Brevet FR2365864A1 — publié le 19780421

La présente invention. concerne un procédé de fabrication à partir d'un alliage d'aluminium des conducteurs électriques pouvant être utilisés comme conducteurs dans le domaine de la construction, du téléphone ou des télécommunications. On a largement utilisé le cuivre comme constituant métallique dans les conducteurs de construction et de télécommunications. Dans la fabrication de conducteurs de construction et de télécommunicatioas, on a, récemment, utilisé également des alliages d'aluminium, avec lesquels on a fabriqué un fil ou câble (brièvement ci-après "fils'), supérieur au cuivre en ce qui concerne la masse volumique et le prix de revient, mais présentant en même temps la plupart de ses propriétés conductrices. Cette diminution du poids volumique est très souhaitable, aussi bien à cause des grandes distances sur lesquelles on utilise les fils de communication qu'à cause du grand nombre de fils qui sont nécessaires dans les dispositifs de conducteurs de construction et également de télécommunications, en particulier dans les grands bâtiments.La diminution de la masse volumique de tels dispositifs est également souhaitable à cause des problèmes de transport et de manutention des fils lourds. L'aluminium pur et les alliages d'aluminium, transformés en fil, proposés jusqu'ici, présentaient cependant des inconvénients, qui avaient tendance à limiter l'intérêt de ltutilisation de tels fils pour la construction ou les télécommunications. Ces inconvénients comprenaient une plus faible conductîvité que celle du cuivre pur, des difficultés de fabrication, une faible résistance mécanique, et la tendance du conducteur d'aluminium pur à présenter une relaxation de contrainte dans des dispositifs de raccordement de nature différente.Ce dernier inconvénient constitue peut être la raison majeure pour laquelle on hésitait à utiliser des alliages d'aluminium et de l'aluminium pur pour des dispositifs de construction ou de télécommunications. On sait que la relaxation de contrainte d'un fil permet la diminution du niveau de contrainte en fonction du temps par rapport à la valeur initiale dans l'installation. Dans des conditions normales cycliques de travail, cette propriété indésirable tend à produire une augmentation de la résistance de contact aux raccordements et à causer ainsi des conditions de travail potentiellement incertaines. C'est pourquoi il est souhaitable que la capacité de résistance d'un conducteur en alliage d'aluminium vis-à-vis de ce phénomène de relaxation de tension soit très élevée, aussi bien sous charge par contrainte que sous charge par pression, car la stabilité de tout le dispositif de construction ou de télécommunications dépend d'une forte conductivité continue et de bonnes conditions de marche continue. Afin entre capables de soutenir la concurrence, les fils en alliage d'aluminium doivent présenter une bonne résistance mécanique et une grande ductilité. Le conducteur en alliage d'aluminium doit par exemple être en mesure de satisfaire aux exigences minimales de l'industrie des télécommunications, telles qu'une limite d'élasticé de 98 N/mm, une résistance à la rupture par traction de 134 N/mm, un alongement d'au moins 2,5 %, une flexibilité d'au moins 15 fois à 1800 et une conductivité minimale IACS (International Association of Classification Societies) de 60 %. Les conducteurs en alliage d'aluminium pavent de plus présenter un module de rupture minimal dans les essais de charge classiques avec un échantillon de 136 kg.Ces exigences pour un fil d'alliage d'aluminium sont importantes pour garantir un fil de télécommunications que l'on puisse préalablement torsader par paire, transformer ensuite en tresse pour obtenir un toron de télécommunications multiple, isoler par le procédé d'extrusion, et enfin enrouler et dérouler, pendant l'installation, sans rompre un seul conducteur. Un conducteur en alliage d'aluminium, satisfaisant aux exigences ci-dessus, est une solution de recharge économique par rapport au conducteur de.cuivre. Il constitue un matériau qui peut presenter un très bas taux de rupture pendant l'6tirage et, par conséquent, une production totale importante.Le volume total de production est directement fonction de la vitesse d'étirage, et c'est pourquoi l'absence de rupture est particulièrement importante, car on peut avoir besoin de jusqu'à une heure pour remettre la machine en marche après la rupture d'un fil, ce qui diminue la capacité de production. Pour prévoir un matériau qui soit capable d'assurer une vitesse d'étirage élevée, il est en outre important de maintenir la fréquence de rupture du fil à un faible niveau. Le fil doit également pre- senter une ductilité suffisamment grande pour permettre une installation exterieure sans rupture de fil. Le principal matériau conducteur à base d'aluminium, utilisé pour les conducteurs de construction et de télécommunications, est l'alliage 1350 de l"'Aluminum Association " (kA), qui est mieux connu sous le nom d'aluminium-EC. Ce matériau, qui contient au moins 99,5 % en poids d'aluminium pur, ne satisfait pas à toutes les exigences décrites ci-dessus. Tandis que cet alliage AA 1350 garantit une conductivité électrique d'au moins 61 Z IACS, on n'atteint en général la valeur d'allongement souhaitée que lorsque la limite d'élasticité est inférieure à la limite exigée. On a cherché à utiliser d'autres alliages d'aluminium à la place de l'alliage AA 1350, mais ceux-ci n'atteignaient pas en général les valeurs élevées exigées pour la conductivité électrique. Ainsi par exemple les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 3.711.339 et 3.763.686 décrivent un alliage d'aluminium qui contient 0,1-1,0% en poids de cuivre, 0,04-1,0 % en poids de fer, 0,02-0,2 % en poids de silicium, 0,001-0,2 % en poids de bore, complétés pour l'essentiel par de l'aluminium. Les fabricants industriels de conducteurs de télécommu nicatioz sont contraints d'utiliser pour l'aluminium et ses alliages d'autres procédés d'étiragedu fil que pour le cuivre et ses alliages. Le procédé d'étirage pour l'aluminium et ses alliages comprend en général les trois étapes suivantes : étirage - recuit - deuxième étirage. Le dernier procédé pour le cuivre et ses alliages comprend en général les deux étapes suivantes : étirage - recuit total ou en partie. Ce procédé est évidemment une manière plus économique de préparer des conducteurs de télécommunications,en particulier parce qu'on élimine une étape du procédé (deuxième operation d'étirage) et les problèmes concernant la synchronisation du procédé, inhérentsà un procédé en trois étapes (étirage, recuit~et nouvel étirage). La plupart des fabricants de conducteurs de telécommuni- cationsont par exemple mis au point des spécifications de matériau, auxquelles doivent satisfaire les alliages proposés, pour être utilisés comme conducteurs de télecommunications.Ces spécifications sont en général utilisables pour un fil dit réétiré (redraw rod), lequel est en général un fil métallique coulé en brin et enroulé, qu'on traite par un procédé ultérieur d'étirage. On fournit en général ce fil réétiré avec un diamètre de 9,5-12,7 mm. La technologie actuelle dispose que ce fil doit être traité (recuit) et présenter une résistance à la rupture par traction comprise entre 12,0 et 15,5 kg/mm2, une limite élastique (0 > 2 %) comprise entre 7,7 et Il 11,3 kg/mm2 et un allongement a la rupture d'au moins 12 % pour un échantillon de 250 mm. On doit pouvoir étirer les alliages utilisés dans le procédé d'étirage pour la préparation de conducteurs de télécommunications,au plus petit diamètre possible, afin de pouvoir obtenir des conducteurs de diamètres variés. Par conséquent, la présente invention concerne un procédé amélioré de fabrication de conducteur électrique en alliage d'aluminium, dans lequel il n'est pas nécessaire d'étirer à nouveau après l'étirage initial et le recuit du conducteur, ledit conducteur répondant aux spécifications d'un conducteur de télécommunication et présentant une bonne résistance mécanique, une conductibité électrique élevée, une déformabilité et une usinabilité excellentes et une remarquable opposition a la relaxation de contrainte ainsi qu'une grande productivité combinée à un colt raisonnable. Conformément a l'invention, on a résolu le problème en (a) coulant un alliage d'aluminium, avec 0,1-1,0 Z en poids de cuivre, 0,04-1,0 Z en poids de fer, 0,02-0,2 Z en poids de silicium et 0,001-0,2 Z en poids de bore en forme de billettes ou de barres, (b) en transformant ces barres ou ces billettes en fil réétiré, à une température comprise entre 370 et 5100 C, (c) en amenant ce fil réétiré à un diamètre compris entre 0,05 et 12,7 mm, par formage à froid, et (d) en recuisant le fil façonné à froid pendant une durée et à une température telles qu'on obtienne un conducteur présentant une conductivité électrique d'au moins 60 Z TACS ainsi que la combinaison d'une résistance mécanique élevée, d'une ductilité excellente,et de bonnes propriétés de jonction. L'alliage d'aluminium considéré peut être préparé et coulé de façon classique. Avant de continuer le traitement, on fait de préférence passer le métal liquide à travers au moins un milieu filtrant, pour éliminer toutes les particules indésirables qui y sont contenues, et qui peuvent influencer la résistance mécanique ou la conductivité électrique finales du conducteur préparé à partir du métal. Afin d'améliorer la résistance mécanique et la stabilité thermique du conducteur préparé a partir de l'alliage utilisé selon l'invention, on peut ajouter au moins un autre élément à l'alliage, par exemple du magnésium, du zirconium, du manganèse et/ou du chrome. I1 faut choisir et ajouter ces éléments avec soin car ils peuvent influer défavorablement sur la conductivité électrique et la ductilité du fil, lorsqu'ils sont ajoutés l'alliage en très grandes quantités. On peut en outre ajouter à l'alliage du titane, afin que le matériau fondu présente une granulométrie fine. En ajoutant simultanément du bore, on peut introduire le titane dans l'alliage en quantités plus faibles que celles qui sont nécessaires pour la formation stoechiométrique de TiB dans l'alliage. On peut également 2 avoir dans l'alliage des impuretés classiques, provenant de la structure de base de l'aluminium, mais seulement en quantités si petites qu'elles n'influent pas de façon importante sur la conductivité électrique d'un quelconque des fils, préparé a partir de l'alliage. I1 faut observer comme valeurs maximales recommandées pour ces éléments Titane au plus 0,5 %, ou, en présence de bore, une quantité plus faible que celle nécessaire pour la formation stoechiométrique de TiB2, Magnésium 0,3 Z au plus, mais de préférence 0,15 Z au plus, Chrome 0,2 % au plus, mais de préférence 0,05 % au plus, Manganèse 0,1 Z au plus, mais de préférence 0,01 Z au plus, Zirconium 0,25 % au plus, mais de préférence 0,15 Z au plus. On homogénéise les barres, les billettes ou les tiges, préparées selon le procédé de coulée, pendant au moins 8 heures a une température de 477-5210C. On lamine les barres a chaud, avec une température de départ suffisamment élevée, de préférence d'environ 482cC. On effectue principalement le laminage à température élevée, afin de garder une conductivité électrique élevée du conducteur. Lorsqu'on effectue le laminage avec une température de départ de par exemple 482"C, on ne chauffe pas à nouveau. On prépare un fil réétiré, de diamètre 9,5-12,7 mm. Ce fil réétiré doit remplir les conditions industrielles minimales mentionnées ci-dessus. On fait passer le fil réétiré à travers une série de matrices afin d'obtenir des conducteurs de diamètre différent, qui sont appropriés, pour chaque diamètre de fil, au but d'utilisations souhaitées. On utilise une série de matrices d'étirage, suffisamment grande pour fabriquer chaque diamètre de fil souhaité, jusqu'au plus fin, qui puisse etre fabriqué. Selon le but d'utilisation souhaité du fil étiré, on doit pouvoir fabriquer celui-ci avec un diamètre compris entre 0,05 et 12,7 mm. On recuit le fil façonné a froid de préférence par recuit par résistance. Pour des durées de recuit prolongées, par exemple 5 heures, entre 232 et 3430C, on peut également recuire le fil, à 11 état bobiné dans un four, de préférence en atmosphère de gaz inerte. On peut ensuite amener le fil conducteur étiré et recuit vers des ateliers divers, dans lesquels on torsade, on presse et/on on enduit les fils et où l'on peut bobiner le produit sur des tambours pour un usage ultérieur. Le procédé selon l'invention permet d'éviter un abaissement de la ductilité du produit, comme c'est généralement le cas, malgré une résistance mécanique et une conductivité électrique accrues du fil. Le fil produit selon l'invention possède une composition chimique d'alliage reproductible, à faible taux de durcissement à froid et on peut contrôler la limite élastique du fil fini, sans deuxième étirage après le recuit. On peut ainsi utiliser, dans un procédé d'étirage, qui était jusqu'ici réservé au cuivre et aux alliages de cuivre, un alliage d'aluminium pour la fabrication d'un fil. On peut en outre, gråce au procédé selon l'invention, réduire au minimum les quantités de gaz inertes coflteux, nécessaires pour un procédé en trois étapes (étirage - recuit - deuxième étirage). L'exemple suivant illustre l'invention sans en limiter la portée. EXEMPLE On coule, à environ 675-7050C, un alliage d'aluminium avec une teneur en bore limitée à 0,007 Z et éventuellement une teneur en silicium de 0,063 % maintenue faible, que l'on désignera par la suite par S. A partir de l'alliage fondu, on prépare une barre de dimensions environ 51 x 51 x 180 mm. On lamine ensuite cette barre å chaud, sans recuit intermédiaire, avec une température de départ de 4820C, pour obtenir un fil réétiré de 9,5 mm de diamètre. On amène ensuite ce fil retiré à un diamètre final de 0,51 mm, par façonnage à froid. On soumet finalement le fil à un recuit par résistance, pendant 0,3 s, en utilisant un courant de recuit de 320 A et une vitesse de défilement de 17,8 m/s. On compare ce fil avec de nombreux autres fils du commerce, tels qu'on les utilise dans l'industrie des fils de télécommunications: - l'alliage AA 1350 (EC) - un alliage avec 0,6 % en poids de fer et 0,075 % en poids de magnésium (A) - un alliage avec 0,7 % en poids de fer et 0,2 % en poids de magnésium (B) - un alliage d'aluminium avec 0,8 % en poids de fer et 0,15 % en poids de magnésium (C) - un alliage d'aluminium avec 0,2 % de fer, 0,1 % de magnésium et 0,4 % de cuivre (D) - un alliage d'aluminium avec 0,3 Z en poids de fer et 0,35 7. en poids de magnésium (E) - un alliage d'aluminium avec 0,8 % en poids de fer et 0,2 % en poids de magnésium (F). On a mesuré les limites élastiques, les résistances a la rupture par traction, les élongations en pourcent d'échantillons de 250 mm, la conductivité électrique et le nombre de flexions possible à 1800 de ces alliages. La comparaison des propriétés se trouve dans le tableau ci-après. Comme on peut le voir dans le tableau ci-après, seul l'alliage de fil (A) du commerce est en mesure de satisfaire aux exigences minimales de l'industrie des télécommunications. Bien que ee fil présente une limite élastique, une résistance à la rupture par traction et une conductivité électrique plus élevées que celles du fil (S), préparé selon l'invention, il faut remarquer que le fil S possède une ductilité très supérieure à celle du fil A, ce qui est exprimé par le nombre de flexions à 1800. Le fil S possède également un allongement en pourcent très supérieur a celui du fil A. I1 est indispensable qu'un fil atteigne ou dépasse chacune des exigences minimales de l'industrie des télécommunications > indiquées la fin du tableau ci-après, pour qu'on lui attribue la mention "remplies". Ainsi, on attribue à un fil de résistance mécanique, d'allongement et de ductilité élevés la mention "non remplies", lorsque la valeur de sa conductivîté électrique est inférieure a 60 Z-TACS. L'aptitude d'un fil à résister aux efforts de flexion à 180 est très importante pour la détermination de l'usinabilité ultérieure de l'alliage de fil d'aluminium. Du fait que des fils, fabriqués a partir d'aluminium ou d'alliages d'aluminium, présentaient dans le passé des défaillances aux points de jonction, la faculté de tels fils de résister à une flexion 9 un dispositif de raccordement est d'une très grande importance. La nette supériorité du fil selon l'invention, qui peut être exprimée par le fait que l'aptitude à résister 9 une rupture par flexion est au moins cinq fois plus grande que pour tous les autres fils pour lesquels on a faites essais, montre l'utilité évidente du fil S pour les télécommunications. Pour déterminer la taille finale du conducteur, on mesure le diamètre de chaque fil avec unie vis micrométrique, en limitant la tolérance a 0,008 mm. On n'utilisera que le plus petit diamètre mesuré de chaque fil pour l'évaluation de la limite d'élasticité et de la résistance à la rupture par traction. On effectuera ces mesures de résistance en encastrant des échantillons de conducteur de 250 mm de long dans une machine, avec une vitesse de déplacement de la tête transversale de 5,1 mm/mn. A cause du faible diamètre du conducteur (0,51 mm), on n'utilisera pas d'appareil de mesure de 11 allongement pour l'estimation de la limite d'élasticité. On utilisera plutôt pour ltévaluatíon de la limite d'élasticité pour un allongement résiduel de 0,2 %, le rapport entre la vitesse de déplacement de la tette transversale de la machine et la vitesse de la bande d'enregistrement. On utilise en général ce procédé lorsqu'il n'est ni souhaitable ni facile d'utiliser un appareil de mesure pour l'allongement. Le fil d'alliage d'aluminium, préparé par le procédé selon l'invention, est très nettement supérieur au fil d'alliage AA 1350 et à de nombreux conducteurs en alliages d'aluminium, utilisés industriellement, en ce qui concerne les domaines importants de l'allongement et de l'aptitude à supporter de nombreux efforts de flexion, ces deux exigences étant très importantes pour des installations comportant des conducteurs de télécommunications. La valeur de sa conductivité-électrique est également plus grande que celle de presque tous les alliages conducteurs d'aluminium comparés et seulement un peu plus faible que celle de l'alliage AA 1350, occupant à ce sujet une position industrielle privilégiée. I1 est entendu que l'invention n'est pas limite aux modes de mise en oeuvre décrits ci-dessus à titre d'illustration et que l'homme de l'art peut y apporter diverses modifications et divers changements sans toutefois s'écarter du cadre et de l'esprit de l'invention. TABLEAU Comparaisondes propriétés physiques de fils de diamètre 0,51 mm Limite Résistance à Allongement pour Conductivité Nombre de Exigences de élastique la rupture des échantillons électrique flexions l'industrie Fil 0,2% par traction de 250 mm (%IACS) à 180 des télé (kg/mm) (kg/mm) (%) communications A 13,8 15,1 5,7 61,2 24 remplies B 14,5 16,5 4,8 59,8 25 non remplies C 21,7 22,8 1,0 59,3 5 non remplies D 19,1 20,5 1,4 59,4 7 non remplies E 15,8 17,5 1,9 59.1 12 non remplies F 19,5 21,1 1,3 58,6 8 non remplies EC 12,4 13,0 1,6 62,4 25 non remplies S 10,1 14,6 13,2 61,0 134 remplies exigences minimales de l'industrie des télécommunications ## 9,8 13,6 2,5 60,0 15 ## (valables pour des fils de diamètre 0,511 mm et plus) REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de conducteurs électriques à partir d'un alliage d'aluminium, caractérisé en ce que, (a) on coule en forme de barres ou de billettes un alliage d'aluminium avec 0 > 1-1,0 % en poids de cuivre, 0,04-1,0 % Z en poids de fer, 0,02-0,2 % en poids de silicium et 0,001-0,2 % en poids de bore, (b) on façonne les barres ou les billettes en fil réétiré à une température comprise entre 370 et 510"C, (c) on amène ce fil réétiré à un diamètre compris entre 0,05 et 12,7 mm, par façonnage à froid, et (d) on recuit le fil façonné à froid pendant une durée et à une température suffisantes pour former un conducteur, de conductivité électrique d'au moins 60 % IACS ainsi que pour combiner une résistance mécanique élevée, une ductilité remarquable et de bonnes propriétés de jonction. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajoute à l'alliage d'aluminium (a) une fraction petite mais efficace d'au moins un des éléments du groupe formé par le magnésium, le zirconium, le manganèse, le chrome et le titane. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on filtre l'alliage en même temps qu'on le coule (a). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on homogénéise l'alliage coulé en barres ou en billettes pendant au moins 8 heures à une température de 477-521 C 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce-qu'on effectue le façonnage en fils réétirés (b) à une température d'environ 4820C. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on forme, par le façonnage (b), un fil reétiré de diamètre 9,5-12,7 mm. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on recuit le fil façonné à froid par un recuit par résistance. 8. Conducteur électrique, caractérisé en ce qu'on le fabrique par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.