Brevet FR2103428A1 — publié le 19720414

La présente invention concerne la technique des alliages conducteurs de l'électricté. il est très souhaitable de réaliser des alliages conducteurs d'aluminium ayant une grande résistance mécanique et une grande conductivité, avec une très bonne aptitude au formage, clest-à-dire capables de supporter plusieurs pliages en sens inverses et des manipulations au-delà de la limite d'élasticité, sans fissuration. Il est évident qu'il est très souhaitable du point de vue commercial d'obtenir un prix raisonnable des fils conducteurs de llélectricité ayant les caractéristiques sus-mentionnées. Ce qui précède est particulièrement important pour les conducteurs destinés aux télécommunications. Dans ces applications, une grande conductivité a de l'importance ; cependant, l'aluminium de qualité électrique ayant une conductivité élevée a souvent une faible résistance mécanique ou bien- sa résistance mécanique diminue à chaud, et ce métal est sujet à un fluage et à un relâchement à la température ambiante. Ceci nuit naturellement à la te-nue mécanique des contacts électriques. Les alliages à haute résistance qui remédient à la déficience ci-dessus concernant la résistance mécanique ont, en général, une conductivité électrique insuffisante. La résistance mécanique de l'aluminium très pur ntaugmente que modérément par écrouissage ; par ailleurs l'écrouissage diminue l'aptitude au formage. Cependant, il existe de nombreuses applications où une excellente aptitude au formage n'est pas essentielle comme, par exemple, pour les lignes aériennes de transport d'énergie électrique. Dans ces applications, il importe d'obtenir à la fois une résistance mecanique et une conductibilité élevées afin de réduire le nombre de poteaux ou pylanes supportant la ligne. L'invention a pour principal objet : des alliages conducteurs améliorés à base d'aluminium, qui sont caractérisés par, à la fois, une grande résistance mécanique et une grande conductivité électrique des alliages conducteurs améliorés comme ci-dessus qui ont une aptitude au formage ou une ductilité excellentes et dont le prix est peu élevé. On a observé que les objets et avantages ci-dessus peuvent être facilement atteints selon l'invention. La présente invention concerne des fils conducteurs améliorés constitués par un alliage conducteur à base d'aluminium sous forme de fils ayant un diamètre compris entre 50 et 9,5 mm, contenant 0,04 à 1 % de fer, 0,02 à 0,2 % de silicium, 0,1 à 1% de cuivre, 0,001 à 0,2 % De bore. le reste étant essentiellement de l'aluminium. Le fer, le silicium et le bore.ajoutés par alliage sont contenus en quasi-totalité dans une matrice, sous forme d'une dispersion d'un précipité extrêmement fin. Le cuivre ajoute par all-iage est en quasi-totalité sous forme de solution solide. Par conséquent, les impuretés et les éléments alliés, sauf le cuivre, précipitent dans toute la matrice de l'alliage conducteur selon l'invention. Le cuivre ajouté est présent sous forme d'une solution solide de manière à renforcer dans une certaine mesure la matrice par passage en solution solide, plutôt que comme agent de durcissement par dispersion ou précipitation comme c'est en général le cas pour ce métal. On obtient pour les alliages conducteurs selon l'invention une grande résistance mécanique et une grande conductivité,- associées à une excellente aptitude au formage. Dans ce cas, le diamètre des conducteurs est en général compris-entre SOvu et 3,2 mm et la teneur en cuivre doit être maintenue entre 0,1 et 0,4 %, tandis que la teneur en bore doit être maintenue entre 0,001 et 0,1 %. On à observé que l'alliage conducteur sus-mentionné atteint facilement les objectifs de l'invention et a une résistance mécanique et une conductivité élevées associées à une excellente aptitude au formage. L'aptitude au formage peut être considérée comme une combinaison de ductilité et de-résistance au pliage, avec une résistance mécanique suffisamment élevée pour que la matériau puisse être déformé ou amené à une nouvelle forme à partir de sa forme initiale sans rupture. Par conséquent, sous sa forme la plus flexible, c'est-à-dire à l'état complètement recuit, l'alliage conducteur selon l'invention a, au minimum, une conductivité IACS (conductivité du cuivre recuit selon la norme internationale le concernant, mesurée à 20 C) de 60%, soit 0,348.106 mhos/cm et on obtient facilement une résistance minimale à la traction 11,2 kg/cm et un allongement supérieur à 10 %. Par ailleurs, la résistance à la traction du fil recuit peut être portée à 12,6 kg/cm, la limite d'élasticité à 11,2 kg/mm par une réduction additionnelle de section du fil avec une perte-- de conductivité ou d'aptitude au formage négligeable et avec un allongement supérieur à 2 %. Cette réduction de section ne doit pas dépasser environ 25 %e Une plus forte réduction de section diminuerait l'aptitude au formage du fil écroui Les caractéristiques de traction d'un matériau fortement écroui sont nettement supérieures à celle du même matériaux recuit. Cependant, le matériau écroui a une aptitude nettement inférieure au formage mécanique. Par conséquent, on peut obtenir, avec d'importantes réductions de section à froid, une résistance à la traction d'au moins 29,5 kg/mm associée à une conductivité électrique d'au moins 57 % IACS, soit 0,33.106 mhos/cm, mais avec un allongement d'environ 2 % et une aptitude restreinte au formage. En variante, quand une excellente aptitude au.formage n'est pas une condition préalable, on peut utiliser un autre alliage conducteur selon l'invention qui a un taux d'écrouissage excellent, pour obtenir, à la fois, une résistance mécanique et une conductivité plus grandes. Dans ce cas, on obtient une combinaison améliorée de résistance mécanique et de conductivité. Par conséquent, on peut obtenir une~conduc- tivité accrue avec une résistance mécanique comparable à celle des matériaux classiques ou, inversement, on peut obten-ir une- résistance mécanique accrue pour des conductivités comparables à celles des matériaux classiques ou leurs diverses variantes.Par exemple, on peut obtenir une conductivité d'au moins 57 % IACS, soit 0,33.106mhos/cm, avec une résistance à la traction qui peut atteindre, par exemple, au moins 33,6 kg/cm pour un diamètre de 2,05 mm. Le matériau ayant ces caractéristiqùes satisfait à l'essai d'enroulement normalisé du document américain ASTM-B-398-67. te matériau ayant -cette combinaison -rès satisfaisante de réis'tance -mécanique et de conductivité est obtenu de la manière suivante A) Approvisionner des tiges en alliage à base d'aluminium, contenant de 0,04 à 1,0 % de fer, 0,02 à 0 > 2 % de silicium, 0,1 à 1,0-% de cuivre, 0,001 à 0,2 % de bore, le reste étant essentiellement de l'aluminium B) Faire subir audit matériau une déformation d'au moins 10 %- à une tempé rature comprise entre 204 et 5100C ; et C) Déformer à froid ledit matériau à la dimension finale avec une réduction de secti.on d'au moins 75 % et de préférence d'au moins 90 %. Comme on l'a indiqué ci-dessus, on peut obtenir les alliages conducteurs selon l'invention caractérisés à la fois par une résistance mécanique et une conductivité satisfaisantes, avec une exce-llente aptitude au formage ou, en variante, on peut sacrifier une- partie de l'aptitude au formage afin obtenir, à la fois, une résistance mécanique et-une--conductivité excellentes. .I On discute, dans la première partie du present mémoire descriptif, le mode d'exécution qui permet d'obtenir une grande résistance mécanique et une grande conductivité avec une très bonne aptitude au formage. Comme indiqué ci-dessus, L'alliage conducteur selon l'invention contient environ 0,04 à 1 % et > de préférence, environ 0,1 à 0,3 % de fer ; 0,02 à 0,2 % et, de préférence, 0,02 à 0,1 % de silicium, étant donné qu'une trop forte proportion de silicium diminue la conductivité. La proportion de cuivre est comprise entre environ 0,1 et 0,4 % et, de préférence, entre 0,25 et 0,35 %. La teneur en bore est comprise entre 0,001 et 0,1 %. Le reste de l'alliage est essentiellement de l'aluminium. On peut ajouter pour des motifs particuliers de faibles proportions de magnésium, zirconium, manganèse, chrome ou d'autres éléments, par exemple pour augmenter la résistance mécanique ou la stabilité à chaud cependant, ces matières réduisent la conductivité électrique et leurs proportions doivent être limitées pour ce motif. On peut ajouter du titane pour affiner le grain, dans une proportion inférieure à la quantité stoechiométrique nécessaire pour former TiB2 et dans une proportion telle que la conductivité électrique n'est pas sensiblement abaissée. De même, on peut tolérer des impuretés classiques dans des proportions telles que la conductivité électrique n'est pas sensiblement abaissée. Outre le durcissement par passage en solution solide provoqué par le cuivre, il est important que l'alliage conducteur selon l'invention contienne une dispersion de précipité extrêmement fin de fer, silicium et bore ajoutés par alliage. Ce précipité agit comme une dispersion durcissante et, en même temps, appauvrit la matrice en ses solutés (Fe, Si et B), suffisamment pour conserver une conductivité élevée. L'alliage conducteur selon l'invention est obtenu sous forme de fil de diamètre compris entre 50 P et 3,2 mm. Cet alliage conducteur peut être facilement façonné aux dimensions utilisées dans la pratique industrielle pour les fils destinés au transport d'énergie, aux télécommunications et aux installations dans les immeubles. Le conducteur peut être facilement employé de préférence comme conducteur à un seul- brin, comme conducteur à brins multiples ou comme conducteur torsadé associé avec des alliages ou de l'aluminium de qualité électrique ou un noyau en fil d'acier. L'alliage conducteur selon l'invention peut être travaillé de manière connue. Par conséquent, cet alliage peut être coulé de manière classique. La billette brute de coulée peut être ensuite transformée en tige de manière connue, par exemple par laminage ou par étirage. Cette tige peut être ensuite étirée au diamètre voulu, ou étirée, recuite et étirée au diamètre voulu. Par conséquent, l'alliage conducteur selon l'invention peut être traité selon des procédés classiques ou spéciaux en particulier, dans le cas des fils conducteurs des types précités et analogues. Les avantages de l'alliage conducteur selon l'invention consistent en sa composition bien choisie qui conduit à la combinaison désirée de conductivité, résistance mécanique et aptitude au formage. Comme indiqué ci-dessus, le conducteur selon l'invention est caractérisé par plusieurs avantages, en particulier une combinaison de résistance mécanique, conductivité et aptitude au formage satisfaisantes. L'aptitude au formage peut être mesurée ou déterminée par un essai de pliage à boucle ouverte, dans lequel les extrémités d'un tronçon de, par exemple, 5 cm de fil de 0,5 mm sont rapprochées et écartées plusieurs fois. Si l'on peut procéder dix fois à cette opération sans fissuration de l'alliage, le fil a une aptitude satisfaisante au formage. Le fil selon l'invention a une aptitude au formage telle qu'on peut effectuer 15 flexionsà.boucle ouverte même si l'allongement est faible. En général, on peut effectuer un nombre nettement plus élevé de ces opérations. Un avantage particulier de la présente invention consiste en ce que les caractéristiques très avantageuses de l'alliage selon l'invention sont obtenues sans se heurter à des difficultés de fabrication. Par conséquent, l'alliage conducteur selon l'invention peut recevoir des applications très variées et est particulièrement utile pour les fils destinés au bâtiment et aux télécommunications pour lesquels sa grande aptitude au formage assure un degré élevé de résistance au pliage. Par ailleurs, la présence d'un fin précipité destiné à stabiliser les caractéristiques mécaniques conduit à une diminution importante de la relaxation ou du fluage à la température ambiante, qui se sont avérés si gênants pour les connexions terminales comportant des dispositifs de serrage à ressort ou à vis. Les particules précipitées présentes avant le recuit facilitent l'amorçage d'une recristallisation pendant ce recuit, entravent la croissance des grains et empêchent toute croissance excessive des grains qui. diminuerait fortement l'aptitude au formage. Les éléments d'alliage (principalement ceux en solution solide, et la finesse des grains conduisent tous deux à une rés-istance mecanique au départ plus élevé du flI recuis et ces deux facteurs, associés au particules précipitées. conduisent à une augmentation du taux d'écrouissage.Par ailleurs, les petite- dimensions des grains provoquent une redistribution des déformations locales entre de nombreux petits grains et, par conséquent, augmentent le volume de la matière. Tous ces facteurs ont une action synergique qui provoque une augmentation considérable d'aptitude au façonnage. On peut obtenir, comme indique ci-dessus, un alliage conducteur selon l'invention qui possède à la fois une résistance mécanique et une conductivité excellentes.Cet alliage conducteur contient environ 0,04 à 1,0 % et, de préférence, 0,5 à 1,0 % de fer ; 0,02 à 0,2 % et, de préférence, 0,02 à 0,1 % de silicium ; 0,1 à 1,0 % et, de préférence, 0,35 à 0,5 % de fer et environ O,C)01 à 0,2 % de bore. Le reste de l'alliage est essentiellement de l'aluminium. On peut ajouter de faibles proportions de zirconium, manganèse, magnésium et chrome, ou d'autres éléments, pour obtenir des améliorations particulières, par exemple une augmentation de la résistance mécanique ou de la stabilité à chaud ; cependant, ces matériaux ont une influence fâcheuse sur la conductivité électrique et leurs proportions doivent être limitées pour ce motif.Le titane constitue un élément d'alliage préféré étant donné qu'il affine le grain si sa concentration est inférieure à la quantité stoechiométrique nécessaire pour former Tir2, et telle que sa conductivité électrique ne soit pas sensiblement affectée, soit, en général, inférieure à 0,5 %. Le zirconium et la magnésium sont des apports d'alliage qui augmentent la stabilité à chaud. Le magnésium augmente également le taux de durcissement par écrouis sage. La proportion de zirconium est en général inférieure à 0,1 % et celle de magnésium inférieure à 0,2 %. De même, on peut tolérer des impuretés classiques dans des proportions telles que la conductivité électrique ne soit pas sensiblement réduite. Dans cette variante, tout comme dans la précédente, l'alliage conducteur contient une dispersion d'un précipité extrêmement fin de fer, de silicium et de bore ajoutés par alliage, tandis que le cuivre ajouté est en quasi-totalité sous forme de solution solide. Pour cette variante, l'alliage conducteur est obtenu sous forme de fils de diamètre compris entre 5011 et 9,5 mm, autrement dit, on obtient une amélioration jusqu'à de grands diamètres, comportant des tiges étirées plusieurs fois. Le plus souvent, le diamètre du fil est compris entre 1,5 et 5 mn Comme indiqué ci--dessus,. le principal avantage de cette variante est du au taux éLevé de durcissement par écrouissage qui conduit à une excellente combinaison de résistance mécanique et de conductivité. Par conséquent, on peut facilement obtenir- par écrouissage - une résistance accrue avec des valeurs de conductivité comparables à celles des matériaux classiques, ou une conductivité accrue pour des valeurs de résistance mécanique comparables à celles des matériaux classiques. Dans les deux cas, le matériau peut satisfaire à l'essai normalisé d'enroulement sus-mentionné, qui consiste à enrouler le fil autour de lui-même sans rupture ni fissure. En fait, les conducteurs selon l'invention satisfont facilement à cet essai pour des valeurs élevées de leur résistance mécanique et peuvent facilement être enroulé, plusieurs fois autour d'euxmêmes. Les excellentes caractéristiques de l'alliage conducteur selon l'invention ont pour origine le fait que la composition chimique du matériau conduit à un taux de durcissement par écrouis sage accru. Par conséquent, l'écrouissage nécessaire pour obtenir une valeur donnée de la résistance est moindre. De plus, comme on le verra ci-après, le conducteur selon l'invention subit un fort écrouissage. Par conséquent, conformément à cette variante, l'alliage peut être coulé d manière connue. La billette brute de coulée ou la barre peut ou non être homogénéisée si on le désire, par exemple, en la chauffant à 500 + 250C, pendant 8 heures ou plus. Le matériau est façonné à une température élevée supérieure à 205OC, de préférence entre 315"C et 5100C. On a observé que cette opération de déformation à chaud ou à froid a de l'importance pour l'obtention des caractéristiques désirées. Le matériau est ensuite deformé à froid directement à la dimension. Ce matériau est déformé à froid avec une réduction de section d'au moins 75 % et de préférence d'au moins 90 %, dans le but d'obtenir des caractéristiques mécaniques poussées. Evidemment, le taux de réduction de la section à froid nécessaire pour obtenir une valeur donnée de la résistance mécanique dépend de la composition chimique particulière et des opérations antérieures de laminage à chaud. On comprendra mieux ltinvention par l'étude des exemples ci-après. EXEMPLE 1. On prépare une billette de .51 x 51 x 178 mm de manière connue et avec la composition:ci-après : fer 0,18 %, silicium 0,06 7, bore 0,015 %, cuivre 0,25 %, le reste étant essentiellement de l'aluminium. Cette billette est laminée à chaud à partir de 400"C, sans recuit, en une tige de 9,5 mm à réétirer. Le matériau est étiré à 7,4 mm et recuit pendant 24 heures à 290"C. Le matériau est ensuite étiré en un fil ayant un diamètre de 0,53 mm et on lui fait subir un recuit de courte durée qui provoque une recristallisation totale du matériau. On détermine les caractéristiques de ce matériau complètement recristallisé ; elles sont indiquées sur le tableau ci-après. On soumet ensuite ce matériau à un petit écrouis sage additionnel entre 4 et 12 % environ - et on détermine les caractéristiques du matériau obtenu. Ces caractéristiques sont également indiquées sur le tableau ci-après. Le matériau entièrement recristallisé et le matériau entièrement recristallisé et écroui sont caractérisés par un grain fin, une grande résistance mécanique, une grande conductivité et une excellente aptitude au formage. Le fer, le silicium et le bore sont présents en quasitotalité sous la forme d'une dispersion d'un précipité extrêmement fin et le cuivre est présent en quasi-totalité sous forme de solution solide. Les caractéristiques du matériau sont indiquées sur le tableau ci-après J Après recristallisation complète résistance limite Nombre de Conductivité Dimension à la d'élasti- Allon- pliages à % lACS des grains rupture cité gement boucles (kg/mm) (kg/mm) (%) ouvertes mhos/cm (mm) 12,3 5,05 19 10-24 0,35.106 0,008- 0,016 Après recristallisation complète et écrouissage 13 12,5 7 10-25 0,358.106 0,008 0,016 EXEMPLE 2. On prépare des billettes de 51 x 51 x 178 mm de manière classique, avec les compositions nominales ci-après : fer 0,6 %, silicium 0,4 %, bore 0,01 %, cuivre 0,4 %, le reste étant essentiellement de l'aluminium. Tous ces matériaux sont homogénéisés à 5000C pendant 8 heures. Toutes les billettes sont ensuite laminées à chaud en une tige à réétirer de 9,5 mm, avec une température de 455 C à l'entrée et de 189 C à la sortie. Une billette est ensuite soumise à une réduction de section à froid, par déformation, de 75 /0 en réduisant son diamètre de 9,27 à 4,62 mm. Le matériau obtenu a une résistance à la rupture de 25,2 6 O,342.1O6 25,2 kg/cm et une conductîvité supérieure à 59 % lACS, soit mho/cm. On fait subir au second matériau une déformation à froid de 90 % en faisant passer son diamètre de 9,27 mm à 2,9 mm ; il a une résistance à la rupture de 27,3 kg/mm et une conductivité supérieure à 59 % IACS, soit 0,342.106 mhos/cm.On fait subir à une troisième barre une déformation à froid de 95 /0, en faisant passer son diamètre de 9,27 à 2,05 mm ; elle a une résistance à la rupture de 33,6 kg/mm et une conductivité supérieure à 59 % IACS, soit 0,342.106 mhos/cm. Tous ces matériaux subissent -avec succès les essais d'enroulement. Dans tous les cas, le fer, le silicium et le bore sont présents en quasi-totalité sous forme d'une dispersion d'un précipité extrêmement fin et le cuivre est présent en quasi totalité sous forme de solution solide. EXEMPLE 3. On prépare deux billettes additionnelles que l'pn traite de la manière indiquée dans l'exemple 2, sauf qu'elles sont laminées à chaud à 16,8 mm de diamètre au lieu d'être laminées à chaud sous forme de barres de 9,5 mm à réétirer. Une billette échantillon est déformée à froid de 16,8 à 4,62 mn et ses propriétés sont. les suivantes : résistance à la rupture par traction 29,4 kg/mm, conductivité électrique supérieure à 59 % IACS, soit 0,342.106 mhos/cm. Une seconde billette est déformée à froid de 16,8 mn à 3,43 mm et sa résistance à la rupture par traction est due 32,2 kg/mm avec une une conductivité électrique supérieure à 59 % SACS, soit 0,342.10 mhos/cm. Ces deux matériaux ont passé avec succès l'essai d'enroulement. Le fer, le silicium et le bore sont présents en quasi-totalité sous forme d'une dispersion d'un précipité extrêmement fin tandis que le cuivre est présent en quasi-totalité sous forme de solution solide. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1. Alliage conducteur amélioré à base d'aluminium ayant une résistance mécanique et une conductivité électrique élevées, caractérisé en ce qu'il est sous i forme d'un conducteur pn alliage à base d'aluminium et a un diamètre compris entre 50/u et 9,5 oim et contient les éléments d'alliage ci-après : 0,04 à 1 % de fer ; 0,02 à 0,2 % de silicium ; 0,1 à 1,0% de cuivre ; 0,001 à 0,2 % de bore, le reste étant essentiellement de l'aluminium et dans--lequel ledit cuivre est présent en quasi-totalité sous forme de solution solide, tandis que lesdits fer, silicium et bore sont présents en quasi-totalité sous forme d'une dispersion d'un précipité extrêmement fin. 2. Conducteur recuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa conductivité IACS minimale est de 60 %, soit 0,348.10 mhos/cm, sa résistance minimale à la traction est de 11,2 kg/mm et son allongement supérieur à 10 %. 3. Conducteur écroui selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa conductivité IACS minimale est de 60 %, soit 0,348.106 mhos/cm, sa résistance à la traction minimale est de 12,6 kg/cm et son allongement est supérieur à 2 %. 4. Conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa conductivité IACS minimale est de 57 %, soit 0,331.106 mhos/cm et sa résistance minimale à la traction est de 29,4 kg/mm. 5. Conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il contient 0,5 à 1,0 % de fer, 0,02 à 0,1 % de silicium et 0,35 à 0,5 % de cuivre. 6. Alliage conducteur amélioré à base d'aluminium, ayant un grain fin, une grande résistance mécanique, une conductivité élevée et une excellente aptitude au formage, caractérisé en ce qu'il est sous la forme d'un conducteur en alliage à base d'aluminium de diamètre compris entre 5011 et 3,2 mm, contenant 0,04 à 1,0 % de fer, 0,02 à 0,2 % de silicium, 0,1 à 0,4 % de cuivre, 0L001 à 0,1 % de bore ajoutés par alliage, le reste étant essentiellement de l'aluminium, dans lequel ledit cuivre est présent en quasi-totalité sous forme de solution solide, tandis que lesdits fer, silicium et bore sont présents en quasi-totalité sous forme d'une dispersion d'un précipité extrêmement fin. 7 Conducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il contient 0,1 à 0,3 % de fer, 0,02 à 0,1 % de silicium et 0,25 à 0,35 % de cuivre. 8. Conducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit précipité se comporte comme une dispersion durcissante et appauvrit la matrice en soluté correspondant. 9. Procédé d'obtention d'un alliage conducteur à base d'aluminium amélioré, ayant une résistance mécanique et une conductivité élevées, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations ci-après : approvisionnement d'un alliage à base d'aluminium contenant 0,04 à 1,0 % de fer, 0,02 à 0,2 % de silicium, 0,1 à 1,0 % de cuivre, 0,001 à 0,2 % de bore, le reste étant essentiellement de l'aluminium ; déformation dudit matériau de manière à obtenir une barre à réétirer à une température comprise entre 205 et 5100C, de préférence entre 315 et 5100C, et déformation à froid dudit matériau de manière à réduire son diamètre à une valeur comprise entre 5011 et 9,5 mm avec une réduction de section transversale d'au moins 75 %. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite déformation à froid est une réduction de section d'au moins 90 %.