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La présente invention concerne la fabrication de fils et autres produits flexibles gainés, comprenant une âme de cuivre et une gaine extérieure d'aluminium rendue métallurgiquement adhérente à l'âme ainsi que des procédés pour les fabriquer.
On cherche depuis longtemps à fabriquer des fils, rubans, tiges et.pièces allongées semblables comprenant une âme de cuivre ou d'un alliage de cuivre dont la surface extérieure soit recouverte d'une gaine d'aluminium relativement mince. -Jusqu'ici il a été très;difficile de produire un fil de cuivre gainé d'aluminium qui soit satisfaisant. Il se produit, à la surface de contact du cuivre et de l'aluminium, une diffusion dans les deux sens provoquant la formation d'une couche de composés bimétalliques très cassante. Cette couche se forme facilement à des températures mode-
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rées et surtout au cours de l'émaillage du fil, de son traitement ou lorsqu'il est utilisé dans des appareils électriques fonctionnant à des températures élevées.
Cette couche cassante intermédiaire se brise facilement lorsqu'on plie le fil ainé, ceci ayant pour résultat que l'aluminium glisse et se sépare de l'âme de cuivre, mène dans le cas d'allongements modérés. Il est difficile de produire une mince couche ou gaine uniforme d'aluminium qui adhère convenablement au fil de cuivre et qui résiste à des manipulations et utilisations normalement prévisibles.
Un fil de cuivre dont la surface est recouverte d'une gain, d'aluminium qui en est rendue métallurgiquement solidaire présente de nombreux avantages, surtout pour l'industrie électrique. Par exemple, des émaux de tous genres comorenant les composés organiques courants et les résines silicone résistent beaucoup plus longtemps à toute température élevée donnée quand elles sont appliquées sur un fil à surface d'aluminium, que dans le cas d'un fil de cuivre ordinaire. Les avantages des fils et autres pièces allongées à surface d'aluminium sont particulièrement intéressants aux températures élevées, ce cas se présentant souvent pour du matériel électrique.
Quand du matériel électrique est soumis des conditions de fonctionnement plus dures et doit travailler avec des débits plus élevés, les températures de service sont accrues d'autant. L'utilisation de conducteurs à surface en aluninium permettent une augmentation très sérieuse des températures de service pour une durée de vie donnée du matériel électrique ou bien une durée de vie plus longue à la même température, comparativement aux conducteurs de. cuivre ordinaires-
Comme un conducteur de cuivre a une conductibilité électrique beaucoup plus grande ou'un conducteur d'aluminium de la même section transversale, il est souhaitable, au point de vue encombremnt d'utilser un conducteur de cuivre plutôt qu'un conducteur d'aluminium.
Cependant, on ne peut jouir à la fois des avan-. tages d'une conductibilité électrique élevée par unité de surface
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'de section transversale et d'un bon comportement aux températures élevées, qu'en utilisant un conducteur gainé dont la majeure partie de la section transversale est en cuivre, avec une gaine extérieure relativement mince d'aluminium. D'ordinaire, le conducteur comprendra de 80% à 95% de cuivre, le reste étant de l'aluminium.
Les efforts faits jusqu'ici pour produire des fils gainés ,et des pièces allongées semblables gainées, comprenant une âme de cuivre et une mince couche extérieure d'aluminium, n'ont eu que peu de succès. Dans de nombreux cas, il a fallu avoir recours à des procédés.extrêmement coûteux et compliqués, et encore sans obtenir satisfaction.
L'invention a pour but principal de procurer un fil gainé comprenant une âme en cuivre, une couche de séparation en argent et une mince gaine d'aluminium qui en est rendue métallurgiquement' solidaire*
L'invention a aussi pour but de procurer des procédés de fabrication de fils gainés et de pièces allongées semblables gainées, où une âme en cuivre constitue la' majeure partie de la section transversale, avec une couche superficielle relativement mince d'aluminium rendue métallurgiquement solidaire de l'âme grâce à l'interposition d'une couche de séparation en argent, les dites pièces étant destinées à des appareils électriques.
L'invention ressortira clairement de la description donnée ci-après de plusieurs formes d'exécution préférées qui sont représentées, à titre d'exemple, au dessin annexé.
La,figure 1 est une vue en perspective, partie en coupe, d'un conducteur gainé circulaire.
La figure 2 est une coupe transversale d'un conducteur gainé de forme carrée.
La figure 3 est une coupe transversale d'un conducteur gainé de section transversale rectangulaire, et
La figure 4 est une coupe verticale d'une filière dans la- !le le conducteur subit une diminution de section.
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Les procédés décrits ici conviennent spécialement a la production de pièces allongées flexibles gainées, à gaine bien adhérente, comprenant une âme en cuivre, une mince couche de séparation en argent et une mince gaine d'aluminium. Par ces procédés, les pièces gainées peuvent être produites rapidement et économiquement. Les pièces gainées se sont avérées hautement satisfaisantes soit sous la forme de fil émaillé soit dans d'autres applications dans l'industrie électrique.
Plus particulièrement, une gaine d'aluminium peut être appliquée sur un fil de cuivre et rendue métallurgiquement solidaire du fil, suivant l'invention, en intercalant une mince couche de séparation en argént entre le cuivre et l'aluminium. En outre, on décrira ci-après certaines techniques pour travailler avec succès une ébauche préfabriquée comprenant une gaine d'aluminium sur une verge de cuivre argenté, de façon à obtenir un fil, une barre,une bande ou toute autre pièce allongée de toute dimen- sion ou forme désirée.
Plus spécialement une verge ou barre de cuivre de diamètre convenable, par exemple une tige ronde d'un diamètre compris entre 1/4 d pouce et 2 pouces (6,4 à 51 mm), est nettoyée de manière à enlever toutes saletés, graisses, oxydes et autres défauts de surface. La tige de cuivre nettoyée est ensuite pourvue d'une couche ou revêtement d'argent imperméable. L'argent peut être déposé par pistolage, ou plusieurs feuilles d'argent- peuvent entourer la tige.
D'excellents résultats ont été obtenus par galvanoplastie, en déposant sur la verge de cuivre une couche d'argent d'une épaisseur comprise entre 0,005 et 0,25 pouce (0,125 à 6,4 mm) . Il va de soi que le dépôt galvanoplastique de l'argent sur la verge se fait par les moyens courants. Cette opération de galvanoplastie comprend généralement, d'abord une préargenture de la verge de cuivre nettoyée dans une solution d'argenture légère composée de 0,5 à 0,7 once par gallon (3 à 4,5 gr par litre) et de 8 à 10 onces par gallon (de 50 à 60 gr par litre) de cyanure de sodium, l'argenture se faisant avec
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une densité de courant de 15 à 25 ampères par pied carré (1,7 à 2,8 ampères par décimètre carré).
Après une argenture de quelques minutes, ou de 5 à 10 minutes dans la solution d'argenture légère, la verge est argentée dans un bain classique de cyanure d'argent qui peut comprendre de 3 à 5 onces par gallon (de 20 à 30 gr par litre) de cyanure d'argent, de 4 à 8 onces par gallon (de 25 à 50 gr par litre) d'un cyanure de métal alcalin comme le cyanure de sodium ou le cyanure de potassium, et une certaine quantité d'un carbonate de métal alcalin présent d'ordinaire dans la solu- tion en quantités de l'ordre de 6 onces par gallon (37 gr par litre), l'argenture se faisant avec une densité de courant de 5 à 15 ampères @ par pied carré (0,6 à 1,7 ampère par décimètre carré)
. Il va de soi qu'on peut utiliser de nombreux autres bains d'argenture et procédés pour appliquer l'épaisseur voulue d'argent sur la verge de cuivre.
L'épaisseur de l'argent sera égale à environ de 1% à 12% du diamètre de la verge de cuivre, et de préférence de 5% à 10%.
La verge de cuivre pourvue de la couche d'argent est gainée d'un manchon ou tube d'aluminium. Elle peut être glissée dans un tube d'aluminium préparé à l'avance dont le diamètre intérieur est légèrement supérieur au diamètre de la tige argentée dans le cas d'une tige circulaire. La tige argentée peut avoir une longueur de 10 à 25 pieds (3 m à 7,5 m) et le tube'd'aluminiwn peut être légèrement plus long, ces longueurs étant données à titre d'exemple. L'épaisseur de paroi du tube d'aluminium est telle que sa section transversale soit au moins égale à 5% de la section transversale de l'âme en.cuivre.
La paroi du tube a habituellement une épaisseur comprise entre 0,01 pouce et 0,25 pouce (0,25 mm à 6,4 mm
Dans certains cas, la verge de cuivre argentée peut être recouverte d'une gaine d'aluminium par extrudage de l'aluminium sur la tige. La verge de cuivre argentée passe dans une filière creuse d'extrudage et une gaine ou manchon d'aluminium serrant est extrudé sur la tige à une température comprise entre 350 C et 500 C par exemple.
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Pour les applications à l'électricité, la verge de cuivre doit être en cuivre dur ou en cuivre sans oxygène, à haute conductibilité. Cependant, elle peut être composée d'alliages à base de cuivre contenant de petites quantités de divers constituants d'alliage donnant les caractéristiques électriques ou physiques désirées. Par exemple, la verge de cuivre peut contenir jusqu'à 0,2% en poids d'argent d'alliage. Le tube ou manchon d'aluminium peut être en aluminium pur de classe à conductibilité électrique ou peut être composé d'alliages à base d'aluminium comprenant jusqu'à 10% en poids de divers constituants d'alliage.
De bons résultats ont été obtenus en utilisant une gaine en alliage d'aluminium comprenant (a) 98,9% d'aluminium, 0,4% de magnésium et 0,7% de silicium; et (b) 99% d'aluminium et 1% de manganèse.
L'ensemble composé du tube ou manchon daluminium et delà verge de cuivre argentée est ensuite travaillé à froid par retreinte ou étirage, de façon à réduire la section transversale dans une proportion notable de l'ordre de 30 à 40% Le travail à froid doit réduire la section transversale du tube composite à une valeur notablement inférieure à la section transversale de la tige de cuivre initiale. Ce travail à froid a pour effet de resserrer le tube d'aluminium sur la couche d'argent, en contact très intime avec celle-ci.
De bons résultats ont été obtenus en travaillant à froid un ensemble comprenant un tube d'aluminium d'un diamètre extérieur de 0,46 pouce (11,6 mm et d'un- diamètre intérieur de 0,40 pouce '(10 mm) dans lequel on place une barre de cuivre d'un diamètre de 0,35 pouce (9 mm) recouvertè, par galvanoplastie, d'une couche d'argent d'une épaisseur de 0,025 pouce (0,64 mm de façon à obtenir un diamètre final, après réduction, d'environ 0,25 pouce 6,4 mm) . Cet ensemble composite, après réduction à froid, est recuit pendant une période de 10 à 20 minutes à une température comprise entre 350 c et 500 C maximum. Le recuit peut améliorer l'ad hérsnce entre l'aluminium et l'argent et entre l'argentelle' enivre.
Dans le cas de barres de cuivre de grand diamètre, par
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exemple d'un diamètre de 1 à 2 pouces (25 à 50 mm sur lesquelles on glisse un tube d'aluminium d'une épaisseur de paroi de 0,1 à 0,25' pouce (2,5 à 6,4 mm le diamètre est réduit à environ 3/8 de pouce 9,5 mm après le travail à froid initial Apres cette opération, le tube composite peut être passé dans une filière de nettoyage qui enlève les défauts de surface avant tréfilage en vue de l'obtention de fils minces. Le tube d'aluminium utilisé a initialement une épaisseur de paroi suffisante pour pouvoir supporter les pertes encourues dans la filière de nettoyage.
On peut utiliser une solution'caustique dans de l'hydroxyde de sodium aqueux à 5% pour enlever les défauts de la gaine d'alu- minium à tout moments le l'opération de tréfilage.
L'ensemble composite travaillé initialement à froid est ensuite soumis à une série d'opérations de tréfilage dans des filiè- res. Chaque filière est, de préférence, construite de façon à réduire la section transversale de l'ensemble dans une proportion plus importante que la. superficie de la section transversale de la gaine d'aluminium qui passerait seule dans la filière. Il a été constaté que si le tréfilage se fait de telle façon que les filières réduisent de moins que -la superficie de la section transversale de l'aluminium, il y a une forte tenda.ce à ce que l'aluminium s'arrache du cuivre. Il est donc extrêmement important que l'action de chaque filière soit 'profonde.
Un tréfilage profond réduit la. gaine d'aluminium et l'âme en cuivre dans les mêmes proportions, en substance. Il est évident qu'à chaque tréfilage, la section transversale delà couche d'argent est aussi- réduite.'On remarquera que le fil peut être recuit au cours des opérations, si cela est nécessaire, en le portant pendant quelques minutes à une température de 400 C. par exemple.
Il a été généralement possible de réduire un fil d'un diamètre d'un quart de pouce 6,4 mm) à un diamètre de 0,045 pouce 1,1 mm sans recui t. Cependant, des dimensions de fils plus réduites j par exemple des dimensions AWG de 30 à 40, peuvent exiger au -.loin un recuit intermédiaire avant le tréfilage final, afin d'enlever les ions Internes.
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Il a été constaté que la couche d'argent de sépare. -*.. est absolument nécessaire pour produire le fil composé de la présente invention. Si la. fonction principale de la couche d'argent de séparation est d'éviter la formation de couches de composés bimétalliques cassants entre l'aluminium et le cuivre, cette couche d'argent remplit aussi d'autres fonctions vitales. Pendant le tré- filage de la pièce composite, la dureté relative de l'aluminium, de l'argent et du cuivre est toujours telle que la dureté de l'ar- gent soit intermédiaire entre celles de l'aluminium et du cuivre.
Par exemple, les métaux purs recuits, qui ont une dureté Rockwell
F de 19 pour l'aluminium, 24 pour l'argent et 38 pour le cuivre, ont, après une réduction à froid ''de 60% une dureté de 38 pour l'alu- minium, 90 pour l'argent et 110 pour le cuivre. Maintenir la dureté de l'argent intermédiaire entre celles des deux autres métaux est un facteur très intéressant pour la production d'un fil gainé satisfaisant. Un métal dont la dureté dépasse celle du cuivre par exemple, peut avantager la séparation de l'âme de la gaine.
Une autre caractéristique de l'argent qui permet une utilisation satisfaisante de la présente invention est son module d'élasticité qui est égal à
11 x 106, valeur intermédiaire entre le module de l'aluminium égal à 10 x 10 et celui du cuivre égal à 16 x 106 Une propriété spéciale réside en ce que l'argent adhère métallurgiquement, par travail à froid seulement, à la fois à l'aluminium et au cuivre.
Il y a donc toujours bonne adhérence entre les trois constituants.
Il a été constaté qu'il suffit de nettoyer chimiquement le tube ou manchon d'aluminium avant son. application sur la barre de cuivre argentée, l'adhérence étant excellente quand le travail à froid resserre l'aluminium sur le noyau et élimine tous les vides.
Dans certains cas, .L'aluminium a été traité, après nettoyage, dans une solution courante de zincate, l'aluminium recouvert d.e zincate étant ensuite appliqué sur la barre de cuivre argentée. On a aussi obtenu une bonne adhérence métallurgique dans ce dernier cas.
La demanderesse a produit des quantités de fils gainés
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comprenant la gaine d'aluminium et l'âme argentée avec adhérence métallurgique entre les deux. Les fils ainsi produits ont d'excel lentes propriétés de surface permettant leur utilisation dans de nombreux types d'appareils électriques. Dans certains cas, le fil de cuivre à gaine d'aluminium peut être introduit dans les appareils sans autre traitement.. Dans d'autres cas, la gaine d'aluminium a éta anodisée et le produit anodisé peut être utilisé avec succès dans Des appareils électriques. Cependant; les produits les plus utiles ont été obtenus quand on émaille le produit à gaine d'aluminium anodisée ou non.
Dans les tours d'émaillage, le fil gainé est soumis à des températures de l'ordre de 400 c et ce choc thermique libère* et recuit le produit travaillé à froid pendent l'application de l'émail. Divers émaux organiques comprenant les émaux formal-phénoliques au polyvinyle pour fils, les émaux aux silicones, les émaux aux silicone-polyester-amides et des émul- sions de polytérafluoroéthylène ont été appliquasà ces fils gainés.
Tous ces fils émaillés ont été essayés et les revêtements d'émail résineux se sont avérés avoir, aux températures élevées, une durée de'vie beaucoup plus longue que des revêtements semblables sur fil de cuivre.
La figure 1 du dessin annexé représente un conducteur gainé 10 fabriqué suivant l'invention. Le conducteur comprend une âme 12 en cuivre ou en un alliage à base de cuivre. La surface de l'âne en cuivre est recouverte d'une mince couche d'argent de sépa- ration d'une épaisseur comprise entre 0,0001 et 0,001 de pouce (0,0025 à 0,025 mm Une gaine 16 en aluminium ou en un alliage à base d'aluminium constituant de 5 à 20% de la section transversale du conducteur 10 recouvre la surface extérieure et adhère métallur- giquement à la couche d'argent 14.
D'ordinaire les filières produisent du fil rond. Il est cependant souhaitable, dans certains cas, de disposer de fil de section transversale carrée ou rectangulaire. La demanderesse a fait nasser du fil rond entre des galets convenables pour produire
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@ fil rectangulaire ou du- fil carré suivant lademande. Aucune eoaratin entre l'aluminium et l'âme en cuivre argenté n'a été constaté même dans le cas d'un aplatissement poussé.
La figure 2 représente un fil de section rectangulaire 20 comprenant une âme rectangulaire 22 en cuivre, une couche d'argent 24. d'épaisseur semblable à celle de la couche 14 de la figure 1 et une gaine 26 en aluminium ou en alliage d'aluminium adhérant métallurgiquement à la. couche d'argent. Le fil rectangulaire 20 peut être obtenu en faisant passer le fil rond entre des séries de galets plats mis à angle droit l'un par rapport à l'autre, de façon à transformer le fil rond en un fil carré, comme représentée avec les coins arrondis.
La' figure 3 représente un fil de forme rectangulaire 30 obtenu en faisant passer du fil rond, comme le fil 10 de la figure 1 entre des galets. Le fil 30 comprend une âme 32 en alliage de cuivre, une couche d'argent 34 et une gaine d'aluminium 36 à surfaces supérieure et inférieure planes 38 et des côtés 40 plus.ou moins courbes.
Un exemple de mise en application de l'invention est donné ci-après. On argente de la verge de cuivre dur d'un diamètre de 0,35 pouce (9 mm la couche d'argent ayant une épaisseur de 0,025 pouce (0,64 mm le diamètre hors tout du cuivre argenté étant de 0,40 pouce (10 mm) et le diamètre extérieur étant de 0,46 pouce (11,6 mm Une longueur de verge de cuivre argentée est introduite dans un tube en alliage d'aluminium ayant un diamètre intérieur de 0,40 pouce (10 mm). Le tube est légèrement plus grand que la verge de cuivre argentée afin que celle-ci puisse y entrer facilement.
L'ensemble est travaillé à froid-dans deuxfilières en tandem de manière à ramener le diamètre à 0,25 pouce (6,4 mm Après cette réduction d'épaisseur, l'ensemble a été examiné au microscope et on a pu constater un contact très intime entre l'aluminium et la couche d'argent. L'ensemble est ensuite soumis au revenue en le chauffant à 400 C pendant 10 minutes. L'ensemble
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passe ensuite dans une série de 13 filières dans lesquelles- - la réduction en superficie est au moins de 19% et, dans certains cas, de 30%de la section transversale à chaque opération.
Les filières sont en carbure métallique avecdes angles d'inclinaison variant de 16 à 20 . Dans chaque cas, la réduction de superficie dépasse la superficie de la section. transversale de l'aluminium de l'ensemble avant son passage dans la filière considérée*' l'aluminium a été traité avec différents lubrifiants de filière comprenant de l'huile minérale, du graphite étant mélangé à l'huile dans certains cas.
Le fil dans son état final a un diamètre de 0,045 pouce (1,1 mm - AWG n 17). Des mensurations faites sur!-, fil montrent que la couche d'argent a une épaisseur de 0,0005 pouce (0,0125 mm) et que l'aluminium constitue approxi- mativement 10% de la section transversale du conduc teur. Des essais électriques montrent que la conductibilité du fil équivaut approximativement à 92% de la conductibilité d'un conducteur équivalent tout en cuivre.
Il a été constaté que la quantité minimum possible en pratique d'aluminium, dans le conducteur à l'état final pour des dimensions de fil plus faibles que l'AWG n 14 est approximativement de 8% de la section transversale totale. En y mettant un soin extrême, la gaine d'aluminium peut constituer à peine 5% de la section transversale totale du conducteur composé. Quand la gaine d'aluminium dépasse 20% de la section transversale du con- ducteur, la réduction doit être tellement forte dans chaque filière au'on rencontre des difficultés d'exécution. Par conséquent, l'aluminium constituera d'ordinaire de 5% à 20% de la section transversale .totale du conducteur gainé.
La figure 4 du dessin montre le- tréfilage de la verge gainée dans une filière. La. verge gainée 50 ¯dont le diamètre doit être réduit comprend une âme de cuivre 52, une couche d'argent 54 et une gaine d'aluminium 56. L'âme de cuivre 52 a un diamètre D.
La verge pénètre dans la filière 60 par l'entrée 62 et sort par la
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sortie 64 qui réduit la verge au diamètre D1 oui est légèrement inférieur au diamètre D. D'ordinaire, la section transversale en D1 est-notablement plus petite que la section transversale de l'âme en cuivre avant tréfilage, cette section étant au moins environ 5% plus' petite que la section transversale de diamètre D. Quand le fil gainé traverse une filière en respectant les proportions indiquées à la figure 4, la gaine d'aluminium ne s'arrache pas mais le fil entier est réduit proportionnellement.
Par conséquent, l'âme 70 du fil réduit 68, la couche d'argent 72 et la gaine d'aluminium 74 sont toutes réduites proportionnellement à leurs sections transversales initiales, 52,54 et 56.
REVENDICATIONS.
1.- Pièce filiforme allongée et fortement travaillée caractérisée en ce qu'elle comprend une âme allongée en cuivre, une couche d'argent d'une épaisseur moyenne d'au moins 0,0001 pouce (0,0025 mm) appliquée sur la surface de l'âme en cuivre et y adhérant, et une gaine d'aluminium relativement mince recouvrant la couche d'argent et y adhérant.
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The present invention relates to the manufacture of wire and other flexible sheathed products, comprising a copper core and an outer sheath of aluminum metallurgically adhered to the core and methods of making them.
It has long been sought to fabricate wires, tapes, rods and similar elongated pieces comprising a core of copper or a copper alloy having the outer surface covered with a relatively thin aluminum sheath. - Hitherto it has been very difficult to produce satisfactory aluminum sheathed copper wire. Two-way diffusion occurs at the contact surface of copper and aluminum, causing a very brittle layer of bimetallic compounds to form. This layer forms easily at moderately high temperatures.
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rees and especially during the enamelling of the wire, its treatment or when it is used in electrical devices operating at high temperatures.
This intermediate brittle layer easily breaks when bending the eldest wire, resulting in the aluminum slipping and separating from the copper core, leading in the case of moderate elongations. It is difficult to produce a thin, uniform layer or sheath of aluminum which adheres well to the copper wire and which withstands normal foreseeable handling and use.
A copper wire, the surface of which is covered with an aluminum coating, which is made metallurgically integral with it, has many advantages, especially for the electrical industry. For example, enamels of all kinds comprising common organic compounds and silicone resins resist much longer at any given elevated temperature when applied to an aluminum-faced wire, than in the case of ordinary copper wire. . The advantages of wires and other elongated parts with an aluminum surface are particularly interesting at high temperatures, this case often occurring in electrical equipment.
When electrical equipment is subjected to harsher operating conditions and must work with higher flow rates, the operating temperatures are correspondingly increased. The use of conductors with an aluninium surface allow a very serious increase in operating temperatures for a given life of the electrical equipment or a longer life at the same temperature, compared to conductors. ordinary copper-
Since a copper conductor has a much greater electrical conductivity or an aluminum conductor of the same cross section, it is desirable from the standpoint of bulk to use a copper conductor rather than an aluminum conductor.
However, one cannot enjoy both advantages. stages of high electrical conductivity per unit area
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'In cross section and good behavior at elevated temperatures, than by using a sheathed conductor of which the major part of the cross section is copper, with a relatively thin outer sheath of aluminum. Typically, the conductor will be 80% to 95% copper with the remainder being aluminum.
Efforts to date to produce sheathed wires, and similar sheathed elongates, comprising a copper core and a thin outer layer of aluminum, have had little success. In many cases, it has been necessary to have recourse to extremely expensive and complicated procedures, and still to no satisfaction.
The main object of the invention is to provide a sheathed wire comprising a copper core, a silver separation layer and a thin aluminum sheath which is made metallurgically integral with it.
It is also an object of the invention to provide methods of making sheathed wires and similar sheathed elongate pieces, where a copper core constitutes the major part of the cross section, with a relatively thin surface layer of aluminum made metallurgically integral. of the core thanks to the interposition of a silver separation layer, the said parts being intended for electrical devices.
The invention will emerge clearly from the description given below of several preferred embodiments which are shown, by way of example, in the accompanying drawing.
Figure 1 is a perspective view, partly in section, of a circular sheathed conductor.
Fig. 2 is a cross section of a square shaped sheathed conductor.
Figure 3 is a cross section of a sheathed conductor of rectangular cross section, and
Figure 4 is a vertical section of a die in the conductor undergoes a reduction in section.
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The processes described herein are especially suitable for the production of flexible sheathed elongate, well adhered sheathed parts comprising a copper core, a thin silver release layer and a thin aluminum sheath. By these methods, the jacketed parts can be produced quickly and economically. The sheathed parts have proved to be highly satisfactory either in the form of enameled wire or in other applications in the electrical industry.
More particularly, an aluminum sheath can be applied to a copper wire and made metallurgically integral with the wire, according to the invention, by interposing a thin separating layer of silver between the copper and the aluminum. In addition, certain techniques will be described below for successfully working a prefabricated blank comprising an aluminum sheath on a rod of silver-plated copper, so as to obtain a wire, a bar, a strip or any other elongated part of any dimension. - desired form or shape.
More especially a copper rod or bar of suitable diameter, for example a round rod with a diameter between 1/4 inch and 2 inches (6.4 to 51 mm), is cleaned so as to remove all dirt, grease , oxides and other surface defects. The cleaned copper rod is then provided with an impermeable silver layer or coating. The silver can be deposited by spraying, or several silver leaves can surround the stem.
Excellent results have been obtained by electroplating, depositing on the rod of copper a layer of silver between 0.005 and 0.25 inches (0.125 to 6.4 mm) thick. It goes without saying that the electroplating of the silver on the rod is done by common means. This electroplating operation generally comprises, first, a pre-silvering of the cleaned copper rod in a light silver plating solution composed of 0.5 to 0.7 ounces per gallon (3 to 4.5 gr per liter) and 8 to 10 ounces per gallon (50 to 60 gr per liter) of sodium cyanide, the silvering being done with
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a current density of 15 to 25 amps per square foot (1.7 to 2.8 amps per square decimetre).
After silvering for a few minutes, or 5 to 10 minutes in the light silver plating solution, the rod is silvered in a conventional silver cyanide bath which can comprise from 3 to 5 ounces per gallon (from 20 to 30 gr per liter) of silver cyanide, 4 to 8 ounces per gallon (25 to 50 gr per liter) of an alkali metal cyanide such as sodium cyanide or potassium cyanide, and a certain amount of a alkali metal carbonate usually present in the solution in amounts on the order of 6 ounces per gallon (37 gr per liter), the silver plating being done at a current density of 5 to 15 amps @ per square foot (0.6 to 1.7 amps per square decimeter)
. Of course, many other silvering baths and methods can be used to apply the desired thickness of silver to the copper rod.
The thickness of the silver will be about 1% to 12% of the diameter of the copper rod, and preferably 5% to 10%.
The copper rod provided with the silver layer is sheathed with an aluminum sleeve or tube. It can be slipped into an aluminum tube prepared in advance, the inside diameter of which is slightly greater than the diameter of the silver rod in the case of a circular rod. The silver rod can be 10 to 25 feet (3m to 7.5m) in length and the aluminum tube can be slightly longer, these lengths being given as an example. The wall thickness of the aluminum tube is such that its cross section is at least equal to 5% of the cross section of the copper core.
The wall of the tube is usually between 0.01 inch and 0.25 inch (0.25 mm to 6.4 mm
In some cases, the silver plated copper rod can be covered with an aluminum jacket by extruding the aluminum onto the rod. The silver-plated copper rod passes through a hollow extrusion die and a tightening aluminum sheath or sleeve is extruded onto the rod at a temperature between 350 C and 500 C for example.
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For electrical applications, the copper rod should be hard copper or high conductivity oxygen-free copper. However, it can be composed of copper base alloys containing small amounts of various alloy constituents giving the desired electrical or physical characteristics. For example, the copper rod can contain up to 0.2% by weight of alloy silver. The aluminum tube or sleeve may be pure electrically conductive class aluminum or may be composed of aluminum base alloys comprising up to 10% by weight of various alloy constituents.
Good results have been obtained using an aluminum alloy sheath comprising (a) 98.9% aluminum, 0.4% magnesium and 0.7% silicon; and (b) 99% aluminum and 1% manganese.
The assembly made up of the aluminum tube or sleeve and its silver-plated copper rod is then cold worked by shrinking or drawing, so as to reduce the cross section in a significant proportion of the order of 30 to 40%. reducing the cross section of the composite tube to a value significantly less than the cross section of the initial copper rod. This cold work has the effect of tightening the aluminum tube on the silver layer, in very intimate contact with it.
Good results have been obtained by cold working an assembly comprising an aluminum tube having an outside diameter of 0.46 inch (11.6 mm and an inside diameter of 0.40 inch (10 mm). in which is placed a copper bar with a diameter of 0.35 inch (9 mm) covered, by electroplating, with a layer of silver of a thickness of 0.025 inch (0.64 mm so as to obtain a final diameter, after reduction, about 0.25 inch (6.4 mm). This composite assembly, after cold reduction, is annealed for a period of 10 to 20 minutes at a temperature of between 350 ° C and 500 ° C maximum. Annealing can improve the adhesion between aluminum and silver and between silvered silver.
In the case of large diameter copper bars, for example
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example of a diameter of 1 to 2 inches (25 to 50 mm on which we slide an aluminum tube with a wall thickness of 0.1 to 0.25 '' (2.5 to 6.4 mm on diameter is reduced to about 3/8 of an inch 9.5 mm after the initial cold working After this operation, the composite tube can be passed through a cleaning die which removes surface defects before drawing to obtain Thin wires The aluminum tube used initially has a sufficient wall thickness to be able to withstand the losses incurred in the cleaning die.
A caustic solution in 5% aqueous sodium hydroxide can be used to remove defects from the aluminum cladding at any time during the drawing operation.
The composite assembly, initially cold worked, is then subjected to a series of drawing operations in dies. Each die is preferably constructed so as to reduce the cross section of the assembly by a greater proportion than the. area of the cross-section of the aluminum sheath that would pass alone through the die. It has been found that if the wire drawing is done in such a way that the dies reduce by less than the cross-sectional area of the aluminum, there is a strong tendency for the aluminum to pull away from the aluminum. copper. It is therefore extremely important that the action of each sector be 'profound.
Deep drawing reduces the. aluminum sheath and copper core in substantially the same proportions. It is evident that with each drawing the cross section of the silver layer is also reduced. It will be appreciated that the wire can be annealed during operations, if necessary, by heating it for a few minutes at a temperature. of 400 C. for example.
It has generally been possible to reduce a wire of a quarter inch diameter (6.4 mm) to a diameter of 0.045 inch 1.1 mm without annealing. However, smaller wire sizes, eg AWG sizes of 30 to 40, may require further intermediate annealing prior to final drawing, in order to remove internal ions.
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It was found that the silver layer separates. - * .. is absolutely necessary to produce the compound yarn of the present invention. If the. Main function of the silver separating layer is to prevent the formation of brittle bimetallic compound layers between aluminum and copper, this silver layer also performs other vital functions. During the drawing of the composite part, the relative hardness of aluminum, silver and copper is always such that the hardness of silver is intermediate between those of aluminum and copper.
For example, pure annealed metals, which have a Rockwell hardness
F of 19 for aluminum, 24 for silver and 38 for copper, have, after a cold reduction '' of 60% a hardness of 38 for aluminum, 90 for silver and 110 for the copper. Maintaining the hardness of silver intermediate between those of the other two metals is a very valuable factor in the production of a satisfactory coated wire. A metal whose hardness exceeds that of copper, for example, can favor the separation of the core from the cladding.
Another characteristic of silver which allows satisfactory use of the present invention is its modulus of elasticity which is equal to
11 x 106, intermediate value between the modulus of aluminum equal to 10 x 10 and that of copper equal to 16 x 106 A special property lies in that the silver adheres metallurgically, by cold working only, both to aluminum and copper.
There is therefore always good adhesion between the three constituents.
It has been found that it is sufficient to chemically clean the aluminum tube or sleeve before its. application to silver copper bar, adhesion being excellent when cold working tightens the aluminum to the core and eliminates all voids.
In some cases the aluminum has been treated, after cleaning, in a common zincate solution, the zincate coated aluminum then being applied to the silver plated copper bar. Good metallurgical adhesion was also obtained in the latter case.
The Applicant has produced quantities of coated yarns
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comprising the aluminum sheath and the silver core with metallurgical adhesion between the two. The wires thus produced have excellent surface properties allowing their use in many types of electrical apparatus. In some cases, the aluminum sheathed copper wire can be fed into the devices without further processing. In other cases, the aluminum sheath has been anodized and the anodized product can be successfully used in the devices. electric. However; the most useful products were obtained when the product with an anodized aluminum sheath or not is enameled.
In the enamelling towers, the sheathed wire is subjected to temperatures of the order of 400 ° C. and this thermal shock releases * and anneals the cold-worked product during the application of the enamel. Various organic enamels including formal-phenolic polyvinyl yarn enamels, silicone enamels, silicone-polyester-amide enamels and polyterafluoroethylene emulsions have been applied to these sheathed yarns.
All of these enameled wires have been tested and resinous enamel coatings have been shown to have, at elevated temperatures, a much longer life than similar coatings on copper wire.
Figure 1 of the accompanying drawing shows a sheathed conductor 10 manufactured according to the invention. The conductor comprises a core 12 of copper or a copper-based alloy. The surface of the copper donkey is covered with a thin layer of silver separating with a thickness between 0.0001 and 0.001 of an inch (0.0025 to 0.025 mm A sheath 16 of aluminum or a Aluminum-based alloy constituting 5-20% of the cross-sectional area of conductor 10 covers the exterior surface and metallurgically adheres to the silver layer 14.
Usually the dies produce round yarn. However, in some cases it is desirable to have wire of square or rectangular cross section. The applicant has had round wire woven between suitable rollers to produce
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@ rectangular wire or square wire according to demand. No eoaratin between the aluminum and the silver copper core was found even in the case of extensive flattening.
FIG. 2 represents a wire of rectangular section 20 comprising a rectangular core 22 made of copper, a layer of silver 24. of a thickness similar to that of layer 14 of FIG. 1 and a sheath 26 of aluminum or an alloy of aluminum metallurgically adhering to the. silver layer. The rectangular wire 20 can be obtained by passing the round wire between series of flat rollers set at right angles to each other, so as to transform the round wire into a square wire, as shown with the corners. rounded.
Figure 3 shows a rectangular shaped wire 30 obtained by passing round wire, such as the wire 10 of Figure 1 between rollers. The wire 30 includes a copper alloy core 32, a silver layer 34 and an aluminum sheath 36 with flat upper and lower surfaces 38 and more or less curved sides 40.
An example of the application of the invention is given below. Hard copper rod 0.35 inch in diameter is silvered (9 mm the silver layer having a thickness of 0.025 inch (0.64 mm the overall diameter of the silvered copper being 0.40 inch ( 10mm) and the outside diameter being 0.46 inch (11.6mm) A rod length of silver copper is fed into an aluminum alloy tube having an inside diameter of 0.40 inch (10mm). tube is slightly larger than the silver copper rod so that the latter can enter easily.
The assembly is cold worked in two threads in tandem so as to reduce the diameter to 0.25 inch (6.4 mm After this reduction in thickness, the assembly was examined under a microscope and contact was observed. very intimate between the aluminum and the silver layer.The assembly is then subjected to tempering by heating it at 400 ° C. for 10 minutes.
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then passes through a series of 13 dies in which - - the reduction in area is at least 19% and in some cases 30% of the cross section at each operation.
The dies are made of metal carbide with inclination angles varying from 16 to 20. In each case, the area reduction exceeds the area of the section. transverse of the aluminum of the assembly before it passes through the die considered * 'the aluminum has been treated with various die lubricants comprising mineral oil, graphite being mixed with the oil in certain cases.
The wire in its final state is 0.045 inch (1.1mm - AWG # 17) in diameter. Measurements taken on the wire show that the silver layer is 0.0005 inch (0.0125 mm) thick and that the aluminum constitutes approximately 10% of the cross section of the conductor. Electrical tests show that the conductivity of the wire is approximately 92% of the conductivity of an equivalent all copper conductor.
It has been found that the practical minimum possible amount of aluminum in the end state conductor for wire sizes smaller than AWG # 14 is approximately 8% of the total cross section. With extreme care, the aluminum jacket can constitute as little as 5% of the total cross section of the composite conductor. When the aluminum sheath exceeds 20% of the cross section of the conductor, the reduction must be so great in each die that execution difficulties are encountered. Therefore, aluminum will ordinarily constitute 5% to 20% of the total cross sectional area of the sheathed conductor.
Figure 4 of the drawing shows the wire drawing of the sheathed rod through a die. The 50 ¯ sheathed yard whose diameter is to be reduced comprises a copper core 52, a silver layer 54 and an aluminum sheath 56. The copper core 52 has a diameter D.
The rod enters the die 60 through the entry 62 and leaves through the
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outlet 64 which reduces the shank to diameter D1 yes is slightly smaller than diameter D. Usually, the cross section at D1 is significantly smaller than the cross section of the copper core before drawing, this section being at least about 5% smaller than the cross section of diameter D. When the sheathed wire passes through a die in the proportions shown in Figure 4, the aluminum sheath does not tear off but the entire wire is reduced proportionally.
Therefore, the core 70 of the reduced wire 68, the silver layer 72 and the aluminum sheath 74 are all reduced in proportion to their initial cross sections, 52, 54 and 56.
CLAIMS.
1.- Elongated and heavily worked filiform piece characterized in that it comprises an elongated copper core, a layer of silver with an average thickness of at least 0.0001 inch (0.0025 mm) applied to the surface copper core and adhering thereto, and a relatively thin aluminum sheath covering and adhering to the silver layer.