárdsága (1. ábra). Ugyancsak megfigyelhető, hogy a véghőmérséklet emelkedésével a szakadási nyúlás szignifikánsan növekszik (2. ábra).
szakítószilárdság, MPa
195 190 185 180 175 170 165 160 120
140
160
180
200
220
240
tekercselési hőmérséklet, °C
1. ábra. A hengerhuzal szakítószilárdsága (Rm) a hengerlés véghőmérsékletének függvényében
Polyák Attila–Mertinger Valéria–Barkóczy Péter
346
szakadási nyúlás, %
8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 120
140
160
180
200
220
240
tekercselési hőmérséklet, °C
2. ábra. A hengerhuzal szakadási nyúlása (A100) a tekercselés hőmérsékletének függvényében 200 µm
200 µm
a) 200 µm
b) 200 µm
c)
d)
3. ábra. A hengerelt pászma mikroszerkezete különböző technológiai lépések után. Öntött pászma keresztmetszetének szerkezete a), a 6. szúrás után hengerelt pászma keresztmetszetének szerkezet b), a melegen hengerelt huzal (137 °C tekercs hőmérséklet) kereszt c) és hosszmetszetének d) mikroszerkezete. A csiszolatokat Barker-féle maratási eljárással készítettük elő, a felvételek polarizált megvilágításban készültek.
A159 villamos ipari célú huzal gyártásának vizsgálata
347
A fajlagos ellenállás értéke azonban alig változik a hőmérséklettel. Igazán eltérést csak a legerősebben hűtött hengerhuzal esetén kapunk a többi tekercs hengerhuzalaihoz képest, és ez a változás sem jelentős mértékű. A fent leírt tulajdonság változásnak az az oka, hogy a hűtés erélyességének növekedésével a hengerlés során a lágyulási folyamatok (megújulás és újrakristályosodás) egyre kisebb mértékben tudnak végbemenni, a melegalakítás felől egyre inkább a hidegalakítás felé mozdulunk el. Ezt jól szemlélteti a 3. ábra mikroszkópi felvétel sorozata. A legnagyobb hűtési eréllyel gyártott hengerhuzal pászmáját hengerlés során megállítottuk, és a hengerállványok közötti anyagrészből mikroszkópi vizsgálathoz mintát vettünk. A 3. a) ábrán az öntött pászma keresztmetszetét, annak is a középpontjának környezetét látjuk. Jól kivehető a felvételen az öntött mikroszerkezet. A 3. b) ábrán a 6. hengerlési lépés után létrejött pászma keresztmetszetének, annak is középpontja környezetében kialakult mikroszerkezetet látjuk. Nyoma sem található az öntött szerkezetnek, ahelyett újrakristályosodott szemcseszerkezetet látunk, ami a meleghengerlés közben végbemenő dinamikus újrakristályosodás következménye. A 3. c) ábrán a hengerhuzal keresztmetszetének középpontja körül kialakult, megint más jellegű szemcseszerkezetet látunk. Hogy értékelni tudjuk a látványt a 3. d) ábrán a hengerhuzal hosszmetszetéről készült mikroszkópi felvételt is bemutatjuk. Látható, hogy legalább az utolsó hengerlési lépés ebben a technológiai változatban biztosan hideghengerlés volt. A 2. táblázat harmadik sorában szereplő adatokkal rendelkező hengerhuzal tekercset a FUX zRt.-ben hidegen húztuk tovább ∅3.5 mm huzallá 10 húzási fokozatban. A tekercs utolsó szakaszán a húzógépet megállítottuk és az egyes fokozatok között lévő huzalt kivágtuk és mértük a szakítószilárdságát. Az eredményeket a 4. ábra mutatja. A fogyást a keresztmetszet százalékos csökkenéseként értelmezzük az (1) szerint, ahol D a hengerhuzal átmérője, d a vizsgált húzott huzal átmérője. Látható, hogy a hengerhuzal szakítószilárdságához képest a huzal szakítószilárdsága jelentős mértékben megemelkedik.
szakítószilárdság, MPa
350 300 250 200 150 100 50 0 0
20
40
60
80
100
fogyás, %
4. ábra. A huzal szakítószilárdságának változása az egyes húzási fokozatokban
Polyák Attila–Mertinger Valéria–Barkóczy Péter
348
fogyás = 100
D2 − d 2
(1)
D2
Az alakítási keményedés mértékének vizsgálatához meghatároztuk a huzal keményedési kitevőjét. A természetes alakváltozást a (2) szerint számítottuk és feltételeztük, hogy a keményedést a (3) összefüggés írja le. A képletekben ϕ jelöli a természetes alakváltozást, Rm a szakítószilárdságot és n a keményedési kitevőt. A (3) képletben A anyagállandó.
D2
ϕ = ln 2 d
(2)
R m = Aϕ n
(3)
A (3) összefüggést tekintve látható, hogy az egyenlet logaritmizálásával egy egyenes egyenletéhez jutunk, aminek meredeksége lesz a keményedési kitevő. A mérési eredményekből előállított logaritmizált egyenlet pontjait az 5. ábra tartalmazza. A pontok alapján végzett lineáris regresszióval megkaptuk a keményedési kitevő értékét n = 0,64. A Pearsonféle regressziós állandót nézve a mérési pontok valóban egy egyenest adnak. 5.8 5.7
ln(Rm)
5.6 5.5 5.4
y = 0.64x + 5.17 2 R = 0.99
5.3 5.2 5.1 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
φ) ln(φ
5. ábra. A huzal keményedése a húzási technológia közben.
A végméreten is megmértük a huzal tulajdonságait. A huzal szakítószilárdsága 290,0 MPa, nyúlása 2,0% 200 mm-es jeltávon mérve és a fajlagos villamos ellenállása 29,77 nΩm volt. Összehasonlítva a hengerhuzal adataival látjuk, hogy a szakítószilárdság jelentősen megnőtt, a nyúlás drasztikusan lecsökkent, azonban a fajlagos villamos ellenállás értéke elhanyagolható mértékben emelkedett meg.
A159 villamos ipari célú huzal gyártásának vizsgálata
349
3. Eredmények értékelése A vizsgálat során az Al59 hengerhuzal és vezetékhuzal tulajdonságain keresztül áttekintettük a gyártási technológiáját, ami Properzi hengerhuzal gyártásból és hideghúzásból áll. Az öntés technológiai lépésben az öntési hőmérsékletet regisztráltuk, és állandó értéken tartottuk. Amit változtatni tudtunk, az a hengersoron alkalmazott hűtés erélyessége, azaz a hengerlés véghőmérséklete. Ezt a tekercseléskor mért hőmérsékleten keresztül regisztráltuk. Megállapítottuk, hogy a hengerlés véghőmérsékletének csökkentésével a hengerhuzal szakítószilárdsága emelkedik, nyúlása csökken. Szövetszerkezet vizsgálattal kimutattuk, hogy ennek oka, hogy a meleghengerlésből a hideghengerlés felé tolódik el a technológia. Megállapítottuk, hogy fajlagos villamos ellenállás értékére a hűtés erélyessége nincs jelentős befolyással. A hengerhuzalt hideghúzással ∅3,5 mm átmérőre alakítottuk. Mind a bemenő átmérő (∅12 mm), mind a végméret kötött. A bemenő átmérőt a húzógép korlátja adja meg. A húzógép ennél nagyobb átmérőjű hengerhuzalt nem tud húzni, a vizsgált Properzi soron ennél kisebb átmérőjű huzal nem gyártható. A végméretet a kábel geometriáját meghatározó szabvány rögzíti. A húzógép paramétereit figyelembe véve 10 fokozatban húztuk a huzalt, és vizsgáltuk, hogyan változik a huzal szakítószilárdsága és nyúlása az huzal alakítási keményedésének megfelelően. Megállapítottuk, hogy a szakítószilárdság jelentős mértékben megnő, a nyúlás drasztikusan lecsökken. Megállapítottuk, hogy a fajlagos villamos ellenállás értéke elhanyagolható mértékben megemelkedik. A fentieket egybevéve megállapíthatjuk, hogy a huzal ellenállása már az ötvözet öntésekor eldől, arra a technológiai paramétereknek nincs jelentős hatása. Ellenben a huzal mechanikai tulajdonságai jelentős mértékben függnek a hengerhuzal hengerlésének véghőmérsékletétől, és ez az a paraméter, amit a technológiai sorban változtatni tudunk. Azaz ennek az értéknek a változtatásával tudjuk elérni a kívánalmaknak megfelelő tulajdonságú huzalt.
Köszönetnyilvánítás A cikkben bemutatott vizsgálatot a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010 projektek támogatta.
Irodalom [1] [2] [3] [4]
Barkóczi István: Sodronykötél, Fux Zrt. Miskolc, 2001. The Properzi Technology www.properzi.com. From molten metal to wire, 50 years of continuus Properzi technological progress for the production of rod, wire and cable, www.properzi.com Verő – Káldor: Fémtan, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1986.
