<Desc/Clms Page number 1>
"Perfectionnements aux alliages à base de cuivre et aux conducteurs électriques fabriqués au moyen d'alliages à base de cuivre**
La présenta invention est relative aux alliages à base de cuivre et aux conducteurs électriques fabriques au moyen d'alliages à base de cuivre.
L'un des objets de l'invention est la réalisa- tien d'un conducteur électrique métallique plus facile à fabriquer et possédant des propriétés supérieures à celles des conducteurs employés jusqu'ici.
Le cuivre est, de loin, le plus important de tous les métaux et alliages utilisés comme matière pour conducteurs. L'argent oppose une résistance plus faible
<Desc/Clms Page number 2>
au passage de l'électricité et de la chaleur, mats il est relativement coûteux. L'aluminium trouve parfois son application comme matière pour la fabrication de certains types de conducteurs parce que, bien que sa résistance soit plus élevée, sa densité est inférieure au tiers de celle du cuivre et que, par suite, on peut établir un conducteur possédant une conductance plus élevée pour un poids donné.' Les inconvénients de l'aluminium sont son à la corrosion dans de certaines atmosphères coût moyen plus élevé, sa faible résistance/et le plus grand encombrement.
Quelques autres métaux et alliages utilisés comme conducteurs pour des cas particuliers sont le fer, le nickel, le tungstène, les alliages chrome- nickel, les métaux blancs à point de fusion bas et le platine.
Le cuivres électrolytique tenace ordinaire est en réalité un alliage contenant environ de 0,02 % à 0,12 % en poids d'oxygène, le reste étant du cuivre avec des traces d'impuretés. A l'heure actuelle, on trouve du cuivre électrolytique raffiné dans lequel la teneur en impuretés est de l'ordre de millièmes et de dizaines de millième de un peut cent en poids. Le cuivre raffiné par voie sèche peut contenir des quantités légèrement plus élevées d'impuretés. Les qualités Lake' peuvent entraîner des proportions relativement élevées d'argent et, dans certains cas, d'arsenic. Des compositions types sont données dans le tableau I.
<Desc/Clms Page number 3>
TABLEAU I
EMI3.1
<tb> Electrolytique <SEP> Raffiné <SEP> par <SEP> Lake
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯voie <SEP> sèche¯¯¯¯¯¯¯¯
<tb>
EMI3.2
Argent 0,0007 0 0074 0, 03 Arsenic oeo0og 0,0024 z0025 Antimoine 0,.000 0, 0031 0, 0045 Plomb ObOO14 otoooa 0,0006 per 000026 0,007.5 0,0025
EMI3.3
<tb> Nickel <SEP> 0,0021 <SEP> 0,0218 <SEP> 0,0015
<tb>
EMI3.4
Sélénium oioool 0,0071 0,0000 Tellure otooldi 0,0007 0, 0006
EMI3.5
<tb> Bismuth <SEP> 0,0000 <SEP> 0,0001 <SEP> 0,0000
<tb>
<tb> Soufre <SEP> 0,0021 <SEP> 0,0042 <SEP> 0,0015
<tb>
EMI3.6
Oxygène 0,0350 OP044i 0l0420
EMI3.7
Pour certaines applications dont il sera parlé ci-après, il est nécessaire d'éliminer l'oxygène du cuivre et d'obtenir par suite du cuivre désoxydé.
Ce résultat est abtenu par traitement du cuivre à l'état fondu par un agent réducteur fort. L'oxygène contenu dans le cuivre se combine apparemment avec l'agent ré- ducteur et est éliminé sous forme de scorie ou de va- peurs. Parmi les agents réducteurs les plus communs utilisés pour désoxyder le cuivre, on peut citer le phosphore, le silicium, le manganèse et le calcium.
L'excès de ces éléments, nécessaire pour que la réaction soit complète, s'allie avec le cuivre. D'autres agents réducteurs tels que le carbone, l'oxyde de carbone, le sous-oxyde de bore et le borure de calcium ne s'allient pas au cuivre et, par suite, ne s'ajoutent pas aux impuretés existantes.
EMI3.8
La -conductivité électrique du cuivre et des alliages de cuivre est habituellement exprimée sous la forme d'un pourcentage de la conductivité de l'étalon
EMI3.9
dit "International Aonealed Copper Standard"t en abré-
<Desc/Clms Page number 4>
abréviation pour cent I.A.C.S. Une conductivité de 100 % I.A.C.S. 20 correspond à une résistivité de 1,7241 microhm-centimètre à la même température. C'é- tait la résistivité moyenne des meilleurs cuivres du commerce au moment où l'étalon a été établi, en 1913.
Avec l'amélioration continue de la qualité du cuivre, il n'est pas rare actuellement de trouver des échan- tillons ayant une résistivité inférieure à 1,7241 microhm-centimètre, ce qui fait que l'on rencontre souvent des conductivités de plus de 100 % I.A.C.S.
Une conductivité de 101 % I.A.C.S. est celle de cuivre présentant une résistivité de 1,7070 microhm-centimètre à 20 C.
La conductivité du cuivre est fortement influen- cée par les impuretés du métal. Leur effet sur la con- ductivité n'est pas celui qui pourrait être prévu sur la base du volume relatif de cuivre et d'impuretés et des conductivités des éléments individuels considérés, parce que des éléments étrangers en quantités assez petites pour qu'on puisse les considérer comme des impuretés sont, pour partie au moins, en solution soli- de dans le cuivre. Malheureusement, la présence même de ce que l'on pourrait appeler des quantités infimes d'im- puretés abaisse considérablement la conductivité. Cer- tains éléments ont une action plus marquée que d'autres comme le montre le tableau II.
TABLEAU II effet de 0,1 % de divers éléments: ; sur la conductivité du cuivre Conductivité du cuivre du commerce - 100 à 101 % I.A.C.S.
EMI4.1
<tb>
Elément <SEP> conductivité <SEP> électrique
<tb> ajouté <SEP> I.A.C.S.
<tb>
<tb>
Argent <SEP> 99,8
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 88,1
<tb>
<tb> Phosphore <SEP> 54.6
<tb>
<tb>
<tb> Manganèss <SEP> 88,0
<tb>
<Desc/Clms Page number 5>
Comme on peut le voir par le tableau II, les agents désoxydants pratiques qui s'allient avec le cuivre diminuent fortement la conductivité électrique.
La raison la plus importante pour la désoxydation du. cuivre est que, lorsque du cuivre contenant de l'oxy- gène est chauffé dans une atmosphère réductrice, comme celles que l'on rencontre dans la brasure, la soudure et le scellement du cuivre dans le verre dans la fabrication des tubes à vide, le cuivre est rendu cassant. L'expé- rience a démontré que la fragilité résulte de la présence d'oxygène dans le cuivre. Le cuivre qui a été désoxydé absorbe de 1''oxygène lorsqu'on le chauffe dans l'air, à moins qu'il ne reste un excès relativement grand de désoxydant résiduel. Par suite, il peut se comporter de la même manière que du cuivre contenant de 1''oxygène lorsqu'on le chauffe dans une atmosphère réductrice.
Dans Ces conditions, même un cuivre qui a été désoxydé à la coulée peut reprendre de l'oxygène au cours du laminage à chaud ultérieur et des opérations de recuit.
Des conducteurs établis au moyen de cuivre con- tenant de l'oxygène possèdent une conductivité satis- faisante, mais ils présentent le défaut de la fragilité dès qu'ils ont été chauffés dans une atmosphère réductri- ce. Les conducteurs en cuivre désoxydé avec une tracs minime de désoxydant, ou sans aucune quantité de déso- xydant résiduel, possèdent une bonne conductivités mais ils ont tendance à reprendre de l'oxygène pendant les opérations de fabrication destinées à les mettre sous la forme de fils, de barres omnibus, de tubes, etc..
Des cuivres avec une grande quantité de désoxydant résiduel n'absorbent pas l'oxygène rapidement, mais possèdent une conductivité faible.
<Desc/Clms Page number 6>
Conformément/à l'Invention, on réalise un al- liage à base de cuivre renfermant de 0,01 % à 1 % de bore, le reste étant sensiblement en totalité du cuivre.
De plus, conformément à l'invention, les difficultés dont il a été question plus haut en ce qui concerne les conducteurs électriques sont écartées grâce au fait que l'on établit des conducteurs électriques à partir d'un alliage à base de cuivre renfermant de 0,01 % à 1 % de bore, le reste étant presque en totalité du cuivre.
La conductivité de ces alliages cuivre-bore dépend de la teneur en bore. Par exemple, avec 0,011 % de bore, on obtient une conductivité de 100,3 %, tandis qu'avec 0,113 % de bore, on obtient une conductivité de 92,3 %.
Pour illustrer la résistance de l'alliage à une atmos- phère réductrice, on a recuit des échantillons de fils de 3,25 mm. de diamètre faits en alliage bore-cuivre et contenant divers pourcentages de bore, ainsi qu'un échantillon du cuivre utilisé pour préparer les alliages, dans une atmosphère d'hydrogène, pendant une demi heure à 800 0, après quoi on les a soumis aux essais de plia- ge.
Dans ces essais, le cuivre renfermant du bore s'est rompu après quatorze pliages à 1800 sur un rayon de 8 mm., mais le cuivre ordinaire s'est rompu au second pliage. C'est un fait bien connu que le cuivre contenant de l'oxygène est rendu fragile par chauffage dans une atmosphère réductrice, mais cet essai montre qu'un excès de bore, ne dépassant pas 0,011 %, empêhne la g fragilité.
Dans un autre essai, on a recuit ensemble dans l'hydrogène des échantillons d'un cuivre à haute conduc- tivité exempt d'oxygène, ne contenant aucun résidu dé- soxydant, et des échantillons de l'alliage bore-cuivre à haute conductivité faisant l'objet de l'invention. Il a été constaté que ni le cuivre, ni l'alliage ne deviennent fragi-
<Desc/Clms Page number 7>
les. Mais lorsqu'on a exposé à l'air, à une température de 850 pendant une heure, un autre groupe d'échantillons des mêmes produits et qu'on les a recuits ensuite dans l'hydrogène, le cuivre se rompt après deux pliages, tandis que l'alliage bore-cuivre résiste encore à quatorze plia- ges sans rupture.
Ceci montre que même un court recuit dans l'air au cours de la fabrication d'un conducteur au cuivre sans bore donne lieu à de la fragilité lors- que le métal est chauffé dans une atmosphère réductrice.
Le cuivre désoxydé par le silicium, par le phos- phore et par le calcium résiste aussi dans une certaine mesure à l'effet du recuit (tendant à le rendre fragile) alternativement en atmosphère oxydante et en atmosphère réductrice. Leurs conductivités sont toutefois de l'ordre de 60 à 80%, tandis que les alliages bore-cuivre objet de l'invention, avec la même résistance à la fragilité, ou une résistance meilleure, ont des conductivités d'au moins 95 %* Un autre avantage des alliages bore-cuivre par rapport au cuivre déaoxydé au calcium, par exemple, est que leur ductilité, en particulier aux températures élevées, est aussi élevée que celle du cuivre pur non désoxydé.
L'effet du bore sur la conductivité du cuivre est très petit si. on le compare à celui de tous les autres éléments à l'exception, peut-être, de l'argent, lequel, bien entendu, n'a pas d'action désoxydante., Par suite, il est possible d'ajouter au cuivre fondu la quantité de bore nécessaire pour le désoxyder complètement, plus un excès considérable, sans que l'on ait à craindre une ac- tion défavorable sur la conductivité électrique. L'effet des désoxydants, tels que le phosphore, est si grand que le plus léger excès par rapport à ce qui est nécessaire
<Desc/Clms Page number 8>
pour réduire les oxydes abaisse considérablement la con- ductivité du cuivre.
Il y a tellement de variables dans la production du cuivre désoxydé sur une échelle industrielle que l'on trouve souvent des lots qui sont soit non complètement désoxydés, soit même de conducti- vité plus basse que la moyenne pour ce type de cuivre.
Au contraire, le bore peut être ajouté en excès suffisant pour exclure toute possibilité de désoxydation incomplè- te et sans que l'on ait à craindre l'obtention d'une faible conductivité.
Dans la mise en pratique de l'invention, pour obtenir la conductivité la plus élevée, on fait fondre le cuivre et on lui ajoute une certaine quantité d'un alliage bore-cuivre contenant de 2 % à 5 % de bore. Le bc re peut également être ajouté par l'un des procédés dé- crits dans la demande de brevet déposée en Belgique la même jour pour procédés pour la et à conductibili- té thermique élevée. Si l'on introduit le bore en ajou- tant au bain les autres matières renfermant du bore et que l'on peut se procurer dans l'industrie, matières telles, par exemple, que le manganèse-bore, le ferro- bore, etc.., la conductivité est réduite parce que ces matières introduisent les éléments avec lesquels est associé le bore.
Après que le bain a été coulé dans un moule approprié pour la production de fils, de barres, de lingots, de billettes ou d'autres pièces coulées appro- priées, on peut travailler le produit à la forge, au marteau, par laminage à chaud, par laminage à froid, par étirage, par étampage, par extrusion ou filage à la presse et l'amener à, la presse à l'état de feuilles, de barres, de câbles, de profilés, de fil, de tubes et
<Desc/Clms Page number 9>
anus toute autre forme convenant pour l'utilisation dans la fabrication des conducteurs.
Les conducteurs faits au moyen des alliages' bore-cuivre ou unis à oes alliages, ou encore revêtus desdits alliages, comme on l'a décrit, sont particuliè- rement précieux pour la fabrication des lampes à incan- descence et des lampes luminescentes, des redresseurs et de divers objets tels que les tubes pour la radio- électricité, les tubes à rayons X et les tubes photo- électriques dans lesquels il est nécessaire de sceller dans du verre un conducteur en cuivre. Dans les appli- cations où il est nécessaire de souder,, de braser,, etc.. un conducteur, le bore-cuivre est une matière idéale en raison de sa résistance à l'effet des chalumeaux à gaz tendant à les rendre fragiles et aussi en raison de l'effet de flux de la scorie au borate qui peut se former.
La présence de bore dans le cuivre améliore également sa résistance mécanique, ce qui fait que l'alliage peut être utilisé aveo profit pour tous les types de conduc- teurs qui peuvent être faits en une sorte de cuivre quelconque, même si dans certaines applications la résis- tance à la fragilité due au chauffage dans des atmopphè- res réductrices ne présentait pas une grande importance pour les applications particulières en question. C'est un fait bien connu que la conductivité thermique des alliages a une relation définie avec la conductivité électrique; il s'ensuit que les alliages bore-cuivre conviennent bien pour l'établissement d'éléments d'é- changeurs de ohaleur exposés à des gaz réducteurs, cas où les alliages de cuivre et d'autres métaux ne seraient pas suffisamment conducteurs.
Bien que, comme on l'a indique, plus haut, une
<Desc/Clms Page number 10>
teneur en bore de 0,01 % à 0,15 % soit suffisante pour la plupart des usages, la teneur en bore peut atteindra 1 % pour des applications où la conductivité électrique faible peut être admise, mais où il peut être désirable d'obtenir une résistance élevée à la fragilité lors- que le produit est chauffé dans une atmosphère réductrice.
Pour la conductivité électrique la plus élevée, on devrait utiliser du bore seul avec le cuivre-, mais si une conductivité plus faible est admissible, on peut ajouter d'autres désoxydants au cuivre avec le bore. De telles matières sont, par exemple, le glucinium, l'alu- minium, le manganèse, le magnésium, le calcium et le lithium. Par exemple, avec le cuivre électrolytique du commerce contenant 0,05% de bore et 0,05 % de manganèse, la conductivité électrique serait d'environ 91 % et serait par suite inf érieure à celle que l'on aurait avec 0,1 % de bore seul (environ 93% de conductivité) et meilleure que celle que l'on obtiendrait avec 0,1 % de manganèse seul (environ 87 % de conductivité).
La présence des petites quantités de ces autres désoxydants ne gène pas l'action du bore en augmentant la résistance à la fragili- té lorsque le conducteur est chauffé dans une atmosphère réductrice ou alternativement dans une atmosphère oxydante et dans une atmosphère réductrice. Pour les applications industrielles habituelles, la teneur en bore doit être d'au moins 0,01 % et, pour l'obtention d'une conduc- tivité qui ne soit pas inférieure à 85 %, la quantité des autres désoxydants présentas (un ou plus) ne doit pas dépasser 0,1 %.