Brevet FR2855185A1 — publié le 20041126

Réf. UGI 02/006 Fil métallique en alliage Fe-Ni ayant une grande résistance mécanique et un faible coefficient de dilatation thermique, pour câbles haute tension, 5s et procédé de fabrication. La présente invention concerne un procédé de fabrication de fils métallique en alliage Fe-Ni ayant une grande résistance mécanique et un faible coefficient de dilatation thermique, plus particulièrement destinés à la fabrication de câbles électriques à haute tension. Les premiers câbles électriques à haute tension aériens ont tout d'abord été réalisés en acier revêtu d'un métal ou d'un alliage susceptible de transporter l'énergie électrique, tel que l'aluminium ou le zinc et leurs alliages, i l'âme en acier assurant la résistance mécanique de l'ensemble. Cependant, de tels câbles ne pouvaient transporter qu'une puissance électrique limitée, car au-delà de 70 C environ, la flèche obtenue dépassait le maximum admissible, en raison du trop fort coefficient de dilatation thermique de l'acier utilisé. Il a alors été proposé, dans EP 723 025 de remplacer l'âme en acier par un alliage de fer et de nickel (l'lnvar), renforcé par précipitation de différents carbures, qui présentait l'avantage d'avoir un coefficient de dilatation thermique inférieur à 5.10-6/ C entre 20 et 300 C. Cependant, le procédé de fabrication d'un tel alliage est compliqué et délicat à mettre en 25 oeuvre, car il impose notamment le contrôle du rapport surfacique de précipités aux joints de grains. _La p;3s-Krte in mont a..onc C', but.de -nt,r - 4 1SpOSicr u: procédé de fabrication de fils adaptés à la fabrication de câbles à haute tension, qui soit simple à mettre en oeuvre, contrairement aux procédés de 30 lI'art antérieur et qui permette d'obtenir un fil présentant une résistance mécanique supérieure à 900 MPa, et un coefficient de dilatation thermique inférieur ou égal à 6.10-6/ C, voire à 4,0.10-6/ C entre 20 et 240 C. A cet effet, un premier objet de la présente invention est constitué par un procédé de fabrication d'un fil métallique en alliage ayant une grande résistance mécanique et un faible coefficient de dilatation thermique, comprenant les étapes consistant à: - laminer à chaud un alliage comprenant, en % en poids: 38 L'invention peut également comprendre les variantes suivantes, prises 30 isolément ou en combinaison: - la teneur en carbone est inférieure ou égale à 0,10%, voire inférieure ou égale à 0,05%, - le laminage à chaud est effectué avec un taux de réduction tel que le fil obtenu a un diamètre inférieur ou égal à 11 mm, - la mise en forme par déformation plastique à froid est effectuée avec un taux de réduction compris entre 10 et 85%, le recuit est effectué en statique, à une température comprise entre 750 et 950 C, ou - le recuit est effectué au défilé, à une température comprise entre 950 et 11500C, - le procédé comprend un traitement de vieillissement effectué en 10 statique, à une température comprise entre 600 et 750 C, ou - le procédé comprend un traitement de vieillissement effectué au défilé, à une température comprise entre 700 et 950 C, - le procédé comprend un traitement de vieillissement, à l'issue du recuit du fil mis en forme, - le procédé comprend une opération de tréfilage, à la suite dudit traitement de vieillissement, ou - le procédé comprend, à l'issue du traitement de recuit, une opération de tréfilage suivie d'un traitement de vieillissement. Un second objet de l'invention est constitué par un fil métallique dont la composition comprend en % en poids: 38 Dans un mode de réalisation préféré, la taille moyenne de grains dans la direction transversale du fil est comprise entre 5 et 160 pm, de façon particulièrement préférée, comprise entre 10 et 80 pm, et de façon plus no particulièrement préférée, comprise entre 20 et 40 pm. Dans un autre mode de réalisation préféré, le coefficient de dilatation thermique de l'alliage entre 20 et 240 C est inférieur ou égal à 6.106/ C, de préférence inférieur ou égal à 4,0.10-6/ C. 15 Enfin, I'invention a pour troisième objet un câble électrique pour ligne à haute tension comprenant un fil métallique selon l'invention, ledit fil ayant été revêtu à l'aide d'un revêtement métallique susceptible de transporter de l'énergie électrique, tel que, de préférence de l'aluminium, du zinc ou du 20 cuivre, ou un de leurs alliages. On préfère les câbles présentant une résistance à la rupture supérieure ou égale à 900 MPa, voire supérieure ou égale à 1100 MPa, ou même supérieure ou égale à 1200 MPa. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise, mais non limitative, et illustrée par les exemples qui suivent. Pour fabriquer un fil tréfilé fin de diamètre inférieur ou égal à 2 mm, on utilise un fil machine de diamètre supérieur ou égal à 5 mm en alliage Fe-Ni, 30 qui comprend les éléments suivants: - du nickel à une teneur comprise entre 38 et 45%, éventuellement substitué par du cobalt et/ou du cuivre jusqu'à une hauteur de 10% pour le cobalt et de 5% pour le cuivre. Le respect de la fourchette de ces éléments permet classiquement d'obtenir un faible coefficient de dilatation thermique. - du titane et/ou de l'aluminium en une teneur cumulée de 0,5 à 5,5%. 5 L'un ou l'autre de ces éléments, combiné au nickel, permet d'obtenir la formation d'une phase durcissante de type y' de formule Ni3(Ti,AI), qui permet d'obtenir de bonnes caractéristiques de résistance mécanique. - du niobium et/ou du tantale et/ou du molybdène, et/ou du tungstène, et/ou du zirconium, et/ou de l'hafnium et/ou du vanadium, en une 10 teneur maximale cumulée de 6%. Ces éléments permettent de durcir la matrice de l'alliage, mais tendent à faire augmenter le coefficient de dilatation thermique, d'o la limitation de leur teneur. Il en va de même du chrome, qui joue en outre un rôle durcissant. - du carbone à une teneur maximale de 0,25%. Cet élément est utilisé en 15 tant que désoxydant, mais on en limite la teneur car il rend l'alliage fragile. C'est pourquoi on préfère limiter sa teneur à 0,1%, voire à 0, 05%. - du silicium et/ou du manganèse, utilisés à titre de désoxydants. On limite leur teneur à 1% en poids, car ils ont tendance à faire augmenter 20 le coefficient de dilatation thermique. Les autres éléments cités, tels que Mg, Ca, S, P et B, sont considérés comme des impuretés. Le fil selon l'invention peut être fabriqué par tout procédé adapté. A titre d'illustration, on va décrire un mode de fabrication possible, décrit à titre ilLo.il, maisnn,] io '?tJL. Avec l'acier qui vient d'être défini, on fabrique tout d'abord un fil machine de diamètre généralement inférieur ou égal à 11 mm, par une 30 opération classique de laminage à chaud. Le fil machine est ensuite décapé, puis mis en forme par déformation plastique à froid jusqu'à un diamètre généralement inférieur ou égal à 6 mm, en une ou plusieurs étapes de plusieurs passes chacune, avec ou sans traitement thermique intermédiaire. La mise en forme par déformation plastique à froid a pour but, notamment, de réduire la section et, éventuellement, de donner à la section du fil la forme souhaitée (rond, carré, 5 triangle, etc.). Cette déformation plastique peut être effectuée par tréfilage, par laminage ou par tout autre procédé de fabrication d'un fil par déformation plastique à froid. On préfère cependant mettre en forme par tréfilage. Avant le dernier tréfilage pour atteindre le diamètre final, qui est généralement inférieur ou égal à 3 mm, on fait subir un recuit 10 d'adoucissement au fil, afin de restaurer sa capacité de déformation après l'écrouissage subi. Ce recuit peut être effectué en statique, comme au défilé. Cette opération de tréfilage peut être réalisée en une ou plusieurs passes et reste optionnelle, le diamètre final du fil ayant pu être obtenu précédemment lors de la mise en forme à froid effectuée à la suite du 15 laminage à chaud. Pour obtenir les propriétés mécaniques souhaitées, il est nécessaire d'effectuer un traitement thermique de vieillissement, qui permet de faire précipiter la phase durcissante de type 7' de formule Ni3(Ti,AI). Ce traitement de vieillissement peut consister en un chauffage pendant un temps compris 20 entre 1 min et 3 heures, à une température comprise entre 600 et 750 C en statique ou au défilé à une température de 700- 950 C. Le traitement de vieillissement peut être effectué soit directement après le recuit précédant l'éventuel dernier tréfilage, soit après avoir effectué 25 ce dernier tréfilage. A titre d'exemple, on a fabriqué deux fils tréfilés A et B de 3 mm, ,riu,,óu rv'?;:oR u: o;,a,:d'un I " ' r4 aonflfrm, f -'/,anL d'u, nmachine 4e I r... i,,a, constitué d'un alliage dont la composition chimique était la suivante, en % en poids: Ni Ti AI Si Mn C S P Autres] Le fil A a été décapé puis tréfilé en 6 passes jusqu'à atteindre un diamètre de 3,0 mm, puis recuit à 1125 C au défilé et vieilli en four statique à 730 C. Le fil B a été décapé puis tréfilé en 2 passes jusqu'à atteindre un diamètre de 6,5 mm, recuit en four au défilé à une température de 1125 C, tréfilé jusqu'à 5,0 mm, recuit au défilé à une température de 1125 C et vieilli en four statique à une température de 730 C, puis tréfilé en 6 passes jusqu'à 3,0 mm. Les caractéristiques mécaniques et dilatométriques obtenues sont rassemblées dans le tableau suivant: Fil A Fil B Résistance à la rupture (en MPa) 1230 1403 (en MPa) Limite élastique 968 1351 (en MPa) Coefficient de dilatation thermique entre 20 et 240 C 3,93 2,15 (en 10-6 / C) Taille de grains (en pm) 30 20 (en pm) REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un fil métallique en alliage ayant une grande résistance mécanique et un faible coefficient de dilatation thermique, comprenant les étapes consistant à: - laminer à chaud un alliage comprenant, en % en poids: 38 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que la teneur en carbone est inférieure ou égale à 0,10%. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en outre en ce que la teneur en carbone est inférieure ou égale à 0,05%. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en outre en ce que ladite mise en forme par déformation plastique à froid, est effectuée avec un taux de réduction compris entre 10 et 85%. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en 10 outre en ce que ledit recuit est effectué en statique, à une température comprise entre 750 et 950 C. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en outre en ce que ledit recuit est effectué au défilé, à une température comprise entre 950 et 1150 C. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en outre en ce qu'il comprend un traitement de vieillissement effectué en statique, à une température comprise entre 600 et 750 C. 20 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en outre en ce qu'il comprend un traitement de vieillissement effectué au défilé, à une température comprise entre 700 et 950 C. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en outre en ce qu'il comprend un traitement de vieillissement, à l'issue du 10.Procédé selon la revendication 9, caractérisé en outre en ce qu'il 30 comprend une opération de tréfilage, à la suite dudit traitement de vieillissement. 11.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en outre en ce qu'il comprend, à l'issue du traitement de recuit, une opération de tréfilage suivie d'un traitement de vieillissement. 12. Fil métallique en alliage dont la composition comprend en % en poids: 38 13.Fil selon la revendication 12, caractérisé en outre en ce que la taille moyenne de grains dans la direction transversale dudit fil est comprise 25 entre 5 et 160 pm. 14.Fil selon la revendication 13, caractérisé en outre en ce que ladite taille de grains est comprise entre 10 et 80 pm. 15. Fil selon la revendication 14, caractérisé en outre en ce que ladite taille de grains est comprise entre 20 et 40 prm. 16.Fil selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en outre en ce que le coefficient de dilatation de l'alliage entre 20 et 40 C est inférieur ou égal à 6.10-6/ C. 17.Fil selon la revendication 16, caractérisé en outre en ce que le coefficient de dilatation de l'alliage entre 20 et 40 C est inférieur ou égal à 4,0.10-6/oC. 18.Câble électrique pour ligne à haute tension comprenant un fil métallique 10 selon l'une quelconque des revendications 12 à 17, ou obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, ledit fil ayant été revêtu à l'aide d'un revêtement métallique susceptible de transporter de l'énergie électrique. 19.Câble selon la revendication 18, caractérisé en outre en ce que sa résistance à la rupture est supérieure ou égale à 900 MPa. 20.Câble selon la revendication 19, caractérisé en outre en ce que sa résistance à la rupture est supérieure ou égale à 1100 MPa. 21.Câble selon la revendication 20, caractérisé en outre en ce que sa résistance à la rupture est supérieure ou égale à 1200 MPa.