Brevet FR2568050A1 — publié le 19860124

Z568050 "Mise en oeuvre d'un cuivre électrolytique,exempt d'oxygène, desoxydé par du bore ou du lithium, pour des profilés creux et procédé de fabrication L'invention concerne des profilés creux à soumettre au pressage sur un outil en pont et devant présenter une conductibilité électrique d'au moins % IACS,(soit 95% de conductibilité IACS - standard international du cuivre recuit). La demande de puissances toujours plus élevées par unité de volume pour des machines électriques, fours à induction, bobines d'aimants et installations analogues rend nécessaire l'utilisa- tion de matériaux particuliers et de structures particulières de presque tous les éléments de cons- truction, notamment des éléments conducteurs de courant. En raison de la forte charge électrique des conducteurs, il se produit des échauffements d'un ordre de grandeur rendant nécessaire un refroidissement renforcé, afin de réduire les pertes, de maintenir faibles les irrégularités thermiques, et de maintenir dans des limites maitrisables les variations de longueur qui ont souvent une répercussion très désagréable. A partir d'une certaine intensie.le puissance le refroidissement indirect de tels éléments conducteurs ne suffit plus. Pour ces raisons, on est passé au refroidissement direct des conducteurs en cuivre, c'est-à-dire au refroidissement interne des conducteurs. A cet effet, on a développé des profilés creux d'une exécution particulière. Il se pose pour ces profilés creux une série d'exigences. Tout d'abord les profilés creux doivent être absolu- ment étanches, étant donné qu'ils sont refroidis usuellement dvec du gaz hydrogène ou un agent liquide, par exemple de l'eau. D'autre part, on exige une haute résistance mécanique, qui empêche le profilé creux de se déformer sous l'action de grandes forces centrifuges. Une haute conductibilité électrique doit emêcher un échauffement excessif des profilés des conducteurs. Dans "Prometall" 1962, pages 678 à 683, on trouve décrits des profilés creux du même type. Comme mode de fabrication le plus avantageux pour de tels profilés creux, une presse à filer à chaud par l'intermédiaire d'un outil en pont est décrite. Le cuivre chauffé est pressé tout autour du pont qui comporte un ou plusieurs bossages ou saillies formant le ou les canaux creux. Dans la zone de la matrice les deux courants de métal sont à nouveau réunis et se soudent là sous forte pression. Après le pressage les profilés creux sont amenés, dans un ou plusieurs trains, à la forme finale désirée: entre les divers trains l'on effectue éventuellement un recuit blanc. Comme matériau pour de tels conducteurs creux, il est proposé d'utiliser dans cet objectif du cuivre électrolytique, du cuivre exempt d'oxygène ou bien aussi un alliage cuivre-argent. Le cuivre le plus favorable économiquement, et qui présente en même temps la conductibilité thermique la plus élevée, est le cuivre électrolytique usuel dans l'industrie. Sa teneur en oxygène est de 0,02 à 0,04%. Cette haute teneur en oxygène peut entrainer l'atteintepar l'hydrogène,redoutée, ce qui est à considérer particulièrement lors de travaux de soudage et de brasage. Du cuivre exempt d'oxygène, c'est-à-dire du cuivre n'ayant pas d'oxygène lié à ce cuivre présente une teneur en oxygène 10 fois plus faible; il n'est pas sensible à l'hydrogène, a une température de ramollissement quelque peu supérieure, mais en général une conductibilité thermique moins élevée d'environ 1%. Des qualités de cuivre désoxydés exemptes d'oxygène avec haute conductibilité électrique sont normalisées dans le DIN 1708. Le teneur en cuivre s'élève à au moins 99,90%; l'agent de désoxydation - c'est d'habitude du phosphore - doit être présent dans l'ordre de grandeur de 0, 003%. Lors du traitement de ces sortes de cuivre au moyen d'outils en pont, il peut se produire des défectuosités dans la zone des courants de matériau à souder. Comme cause de ces défectuosités interviennent en premier lieu des enrichissements en oxygène dans la zone du cordon de soudure, o il se forme, lors de recuits intermédiaires ou de recuits finals en atmosphère contenant de l'hydrogène,,une structure affectée par l'hydrogène, qui peutentra ner une formation de fissures. L'oxygène arrive par exemple par l'intermédiaire des oxydes adhérent à la surface du bloc - oxydes qui se sont formés lors du chauffage ou de l'amenée du bloc dans la presse, notamment à la surface frontale - dans le joint de soudure. L'invention a pour but de trouver un matériau que l'on puisse soumettre à un pressage, sur un outil en pont, pour en former un profilé creux, sans qu'il se produise de défectuosités dans le cordon de soudure par pression causées par la traverse du pont. Le matériau doit, de plus, présenter une conduc- Z568050 tibilité électrique d'au moins 95% IACS (voir plus haut) et l'immunité à l'égard de l'hydrogène. L'invention consiste à cet effet à mettre en oeuvre un cuivre exempt d'oxygène, désoxydé par du bore ou du lithium. Il est essentiel pour l'invention que l'agent de désoxydation, bore ou lithium, soit présent dans le produit fini en une proportion de 0,01 à 0,05%. En dehors des avantages qui résultent direc- tement de cette condition de base, on a observé qu'il y avait une production de croûte d'oxyde notablement plus faible sur la surface du profilé pressé. De plus il ne se produisait sur l'outil en pont qu'un enrichissement en oxydes très fortement réduit. Cet enrichissement en oxydes est considéré comme étant la cause des cordons de soudure défec- tueux, lorsque ces oxydes, par exemple& passent de l'outil à la zone de soudure. Afin d'empêcher cela, l'outil en pont, devait être assez souvent changé ou nettoyé, ce qui peut être supprimé grâce à ltutilisation du nouveau matériau. D'autre part le profilé venu de pressage se distingue par une surface sensiblement plus lisse. On s'est rendu compte également que la structure dans la zone du cordon de soudure se présentait avec une granulation plus fine que dans le cas des matériaux utilisés jusqu'ici. Il y a particulièrement avantage à ce que la teneur en bore du produit fini soit de l'ordre de grandeur de 0,015 à 0,25%. L'invention peut être avantageusement mise en oeuvre pour des conducteurs refroidis intérieurement, avec une forte charge électrique. L'invention concerne d'autre part un procédé de fabrication d'un alliage correspondant à l'idée de base de l'invention, et qui est caractérisé en ce que l'on ajoute au bain de fusion de cuivre,l'agent de désoxydation immédiatement avant la coulée, sous la forme d'un pré-alliage contenant l'agent de dés- oxydation, de préférence dans la goulotte de coulée. Etant donné que les agents de désoxydation mentionnés, bore et lithiumi ont une très grande affinité pour l'oxygène, ils sont en état de réduire par exemple d'autres oxydes de métaux, par exemple des oxydes de métaux contenus dans le revUement réfractaire, ces métaux passant alors dans le bain de fusion et pouvant amoindrir la conductibilité de manière inacceptable. C'est ainsi qu'il est possible par exemple que le bord ou le lithium libère, par réduction, du silicium ou aussi du fer des masses réfractaires du creuset. Pour cette raison la durée de contact du bain de fusion, ou de l'agent de désoxydation, avec de tels revêtements de creuset doit être maintenue aussi faible que possible. Avec un avantage particulier,:en conséquence, on introduit le préalliage directement dans le jet de coulée. Comme agent de désoxydation, l'on utilise avantageusement un alliage de cuivre et bore dans lequel la proportion de bore se situe entre 1,5 et 5%. La proportion de bore est calculée de telle manière, que d'une part l'on n'a pas à ajouter au bain de fusion de grandes quantités en préalliage froid, et que d'autre part le préalliage, en ce qui concerne son poids spécifique, n'est pas sensiblement plus léger que le bain de fusion de cuivre, de sorte qu'il en résulte un mélange intime des deux composants, et que l'on peut introduire le pré-alliage dans le jet de coulée. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe schéma- tique d'un dispositif de pressage pour matériau mis en oeuvre conformément à l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un profilé creux obtenu conformément à l'invention. Sur la figure 1 l'on a représenté un dispositif de pressage qui comporte un récepteur de bloc ou réceptacle 1, dans lequel est introduit le bloc 2 en cuivre exempt d'oxygène. Au moyen d'un piston de compression 3, le bloc 2 est pressé contre la traverse en pont 4 et est divisé en deux tronçons partiels. La traverse 4 est pourvue par exemple de deux saillies en bossages 5 et 6, qui forment les canaux 7 et 8 dans le profilé pressé terminé 9. Les canaux 7 et 8 sont représentés sur la figure 1 par des tirets. Les dimenstions extérieures du profilé terminé 9 sont déterminées par la matrice 10c La traverse 4 et la matrice 10 s'appuient dans le porte- outil sur la plaque de pression 11. Etant donné que pour le soudage des deux tronçons il est nécessaire de mettre en oeuvre des pressions élevées - ces pressions sont produites par formage approprié du pont - et que le bloc 2 est chauffé à peu près à 900 C, aussi bien la traverse 4 que la matrice 10 doivent être fabriquées en matériau à haute résistance à chaud. La figure 2 montre une coupe d'un profilé 12 terminé, dans lequel sont ménagés deux canaux elliptiques 13 et 14. Le cordon de soudure par pression 15 est représenté par des tirets. Lors d'un essai, plusieursblocs d'essai ont été coulés dans une installation de coulée continue. Comme matériau de départ on a utilisé des cathodes de cuivre, et les a désoxydées avec un alliage de cuivre-bore à 2% de bore. Les blocs avaient un diamètre de 180 mm et une longueur de 300 à 400 mm. Ces blocs ont été chauffés à 900 C et soumis à un pressage dans un dispositif conforme à celui de la figure 1 pour former un profilé creux. Des épreuves de conductibilité effectuées sur le profilé pressé ont donné une conductibilité électrique de plus de 58 m/SImm2. La teneur en bore résiduel s'élevait à 0,02%. Le profilé pressé fabrique de cette manière à été réduit par étirage dans plusieurs trains à la dimension définitive souhaitée; entre les diverses opérations d'étirage les profilés ont été recuits à environ 500 C en atmosphère légère- ment réduite. Sur les profilés une fois étirés l'on a effectué les examens suivants: i1macro-corrosion! 2- essai à la flexion en l'état de libraison, 3- essai à la flexion après recuit en présence d'hydrogène (850 C/ heure). Lors de l'épreuve de corrosion, l'on n'a pu en aucun cas reconnaitre la position du joint de soudure. Ni l'essai à la flexion en l'état de livraison ni l'essai à la flexion après recuit n'ont entrainé de de défectuosité des profilés. L'invention peut s'appliquer avec le même avantage pour des profilés qui généralement, pour des raisons de forme de section transversale, ne peuvent être soumis à pressage que sur des outils en pont, c'est-à-dire comportent trois ou quatre alésages, ou présentent une répartition de masse non-uniforme. REVENDICATIONS 1. Mise en oeuvre d'un cuivre exempt d'oxygène, désoxydé par du bore ou du lithium, comme matériau pour des profilés creux à soumettre au pressage sur un outil en pont (4), caractérisé en ce que le bore ou le lithium soit présent dans le produit fini (9), en une proportion de 0,01 à 0,05% en poids et que la conductibilité électrique du cuivre dans le profilé creux fini (9) soit d'au moins 95% IACS, de préférence de plus de 100% IACS, 2. Mise en oeuvre selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bore est en proportion de 0,015 à 0,025% en poids dans le produit fini. 3.Mise en oeuvre selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, pour des conducteurs électri- ques refroidis intérieurement, par exemple pour des bobines de tranformateur, des bobines de four à induction, des bobines d'aimants et générateurs. 4- Procédé de fabrication pour l'utilisation d'un alliage selon l'une ou l'autre des revendications i et 2, caractérisé en ce que l'on ajoute au bain de fusion de cuivre l'agent de désoxydation immédiatement avant la coulée sous la forme d'un préalliage contenant l'agent de désoxydation, de préférence dans le chenal de coulée. - Procédé selon la revendication 4, carac- térisé en ce que 1' on désoxyde le bain de fusion de cuivre avec un alliage de cuivre et de bore en une proportion de 1,5 à 5% en poids. 6- Procédé selon l'une ou l'autre des reven- dications 4 et 5, caractérisé en ce que l'on introduit le préalliage dans le jet de coulée.