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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.