Brevet FR2179515A1 — publié le 19731123

La présente invention, qui résulte des recherches de Messieurs Claude NICOUD et Roger DEVELAY, a pour objet un procédé de fabrication d'un conducteur électrique ainsi que les conducteurs obtenus par la mise en oeuvre de ce procédé. Elle concerne le secteur des conducteurs électriques. Les conducteurs envisagés comprennent notamment des fils et câbles électriques et pour télécommunications. Le développement de l'aluminium dans les câbles de transport de force, isolés ou non, a pu être obtenu simplement en utilisant un produit a haute conductibilité contenant moins de 0,5 z d'impuretés, à l'état trois-quart dur, dit A5/L, qui présente une bonne conductibilité électrique et une résistance à la rupture souvent suffisante. Dans le cas où une résistance à la rupture plus importante est nécessaire, par exemple pour les lignes de transport de grande puissance, on utilise un alliage contenant jusqu'à 0,7 % de magnésium, jusqu a 0,6 % de silicium et jusqu'a 0,35 Z de fer. Cet alliage, dit A-GS/L, est du type à durcissement par traitement thermique et présente l'avantage de pouvoir etre coulé selon la méthode dite "PROPERZI" entre la jante creuse d'une roue et une bar.de métallique recouvrant cette dernière, puis transformé mécaniquement, en général par laminage, de façon à obtenir une ébauche cylindrique de diamètre important dite "fil machine". Ce procédé permet la fabrication industrielle du fil par des moyens simples. On a aussi pensé à remplacer le cuivre par l'aluminium ou un de ses alliages dans les autres secteurs : fils pour installations domestiques, fils et câbles téléphoniques, fils pour l'automobile. Ces applications exigent une conductibilité électrique voisine de celle de l'A5/L, une ductilité élevée et une bonne tréfilabilité. Ces caractéristiques mécaniques améliorées sont nécessitées soit par la fabrication même du conducteur, soit par son application. En particulier, les câbles de télécommunication comprennent des fils conducteurs de faible diamètre, par exemple 0,5 ou 0,63 mm, isolés puis pairés ou quartés. La fabrication de ces câbles s'opere par passage à grande vitesse sur des machines effectuant en continu le tréfilage et le boudinage : elle nécessite des conducteurs possédant une résistance à la rupture suffisante et une valeur élevée de l'allongement à la rupture, vu la ductilité demandée aux fils de faible diamètre qui composent le câble. On exige en outre une excellente tréfilabilité à grande vitesse, un bon aspect de surface, une bonne tenue au filage et une fragilité aussi réduite que possible. Le mne alliage A-GS/L permet d'obtenir ces propriétés tout en conservant sa facilité de transformation et le bénéfice des mises au point opérées pour les câbles de transport. Le brevet français nO 2 053 838 décrit un procédé de fabrication d'un fil domestique en A-GS/L, selon lequel on réalise, par coulée et laminage PROPERZI, un fil machine d'un diamètre compris entre 7,5 et 12 mm, on soumet ce dernier à un traitement d'homogénéIsation d'au moins une demi-heure à une température comprise entre 500 et 5800 C, suivi d'une trempe à l'eau froide et d'un séchage, puis on le tréfile par passes successives jusqu'au diamètre final, après quoi on opère un traitement thermique final dont les conditions sont comprises entre : deux à quatre heures à 250 C et quelques secondes à 550" C. On aboutit ainsi à une charge de rupture comprise entre 15 et 18 hectobars, un allongement à la rupture compris entre 8 et 14 Z et une résistivité électrique située entre 2,86 et 2,90 miero-ohms.cm. Ces caractéristiques sont tout à fait convenables, mais le procédé présente l'inconvénient d'exiger le traitement d'homogénéIsation qui, à l'échelle industrielle, doit être d'une durée de huit heures. En effet, l'opération s'effectue dans un four à circulation de gaz caloporteurs, par charges de plusieurs bottes d'une tonne, et il convient que le traitement soit total, fût-ce durant une demi-heure seulement, sur toute la longueur des fils composant chaque botte. De plus, le séchage se fait par étuvage à 1200 C, durant plusieurs heures. L'ensemble de ces opérations est long et coûteux. Ce traitement est consideré comme indispensable afin d'amener une répartition régulière du soluté dans la masse de l'alliage, de façon à éviter, d'une part des différences de caractéristiques dans des sections diverses du fil, d'autre part des précipités qui, après tréfilage, pourraient occuper tout le diamètre du fil et amener des ruptures. Les recherches ayant conduit à l'invention ont montré que l'on pouvait obtenir les mêmes propriétés électriques et mécaniques en tréfilant le fil machine à l'état c'est-à-dire venant directement d'un laminage PROPERZI ou d'un filage. Ce procédé présente en outre l'avantage de faciliter le tréfilage par un abaissement de la résistance à la rupture du fil machine, qui de 20 à 23 hbars, tombe à 15 hbars pour le fil machine brut de laminage. De ce fait, ce fil peut être tréfilé sur les machines prévues pour A5/L. Avantageusement, on utilise l'effet bénéfique du corroyage résultant du laminage PROPERZI en poussant ce laminage jusqu a un diamètre réduit, par exemple 7,5 mm. Les défauts d'homogénéIté redoutés ne se présentent pas, et cela d'autant moins que le fil machine a subi un corroyage plus important. L'invention ainsi définie est expliquée à l'aide d'exemples illustrés par les figures jointes, qui sont des graphiques donnant les propriétés de fils conducteurs selon l'invention ; les courbes en trait plein correspondent au diamètre 0 = 0,5 mm, et les courbes en tirets correspondent au diamètre j = 0,63 min. Les courbes des figures 1, 2 et 3 représentent les variations respectives de la résistance de rupture R, de l'allongement à la rupture A et de la résistivité électrique f , en fonction de la durée du traitement thermique opéré à 2750 C. La figure 4 représente les variations respectives de l'allongement à la rupture A et de la résistance de rupture R, en fonction de la température à laquelle s'opère le traitement thermique, dont la durée est de 5 heures. On met en oeuvre l'alliage du type Al-Ng-Si dont la composition est donnée par - 0,2 à 0,9 Z de magnésium, - 0,2 à 0,9 Z de silicium, - et jusqu a 0,7 Z de fer, le reste étant de l'aluminium plus les impuretés habituelles. Le procédé type pour la fabrication du conducteur électrique comprend les opérations suivantes - coulée et laminage d'une ébauche, dite "fil machine", - tréfilage de cette ébauche, brute de laminage, jusqu'à la section finale désirée, - traitement thermique final d'une durée comprise entre 1 et 8 heures, à une température prise entre 250 et 300 C. L'ébauche est obtenue soit par passage dans un laminoir d'une barre continue de section sensiblement triangulaire obtenue par coulée de l'alliage entre la jante creuse d'une roue et une bande métallique couvrant cette dernière, selon le procédé connu sous b nom de "PROPERZI", soit par laminage ou filage de billettes classiques. L'ébauche brute de laminage ou filage est ensuite tréfilée de façon connue, par passes successives, jusqu'au diamètre final, compris entre 0,2 et 4 mm, sans subir de traitement thermique intermédiaire. On applique enfin le traitement thermique final. Les résultats obtenus sont illustrés par les exemples qui suivent. EXEMPLE 1 Un alliage d'aluminium comprenant 0,74 Z de magnésium, 0,59 Z de silicium et 0,26 Z de fer est coulé sur roue PROPERZI et laminé jusqu'au diamètre de 9,5 mm. Il est ensuite tréfilé jusqu'au diamètre final de 0,52 min. Le tréfilage s'effectue sur deux machines différentes. La première, une machine à glissement, adopte la gamme : 9,5 - 7,98 - 6,95 - 5,95 - 5,20 3,96 - 3,48 - 2,98 - 2,56 - 2,24 - 1,99. La vitesse de sortie est de 20 m/s. La deuxième machine, également du type à glissement, utilise des filières diamant et fonctionne à une température comprise entre 50 et 600 C ; elle adopte la gamme : 1,99 - 1,63 - 1,45 - 1,29 - 1,15 - 1,02 - 0,91 - 0,82 0,72 - 0,64 - 0,57 - 0,52. Le fil présente, en fin de tréfilage, les caractéristiques suivantes - résistance à la rupture R = 28,7 hbars - allongement à la rupture sur 200 mm A = 1,1 % - resistivité électrique f = 2,988 micro-ohms.cm. Ce fil subit un traitement durant 2 heures à 2750 C, en four statique. Il présente alors les caractéristiques finales suivantes - limite élastique pour un allongement de 0?2 % LE 0,2 = 13 hbars - résistance à la rupture R = 16,9 hbars - allongement à la rupture sur 200 mm A = 12,2 % - résistivité électrique # = 2,884 # su .cm. EXEMPLE 2 Un alliage d'aluminium contenant 0,65 % de magnésium, 0,57 Z de silicium et 0,26 % de fer, est coule sur roue PROPERZI et laminé au diamètre 9,5 mm. Il est ensuite tréfilé, brut de laminage, jusqu'aux diamètres finals de 2,92 respectivement 2,31 mm. Le tréfilage s'opère sur machine à glissement, les gammes étant : 9,5 8,17 - 7,20 - 6,45 - 5,8 - 5,15 - 4,62 - 4,12 - 3,65 - 3,27 - 2,92 min et la vitesse de tréfilage de 10 m/s, pour le premier diamètre final, et : 9,5 8,17 - 7,05 - 6,15 - 5,3 - 4,62 - 4,12 - 3,65 - 3,25 - 2,9 - 2,59 - 2,31 mm, et la vitesse de tréfilage de 20 m/s, pour le deuxième diamètre final. L'angle du cône de travail des filières est de 16 degrés, et-les dernières filières travaillent sous un glissement réduit, de l'ordre du %. Les fils tréfilés aux deux diamètres 2,92 et 2,31 mm sont ensuite traités thermiquement pendant 3 heures à des températures comprises entre 220 et 3000 C. Les caractéristiques obtenues sont données par le tableau 1. TABLEAU 1 Diamètre : 2,31 mm Diamètre : 2,92 mm Traitement Le 0,2 R A Z # Le 0,2 R A % # hbars hbars 200mm @2.cm hbars hbars 200 mm # cm Brat de tréfi- 21,5 23,1 2,936 21,0 23,0 3,5 2,935 lge 3h à 220 C 16,8 19,0 2,895 17,6 20,0 5,5 2,900 3h à 240 C 15,1 17,3 2,887 16,4 18,6 6,7 2,903 3h à 260 C 14,5 16,8 2,889 15,6 17,9 7 2,893 3h à 280 C 13,6 15,7 2,884 13,7 16,0 9 2,885 3h à 300 C 11,6 14,3 2,879 11,6 14,3 9,5 2,883 EXEMPLE 3 Les memes fils tréfilés aux diamètres 2,92 et 2,31 mm obtenus dans l'exemple 2, sont enroulés, à l'état brut de tréfilage, sur des bobines de câblerie à raison de 60 kg par bobine, et subissent un traitement thermique d'une durée totale de 4h 30, dans un four industriel dont le régulateur de température est réglé à 2500 C. Compte tenu de la durée de la mise en température de la charge, ceci équivaut à un temps de maintien de 2 à 3 heures à des températures comprises entre 230 et 2500 C, suivant la position du fil dans le four.A la la suite d'un tel traitement industriel, les caractéristiques moyennes obtenues sont celles que donne le tableau 2. TABLEAU 2 Diamètre 2,31 mm Diamètre 2,92 mm R hbars 18,5 19 A % 6 : 6,5 # # cm 2,900 2,905 EXEMPLE 4 Un alliage d'aluminium contenant 0,60 X de magnésium, 0,55 % de silicium et 0, 25 % de fer est élaboré au diamètre 7,5 mm par coulée sur roue PROPERZI et laminage. Il est tréfilé, brut de laminage, aux diamètres finals respectifs de 2,31 et 1,79 mm. Le tréfilage s'opère sur machine à glissement, les gammes étant : 7,5 7,05 -6,15 - 5,3 - 4,62 - 4,12 - 3,65 - 3,25 - 2,90 - 2,59 - 2,31 mm pour le premierdiamètre et : 7,5 - 6,45 - 5,6 - 4,87 - 4,25 - 3,65 - 3,15 - 2,80 2,50 - 2,24 - 2,00 - 1,79 min, pour le deuxième diamètre. La vitesse de tréfilage est de 20 m/s dans les deux cas, l'angle du côe de travail des filières étant égal à 16 degrés et les dernières filières travaillant avec un glissement réduit, de l'ordre du %. Les fils tréfilés aux deux diamètres 2,31 et 1,79 mm sont ensuite traités pendant 3 heures à des températures comprises entre 260 et 2900 C. Les caractéristiques obtenues sont données par le tableau 3. EXEMPLE 5 Une partie des fils tréfilés aux diamètres 2,31 et 1,79 mm obtenus dans l'exemple 4, est enroulée à l'état brut de tréfilage sur des bobines de c ble- rie, à raison de 60 kg par bobine, et subit un traitement thermique en four industriel, les conditions de traitement étant identiques à celles décrites dans l'exemple 3. Le tableau 4 donne les caractéristiques moyennes obtenues, après ce traitement, sur les fils des deux diamètres. TABLEAU 3 Diamètre : 1,79 mm Diamètre : 2,31 mm Traitement Le 0,2 R A% # Le 0,2 R A % # hbars hbars 250mm # cm hbars hbare 250mm # cm 3h à 260 C 14,9 6 2,888 14,5 9 2,876 3h à 280 C 10,2 13,2 13 2,879 10,2 12,7 11,5 2,874 3h à 290 C 8,6 12,2 16 2,877 8,6 11,9 17 2,875 TABLEAU 4 Diamètre : 1,79 mm Diam6tre : 2,31 mm R hbars 17 17 A % (200 mm) 7,0 6,0 # micro-ohms.cm 2,870 2,890 EXEMPLE 6 Un alliage d'aluminium contenant 0,71 % de magnésium, 0,59 % de silicium, 0,24 Z de fer, 0,018 % de titane, moins de 0,008 % de cuivre et moins de 0,005 % de manganèse, est élaboré au diamètre de 9,5 mm par coulée sur roue PROPERZI et laminage. L'ébauche brute de laminage est tréfilée au diamètre final de 0,63 ou 0,5 mm sans traitement intermédiaire. Le tréfilage s'effectue sur deux machines successives. La première présente la gamme : 9,5 - 8,25 - 7,15 - 6,2 - 5,37 - 4,65 - 4,11 - 3,66 2,9 - 2,58 - 2,3 - 2,05 - 1,82 mm, la deuxième continue avec la gamme 1,8 - 1,63 - 1,45 - 1,29 - 1,15 - 1,02 - 0,91 - 0,82 - 0,72 - 0,63 - 0,57 0,50 mm, le diamètre de sortie étant de 0,63 mm, avec suppression des deux dernières filières, pour le premier diamètre final, et 0,50 mm pour le deuxième diamètre final. Le fil ainsi obtenu est partagé en sections de caractéristiques équivalentes ; à chaque section est appliqué un traitement athermique, à des températures allant de 250 à 3000 C pour des durées variant de 1 à 8 h. Les résultats obtenus sont donnés par le tableau 5 (pour le diamètre de 0,63 mm les moyennes sont prises sur 3 échantillons et pour le diamètre de 0,5 min sur douze échantillons). TABLEAU 5 Caractéristiques de fils craités Traitement Fil de diamètre 0,63 Fil de diamètre 0,5 mm N thermique R A @@ H A # effectué (hbars) (%) ## cm (hbars) (%) # cm 1 1 h à 250 C 17,4 5,7 2,890 21,5 3,7 2,892 2 2 h à 250 C 16,4 7,4 2,881 20,3 4,7 2,894 3 5 h à 250 C 15,1 10,8 2,876 18,5 9,0 2,885 4 8 h à 250 C 14,2 14,3 2,864 17,5 11,3 2,879 5 1 h à 275 C 14,9 11,4 2,885 18,4 8,6 2,889 6 2 h à 275 C 14,5 14,1 2,874 17,8 10,6 2,890 7 5 h à 275 C 13,4 17,0 2,865 16,3 14,0 2,876 8 8 h à 275 C 12,9 19,3 2,865 15,7 16,1 2,878 9 1 h à 300 C 13,6 18,1 2,894 16,5 13,6 2,893 10 2 h à 300 C 13,2 19,1 2,887 16,2 15,1 2,896 11 5 h à 300 C 12,9 22,4 2,892 14,7 18,7 2,887 12 8 h à 300 C 12,8 19,7 2,882 15,3 18,7 2,891 Les conditions visées pour les applications envisagées sont les suivantes R > 12 hbars a > 5 Z P Dans certains cas particulièrement difficiles, et plus spécialement dans le cas des câbles de télécommunication, on préfère les conditions suivantes : R > 15 hbars A > 8 % # On voit que l'exemple 1, quelques unes des expériences relatives à l'exemple 2 et la majeure partie des expériences relatives à l'exemple 6 satisfont aux conditions les plus dures. Presque toutes les expériences relatées satisfont aux conditions les plus larges. L'exemple 6 permet de déterminer une large fourchette de traitements thermiques satisfaisant aux conditions ci-dessus. Les courbes des figures 1 à 4 jointes sont relatives à des fils conducteurs ainsi obtenues, de diamètre 0,5 et 0,63 mm. Les figures 1,2 et 3 donnent les courbes de variation isothermes des caractéristiques de ces fils pour un traitement thermique opéré à 2750 C. Pour un diamètre de 0,5 min, les conditions sont largement respectées pour des durées de traitement comprises entre 1 et 5 heures. Pour un diamètre de 0,63 mm, la résistance de rupture est légèrement en dessous de la valeur désire, mais, vu la dispersion des résultats des mesures effectuées, dont certaines donnent des valeurs supérieures à 16 hbars, on peut retenir les durées comprises entre 1 et 2 heures comme acceptables, moyennant un contrôle serré. Les courbes de la figure 4, qui sont relatives à une durée de traitement thermique égale à 5 heures, donnent les variations de la résistance de rupture R et de l'allongement A en fonction de'la température de traitement. On voit que la valeur minimale visée pour A n'est obtenue qu'à une température un peu inférieure à 2500 C, tandis que IL valeur minimale visée pour R est obtenue pour les températures inférieures à 3000 C ; le traitement thermique doit donc, pour ce fil, s' s'opérer entre 250 et 3000 C, pour une durée de 5 heures. Pour le fil de diamètre 0,63 mm, cette durée requiert une tempéra- ture égale à 250 C ou quelques degrés de moins. En tenant compte des courbes et du tableau nO 1 et en considérant que les chiffres donnés sont des moyennes de différentes mesures, on conclut que - pour un conducteur de diamètre 0,63 min, les traitements possibles varient entre 3 à 5 heures à 2500 C et 1 à 2 heures à 2750 C environ; - pour un conducteur de diamètre 0,50 mm, et à plus forte raison, pour un conducteur de diamètre plus petit, les traitements possibles varient entre 4 à 8 heures à 2500 C et 1 à 8 heures à 3000 C environ. On voit que les caractéristiques obtenues sont équivalentes à celles que l'on obtient en pratruant, sur le fil machine, avant tréfilage, un traitement d'homogénéisation-trempe long et coûteux. L'invention s'applique à la fabrication de conducteurs électriques et, plus particulièrement, de fils pour installations domestiques, fils et câbles télephoniques, fils pour l'automobile, fils pour bobinage et barres de connexion. REVENDICATIONS 1/ Un procédé de fabrication de conducteurs électriques mettant en oeuvre un alliage à base d'aluminium contenant, outre les impuretés habituelles, de 0,2 à 0,9 Z de magnésium, 0,2 à 0,9 Z de silicium et jusqu'à 0,7 Z de fer, selon lequel on coule une ébauche que l'on transforme par des moyens mécaniques, tels que le laminage ou le filage, en un produit brut dit "fil machine", on tréfile ce dernier jusqu'à la section désirée, puis l'on effectue un traitement thermique final d'une durée d'au moins une heure à une température d'au moins 250 C, caractérisé en ce que le fil machine est tréfilé à l'état brut et que le traitement thermique final s'effectue à une température ne dépassant pas 3000 C pendant une duree au plus égale à 8 heures. 2/ Un procédé selon la revendication 1, permettant d'obtenir des fils conducteurs d'un diamètre sensiblement égal à 0,5 mm, caractérisé en ce que la durée minimale du traitement thermique final est comprise entre 1 heure à 3000 C et 4 heures à 250 C. 3/ Un procédé selon la revendication 1, permettant d'obtenir des fils conducteurs d'un diamètre sensiblement égal à 0,63 mm, et caractérisé en ce que le traitement thermique final s'effectue à une température comprise entre 250 et 2750 C, sa durée étant comprise entre 3 et 5 heures à 2500 C et 1 à 2 heures à 2750 C. 4/ Tout conducteur électrique obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2 ou 3. 5/ L'application du conducteur selon la revendication 4 à la réalisation de fils pour câbles de télécommunications.