Brevet FR2902801A1 — publié le 20071228

Procédé de réalisation d'un fil d'aluminium recouvert d'une couche de cuivre et fil obtenu La présente invention appartient au domaine des fils en matériaux électriquement conducteurs pour la réalisation de câbles électriques. Plus particulièrement l'invention concerne la réalisation de fils à âme en aluminium protégée par une couche de cuivre sur leurs surfaces extérieures. Sauf pour des applications particulières, par exemple les câbles aériens de transport de l'électricité haute tension, la plupart des câbles électriques utilisent du cuivre, ou un alliage à base de cuivre, pour réaliser la partie conductrice du câble. Le cuivre est un excellent conducteur électrique, également ductile lorsqu'il est pur ou dans certains alliage et relativement résistant sur le plan mécanique, ce qui explique son usage généralisé pour ces applications. En raison de la masse du cuivre, défavorable pour certaines utilisations, et d'un coût relativement élevé, d'autres solutions sont utilisées pour réaliser des câbles électriques. De faible masse et d'un coût modéré, l'aluminium a depuis de nombreuses années été considéré comme un substitut au cuivre pour la réalisation de fils électriquement conducteurs malgré une résistance électrique un peu moins favorable que celle du cuivre en général. L'aluminium étant sensible à la corrosion, il est souvent nécessaire de protéger les fils d'aluminium de l'environnement extérieur en recouvrant la surface des fils d'une couche faisant office de barrière et intimement liée à l'aluminium du fil pour limiter les risques d'oxydation. Ainsi la plupart des fils 1 à base d'aluminium comporte une âme 2 conductrice en aluminium ou dans un alliage à base d'aluminium recouverte par une barrière de surface 3 réalisée par une couche d'un métal apte à adhérer à la surface de l'âme. Les métaux les plus souvent utilisés pour cette barrière de surface sont le Nickel, Ni, ou le cuivre, Cu, ou un alliage à base de ces métaux. Bien que possédant une excellente résistance à l'oxydation, l'utilisation du Nickel est réservée à des applications pour lesquelles le coût n'est pas un critère essentiel. Pour des raisons économiques l'utilisation du cuivre comme métal pour la barrière de surface est souvent retenue. Les fils électriques sont généralement réalisés par étirage d'un barreau de métal suivant un processus plus ou moins élaboré en fonction de la qualité recherchée. Par des étapes successives de tréfilage et de recuit, un barreau de 22 mm de diamètre peut par exemple être allongé d'un coefficient de plus de 12000 10 pour donner un fil d'un diamètre inférieur à 200pm. Pour réaliser un fil en aluminium recouvert d'une couche de cuivre ce procédé général est appliqué à un barreau d'aluminium 21 recouvert d'une feuille de cuivre 31. L'épaisseur de la feuille de cuivre est choisie par rapport au diamètre du barreau dans le rapport de ['épaisseur recherchée sur le fil fini par 15 rapport au diamètre du coeur en aluminium. Différentes méthodes sont connues pour recouvrir le noyau avec la feuille.,de cuivre. Une méthode utilisée consiste à rouler autour du noyau 2 une feuille de cuivre 31 de l'épaisseur voulue et de souder deux bords de la feuille ainsi plaquée sur le noyau. 20 Le barreau composite 11, comportant le noyau en aluminium et la feuille de cuivre enroulée autour, est àlors, soumis à un processus de réduction de diamètre par étirage pour donner un fil 1 en aluminium comportant une barrière de protection en cuivre à sa surface. Afin d'assurer une bonne cohésion entre le cuivre et l'aluminium les 25 procédés connus s'attachent à réaliser une interface entre le barreau et la feuille de cuivre aussi exempte d'impuretés que possible. Les surfaces du barreau 22 et de la feuille 32 de cuivre devant être mise en contact sont normalement soigneusement préparées, décapées, et l'assemblage se fait souvent sous atmosphère neutre et propre pour éviter la 30 formation d'oxydes et des dépôts de poussières à l'interface entre les deux matériaux. Ce procédé permet de réaliser des fils conducteurs en aluminium recouverts de cuivre aussi fin que 200pm en diamètre qui rentrent dans fabrication de câbles électriques, comportant une pluralité de fils, très souples et plus légers que des câbles réalisés avec des fils en cuivre. Cependant, malgré les précautions prises lors de la préparation du barreau devant être étiré pour réaliser un fil, il est fréquent que les fils se brisent en exploitation sous l'effet de contraintes mécaniques, en particulier en environnement vibratoire. L'analyse de ces ruptures montre qu'elles sont le plus souvent dues à une transformation de la micro structure de l'aluminium liée à la migration des atomes de cuivre dans l'aluminium. Les atomes de cuivre se regroupent au sein de la matrice d'aluminium pour former des précipitations, phénomènes qui sont bien connus à l'intérieur des alliages d'aluminium contenant du cuivre et qui se traduisent par des désordres dans le réseau atomique de l'aluminium. Dans le texte qui suit ces précipitations sont désignées zones GP en référence aux découvreurs de ces phénomènes, André Guinier et George Dawson Preston. Ces zones GP ont pour effet d'augmenter la résistance électrique et de diminuer la résistance mécanique du fil. Lorsque la température augmente, la croissance des zones de Guinier-Preston s'accélère ce qui limite la possibilité d'utiliser de tels fils dans des 20 endroits où la température est susceptible de dépasser 150 C. Ce phénomène complique également la fabrication des fils dont le processus de réalisation comporte des phases de recuits, généralement autour des 200 c, impossibles à éviter. Afin de résoudre les difficultés rencontrées avec les fils en aluminium 25 recouvert de cuivre, en particulier pour les températures d'utilisation supérieures à 150 C, l'invention propose, contrairement à la recherche de pureté maximale recommandée dans la mise en oeuvre des procédés connus de fabrication, d'introduire des impuretés à l'interface entre l'aluminium et le cuivre. Ainsi le procédé de réalisation d'un fil comportant un coeur en aluminium 30 recouvert d'une couche en cuivre comporte les étapes de : -réaliser un barreau en aluminium ou en alliage à base d'aluminium; -recouvrir le barreau en aluminium d'une feuille de cuivre ou en un alliage à base de cuivre pour former un barreau composite; - déposer préalablement en faible quantité sur une surface à l'interface entre le barreau en aluminium et la feuille en cuivre un matériau, dit ralentisseur GP, apte à ralentir la précipitation du cuivre dans l'aluminium dans des formations dites zones GP; - réduire par un procédé connu le diamètre du barreau composite pour former le fil en aluminium recouvert de cuivre; Le matériau ralentisseur GP peut être déposé par tout procédé permettant de contrôler la quantité de matériau ralentisseur GP introduit à l'interface comme par exemple un procédé de dépôt mécanique, ou d'implantation d'ions, ou de diffusion de surface, ou électrolytique, ou de dépôt en phase vapeur. Afin de n'être présent qu'à l'état de trace dans le fil à l'interface entre l'aluminium et cuivre, le matériau ralentisseur GP est déposé en quantité telle que l'épaisseur moyenne théorique dudit matériau ralentisseur GP obtenue dans le fil après réduction du diamètre est inférieure à l'épaisseur d'une couche monoatomique du matériau ralentisseur GP. Le matériau ralentisseur GP peut être déposé sur la surface du barreau en aluminium ou sur une face de la feuille de cuivre avant que la feuille de cuivre ne soit plaquée sur le barreau en aluminium pour former le barreau composite dont le diamètre sera réduit pour réaliser le fil. Lorsque le matériau ralentisseur GP déposé sur une face de la feuille de cuivre est susceptible de nuire à la qualité de la jonction entre les bords de la feuille devant être soudés pour envelopper le barreau en aluminium, des zones 5 près des bords sont laissées sans dépôt de matériau ralentisseur GP. Le matériau ralentisseur GP, qui est différent de l'aluminium et du cuivre, est recherché parmi des matériaux ayant un effet sur la précipitation des zones GP et peut comporter au moins un métal, tel que du plomb, de l'étain, du magnésium ou du fer, et peu comporter au moins un corps simple non métallique tel que du carbone, du gallium ou du germanium. L'invention concerne également un fil comportant un coeur en aluminium recouvert d'une couche de cuivre et qui comporte à l'interface entre l'aluminium et le cuivre ou à proximité de cette interface des traces d'un matériau ralentisseur de la précipitation des atomes de cuivre dans l'aluminium. La quantité du 5 5 matériau ralentisseur de la précipitation des atomes de cuivre dans l'aluminium correspond à une épaisseur de couche théorique moyenne, rapportée à la surface de l'interface entre le coeur en aluminium et la couche de cuivre, inférieure à une couche monoatomique dudit matériau ralentisseur. L'invention concerne également un câble électrique réalisé par un assemblage de fils réalisé suivant l'invention, en particulier un câble électrique devant être utilisé jusqu'à des températures de l'ordre de 200 C. La description détaillée d'un exemple de réalisation de l'invention est faite en références aux figures qui représentent : Figure 1 : un fil en aluminium recouvert de cuivre obtenu par diminution du diamètre d'un barreau composite; Figure 2 : les éléments d'un barreau composite avant leur assemblage; Figure 3 : un barreau composite assemblé avant réduction du diamètre. Un fil électrique 1 de diamètre df comportant une âme 2 en aluminium, ou en alliage à base d'aluminium, et un revêtement extérieur 3 en cuivre d'épaisseur ecu, ou en alliage à base de cuivre, est réalisé par réduction du diamètre d'un barreau composite 11. Le barreau composite 11 est obtenu à partir d'un barreau en aluminium 21 de diamètre Dal, typiquement un barreau de 25 mm de diamètre pour environ 2 m de longueur, ces dimensions étant fonction des moyens de production et de façonnage qui sont utilisés pour les étapes successives de réalisation du fil, autour duquel est placé un revêtement en cuivre 31 d'épaisseur Ecu. L'épaisseur Ecu du revêtement en cuivre 31 est déterminé en fonction de l'épaisseur finale recherchée ecu pour le revêtement de cuivre sur le fil et dépend du rapport entre le diamètre du fil df à réaliser et le diamètre du barreau 11 dont le diamètre doit être réduit. Si Db est le diamètre du barreau composite 11 (avant réduction du diamètre) et df le diamètre du fil (après réduction du diamètre), de façon connue : Ecu / ecu = Db / df Soit Ecu = ecu x Dal / ( df - 2 x ecu ) Le choix de ecu est dicté par des considérations mécaniques. La couche de cuivre 3 à l'extérieure du fil 1 ayant pour rôle de protéger le coeur en aluminium 2 du milieu environnant, ecu est avantageusement choisi avec une valeur la plus faible possible sous réserve que cette couche de cuivre ne présente pas de discontinuité après l'application du processus de réduction de diamètre. Par exemple pour une épaisseur ecu de 5 pm généralement suffisante et 5 une réduction du diamètre dans un rapport de 110, la valeur de Ecu est fixée à 0,55 mm. Avant de placer la plaque de cuivre 31 sur le barreau d'aluminium 21, un matériau étranger 4 est déposé en faible quantité sur une surface de l'interface entre le cuivre et l'aluminium, soit sur une surface 32 de la plaque de cuivre 31, 10 soit sur la surface 22 du barreau d'aluminium 21, soit sur ces deux surfaces. Le matériau étranger 4 est un matériau différent de l'aluminium et du cuivre qui a pour effet de ralentir significativement la migration des atomes de cuivre dans l'aluminium et ou de ralentir la croissance des zones GP, sources de dislocation des grains d'aluminium. 15 Le matériau étranger 4, dit matériau ralentisseur GP, n'a pas pour objectif de former une barrière mécanique entre le cuivre de la plaque 31 et l'aluminium du barreau 21. Il est déposé en quantité suffisamment faible pour ne pas modifier significativement les propriétés mécaniques et électriques de l'aluminium et du cuivre et de ne se trouver, après réduction du diamètre, qu'à l'état de traces ou 20 d'impuretés à la surface ou prés de la surface du coeur en aluminium 2 du fil 1. Avantageusement le matériau ralentisseur GP 4, est déposé en quantité telle qu'il représente, après réduction du diamètre du barreau composite 11 au diamètre du fil 1, une épaisseur moyenne théorique inférieure au diamètre des atomes dudit matériau ralentisseur GP et qu'il ne réduit pas sensiblement la 25 surface de contact entre le cuivre et l'aluminium. Par exemple avec une réduction du diamètre de 100, le matériau ralentisseur GP 4 sera déposé sur une épaisseur moyenne de l'ordre de 100 fois le diamètre atomique dudit matériau ou moins, c'est à dire en pratique une épaisseur moyenne de quelques dizaines de nanomètres. 30 Le matériau ralentisseur GP 4 est déposé sous la forme d'une couche sensiblement continue et d'épaisseur sensiblement constante ou bien est déposé suivant un motif plus ou moins régulier, par exemple un réseau de lignes, conduisant à une répartition homogène des atomes du matériau ralentisseur GP après la réduction du diamètre. Avantageusement la plaque de cuivre 31 devant être appliquée sur le barreau d'aluminium 21 est plane dans une première étape comme présenté sur la figure 2 et présente des bords 33a, 33b sensiblement parallèles suivant la longueur de la dite plaque correspondant à la longueur dudit barreau en aluminium, et le matériau ralentisseur GP 4 est déposé sur la face 32 de ladite plaque devant se trouver en contact avec le barreau d'aluminium 21. La plaque de cuivre 31 est ensuite appliquée sur le barreau en aluminium 21, face 32 sur laquelle est déposé le matériau ralentisseur GP 4 contre la surface 22 dudit barreau d'aluminium, de telle sorte que les bords 33a 33b de la plaque de cuivre 31 se juxtaposent sensiblement suivant une génératrice du barreau 11, puis les bords juxtaposés de la plaque sont soudés 34 entre eux, par exemple au moyen d'un laser. Dans un autre mode de mise en oeuvre du procédé, le matériau ralentisseur GP 4 est déposé sur la surface 22 du barreau d'aluminium 21 avant que celui-ci ne soit recouvert avec une plaque de cuivre 31. Le dépôt est effectué, sur la plaque de cuivre 31 ou sur le barreau d'aluminium 21 par des moyens mécaniques, projection ou sérigraphie par exemple, ou par un procédé électrolytique ou par implantation d'ions ou par diffusion de surface ou par dépôt en phase vapeur suivant le procédé le mieux adapté au matériau ralentisseur GP 4 utilisé. Lorsque le matériau ralentisseur GP 4 est déposé sur la plaque de cuivre 31 et que ledit matériau est susceptible de dégrader la qualité du raccord soudé 34 entre les deux bords 33a, 33b de la plaque de cuivre, des zones 5 de la surface de ladite plaque de cuivre, à proximité des bords devant être soudés, sont de préférence non recouverte avec le matériau ralentisseur GP 4. Le barreau composite 11 comportant un barreau en aluminium 21 , une couche d'un matériau ralentisseur GP 4 en faible quantité et une plaque de cuivre 11 autour du barreau en aluminium est soumis à un traitement de réduction du diamètre par un procédé connu, par exemple par étirage ou par tréfilage. Le matériau ralentisseur GP 4, qui ne peut pas être de l'aluminium ou du cuivre, est un matériau métallique ou non métallique. Avantageusement le matériau ralentisseur GP est choisi dans une famille des métaux parmi le plomb (Pb), l'étain (Sn), le magnésium (Mg) ou le fer (Fe), ou bien est choisi dans une famille des matériaux non métalliques parmi le carbone (C), le gallium (Ga) ou le germanium (Ge). Cette liste de matériaux n'est pas limitative et d'autres matériaux peuvent être évalués et sélectionnés, expérimentalement par exemple, en fonction de leur efficacité à ralentir la croissance des zones GP. Le fil 1 obtenu après réduction du diamètre du barreau composite 11 comporte un coeur en aluminium 2 à la surface, ou à proximité de la surface en raison de la migration atomique, duquel se trouve à l'état de traces un matériau 4 ralentisseur GP et comporte une couche extérieure continue en cuivre 3. Les fils ainsi obtenus, dont le diamètre peut le cas échéant être inférieur au dixième de millimètre, sont avantageusement assemblés pour constituer un câble électrique à la fois souple et résistant. Du fait de la présence du matériau ralentisseur GP lors du processus de fabrication des fils, il est possible de réaliser des recuits pendant les opérations de réduction du diamètre sans risquer de créer des zones GP et donc d'obtenir une plus grande réduction du diamètre du fil d'aluminium recouvert de cuivre qu'avec les procédés classiques ou de simplifier les procédés existants. En outre les fils réalisés suivant le procédé et les câbles électriques réalisés avec de tels fils sont aptes à travailler dans un environnement dans lequel la température peut atteindre 200 C ou plus sans craindre la croissance de zones GP qui fragilisent les fils à âme d'aluminium plaqué de cuivre conventionnels et les rendent impropres à une utilisation dans les milieux où la température dépasse 150 C environ. Revendications 1- Procédé de réalisation d'un fil (1) comportant un coeur (2) en aluminium recouvert d'une couche (3) en cuivre comportant les étapes de : - réaliser un barreau (21) en aluminium ou en alliage à base d'aluminium, - recouvrir ledit barreau (21) en aluminium d'une feuille de cuivre (31) ou d'alliage à base de cuivre pour former un barreau composite (11), -réduire le diamètre du barreau composite (11) pour former le fil (1) en aluminium recouvert de cuivre, caractérisé en ce qu'un matériau (4) apte à ralentir la précipitation du cuivre dans l'aluminium dans des formations dites zones GP, ledit matériau (4) étant dit ralentisseur GP, différent de l'aluminium et du cuivre, est déposé en faible quantité sur une surface (22) (32) à l'interface entre le barreau en aluminium (21) et la feuille en cuivre (31). 2- Procédé suivant la revendication 1 dans lequel le matériau ralentisseur GP (4) est déposé par un procédé de dépôt mécanique, ou d'implantation d'ions, ou de diffusion de surface, ou électrolytique, ou de dépôt en phase vapeur. 3- Procédé suivant la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel le matériau ralentisseur GP (4) est déposé en quantité telle que l'épaisseur moyenne théorique dudit matériau ralentisseur GP obtenue dans le fil (1) après réduction du diamètre est inférieure à l'épaisseur d'une couche monoatomique du matériau ralentisseur GP. 4- Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau ralentisseur GP (4) est déposé sur la surface (22) du barreau en aluminium 9 (21 ) 5- Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau 25 ralentisseur GP (4) est déposé sur une des faces (32) de la feuille de cuivre (31). 6- Procédé suivant la revendication 5 dans lequel le matériau ralentisseur GP (4) est déposé sur une face (32) de la feuille de cuivre (31) en laissant des zones 5 près des bords (33a, 33b), devant être juxtaposés, de ladite feuille 30 de cuivre sans dépôt de matériau ralentisseur GP. 7- Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau ralentisseur GP (4) comporte au moins un métal, 8- Procédé suivant la revendication 7 dans lequel le métal est choisi parmi le plomb, l'étain, le magnésium et le fer. 9- Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau ralentisseur GP (4) comporte au moins un corps simple non métallique. 10- Procédé suivant la revendication 9 dans lequel le corps simple non métallique est choisi parmi le carbone, le gallium et le germanium. 11- Fil (1) comportant un coeur (2) en aluminium ou d'un alliage à base d'aluminium recouvert d'une couche (3) de cuivre ou d'un alliage à base de cuivre caractérisé en ce qu'il comporte à l'interface entre l'aluminium et le cuivre ou à proximité de cette interface à l'état de traces un matériau (4), différent de l'aluminium et du cuivre, ralentisseur de la précipitation des atomes de cuivre dans l'aluminium. 12- Fil suivant la revendication 11 dans lequel la quantité du matériau (4) ralentisseur de la précipitation des atomes de cuivre dans l'aluminium correspond à une épaisseur de couche théorique moyenne, rapportée à la surface de l'interface entre le coeur (2) en aluminium et la couche (3) de cuivre, inférieure à une couche monoatomique dudit matériau ralentisseur. 13- Fil en aluminium suivant la revendication 11 ou la revendication 12 dans lequel le matériau (4) ralentisseur de la précipitation des atomes de cuivre dans l'aluminium comporte au moins un métal tel que le plomb, l'étain, le magnésium et le fer et ou comporte au moins un corps simple non métallique tel que le carbone, le germanium et le gallium. 14- câble électrique réalisé par un assemblage de fils (1) conforme à l'une des revendications 11 à 13. 15- Câble électrique suivant la revendication 14 dans lequel le matériau (4) ralentisseur de la précipitation des atomes de cuivre dans l'aluminium permet l'utilisation dudit câble électrique jusqu'à des températures de 200 C.30