CA1041190A - Conducteurs electriques en alliages d'aluminium et procede d'obtention - Google Patents

Abstract

L'invention se situe dans le domaine des conducteurs électriques en alliages d'aluminium| Par combinaison entre des éléments d'alliages choisis dans deux ou trois groupes différents et des traitements thermo-mécaniques faisant appel à un taux d'écrouissage élevé et un recuit d'adoucissementprécipitation à température modérée, on obtient des associations de caractéristiques (charge de rupture + allongement à la rupture + conductivité électrique) considérées jusqu'à présent comme inaccessibles. Le premier groupe d'éléments comprend 0,25 à 1% de cuivre, 0,05 à 0,5% de silice et 0,25 à 1% de manganèse; le deuxième groupe comprend 0,10 à 2% de fer; 0,10 à 2% de nickel, 0,10 à 2% de cobalt, 0,10 à 0,2 de béryllium et de 0,001 à 0,2% de bore; le troisième groupe comprend du magnésium et du zinc à raison de 0,03 à 0,5%. Application à des conducteurs électriques sous forme de fils fins, nus ou isolés, de câbles souples, de bandes minces.

Description

~a présente invention concerne des conducteurs électrique~
en alliages d'aluminium et leur procédé d'obtention par trai-tement~ thermomécaniques.
I'aluminium pur possède une excellente conductivite élec-trique, de llordre de 65 % de celle du cuivre pur, recuit, prise comme étalon (I.A.C.S.). Ses qualités mécaniquss ~ont toutefois jugées insuffisantes pour certai~es applications telles que les fils fins pour téléphone et appareils domestiques, ou les ~ils isol~s pour bobinages et installations de b~timents; la qualité
coura~te désignée 60US la ré~érence A5/~ (A5 signi~iant, selon la norme française A~OR A. 57 101 une teneur en aluminium au moins égale ~ 99,5 ~e et le qymbole ~ rappelant llemploi pour le~ -usages électrique~, n'a, par exemple, qu'une charge de rupture de 10 à 12 hbar associée ~ un allongement de 10 ~ 12 S~ ou de 12 à 15 hbar, avec un allongement de 2 à 3 % selon le traitement -` thermique,iinal, et une conductivité de 63 à 63,5 IACS.
On peut am~liorer con~id~rablement les propriétés méca-niques par addition d'éléments d'alliages, mais la conductivité
diminue alor6 de ~açon très importante.
~a ~amille d'A'liages 80uvent désignés 80US le nom d'al-mélec, et qui comportent jusqu'à environ 0,6 ~ de Si et environ 0~7% de M~3, n'a plus qu'une conductivité de l'ordre de 53 %IACS, pour une charge de rupture d'une trentaine d'hectobars, associée à un allongement d'environ 4 %. Cn sait également que les élé-ments d'alliages qui abais6ent le plus fortement la conductivité
sont principalement le~ mét~ux à valences multiples, à sous-cou-ohe~ électroniques non saturée6 et que leur influence se mani~es-te surtout quand ils 60nt en solution solide dans la matrice d'alu-minium et beaucoup moins quand ils sont précipités hors solution.
~e manganèse, le chrome, le vanadium, le zirconium, le titane, et dans une moindre mesure, le silicium, ~ont à cet égard, par- ~
ticulièrement nocifs; le magnésium, le fer~ le nickel~ le cobalt ~ ;

.,j ' " ~......... - ,.

et le cuivre occupent une position intermédiaire tandis que l'in-fluence du zinc est particuli~rement ~aible.
:Le probl~me essentiel dans le domaine des conducteurs électriques, est donc de concilier des caractéristiques mécaniques J, su:ffisantes pour l~emplai visé avec une con~luctivit~ électrique aussi élevée que possible Ce résultat est généralement obtenu .: par une série de traitements thermomécanique.s complexes provo-quant la précipi~ation de certains éléments sous forme de com-posés plus ou moins fins et en maintenant certains autres en so- `
lution dans la matrice.
.' . ~es brevets français n 888 520 des Tréfileries et Laminoirs du Havre (actuellement : Tréfimétaux)~ 1 448 713 de Péchiney, ~ -

2 009 027 de Southwire Company, 2 078 362 de ~uji-Denlci, 2 103 ~ 428 de Olin Corporation, 2 182 212 D'A.B. Elektrokoppar, les brevets américains 3 663 216 et 3 668 019 de l'Aluminium Company of America (Alcoa) décrivent des compositions d~alliages et des procédés d~élaboration visant à résoudre ce probl~me, mais aucun d~entre eux ne permet d'obtenir des fils fins pour les usages .
domestiques~ téléphoniques, et pour les bobinages répondant à
: 20 des exigences d~utilisateurs en ce qui concerne l~association de la charge de rupture qui devrait atteindre 15 à 18, et même ::
19 hbar~ avec un allongement au moins égal à 5 %~ une conduc- .
tivité qui ne devrait pas ~tre lnférieure ~ 60 % IACS~ et un com- ;
portement satis~aisant ~ dif:Eérents tests, tel que les pliages, ; alternés. : . .
~es demanderesses ont découvert qu'il était possible d~ob-tenir de nouveaux types de conducteurs électriques ~L base d~a- . .
luminium présentant une charge de rupture comprise entre 1~ et :
19 hbar~ associée à un allongement au moins égal à 5 % et une .~ ..
.
30 conductlvité au moins égale ~ 60 Yo IACS en combinant des additions d~lements d~alliages qui, selon l'opinion de l'homme de l'art, sont incompatibles avec une bonne conductibilité électrique, et . -, -2- ~

en utilisant un traitement thermomécanlque simple et parfaite-ment repro~uctible consistant à partir d'une ébauche dans la- ~-quelle tous les éléments sont en solution solide dans la matrice d'aluminium, et à déformer ladite ébauche avec un taux d'écrouis-sage- défini par le rapport(S-s) o~ S est la section initiale , s de l'ébauche et s la section finale du conducteur- au moins égal ~i ~ 1 000 % et de préférence supérieur à 10 000 %, et ~ e~fectuer un traitement d'adoucissement-précipitation qui permet d'amener hors solution la maieure partie des éléments ayant, sur la con-ductivité électrique une influence nocive, mais indispensables pour ~lever la charge de rupture. ~es demanderesses ont, en ef-fet, découvert que certaines additions en solution solide stable ~ ip ou en sursaturation aufgmentent l'écrouissabilité de l'aluminium de telle sorte que l'énergie de désordre considérable - résultat d'une réduction ~ froid élevée - conduit ~ un rejet rapide et a88ez complet des éléments en sursaturation et cela ~ une tem-pérature modeste. --;
Ce phénomène est également lié au ~ait que la solubilité
dléquilibre desdits ~léments d'addition diminue ~ortement avec la température. En outre, les demanderesses ont constaté que ces mêmes additions solubles dans l'aluminium exercent un ei~et inhi~iteur puissant sur sa recristallisation (sans toutefois em-p~cher son adoucissement progressi~ par restauration) accompagnée de la précipitation des éléments en sursaturation. Il en ré-sulte que la conductivité électrique est rele~ée de façon sensi~
ble~ tandis que la diminution de la charge de rupture, associée ~x à une augmentation de l'allongement à la rupture, est plus fa-cilement co~trU ée~
~es éléments d'addition-qui agissent défavorablement sur ladite conductivité sont pr~cipités sou~ forme élémentaire, ou ` bien 80U8 ~orme de composé~ intermétalli~ue~ complexes~ ainsi que 1'ont montré des observations micrographiques.

_3_ ~ .~.", .~ .

1~4il90 Les demanderesses ont é~alement découvert qu'il était possible d'appliquer au conducteur~ dans le cours de sa trans-formation l'amenant aux dimensions d'utilisation~ un traitement thermique intermédiaire de restauration à une température com-prise entre 180 et 250C pendant une durée de 10 mn à 10 h, ce ~t~ qui permet d'augmenter le taux de déformation accessible indus-triellement sans affecter sensiblement les associations de ca-~ ractéristiques mécaniques et électriques qui seraient obtenues `-~ sans ce traitement thermique intermédiaire.
~es demanderesses ont également découvert que leæ alliages auxquels ce procédé peut s'appliquer devaient comporter, en combinaison :
1) au moins un élément appartenant à un premier groupe d'élements précipita~lesj ayant, en solution dans la matrice, un efiet important d'abaissement de la conductivité électrique, et dont la solubilité, à l'état solide, dans l'aluminium, n'exc~-de pas 0,2 % en poids à 250. D~ns ce groupe, figurent~ en par~
ticulier : le cuivre, le siiicium~ le manganèse, pris à une teneur de 0~25 à 1 % en poids pour Cu~ Mn et 0,05 à 0~5 % en poids pour Si.
2) au moins un élément appartenant à un deuxième groupe `~ d'éléments sus¢eptibles de iormer des ¢omposés intermétallique~
oomplexes~ et n'~tant que très partiellement solublea dans la matri¢e. Dans ¢e 2ième groupe iigurent : le ier, le nickel~
le cobalt~ le b~ryllium, le bore, et le zirconium, pris ~ une teneur de 0~10 a 2 % en poids pour Pe~ Ni, Co et 0~001 à 0~2 %
en poids pour De~ et 3 ; 0~001 à 0~1 % en poids pour Zr.

3) ~entuellement, au moins un élément d'addition choi~i dans un troisième groupe d'éléments augmentant l'é¢rouissabilité
j~30 ~de~ i~in1um~ et~possèdant une solUbilité à l'état solide dans `-~ l'oluliDium~ ~ 250-C~ d'au moins 4 %. Dans ce groupe figurent Ie magnési ~ et le zinc, pris à une teneur de 0,03 à 0,5 % ; /;

: ~ 4_ . ~;~ , ! ,; , , les autres impuretés naturelles de l'aluminium servant de base l~alliage (généralement ~ 99~5 % d'Al) pouvant en outre s'y trouver à leurs teneurs habituelles.
Corformément ~ ce qui a été dit plus haut, dans le fil -~
conducteur terminé~ selon le procédé conforme à l'invention~ les éléments des deux premiers groupes sont, dans leur quasi tota-lité, mis hors solution lors des traitements thermomécaniques.
;~ Compte tenu du taux d'écrouissage nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé, l'invention est particulièrement bien ~ -adaptée à la production de fils souples ayant un diamètre compris entre 3,5 et 0,05 mm, mais bien entendu, elle n'est pas limitée -au seul domaine des ~il8: elle permet en effet, d'obtenir1 à
partir des mêmes alliages et par le mame proc~dé, toute autre forme de conducteurs tels que des bandes mince~ de 0,005 à 3 mm d'épaisseur, des câbles souples obtenus par groupement, selon tous procédés connus, de fils con~o~nes à l'invention~ ainsi que des fils ou c~bles souples isolés, l'isolation étant obtenue par tous procédés connus.
~es exemples suivants permettront de mieux comprendre la mise en oeuvre de l'invention sans toute~ois vouloir en limiter la portée.
Exemple 1: on a préparé~ par coulée semi-continue, des billettes de 83 mm de diamètre, dans des alliages portant les repères A
et ~ ayant les compositions suivantes~ llalliage A étant du type A5/~, dé~ini précédemment, et pris pour référence, l'alliage B étant con~orme ~ l'invention.

~roupe d'élé nentæ : 1 2 Alliage Si Cu ~e A 0,07 0,003 0,17 ~ -R 0,05 0~4 0~18 ,, .

~es bille~tes ont été ~ilées ~ 350C jusqu'~ 9,5 mm, puis on a tréfilé jusqu'~ 0,5 mm dans les condition~ et avec les résultats suivants:
,~, , . . . . _ t~aitement R A % ~ 20 C
. final hbar 200 mm ~ /cm% I oA~ C.S~ ~:
, . . ., .~:
~ A lh 240C 12 12 2,71 63,6 ", . ... , _ . ....... -. 10 lh 220C 15,5 9 2,78 62 30mn 260-C 14~2 13 2~78 62 .~ .. -~.
xemple 2 : on a coulé en coulée "tranquille" : c'est-~-dire par ~:~ déversement lent dans la lingotière initialement inclinée et -~ progressivement redre~sée au iur ~t à mesure de son remplissage, :
du metal ~ondu contenu dans le creuset de iusion, des billettes . de 83 mm de diam~tre, portant les repères C et D, ayant les .
compositions suivantes, l'alliage C étant du type A5/~ défini précédemment et pris pour référence, et l'alliage D ~tant con-~orme ~ l~invention.
. .
_ . ' ~ . ' ..... :
4r~upe dl~lémentæ 1 2 . :
~ ~ . .. .
Alliage Si ~e . .. . .. _ . .. _ C 0~05 0~24 .:
D 0~24 0,51 .~ .
Le8 billettes ont été: iiléeæ a:450C~ ~usqulà 9~5 mm, puis on a : ,.
tréiilé ~usqu~ 0~5 mm~ dans les conditions et avec le9 résultats suivants:
.

,1 .. ::
~_ ..
$~

. .
3~ ~

o : ' . Traitement Rm A % r 20 C
thermique hbar200 mm ~Q /cm % I.A.C.S.
.~, _ .. . ~.'.: ' C lh ~ 275C 10~811 2,71 63~6 .q _ . _ _ '' ' .
,~ D ¦lh ~ 270C 13 10 ¦ 2,76 62~ 5 Exemple 3 : on a coulé, en continu, sur roue puis immédiatement miné llébauche ~ chaud sur train SECIM (nouvelle dénomination de la Sté Spidem) jusqulau diam~tre 12 mm, les alliages suivants, ~. .-~ repérés E et F le "E" éta~t du type A5/~ défini précédemment et .:
:-~ pris pour référence, et l~alliage "~" étant conforme à l'invention: :

.j~ Groupe dléléments : 1 ~ 2 ¦ `
.
.¦ Alliage Si Cu ~e . ~ 0,06 0,003 0~15 .~ . . . .. .
~ ~ _ _ ~ ~ ' . ~: F 0~ 07 0~ 48 0~ 23 : .__. : .

Puis on a tréfilé jusqul~ 0,5 mm dans les conditions et avec les . résultats suivants:
.. ..
. ~ ~raitement Rm A % ~~~~~e~-~ -: ~ thermique hbar 200 mm ~v ~ /¢m % I.A.C.~.
i~ .
.~ . E 2h à 275C 11,3 13 2,70563,7 ~ , . . ' . . _ . .
~ P 4h à Z60C 16~9 1 2,8360,8 :~.
~3 :~ ~EXE~PIE 4 : on a coulé sur roue, en continu, puis immédiatement ~:
laminé l~ébauche à ohaud, jusqu'au diam~tre 12 mm~ les alliages ~. - '.'-' ~.,~
, : -7-3 - , ~.~ : . -4il~0 ... ~
suivants, repérés E et G: llalliage "G" étallt conforme ~ l~ir vention :
., _ .
Groupe d'élé- l 2 : ments : .
. Si Cu Ee ,~, . . .~ .
E ()~06 0~003 0~15 .~, _ i ' ' .~ .
- G 0,07 0,48 0,~8 .

puis on a tréfilé j~squtau diamètre 0,5 dans les conditions et a~ec les résultats suivants: -Traitement Rm A ~ ~ 20 C
thermique hbar 200 mm ~ Q /cm % I.A~C.S. _ .

C 11,3 ~ 13 2,~05 ~ 63,~

~: G lh à 280-C ~7,3 lO,5 2,85 60,5 L 4h à 280C l6,3 1l,5 2,86 60,2 E~EMP~E 5 : on a coulé sur roue, en continu~- pui8 immédiatement . :
laminé l~ébauche à chaud jusqu~au diamètre 12 mm les alliages suivants, repérés E et H~ "H" étant conforme à l~invention : . .

: Groupe d~éléments: l .
~': _ :... .....
Alliage S1 Cu ~e . . _ 0,06 0,003 0,15 . . ~.

:~30 ~ . .0~20 0,48 0,39 L :~:~
, ~ .
Qn ~a tréiilé jusqu~au diam~tre de 0,5 mm dans les conditions et avéc les ré~ultat~ suivants: :

: : ~

.~

. I :
~raitement Rm A % Q 20 C
thermique hbar200 mm ~ ~ /cm % I~AoC~S~
. _ _ , _ . .
. ~2h ~ 275C 11,313 2,705 63,7 ~, . _ _ : ` ' H 4h à 260C 18,5 10 2,88 59r9 -~
4h à 280C 18,1 11 2,B8 ~9,9 ,;
~'association d'une charge de rupture ~ ~ .8 hbar avec un allonge- :~
;~ 10 ment de 10- 11% et une conductivité pratiquement égale à 60 % -~ ~
IACS e~t particulièrement remarquable et dépasse de beaucoup tout -:
ce qui a été obtenu jusqu'~ présent sur des alliages conducteurs ~ ~ base d~aluminium. ~: .
:~ ~e~ exemples 4G et 5H montrent, en outre, que les tolérances de :température et de durée pour le traitement final, sont particu-lièrement larges, car des variations de 20C ~ durée constante ou de l~à 4 h à temperature constante n~ont pratiquement aucune iniluence sur le résultat final. Ce fait, également exceptionnel, : est une garantie de bonne reproductibilité des résultats pour . 20 une production industrielleO
EXEMPIæ 6: on a coulé, en semi-continu, comme dans l~exemple 1 des billette~ de 83 mm de diamatre, pui~ filé à 350-C Jusqu~au diam~tre de 9,5 mm et tré~ Jusqu~au diamètre de 0~5 mm, les :~
. alliages ~uivants conformes ~ l~invention, repér~s J et K.
.
., .
; ~` Groupe 1 2 3 - ~ dléléments:
. Alliage Si Cu Fe ~ .
.- ~ ...... , .... l :
7 0,06 0,20 0,18 0,02 ~ ::
'~ . . . _ I ;.,.. ' 300,06 0,20 0,18 0~15 : ~:
:
. ~ aveo les résultats suivants :

,~ _g_ :
.! .-`'J ' ' ,' ', - --- : - ~
Traitement thermi- Rm A~ p20 C
que final hbar 200 mm ~/cm % IACS
~ -J ¦ lh à 230C 13,~ 12 2,785 61,9 K ¦ lh ~ 240C 14,5 ¦ 11 2,84 60,7 Exemple 7 : on a coulé, en semi-continu, des billettes de 8~ mm de diam~tre de l'alliage 3 de l'exemple 1 (~e : 0,18jSi : 0,05;
Cu : 0,48), que l'on a ~ilée6 à 350C jusqu'au diamètre de 9,5 i mm, puis tréiilées jusqu'au diam~tre de 2 mm. On a procédé à
un traitement thermique intermédiaire de lh à 230C dan~ un pre- ;
mier cas, et de lh a 350C dans un deuxième cas, puis tréfilé
jusqu'au diamètre de 0,5 mm, dans les conditions et avec les ré-sultats suivants :

~ - ~rait. therm. ~rait. therm. ~ A % ¦ ~ 20 C
r~ . interm~diaire 0,5 mm hbar 200 mm ~ Q/cm %IACS
.~ . . . . - :

I B lh a 230-C lh ~ 240C 14,5 10 ?,76 62,5 lh à 350C lh à 230C 13,5 13 2,77 62,2 .~. , .
Exemple 8 : on a coulé (en coulée "tranquille") des billettes de 83 mm de l'alliage D de l'exemple 2 (~e : 0~51 ; Si : 0~24) que l'on a iilées ~ 450C ~usqulau diamètre de 9,5 mm, puis tr~iilées ~usqulau diamètre de 2 mm. On a procédé à un traitement ther-mique intermédiaire de lh ~ 230C dans un premier cas et de lh à 350C dans un deu~ième cas, pui~ tréiilé jusqu~au diamètre de 0,5 mm dans les conditions et avec les résultats suivant~

~Trait. tharm. Trait. therm. ~ A ~ p20 C ~-~
i3nterm~diaire final à hbsr 200 Dm ~9fc~ % IAC' D lh ~ 230C lh à 260C 13 12,5 2~75 62,7 ;
_ lh à 350C lh ~ 230C 11 10 2,73 63,2 ~

-10- ',, ~, la~f~ S,~
1es e.xemples 7 et 8 montrent que le traitement thermique inter- :
médiaire à 2 mm, e~fectué à 1 h à 350C. ne permet pas dlattein-dre des caractéristiques aussi ~avorables que lorsque la tempé~
rature ne dépasse pas 250CC.
Exemple 9 : Cn a préparé par coulée semi-continue des billettes :~
.~ de 83 mm de diamètre dans les alliages de l'exemple l portant les repères A et ~. ~es billettes ont été écroûtées à 81 mm de '~ diambtre, puis filées sans préchauffage de ~açon ~ obte~ir un . méplat de 40 x 5 mm; on a ensuite laminé jusqu'à une épaisseur .
~ 10 de 0~15 mm et obtenu les résultats sui~ants :
., -. . . .
;, Iraitement thermique Rm A~ p 20 C
~ final hbar 200 mm ~ ~/cm. I.A.C.S.
':~ , .. _ . . --. . .
:~ A lh à 280 C. l2~2 9 2,76 62~5 j~ :
~ B lh ~ 255 C. 15,5 8,5 2,83 60~9 . ' : .

.~:
~, ' ~

: ~
~ ' '',.

" ' . .

:
~~ .

Claims (4)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé de fabrication de conducteurs électriques à base d'aluminium sous la forme de bandes minces, de 0,005 mm à 3 mm d'épaisseur, barres ou fils isolants de 0,050 mm à
3,5 mm de diamètre, ou groupe de fils formant des câbles souples ayant une résistivité au plus égale à 2,88 micro-ohms par centimètre à 20°C (conductivité au moins égale à 60% IACS) et une charge de rupture comprise entre 13 et 19 hbar et un allongement à la rupture sur éprouvette de 200 mm au moins égale à 5%, ledit procédé comprenant les étapes suivantes:
(1) la formation d'une substance à base d'alliage d'aluminium constitué essentiellement d'aluminium et (a) d'au moins un élément appartenant à un premier groupe d'éléments précipitables qui lorsqu'en solution dans la matrice d'aluminium ont un effet considérable en diminuant la conductivité électrique et dont la solubilité à l'état solide dans l'aluminium n'excède pas 0,2% en poids à 250°C, ledit groupe comprenant:

0,25 à 1% de cuivre, 0,05 à 0,5% de silice, 0,25 à 1% de manganèse;
(b) d'au moins un élément appartenant au deuxième groupe d'éléments susceptible de former des composés inter-métalliques complexes et n'étant que très partiellement solubles dans la matrice, ledit groupe comprenant:
0,10 à 2% de fer, 0,10 à 2% de nickel, 0,10 à 2% de cobalt, 0,10 à 0,2% de béryllium, 0,001 à 0,2% de bore, les éléments de ces deux groupes ayant été amenés dans leur quasi totalité, hors solution, lors des traitements thermo-mécaniques appliqués en cours de fabrication:
(2) la transformation de ladite substance en ébauche obtenue soit par filage ou laminage de billettes ou par coulée continue;
(3) la transformation de ladite ébauche en conducteur avec un taux d'écrouissage au moins égal à 1000%; et (4) l'application d'un traitement thermique d'adoucissement-précipitation audit conducteur à une température comprise entre 150°C et 300°C pour une durée de quelques minutes à vingt-quatre heures.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce qu'il comprend, en outre, au moins un élément d'addition supplémentaire choisi dans un troisième groupe d'éléments augmentant l'écrouissabilité de l'aluminium et possédant une solubilité à l'état solide dans l'aluminium d'au moins 4%
à 250°C, lesdits éléments comprenant le magnésium et le zinc à raison de 0,03 à 0,5% en poids.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé
en ce que dans l'étape (3) le taux d'écrouissage est 10,000%.

4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé
en ce que dans l'étape (4) le traitement thermique d'adoucissement-précipitation est effectué à une température comprise entre 180 et 250°C pour une durée comprise entre 10 minutes et 10 heures.