Brevet FR2411243A1 — publié le 19790706

La présente invention concerne la métallurgie et a notamment pour objet un alliage à base de cuivre. L'alliage suivant l'invention trouve des applications en électrotechnique, en électronique et dans la construction des appareils de mesure, ainsi que dans plusieurs branches des constructions mécaniques pour la fabrication de conducteurs thermostables, d'outils d'usinage par étincelage, d'électrodes de soudage, de lames de collecteurs, d'enroulements de transformateurs de puissance, d'éléments dgappareils électroniques. A l'heure actuelle on utilise largement, à titre de matériaux pour conducteurs, le cuivre et les alliages de cuivre faiblement alliés renforcés soit par écrouissage (déformation à froid), soit par trempe et vieillissement subséquent. Parmi les alliages de cuivre de ce genre présente tant une conductibilité électrique suffisamment élevée, supérieure à 70 à 80 % de la conductibilité électrique du cuivre, on utilise d'une façon courante, notamment, les cupro argents, les cupro-cadmiums ou les cupro magnésiums renforcés par écrouissage, les cupromchromes, cupro-zirco- niums, ou les cupro-chrome-zirconiums renforcés par vieilplissement Tout en présentant une conductibilité électrique suffisamment élevée, dépassant 70 à 80 % de celle du cuivre, les alliages précités, tout comme le cuivre pur, ont une résistance mécanique relativement basse, surtout aux températures élevées. La résistance mécanique du cuivre et desdits alliages à la température ambiante diminue elle aussi considérablement quand on les soumet à un recuit préalable, celuici étant, dans certains cas, une opération indispensable à la fabrication des produits. C'est ainsi que la résistance mécanique améliorée du cuivre et des alliages précités, caractérisée par la charge de rupture à la traction (rut), est de 40 à 50/mm2. Après un recuit à une température de 600 à 10000C la charge de rupture (Rt) tombe jusqu'à 20 à 30 kg/mm20 Aux températures d'essai supérieures, par exemple jusqu'à 600 et 10000C, la charge de rupture Rt baisse respectivement jusqu'à 5-25 et 1-2 kg/mm2. La perte de résistance mécanique accompagnant l'élévation de la température du cuivre et de ses alliages précités s' explique par la faible thermostabilité de leur structure. Le chauffage du cuivre et de ses alliages mnforcés par écrouissage entrain des phénomènes intenses de retour à la recristallisation et, par conséquent, la suppression du renforcement de la résistance mécanique. Lorsqu'on chauffe des alliages capables de vieillissement, les particules finement divisées (dispersées), sous forme de métaux purs, de solutions solides ou de composés intermétalliques, donnent lieu à une augmentation de grain intense ou se dissolvent dans la matrice de cuivre et, de même, cessent d'améliorer la résistance mécanique de l'alliage. On connaît aussi un alliage à base de cuivre contenant 0,1 à 1 % en poids d'aluminium et renforcé par oxydation interne. Ledit alliage est destiné à autre utilisé comme matériau résistant à chaud pour conducteurs électriques. Les mesures de dureté qui ont été effectuées montrent que, tout en présentant une bonne conductibilité électrique (supérieure à 85 % de la conductibilité électrique du cuivre) la perte de résistance mécanique dudit alliage sous l'effet du recuit est beaucoup moins élevée que celle du cuivre ou des al liages > autrement dit ses caractéristiques mécaniques varient peu si on le soumet au recuit à des températures allant jusqu'à 10000C. C'est ainsi qu'après recuit à des températures de 600 à 10000C la dureté de l'alliage est plus de trois fois plus élevée que celle du cuivre recuit. Toutefois, l'alliage contenant de l'aluminium présente, à la température ambiante et à des températures élevées, une résistance mécanique relativement basse :sa charge de rupture à la traction à la température ambiante est comprise entre 45 et 47 kg/mm, à la température de 600 C, entre 15 et 17 kg/mm et à la température de 950 C, environ 5 kg/mm. Le but de la présente invention est de supprimer les inconvénients précités. On s'est donc proposé, en introduisant des éléments d'addition appropriés, de créer un alliage à base de cuivre associant une haute conductibilité électrique, supérieure à 75 46 de la conductibilité électrique du cuivre, à une plus haute résistance mécanique à la température ambiante, et capable de retenir cette haute résistance mécanique sous un effet thermique aussi bien de courte durée que prolongé. La solution à ce problème susdit consiste an ce que l'alliage à base de cuivre contenant de l'aluminium contient aussi, suivant l'invention, du hafnium, les teneurs en constituants dudit alliage étant les suivantes (% en poids) aluminium 0,01 à 1 hafnium 0,005 à 1 cuivre le complément à 100. L'introduction du hafnium dans l'alliage permet d'augmenter sa charge de rupture à la traction, notamment à la température ambiante, jusqu'à une valeur de 48 à 70 kg/mm suivant le genre du semi-produit à obtenir. Le niveau de résistance mécanique indiqué satisfait aux conditions imposées aux conducteurs thermostables, aux éléments électroniques, aux électrodes de soudage. Cependant, dans certains cas où une résistance encore plus élevée est requise, on recommande d'utiliser pour la fabrication desdits produits, un alliage contenant aussi du titane à raison de 0,01 à 1 5' en poids. L'introduction de titane au sein de l'alliage élève sa charge de rupture à la traction (à la température ambiante) jusqu'à 48-85 kg/mm. Pour la fabrication de conducteurs fins, notamment de fils de moins de 0,2 mm de diamètre et de rubans de moins de 0,1 mm d'epaisseur, on recommande des alliages répondant à la composition suivante (% en poids) aluminium 0,01 à 0,1 hafnium 0,005 à 0,01 cuivre le complément à 100 ou bien aluminium 0,01 à 0,1 hafnium 0,005 à 0,01 titane 0,01 à 0,05 cuivre le complément à 100. Les alliages précités sont caractérisés par leur mise en oeuvre facile et par leur aptitude à l'usinage svus pression allant de pair avec une bonne résistance mécanique (charge de rupture à la traction de 48 à 55 kg/mm2) et une conductibilité électrique supérieure à 90 % de celle du cuivre. Pour la fabrication de fils d'un diamètre au mpins égal à 0,2 mm, de rubans d'une épaisseur au moins égales à-0,1 mm, ainsi que de barres, de tubes et d'autres semi-produits, il est avantageux d'utiliser des alliages répondant à la composition suivante (% en poids) aluminium 0,1 à 0,5 hafnium 0,01 à 0,5 cuivre le complément à 100 ou bien aluminium 0,1 à 0,5 hafnium 0,01 à 0,5 titane 0,05 à 0,5 cuivre le complément à 100. Les alliages précités se distinguent en ce qu'ils associent une mielleure résistance mécanique (charge de rupture à la traction de 50 à 80 kg/mm) et une mise en oeuvre facile. Pour la fabrication de produits sous forme de ronds ou de profilés de section suffisamment élevée, on recommande de mettre en oeuvre des alliages ayant la composition suivante (% en poids) aluminium 0,5 à 1 hafnium 0,5 à 1 cuivre le complément à 100 ou bien aluminium 0,5 à 1 hafnium 0,5 à 1 titane 0,5 à 1 cuivre le complément à 100. Ces alliages sont caractérisés par la résistance mécanique la plus élevée (leur charge de rupture à la traction Rt est de 60 à 85 kg/mm) et une dureté maximale, et ils sont destinés à la fabrication d'électrodes de soudage, de lames de collecteurs d'outils d'usinage par étincelage. Le procédé de préparation de l'alliage à base de cuivre faisant l'objet de l'invention consiste en ce qui suit. On allie le cuivre à l'aluminium et au hafnium, ou à l'aluminium, au hafnium et au titane, pris soit à l'état pur, soit sous forme d'alliages-mères, dans un four à vide ou dans un four ouvert, suivant un procédé ordinaire. Au cas où l'on prépare l'alliage dans un four ouvert, on procède à la fusion sous une couche de charbon de bois. Au début on porte le cuivre pur à une température de 1150 à 1200 OC. On maintient le bain de fusion à cette température pendant 5 à 10 minutes, ensuite on introduit dans le bain de fusion les additifs dans les proportions suivantes ( % en poids) aluminium 0,01 à 1 hafnium 0,005 à 1 titane 0,01 à 1. Après brassage avec une tige de graphite, on coule le bain de fusion dans des lingotières en fonte ou en graphite. Au cours de la préparation des semi-produits on soumet l'alliage obtenu à un traitement thermique et à un travail sous pression. Le tableau 1 ci-après résume les caractéristiques des alliages à base de cuivre connus et de l'alliage à base de cuivre suivant l'invention, contenant 0,2 S en poids d'alumi- nium, 0,05 % en poids de titane et 0,01 56 en poids de hafnium. L'intervalle des valeurs (la fourchette) des caractéristiques indiqué dans le tableau pour chacune des compositions s'applique à devers semi-produits et à diverses conditions technologiques de préparation de l'alliage. Ces données montrent que l'alliage suivant l'invention, tout en ne le cédant en rien du point de vue de la conductibilité électrique, est supérieur aux alliages connus en ce qui concerne la résistance mécanique, et ce, dans un large intervalle de température. Une autre propriété particulière à l'alliage de 1'inven- tion est sa haute tenue à la perte de résistance mécanique sous l'effet d'un chauffage de courte ou de longue durée à des températures allant jusqu'à I 0500C. Tableau 1 Conductibilité élec Charge de rupture à la traction, R5 kg/mm Composition ohimique trique (en % de la de l'alliage ( % conductibilité élec- à 20 C à 600 C à 800 C à 950 C à 20 C après recuit pendant en poids) trique du cuivre) 1 heure à 1050 C 1. Cuivre 100 40 5 1-2 1-1,5 20 2. Cupro-argent Cu+0,08+0,12 Ag 98 45 6 - # 20 3. Cupro-cadmium Cu+0,9+1,2 Cd 80 50-60 6-8 - 20-22 4. Cupro-chrome Cu+0,8Cr 80+85 45-55 15-20 - 23-25 5. Alliage Cu+0,27 Al 88 47,6 15,1 9,8 4,5 6. Alliage Cu+0,2 Al+0,05 Ti +0,01 Hf 87-91 50-80 21-35 10-26 6-20 48-53 En modifiant la composition chimique de l'alliage dans les limites indiquées ainsi que les régimes de travail, y compris la déformation et le recuit, il est possible d'obtenir diverses combinaisons de résistance, de plasticité et de conductibilité électrique qui peuvent satisfaire aux impératifs imposés à des produits de genres variés.C'est ainsi que la charge de rupture à la traction Rt à la température ambiante est comprise entre 48 et 85 kg/mm2 et que la conductibilité électrique varie entre 75 et 97 56 de la conductibilité électrique du cuivre. Après recuit à des températures de 600 à 10500C l'alliage conserve une charge de rupture à la traction Rt au niveau de 35 à 65 kg/mm2. Les valeurs, après déformation à chaud ou recuit, de l'allongement relatif de l'alliage, qui caractérise sa plasticité, sont comprises entre 3-5 et 40 %, suivant la composition chimique. Lorsque les teneurs en éléments d'alliage sont les suivantes (% en poids) aluminium 0,01 à 0,1 hafnium 0,005 à 0,01 titane 0,01 à 0,05 l'alliage se prote facilement au travail et présente une haute conductibilité électrique, supérieure à 90-95 5' de celle du cuivre. Par ailleurs, la résistance mécanique de l'alliage, surtout aux températures supérieures à 300-5000C, ainsi qu'à la température ambiante, mais après recuit, est supérieure à la résistance mécanique des alliages connus ayant une conductibilité électrique aussi élevée. L'augmentation des teneurs en éléments d'alliage conduit à une élévation de la résistance mécanique de pair avec une certaine baisse de la plasticité et de la conductibilité électrique. Toutefois, quelle que soit la combinaison choisie des caractéristiques précitées l'alliage suivant l'invention est supérieur en résistance mécanique aux alliages connus présentant la même conductibilité électrique. Des teneurs en éléments d'alliage inférieurs aux limites indiquées ne permet pas d'obtenir une résistance mécanique suffisante, aussi bien à l'état initial qu'après recuit. Des teneurs en chacun des éléments d'alliage supérieures à 1% en poids entraînent une baisse inadmissible de la conductibilité électrique ainsi que de l'aptitude au travail. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description, qui va suivre, de plusieurs exemples de réalisation concrets mais non limitatifs. Exemple 1. On prépare un alliage à base de cuivre contenant 0,2% en poids d'aluminium, 0,05% en poids de titane et 0,01% en poids de hafnium, en alliant le cuivre aux alliages-mères ou préalliages suivants : Cu + 50% en poids de Al ; Cu + 20% en poids de Ti ; Cu + 20% en poids de Hf, dans un four à vide. A cet effet on porte le cuivre à 11500C. On maintient le bain de fusion à cette température pendant 10 minutes et ensuite on introduit dans le bain de fusion lesdits alliages-mères. Après malaxage du bain de fusion avec une tige de graphite pendant 1 minute, on le coule dans une lingotière en fonte. Ensuite on prépare à partir du lingot obtenu des semi-produits sous forme d'un rond de 15 mm de diamètre, d'un fil de 2 à 0,2 mm de diamètre et d'un ruban de 0,15 mm d'épaisseur. Les caractéristiques des semi-produits obtenus sont résumes dans les tableaux de 2 à 5. Dans le tableau 2 la fourchette des caractéristiques correspnnd à des fils de 2 à 0,2 mm de diamètre. Tableau 2 Caractéristiques d'un fil à la température ambiante. Etat Charge de rupture Limit Allonge- Résisti- Conductibilité à la traction d'écoulement ment rela- vité # éleotrique en (% de la conduc Rt kg/mm E 0,2 kg/mm tif A, % ohm.mm/m tibilité élec trique du ouivre). Après déformation à froid par tréfilage 67 à 80 68 à 77 1 à 5 0,0199 87 reouit à 500 C, 1 heure 65 à 70 60 à 63 3 à 9 0,0197 87,5 recuit à 700 C, 1 heure 60 à 66 58 à 62 4 à 10 0,0197 87,5 recuit à 900 C, 1 heure 55 à 61 52 à 62 6 à 12 0,0197 87,5 recuit à 1050 C, 1 heure 53 à 57 48 à 53 7 à 12 0,0196 88 Tableau 3 Caractéristiques d'un ruban de 0,15 mm d'épaisseur à la température ambiante. Etat Charge de Limite Allongement Résistivité Conductibilité électrique, rupture à d'écoule- relatif, # (en % de la conductibi la traction ment ohm.mm/m lité du cuivre) Rt , kg/mm- E0,2 A, % kg/mm Après laminage à froide 65 64 5 0,0202 87 reouit à 500 C, 1 heure 55 54 9 0,0200 87 recuit à 1050 C, 1 heure 50 47 13 0,0200 88 Tableau 4 Caractéristiques d'un rond à la température ambiante. Etat Charge de Limite Allongement Résistivité Conductibilité électrique, rupture à d'écoule- relatif A, % # , (en % de la conductibilité la traction ment ohm.mm/m électrique du cuivre). Rt , kg/mm E0,2 kg/mm Après extrusion à chaud recuit à 50 44 15 0,0192 90 1050 C, 49 43 20 0,0192 91 1 heure Tableau 5 Charge de rupture à la traction Rt (kg/mm2) d'un fil de 2 mm de diamètre et d'un rond de 15 mm de diamètre aux températures élevées. Température d'essais, C 20 200 400 600 800 900 Fil 67 56 44 35 26 21 Rond 50 42 32 20 10 7 Exemple 2 On prépare un alliage à base de cuivre contenant 0,055' en poids d'aluminium, 0,015'-en poids de titane et 0,005 /0 en poids de hafnium de la même façon que dans l'exemple 1. On prépare à partir de l'alliage obtenu un fil de moins de 0,2 mn de diamètre et un ruban de moins de 0,1 mm d'épaisseur. La charge de rupture à la traction, à la température ambiante, du fil de 0,12 mm de diamètre et du ruban de 0,08 mm dwépaisseur est de 55 kg/mm2 , après recuit de ces semi-produits à la température de 1050 C, la charge de rupture à la traction reste au niveau de 35 kg/mm2. La conductibilité électrique de l'alliage est de 94 à 97% de la conductibilité électrique du cuivre. L'allongement-relatif à l'état déformé à chaud ou à l'état recuit (doux) atteint 20 à 30%. Exemple 3 On prépare un alliage à base de cuivre contenant 0,25' en poids d'aluminium et 0,2% en poids de hafnium, de la même façon que dans l'exemple 1. L'alliage obtenu a une conductibilité électrique de 86 à 88% de la conductibilité électrique du cuivre. La charge de rupture à la traction à la température ambiante d'un rond de 15 mm de diamètre fabriqué à partir de l'alliage obtenu est de 49 kgf/mm2 , celle d'un fil de 0,5 mm de diamètre est de 60 kgf/mm, celle d'un ruban de 0,15 mm d'épaisseur est de 57 kgf/mm. La charge de rupture à la traction de ces semi-produits après recuit à 10500C reste au niveau de 49 à 50 kgf/mm2. L'allongement relatif à l'état déformé à chaud ou à l'état recuit atteint 10 à 20%. Exemple 4 On prépare un alliage à base de cuivre contenant 0,5% en poids d'aluminium, 0,i96 en poids de titane et 0,1% en poids de hafnium de la même façon que dans l'exemple 1. Un rond de 15 mm de diamètre, fabriqué à partir de l'alliage obtenu, a une charge de rupture à la traction, à la température ambiante, de 55 kgf/mm2, un fil de 0,5 mm de diamètrede 80 kgf/mm2, un ruban de 0,15 mm d'épaisseur - de 67 kgfjn2 après recuit de ces semi-produits à 10500C la charge de rupture à la traction reste au niveau de 55 à 60 kgf/mm2. La conductibilité électrique de l'alliage obtenu est de 83 à 85% de la conductibilité électrique du cuivre. Exemple 5 On prépare un alliage à base de cuivre contenant 1% en poids d'aluminum, 1% en poids de titane, 1% en poids de hafnium, de la même façon que dans l'exemple 1. Un rond de 5 mm de diamètre, fabriqué à partir de l'alliage obtenu, a une charge de rupture à la traction, à la température ambiante, de 80 kgf/mm2, un ruban de 2 mm d'épaisseur a une charge de rupture à la traction de 85 kgf/mm2. Après recuit de ces semi-produits à 10500C, la charge de rupture à la traction reste au niveau de 60 à 65 kgf/mm2. La conductibilité électrique de l'alliage est de 75 à 77% de la conductibilité électrique du cuivre. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S 1. Alliage à base de cuivre contenant de l'aluminium, caractérisé en ce qu'il contient en outre du hafnium, les teneurs des constituants dudit alliage étant les suivantes (% en poids) aluminium 0,01 à 1 hafnium 0,005 à 1 cuivre le complément à 100. 2. Alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se compose des constituants suivants (5,0 en poids): aluminium 0,01 à 0,1 hafnium 0,005 à 0,01 cuivre le complément à 100. 3. Alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se compose des constituants suivants (5' en poids): aluminium 0,1 à 0,5 hafnium 0,01 à 0,5 cuivre le complément à 100. 4. Alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se compose des constituants suivants (5' en poids): aluminium 0,5 à 1 hafnium 0,5 à I -cuivre le complément à 100. 5. Alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient en outre du titane à raison de 0,01 à 1% en poids. 6. Alliage suivant la revendication 5s caractérisé en ce qu'il se compose des constituants suivants (% en poids): aluminium 0,01 à 0,1 hafnium 0,005 à 0,01 titane 0,01 à 0,05 cuivre le complément à 100. 7. Alliage suivant la revendication 5, caractérisé en ce qui il se compose des constituants suivants (% en poids): aluminium 0,1 à 0,5 hafnium 0,01 à 0,5 titane 0,05 à 0,5 cuivre le complément à 100. 8. Alliage suivant la revendication 5, caractérisé en ce qutil se compose des constituants suivants (% en poids): aluminium 0,5 à 1 hafnium 0,5 à 1 titane 0,5 à 1 cuivre le complément à 100.