EP2853613A1 - Alliage d aluminium à conductivité électrique élevée - Google Patents

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EP2853613A1
EP2853613A1 EP20140186345 EP14186345A EP2853613A1 EP 2853613 A1 EP2853613 A1 EP 2853613A1 EP 20140186345 EP20140186345 EP 20140186345 EP 14186345 A EP14186345 A EP 14186345A EP 2853613 A1 EP2853613 A1 EP 2853613A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
alloy
erbium
aluminum alloy
aluminum
electrical cable
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20140186345
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Emilien Comoret
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nexans SA
Original Assignee
Nexans SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nexans SA filed Critical Nexans SA
Publication of EP2853613A1 publication Critical patent/EP2853613A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/023—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/0006—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables for reducing the size of conductors or cables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/0016—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables for heat treatment

Definitions

  • the present invention relates to an electrical cable comprising an elongated electrically conductive member of aluminum alloy, as well as to a method of manufacturing said alloy and to a method of manufacturing said cable.
  • These cables are conventionally composed of a central reinforcing element, surrounded by at least one electrically conductive layer.
  • the central reinforcing element may be a composite or metallic element.
  • the electrically conductive layer can in turn typically comprise an assembly of metal strands, preferably twisted around the central element.
  • the metal strands may be strands of aluminum, copper, aluminum alloy or copper alloy. That said, the electrically conductive layer is generally made of aluminum or an aluminum alloy, since this material has a relatively low weight compared to other electrically conductive materials.
  • Al-Er alloy used as an electrical conductor whose hardness is improved.
  • Said alloy consists of 0.01 to 0.40% by weight of erbium (Er), the remainder of the alloy being pure aluminum (Al) only.
  • This aluminum-erbium alloy ie Al-Er alloy
  • This aluminum-erbium alloy is obtained by a process comprising a step of casting the molten Al-Er alloy, then one or more hot extrusion steps, and then one or more several annealing steps (known step annealing step ) at a temperature of about 420 ° C for 50 hours, and finally a cold drawing step, in order to obtain alloy son Al- Er 4 mm in diameter.
  • this Al-Er alloy has the disadvantage of having a decreased electrical conductivity compared to pure aluminum.
  • the method of manufacturing said Al-Er alloy, and in particular the hot extrusion and annealing steps do not allow, on the one hand, to control the microstructure of erbium precipitates (Al 3 Er), and on the other hand to produce enough erbium precipitates in said alloy. As a result, this process induces a decrease in the breaking strength and electrical conductivity of said alloy.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of the techniques of the prior art by proposing an aluminum alloy, in particular used as elongated electrically conductive element in an electric cable, comprising aluminum and aluminum. erbium, easy to manufacture, with improved electrical properties, while guaranteeing good mechanical properties.
  • the present invention relates to an electric cable, in particular of the OHL type, comprising an elongated electrically conductive element made of aluminum alloy comprising aluminum (Al) and erbium precipitates (Al 3 Er), characterized in that said aluminum alloy further comprises a member selected from iron (Fe), copper (Cu) and mixtures thereof; and unavoidable impurities.
  • the aluminum alloy of the electric cable of the invention has good mechanical properties, especially in terms of resistance to hot creep and tensile strength, and good electrical properties, especially in terms of conductivity. Indeed, the presence of iron and / or copper promotes the precipitation of erbium, and thus the increase in electrical conductivity.
  • the erbium precipitates (Al 3 Er) have an average size strictly less than about 1 ⁇ m, and preferably less than about 0.5 ⁇ m.
  • the erbium precipitates (Al 3 Er) have an average size ranging from 1 to about 100 nm, and preferably ranging from about 2 nm to about 50 nm.
  • the erbium precipitates (Al 3 Er) present in the aluminum alloy are spherical.
  • the electrical cable may further comprise an elongate reinforcing member.
  • an elongate reinforcing element makes it possible in particular to form an aerial power transmission cable (i.e. OHL cable).
  • the elongated reinforcing element is surrounded by said electrically conductive element, the elongated reinforcing element being in particular a central element.
  • the aluminum alloy comprises iron (Fe), and optionally copper (Cu), and even more preferably iron (Fe) and copper (Cu).
  • the amount of erbium in the aluminum alloy of the invention may advantageously be at least 100 ppm by weight.
  • the aluminum alloy may not include enough erbium precipitates to maintain good electrical conductivity.
  • the small amount of erbium i.e. less than 100 ppm can be trapped by the iron, when the latter is present, inducing a degradation of the mechanical and electrical properties of said alloy.
  • the amount of erbium in the aluminum alloy of the invention may advantageously be at most 10,000 ppm by weight. Above 10,000 ppm by weight of erbium, the electrical conductivity of the alloy can drop significantly, in particular because of the excessive agglomeration of erbium precipitates in said alloy.
  • the aluminum alloy of the invention may comprise from 250 ppm to 5000 ppm by weight of erbium, and preferably from 800 to 4000 ppm by weight of erbium.
  • ppm means "parts per million by weight”. In other words, the ppm content of an element is expressed relative to the total weight of the alloy.
  • the presence of iron in the aluminum alloy of the invention makes it possible to improve the mechanical properties with respect to the breaking strength, while maintaining a good electrical conductivity.
  • the aluminum alloy of the invention may comprise at least 1000 ppm by weight of iron, preferably from 1500 ppm to 4000 ppm by weight of iron, and more preferably from 2500 ppm to 3500 ppm by weight of iron.
  • the presence of copper in the aluminum alloy of the invention makes it possible to improve the mechanical properties with respect to the resistance to hot creep, while maintaining good electrical conductivity.
  • An alloy having good creep resistance withstands deformation under long-term mechanical stresses at elevated temperatures.
  • the aluminum alloy of the invention may comprise from 500 ppm to 3500 ppm by weight of copper, preferably from 1200 ppm to 2200 ppm by weight of copper.
  • the aluminum alloy of the invention may comprise from 1500 ppm to 4000 ppm by weight of iron and from 500 ppm to 3500 ppm by weight of copper, and preferably from 2500 ppm to 3500 ppm in weight of iron and from 1200 ppm to 2200 ppm by weight of copper.
  • the aluminum alloy of the electric cable has both good electrical properties and good mechanical properties.
  • the erbium present in the aluminum alloy of the invention combines in particular iron and / or copper and / or unavoidable impurities, to "purify” the aluminum alloy and thus increase its electrical conductivity up to 5% IACS or more.
  • the electrical conductivity of the aluminum alloy of the invention may be at least 59% International Annealed Copper Standard (IACS), preferably at least 61% IACS, and preferably at least 62% IACS. .
  • IACS International Annealed Copper Standard
  • the aluminum alloy of the invention comprises only aluminum; erbium; an element selected from iron, copper and their mixture; and unavoidable impurities. Indeed, if we add other elements in the alloy, the electrical conductivity can drop sharply. For electrical applications, it is important to keep the aluminum alloy as pure as possible.
  • the aluminum content of the alloy of the invention may be at least 95.00% by weight, preferably at least 98.00% by weight, preferably at least 99.00% by weight preferably at least 99.50% by weight, and preferably at least 99.70% by weight.
  • the content of unavoidable impurities in the aluminum alloy according to the invention may be at most 1.50% by weight, preferably at most 1.10% by weight, preferably at most 0, 60% by weight, preferably at most 0.30% by weight, and preferably at most 0.10% by weight.
  • the term "unavoidable impurities" means the sum of metallic or non-metallic elements included in the alloy, excluding aluminum, erbium, iron, copper, and possibly oxygen, during the manufacture of said alloy.
  • These unavoidable impurities may be for example one or more of the following elements: Ag, Cd, Cr, Mg, Mn, Pb, Si, Ti, V, Ni, S, and / or Zn.
  • These unavoidable impurities may also be Y (yttrium) or Zr (zirconium).
  • the elongated electrically conductive element may be one or more metal strands of aluminum alloy of the invention.
  • the elongated electrically conductive member may comprise an assembly of aluminum alloy wire strands.
  • This assembly may in particular form at least one layer of the continuous envelope type, for example of circular or oval or square cross section.
  • the electrical cable of the invention comprises an elongated reinforcing member
  • said assembly may be positioned around the elongate reinforcing member.
  • the metal strands may be of round, trapezoidal or Z-shaped cross section.
  • the strands When the strands are of round cross section, they can have a diameter ranging from 2.25 mm to 4.75 mm. When the strands are of non-round cross section, their equivalent diameter in round section can also range from 2.25 mm to 4.75 mm.
  • the elongate reinforcing member is surrounded by at least one layer of an assembly of aluminum alloy wire strands of the invention.
  • the metal strands constituting at least one layer of an assembly of aluminum alloy metal strands of the invention are capable of conferring on said layer a substantially regular surface, each constituent strand of the layer being able to have a cross-section of complementary shape to the (s) strand (s) which is / are adjacent (s).
  • each constituent strand of the layer may in particular have a cross section of shape complementary to the (x) strand (s) which is / are adjacent thereto ( s) "is understood to mean that: the juxtaposition or the interlocking of all the constituent strands of the layer forms a continuous envelope (without irregularities), for example of circular or oval or square section.
  • the Z-shaped or trapezoid-shaped cross-section strands make it possible to obtain a regular envelope, unlike the round cross-section strands.
  • strands of Z-shaped cross-section are preferred.
  • said layer formed by the assembly of the metal strands has a cross section in the form of a ring.
  • the elongated reinforcing member may be typically a composite or metallic member.
  • a composite or metallic member By way of example, mention may be made of steel strands or composite strands of aluminum in an organic matrix.
  • the elongated electrically conductive member of the invention may be twisted around the elongated reinforcing member, particularly when said elongated electrically conductive member is a metal strand assembly.
  • the inventors of the present application have surprisingly discovered that the electrical conductivity of the alloy obtained at the end of the heating step iv is increased.
  • sufficient erbium precipitates are formed to allow the increase of the electrical conductivity with respect to an alloy which does not contain any erbium.
  • the addition of iron and / or copper in the alloy, associated with the rolling steps iii and iv of the process of the invention lead to an alloy having both improved mechanical properties, especially in terms of resistance to hot creep and breaking strength, and better electrical conductivity.
  • Erbium precipitates Al 3 Er formed during step iv of the process of the invention are so-called "secondary" precipitates which must be differentiated from so-called “primary” erbium precipitates which may possibly form after a casting step.
  • These primary precipitates are very coarse (ie they have an average size ranging from 0.5 to 10 ⁇ m) and are not spherical in contrast to secondary precipitates. The primary precipitates do not make it possible to form an alloy having a good conductivity. Only step iv makes it possible to form secondary erbium precipitates, the latter having a suitable size and shape in order to be able to improve the electrical properties of the alloy of the invention.
  • Step i may be conventionally carried out by incorporating a master alloy (i.e. "master alloy” in English) comprising aluminum; erbium; iron and / or copper; in a bath of molten aluminum, substantially pure.
  • master alloy i.e. "master alloy” in English
  • Step ii allows in particular to form, by cooling the casting (ie solidification), a cast aluminum alloy, especially in the form of a bar.
  • the cross section of the bar can range for example from 500 mm 2 to 2500 mm 2 or more.
  • the casting step ii is carried out at a temperature ranging from about 670 ° C to about 850 ° C, and preferably from about 710 ° C to about 780 ° C.
  • the casting step can be carried out continuously, in particular using a rotating wheel, called "casting".
  • the cooling is preferably carried out abruptly, in particular by passing from a temperature of about 670 ° C. to about 850 ° C. at a temperature of about 150 ° C. in a few minutes, About 15 minutes, and preferably about 1 to about 5 minutes.
  • step ii an aluminum phase is obtained with erbium at the aluminum sites without formation or with a limited formation of primary erbium precipitates.
  • Step iii allows said casting aluminum alloy to be rolled to a rolled alloy.
  • the casting and rolling steps iii make it possible to control the microstructure of the erbium precipitates in said alloy while avoiding the formation of large precipitates of erbium (ie primary precipitates), and thus guarantee the obtaining of an alloy of aluminum having good mechanical properties, especially in terms of breaking strength.
  • Said laminated alloy preferably has a cross section, round.
  • the diameter of the cross section may be, for example, from about 7 mm to about 26 mm.
  • the rolling step iii can be carried out hot, especially at a temperature ranging from 300 to 450 ° C.
  • the step iv of heating the rolled alloy makes it possible, in turn, to control the microstructure of the erbium precipitates in said alloy (i.e. formation of secondary precipitates) and also to form sufficient erbium precipitates.
  • the erbium can be combined in particular with iron and / or copper and / or unavoidable impurities, to "purify" the aluminum alloy of the invention and thus, increase its electrical conductivity up to 5% IACS or more.
  • the erbium precipitates (Al 3 Er) obtained at the end of step iv have an average size strictly less than about 1 micron, and preferably less than about 0.5 microns.
  • the erbium precipitates (Al 3 Er) obtained at the end of step iv have an average size ranging from 1 to 100 nm, and preferably ranging from 2 to nm at about 50 nm.
  • the erbium precipitates (Al 3 Er) present in the aluminum alloy are spherical.
  • this step iv makes it possible to obtain at least 80 parts by weight of erbium in the form of precipitates per 100 parts by weight of erbium in the aluminum alloy manufactured according to process of the invention, and preferably at least 90 parts by weight of erbium in the form of precipitates per 100 parts by weight of erbium in the aluminum alloy manufactured according to the process of the invention.
  • This step iv may preferably be a so-called "income” step, well known to those skilled in the art.
  • step iv is carried out at a temperature ranging from 150 to 450 ° C, and preferably from 300 to 400 ° C.
  • the duration of the heating step iv is from about 10 minutes to about 48 hours, and preferably from about 10 hours to about 18 hours.
  • the heating according to step iv can be carried out using an electric oven and / or an induction furnace and / or a gas oven.
  • the cold working step v may preferably be a drawing step, and in particular makes it possible to obtain metal alloy strands (or wires) of aluminum, in particular of round or trapezoidal or Z-shaped cross section.
  • the diameter of the cross section can range from 0.2 mm to 5.0 mm.
  • This step vi may preferably be a so-called “annealing” step, well known under the anglicism " annealing step ".
  • step vi is carried out at a temperature ranging from 200 ° C. to 400 ° C.
  • the duration of the heating step vi is from 30 minutes to about 10 hours.
  • the heating step vi is intended to soften the cold worked alloy of step v, that is to say to eliminate a part of the deformation caused in particular by the drawing step v, without modify the microstructure of the erbium precipitates obtained at the end of step iv.
  • step vi may lead to an aluminum alloy having an elongation at break of at most 30%, and preferably at most 5%.
  • the process for producing the aluminum alloy of the invention is an easy process to carry out. In addition, it provides an alloy having both good electrical properties and good mechanical properties.
  • the aluminum alloy described in the above process may be that described in the electrical cable of the invention.
  • the aluminum alloy described in the process above comprises iron (Fe), and optionally copper (Cu), and even more preferably iron (Fe) and copper (Cu).
  • Another object of the invention is an aluminum alloy obtained according to the process for manufacturing an aluminum alloy comprising aluminum and erbium precipitates as defined above.
  • Said aluminum alloy obtained from the process for manufacturing an aluminum alloy comprising aluminum and erbium (the erbium not being in the form of precipitates), may comprise at least 80 parts by weight of erbium in the form of precipitates per 100 parts by weight of erbium in said alloy, and preferably at least 90 parts by weight of erbium in the form of precipitates per 100 parts by weight of erbium in said alloy. Due to its high content of erbium precipitates, the aluminum alloy has improved electrical properties.
  • step a is to obtain said metal strands
  • step b is to position the metal strands around the strand member. reinforcement, so as to form at least one layer of said metal strands around said reinforcing member.
  • the metal strands are twisted around said reinforcing member.
  • each metal strand has a cross-section of complementary shape to the strand (s) adjacent thereto, and being able to give said layer a surface substantially regular.
  • the figure 1 represents a first variant of a high voltage electrical transmission electric cable of the type OHL 100A according to the invention, seen in cross section, comprising an elongated electrically conductive element 10A composed of three layers of a metal strand assembly 1A of alloy of the invention. These three layers surround an elongate central reinforcing element 20A.
  • the metal strands 1A constituting said layers have a cross section of round shape.
  • the figure 2 represents a second variant of a high voltage electric transmission electric cable of the OHL 100B type according to the invention, seen in cross section, comprising an elongate electrically conductive element 10B composed of two layers of a metal strand assembly 1B of alloy of the invention. These two layers surround an elongated central reinforcing element 20B.
  • the metal strands 1B constituting said layers have a trapezoidal cross section.
  • the figure 3 represents a third variant of a high voltage electrical transmission electric cable of the OHL 100C type according to the invention, seen in cross section, comprising an elongated electrically conductive element 10C composed of two layers of a metal wire assembly 1C of alloy of the invention. These two layers surround a central element 20C elongated reinforcement.
  • the constituent metal strands 1C of said layers have a Z-shaped cross section (or of "S" shape according to the orientation of the Z).
  • the geometry of the strands in the shape of "Z” makes it possible to obtain a surface almost devoid of interstices that can generate accumulations of moisture and thus poles of corrosion.
  • the central element 20A, 20B, 20C which is an elongated reinforcement, represented in the Figures 1, 2 and 3 may be for example steel strands 2A, 2B, 2C or composite strands 2A, 2B, 2C of aluminum in an organic matrix.
  • step i After incorporating a master alloy of aluminum, erbium (erbium not being in the form of precipitates), copper and iron, in a molten bath of pure aluminum with more than 98.9% by weight the mixture is mixed to homogenize the pure aluminum and the master alloy, and thus form a molten alloy (step i).
  • the molten alloy is then cast in a cylindrical die to form a bar of a so-called "raw cast” alloy which is solidified by cooling from a temperature of 670 ° C. to 850 ° C. temperature of 150 ° C in 1 min: the cylindrical bar formed to a diameter of 30 mm (step ii).
  • the cylindrical bar, directly formed in the previous step, is hot-rolled to obtain a bar of smaller diameter, namely a bar with a diameter of 9.5 mm (step iii).
  • the bar of the previous step is heated at 350 ° C for 15h to form erbium precipitates (step iv).
  • step v the heated bar of the previous step is cold-drawn to obtain alloy wires of the invention (i.e. metal alloy strands of the invention) of 3 mm diameter (step v).
  • Each of the alloys of the invention comprises at most 1.1% by weight of unavoidable impurities.
  • Table 1 below shows the erbium, copper and iron contents of each of the aluminum alloys A1 and A2 in accordance with the invention, as well as the electrical conductivity of the alloy wires obtained.
  • Table 1 also includes four comparative alloys A01, A02, A03 and A04 not forming part of the invention since A01 does not include erbium, A02 does not include copper and iron, and A03 and A04 do not have undergone heating step according to step iv of the method of the invention.
  • the alloy A01 is sold under the reference Al1120 by Nexans.
  • the alloy A02 is obtained according to the process described in CN 101418401 (Process not including steps iii and iv) ⁇ b> TABLE 1 ⁇ / b> Alloy Erbium content (in ppm) Copper content (in ppm) Iron content (in ppm) Heating conditions of step iv Electrical conductivity (% IACS) A1 1000 1700 3000 350 ° C, 15h 61.1 A2 3000 1700 3000 350 ° C, 15h 62.0 A01 - 1700 3000 - 59.1 A02 2000/4000 - - - 60.9 / 60.8 A03 1000 1700 3000 - 58.7 A04 3000 1700 3000 - 59.7
  • the presence of erbium in the alloy of the invention improves its electrical conductivity, in particular thanks to the heating step iv of the process of the invention which makes it possible to form enough erbium precipitates having a controlled microstructure.
  • iron and copper makes it possible to maintain good properties of electrical conductivity, or even to improve them, while obtaining better mechanical properties, in particular in terms of resistance to hot creep and breaking strength.
  • An alloy A05 not in accordance with the invention was prepared according to the process as described above, except that it did not undergo a heating step and that it comprised 3000 ppm by weight of erbium, 1500 ppm by weight of copper and 2500 ppm by weight of iron.
  • the alloy A05 does not form part of the invention since it has not undergone a heating step in accordance with step iv of the process of the invention.
  • the figure 4 appended shows a view by SEM of said alloy A05 (ie after step ii of casting / solidification).
  • erbium precipitates with unavoidable impurities (11% of erbium) and on the other hand, precipitates of erbium with iron (1.3% of iron and 0.9% of iron). % erbium).
  • These precipitates are primary precipitates that can form during solidification. They are few, very coarse (ie they have an average size ranging from 0.5 to 10 ⁇ m), and are not spherical in contrast to the secondary precipitates that would form if the alloy A05 undergoes a heating step in accordance with the step iv of the process of the invention.
  • An alloy A3 of the invention was prepared according to the process as described above except for the heating step which was carried out at 350 ° C for 2 hours, said alloy A3 comprising 3000 ppm by weight of erbium, 1700 ppm by weight of copper and 3000 ppm by weight of iron.
  • the figure 5 annexed shows a view by SEM of said alloy A3 after step iv of heating.
  • the erbium precipitates obtained are of average size of the order of 22 nm (ie formation of secondary precipitates) and are in spherical form.
  • Table 2 below shows the erbium, copper and iron contents of each of the aluminum alloys A4 and A5 according to the invention, as well as the electrical conductivity of the alloy wires obtained.
  • Table 2 also includes two comparative alloys A06 and A07 not forming part of the invention since A06 does not include erbium and A07 has not undergone a heating step in accordance with step iv of the method of invention.
  • the A06 alloy is sold under the Al1350 reference by Nexans. ⁇ b> TABLE 2 ⁇ / b> Alloy Erbium content (in ppm) Copper content (in ppm) Iron content (in ppm) Heating conditions of step iv Electrical conductivity (% IACS) A4 1000 - 1000 350 ° C, 2h 62.9 AT 5 1000 - 1000 350 ° C, 15h 63.0 A06 - - 1000 - 62.5 A07 1000 - 1000 - 61.2

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Abstract

La présente invention concerne un câble électrique (100A, 100B, 100C) comprenant un élément électriquement conducteur (10A, 10B, 10C) allongé en alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium (Al) et des précipités d'erbium (Al 3 Er), caractérisé en ce que ledit alliage d'aluminium comprend en outre un élément choisi parmi le fer (Fe), le cuivre (Cu) et leur mélange ; et des impuretés inévitables.

Description

  • La présente invention se rapporte à un câble électrique comprenant un élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium, ainsi qu'à un procédé de fabrication dudit alliage et à un procédé de fabrication dudit câble.
  • Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement, aux câbles de transmission électrique à haute tension ou câbles aériens de transport d'énergie, bien connus sous l'anglicisme "Overhead Lines (OHL) cable ».
  • Ces câbles se composent classiquement d'un élément central de renforcement, entouré par au moins une couche électriquement conductrice.
  • L'élément central de renforcement peut être un élément composite ou métallique. A titre d'exemple, on peut citer des brins d'acier ou des brins composites d'aluminium dans une matrice organique.
  • La couche électriquement conductrice peut quant à elle comprendre typiquement un assemblage de brins métalliques, de préférence torsadés autour de l'élément central. Les brins métalliques peuvent être des brins en aluminium, en cuivre, en alliage d'aluminium ou en alliage de cuivre. Ceci étant, la couche électriquement conductrice est généralement fabriquée à base d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, puisque ce matériau présente un poids assez faible par rapport à d'autres matériaux électriquement conducteurs.
  • Du document CN 101418401 est connu un alliage d'aluminium utilisé en tant que conducteur électrique dont la dureté est améliorée. Ledit alliage se compose de 0,01 à 0,40 % en poids d'erbium (Er), le reste de l'alliage étant uniquement de l'aluminium pur (Al). Cet alliage d'aluminium et d'erbium (i.e. alliage Al-Er) est obtenu par un procédé comprenant une étape de coulée de l'alliage Al-Er en fusion, puis une ou plusieurs étapes d'extrusion à chaud, puis une ou plusieurs étapes de recuit (étape bien connue sous l'anglicisme « annealing step ») à une température d'environ 420°C pendant 50 heures, et enfin une étape de tréfilage à froid, afin d'obtenir des fils d'alliage Al-Er de 4 mm de diamètre.
  • Toutefois, cet alliage Al-Er présente l'inconvénient d'avoir une conductivité électrique diminuée par rapport à de l'aluminium pur. Par ailleurs, le procédé de fabrication dudit alliage Al-Er, et notamment les étapes d'extrusion à chaud et de recuit, ne permettent pas, d'une part de contrôler la microstructure des précipités d'erbium (Al3Er), et d'autre part de produire suffisamment de précipités d'erbium dans ledit alliage. De ce fait, ce procédé induit une diminution de la résistance à la rupture et de la conductivité électrique dudit alliage.
  • Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur en proposant un alliage d'aluminium, notamment utilisé en tant qu'élément électriquement conducteur allongé dans un câble électrique, comprenant de l'aluminium et de l'erbium, facile à fabriquer, présentant des propriétés électriques améliorées, tout en garantissant de bonnes propriétés mécaniques.
  • La présente invention a pour objet un câble électrique, notamment de type OHL, comprenant un élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium (Al) et des précipités d'erbium (Al3Er), caractérisé en ce que ledit alliage d'aluminium comprend en outre un élément choisi parmi le fer (Fe), le cuivre (Cu) et leur mélange ; et des impuretés inévitables.
  • Grâce à la présence des précipités d'erbium (Al3Er) et d'au moins un des éléments choisis parmi le cuivre, le fer et un mélange de fer et de cuivre, l'alliage d'aluminium du câble électrique de l'invention présente de bonnes propriétés mécaniques, notamment en termes de résistance au fluage à chaud et de résistance à la rupture, et de bonnes propriétés électriques, notamment en terme de conductivité. En effet, la présence du fer et/ou du cuivre favorise la précipitation de l'erbium, et ainsi l'augmentation de la conductivité électrique.
  • Selon un mode de réalisation particulier, les précipités d'erbium (Al3Er) ont une taille moyenne strictement inférieure à 1 µm environ, et de préférence strictement inférieure à 0,5 µm environ.
  • Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention, les précipités d'erbium (Al3Er) ont une taille moyenne allant de 1 à 100 nm environ, et de préférence allant de 2 nm à 50 nm environ.
  • Selon un mode de réalisation particulier, les précipités d'erbium (Al3Er) présents dans l'alliage d'aluminium sont sphériques.
  • Dans un mode de réalisation particulier, le câble électrique peut en outre comprendre un élément allongé de renforcement.
  • Dans la présente invention, la présence d'un élément allongé de renforcement permet notamment de former un câble aérien de transport d'énergie (i.e. câble OHL).
  • De préférence, l'élément allongé de renforcement est entouré par ledit élément électriquement conducteur, l'élément allongé de renforcement étant notamment un élément central.
  • Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, l'alliage d'aluminium comprend du fer (Fe), et éventuellement du cuivre (Cu), et encore plus préférentiellement du fer (Fe) et du cuivre (Cu).
  • La quantité d'erbium dans l'alliage d'aluminium de l'invention peut être avantageusement d'au moins 100 ppm en poids. Lorsque la quantité d'erbium est inférieure à 100 ppm en poids, l'alliage d'aluminium peut ne pas comprendre assez de précipités d'erbium pour conserver une bonne conductivité électrique. Par ailleurs, la faible quantité d'erbium (i.e. inférieure à 100 ppm) peut être piégée par le fer, lorsque ce dernier est présent, induisant une dégradation des propriétés mécaniques et électriques dudit alliage.
  • La quantité d'erbium dans l'alliage d'aluminium de l'invention peut être avantageusement d'au plus 10000 ppm en poids. Au-delà de 10000 ppm en poids d'erbium, la conductivité électrique de l'alliage peut chuter de façon significative, notamment du fait de l'agglomération trop importante des précipités d'erbium dans ledit alliage.
  • De façon particulièrement avantageuse, l'alliage d'aluminium de l'invention peut comprendre de 250 ppm à 5000 ppm en poids d'erbium, et de préférence de 800 à 4000 ppm en poids d'erbium.
  • Dans la présente invention, l'abréviation « ppm » signifie « parties par million massiques ». En d'autres termes, la teneur en ppm d'un élément est exprimée par rapport au poids total de l'alliage.
  • La présence de fer dans l'alliage d'aluminium de l'invention permet d'améliorer les propriétés mécaniques par rapport à la résistance à la rupture, tout en maintenant une bonne conductivité électrique.
  • L'alliage d'aluminium de l'invention peut comprendre au moins 1000 ppm en poids de fer, de préférence de 1500 ppm à 4000 ppm en poids de fer, et de préférence encore de 2500 ppm à 3500 ppm en poids de fer.
  • La présence du cuivre dans l'alliage d'aluminium de l'invention permet d'améliorer les propriétés mécaniques par rapport à la résistance au fluage à chaud, tout en maintenant une bonne conductivité électrique. Un alliage possédant une bonne résistance au fluage à chaud résiste à la déformation sous des contraintes mécaniques de long terme à des températures élevées.
  • L'alliage d'aluminium de l'invention peut comprendre de 500 ppm à 3500 ppm en poids de cuivre, de préférence de 1200 ppm à 2200 ppm en poids de cuivre.
  • Selon un mode de réalisation préféré, l'alliage d'aluminium de l'invention peut comprendre de 1500 ppm à 4000 ppm en poids de fer et de 500 ppm à 3500 ppm en poids de cuivre, et de préférence de 2500 ppm à 3500 ppm en poids de fer et de 1200 ppm à 2200 ppm en poids de cuivre.
  • Grâce à la présente invention, l'alliage d'aluminium du câble électrique, présente à la fois de bonnes propriétés électriques et de bonnes propriétés mécaniques.
  • En effet, l'erbium présent dans l'alliage d'aluminium de l'invention se combine notamment au fer et/ou au cuivre et/ou aux impuretés inévitables, pour « purifier » l'alliage d'aluminium et ainsi, augmenter sa conductivité électrique jusqu'à 5% IACS, voire plus.
  • La conductivité électrique de l'alliage d'aluminium de l'invention peut être d'au moins 59% IACS (International Annealed Copper Standard), de préférence d'au moins 61% IACS, et de préférence d'au moins 62% IACS.
  • Il est préférable que l'alliage d'aluminium de l'invention ne comprenne uniquement que de l'aluminium ; de l'erbium ; un élément choisi parmi le fer, le cuivre et leur mélange ; et des impuretés inévitables. En effet, si on rajoute d'autres éléments dans l'alliage, la conductivité électrique peut fortement baisser. Pour les applications électriques, il est important de conserver l'alliage d'aluminium le plus pur possible.
  • La teneur en aluminium de l'alliage de l'invention peut être d'au moins 95,00% en poids, de préférence d'au moins 98,00% en poids, de préférence d'au moins 99,00% en poids, de préférence d'au moins 99,50% en poids, et de préférence d'au moins 99,70% en poids.
  • La teneur en impuretés inévitables dans l'alliage d'aluminium selon l'invention peut être d'au plus 1,50% en poids, de préférence d'au plus 1,10% en poids, de préférence d'au plus 0,60% en poids, de préférence d'au plus 0,30% en poids, et de préférence d'au plus 0,10% en poids.
  • Dans la présente invention, on entend par « impuretés inévitables » la somme des éléments métalliques ou non métalliques compris dans l'alliage, hors aluminium, erbium, fer, cuivre, et éventuellement oxygène, lors de la fabrication dudit alliage.
  • Ces impuretés inévitables peuvent être par exemple un ou plusieurs des éléments suivants : Ag, Cd, Cr, Mg, Mn, Pb, Si, Ti, V, Ni, S, et/ou Zn.
  • Ces impuretés inévitables peuvent également être Y (yttrium) ou Zr (zirconium).
  • Dans le cadre de l'invention, l'élément électriquement conducteur allongé peut être un ou plusieurs brin(s) métallique(s) en alliage d'aluminium de l'invention.
  • De façon particulièrement préférée, l'élément électriquement conducteur allongé peut comprendre un assemblage de brins métalliques en alliage d'aluminium. Cet assemblage peut notamment former au moins une couche du type enveloppe continue, par exemple de section transversale circulaire ou ovale ou encore carrée.
  • Lorsque le câble électrique de l'invention comprend un élément allongé de renforcement, ledit assemblage peut être positionné autour de l'élément allongé de renforcement.
  • Les brins métalliques peuvent être de section transversale ronde, trapézoïdale ou en forme de Z.
  • Lorsque les brins sont de section transversale ronde, ils peuvent avoir un diamètre pouvant aller de 2,25 mm à 4,75 mm. Lorsque les brins sont de section transversale non ronde, leur diamètre équivalent en section ronde peut également aller de 2,25 mm à 4,75 mm.
  • Bien entendu, il est préférable que tous les brins constitutifs d'un assemblage aient la même forme et les mêmes dimensions.
  • Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément allongé de renforcement est entouré par au moins une couche d'un assemblage de brins métalliques en alliage d'aluminium de l'invention.
  • De préférence, les brins métalliques constitutifs d'au moins une couche d'un assemblage de brins métalliques en alliage d'aluminium de l'invention, sont aptes à conférer à ladite couche une surface sensiblement régulière, chaque brin constitutif de la couche pouvant notamment présenter une section transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est/sont adjacent(s).
  • Selon l'invention, par « brins métalliques apte à conférer à ladite couche une surface sensiblement régulière, chaque brin constitutif de la couche pouvant notamment présenter une section transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est/sont adjacent(s)», on entend que : la juxtaposition ou l'emboîtement de l'ensemble des brins constitutifs de la couche, forme une enveloppe continue (sans irrégularités), par exemple de section circulaire ou ovale ou encore carrée.
  • Ainsi, les brins de section transversale en forme de Z ou en forme de trapèze permettent d'obtenir une enveloppe régulière contrairement aux brins de section transversale ronde. En particulier, des brins de section transversale en forme de Z sont préférés.
  • De manière encore plus préférée, ladite couche formée par l'assemblage des brins métalliques présente une section transversale en forme d'anneau.
  • L'élément allongé de renforcement peut être typiquement un élément composite ou métallique. A titre d'exemple, on peut citer des brins d'acier ou des brins composites d'aluminium dans une matrice organique.
  • L'élément électriquement conducteur allongé de l'invention peut être torsadé autour de l'élément allongé de renforcement, notamment lorsque ledit élément électriquement conducteur allongé est un assemblage de brins métalliques.
  • Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium et des précipités d'erbium (Al3Er), notamment pour son utilisation en tant qu'élément électriquement conducteur allongé pour un câble électrique, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    1. i. former un alliage d'aluminium en fusion, comprenant de l'aluminium (Al) ; de l'erbium (Er) (l'erbium n'étant pas sous forme de précipités) ; des impuretés inévitables ; et optionnellement un élément choisi parmi le fer, le cuivre et leur mélange ;
    2. ii. couler l'alliage en fusion de l'étape i, pour obtenir un alliage brut de coulée ;
      ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes :
    3. iii. laminer l'alliage brut de coulée de l'étape ii, pour obtenir un alliage laminé ; et
    4. iv. chauffer l'alliage laminé de l'étape iii, pour former des précipités d'erbium (Al3Er).
  • Les inventeurs de la présente demande ont découvert de façon surprenante que la conductivité électrique de l'alliage obtenu à l'issue de l'étape de chauffage iv est augmentée. Ainsi, grâce au procédé de l'invention, et notamment grâce à l'étape de chauffage iv, il se forme suffisamment de précipités d'erbium pour permettre l'augmentation de la conductivité électrique par rapport à un alliage qui ne contiendrait pas d'erbium. En outre, l'ajout du fer et/ou du cuivre dans l'alliage, associé aux étapes de laminage iii et de chauffage iv du procédé de l'invention, conduisent à un alliage présentant à la fois des propriétés mécaniques améliorées, notamment en termes de résistance au fluage à chaud et de résistance à la rupture, et une meilleure conductivité électrique.
  • Les précipités d'erbium (Al3Er) formés au cours de l'étape iv du procédé de l'invention sont des précipités dits « secondaires » qui doivent être différenciés des précipités d'erbium dits « primaires » pouvant éventuellement se former après une étape de coulée. Ces précipités primaires sont très grossiers (i.e. ils présentent une taille moyenne allant de 0,5 à 10 µm) et ne sont pas sphériques contrairement aux précipités secondaires. Les précipités primaires ne permettent pas de former un alliage présentant une bonne conductivité. Seule l'étape iv permet de former des précipités d'erbium secondaires, ces derniers ayant une taille et une forme adéquates pour pouvoir améliorer les propriétés électriques de l'alliage de l'invention.
  • L'étape i peut être classiquement réalisée en incorporant un alliage mère (i.e. « master alloy » en anglais) comprenant de l'aluminium ; de l'erbium ; du fer et/ou du cuivre ; dans un bain d'aluminium fondu, sensiblement pur.
  • L'étape ii permet notamment de former, par refroidissement du brut de coulée (i.e. solidification), un alliage d'aluminium brut de coulée, notamment sous forme de barreau. La section transversale du barreau peut aller par exemple de 500 mm2 à 2500 mm2, voire plus.
  • Dans un mode de réalisation particulier, l'étape ii de coulée est réalisée à une température allant de 670°C à 850°C environ, et de préférence de 710°C à 780°C environ.
  • A titre d'exemple, l'étape de coulée peut être effectuée en continue, notamment à l'aide d'une roue en rotation, dite « de coulée ».
  • Le refroidissement (i.e. solidification du brut de coulée) est de préférence effectué de façon brutale, notamment en passant d'une température de 670°C-850°C environ à une température de 150°C environ en quelques minutes, soit en 1 à 15 min environ, et de préférence en 1 à 5 min environ.
  • Grâce à ce refroidissement très rapide, la formation de précipités primaires est évitée ou limitée. Ainsi, suite à l'étape ii, on obtient une phase aluminium avec de l'erbium sur les sites de l'aluminium sans formation ou avec une formation limitée de précipités d'erbium primaires.
  • L'étape iii permet de laminer ledit alliage d'aluminium brut de coulée pour obtenir un alliage laminé.
  • Les étapes de coulée ii et de laminage iii permettent de contrôler la microstructure des précipités d'erbium dans ledit alliage en évitant la formation de gros précipités d'erbium (i.e. précipités primaires), et ainsi garantissent l'obtention d'un alliage d'aluminium présentant de bonnes propriétés mécaniques, notamment en terme de résistance à la rupture.
  • Ledit alliage laminé a une section transversale de préférence, ronde. Le diamètre de la section transversale peut aller par exemple, de 7 mm à 26 mm environ.
  • Dans un mode de réalisation particulier, l'étape iii de laminage peut être réalisée à chaud, notamment à une température allant de 300 à 450°C environ.
  • L'étape iv de chauffage de l'alliage laminé permet quant à elle, de contrôler la microstructure des précipités d'erbium dans ledit alliage (i.e. formation de précipités secondaires) et également de former suffisamment de précipités d'erbium.
  • Par ailleurs, au cours de ladite étape iv, l'erbium peut se combiner notamment au fer et/ou au cuivre et/ou aux impuretés inévitables, pour « purifier » l'alliage d'aluminium de l'invention et ainsi, augmenter sa conductivité électrique jusqu'à 5% IACS, voire plus.
  • Selon un mode de réalisation particulier, les précipités d'erbium (Al3Er) obtenus à l'issue de l'étape iv ont une taille moyenne strictement inférieure à 1 µm environ, et de préférence strictement inférieure à 0,5 µm environ.
  • Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention, les précipités d'erbium (Al3Er) obtenus à l'issue de l'étape iv ont une taille moyenne allant de 1 à 100 nm environ, et de préférence allant de 2 nm à 50 nm environ.
  • Selon un mode de réalisation particulier, les précipités d'erbium (Al3Er) présents dans l'alliage d'aluminium sont sphériques.
  • Dans un mode de réalisation particulier, cette étape iv permet d'obtenir au moins 80 parties en poids d'erbium sous forme de précipités pour 100 parties en poids d'erbium dans l'alliage d'aluminium fabriqué selon le procédé de l'invention, et de préférence au moins 90 parties en poids d'erbium sous forme de précipités pour 100 parties en poids d'erbium dans l'alliage d'aluminium fabriqué selon le procédé de l'invention.
  • Cette étape iv peut être de préférence une étape dite « de revenu », bien connue de l'homme du métier.
  • Dans un mode de réalisation particulier, l'étape iv est effectuée à une température allant de 150 à 450°C environ, et de préférence de 300 à 400°C environ.
  • Dans un mode de réalisation préféré, la durée de l'étape iv de chauffage va de 10 minutes à 48 heures environ, et de préférence de 10 heures à 18 heures environ.
  • Dans un mode de réalisation encore plus préféré, le chauffage selon l'étape iv peut être réalisé à l'aide d'un four électrique et/ou d'un four à induction et/ou d'un four à gaz.
  • Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication de l'alliage d'aluminium de l'invention peut comprendre après l'étape iv, l'étape suivante :
    • v. travailler à froid l'alliage chauffé de l'étape iv pour obtenir un alliage travaillé à froid.
  • L'étape v de travail à froid peut être de préférence une étape de tréfilage, et permet notamment d'obtenir des brins (ou fils) métalliques d'alliage d'aluminium, notamment de section transversale ronde ou trapézoïdale ou en forme de Z. Le diamètre de la section transversale peut aller de 0,2 mm à 5,0 mm.
  • Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication de l'alliage d'aluminium de l'invention peut comprendre après l'étape v, l'étape suivante :
    • vi. chauffer l'alliage de l'étape v, pour augmenter l'allongement mécanique de l'alliage.
  • Cette étape vi peut être de préférence une étape dite « de recuit », bien connue sous l'anglicisme « annealing step ».
  • Dans un mode de réalisation particulier, l'étape vi est réalisée à une température allant de 200°C à 400°C.
  • Dans un mode de réalisation particulier, la durée de l'étape vi de chauffage va de 30 minutes à 10 heures environ.
  • L'étape de chauffage vi a pour but d'assouplir l'alliage travaillé à froid de l'étape v, c'est-à-dire d'éliminer une partie de la déformation provoquée notamment par l'étape de tréfilage v, sans modifier la microstructure des précipités d'erbium obtenue à l'issue de l'étape iv.
  • Dans un mode de réalisation particulier, l'étape vi peut conduire à un alliage d'aluminium présentant une élongation à la rupture d'au plus 30%, et de préférence d'au plus 5%.
  • Le procédé de fabrication de l'alliage d'aluminium de l'invention est un procédé facile à mettre en oeuvre. De plus, il permet d'obtenir un alliage possédant à la fois de bonnes propriétés électriques et de bonnes propriétés mécaniques.
  • Par ailleurs, il évite une ou plusieurs étapes contraignantes d'extrusion et de recuit, qui peuvent induire une dégradation des propriétés mécaniques de l'alliage (i.e. dégradation de la résistance maximale à la traction ou de la résistance à la rupture).
  • L'alliage d'aluminium décrit dans le procédé ci-dessus peut être celui tel que décrit dans le câble électrique de l'invention.
  • Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, l'alliage d'aluminium décrit dans le procédé ci-dessus comprend du fer (Fe), et éventuellement du cuivre (Cu), et encore plus préférentiellement du fer (Fe) et du cuivre (Cu).
  • Un autre objet de l'invention est un alliage d'aluminium obtenu selon le procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium et des précipités d'erbium tel que défini ci-dessus.
  • Ledit alliage d'aluminium, obtenu à partir du procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium et de l'erbium (l'erbium n'étant pas sous forme de précipités), peut comprendre au moins 80 parties en poids d'erbium sous forme de précipités pour 100 parties en poids d'erbium dans ledit alliage, et de préférence au moins 90 parties en poids d'erbium sous forme de précipités pour 100 parties en poids d'erbium dans ledit alliage. Grâce à sa teneur élevée en précipités d'erbium, l'alliage d'aluminium présente des propriétés électriques améliorées.
  • Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication du câble électrique tel que décrit dans l'invention, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    1. a. fabriquer un élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium selon ledit procédé de fabrication mentionné ci-avant, et
    2. b. positionner ledit élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium obtenu à l'étape a, autour de l'élément allongé de renforcement, pour former le câble électrique.
  • Plus particulièrement, lorsque l'élément électriquement conducteur allongé est un assemblage de brins métalliques d'alliage en aluminium, l'étape a consiste à obtenir lesdits brins métalliques, et l'étape b consiste à positionner les brins métalliques autour de l'élément de renforcement, de sorte à former au moins une couche desdits brins métalliques autour dudit élément de renforcement. De préférence, les brins métalliques sont torsadés autour dudit élément de renforcement.
  • Dans un mode de réalisation particulier, dans la couche formée autour dudit élément de renforcement, chaque brin métallique présente une section transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est adjacent, et étant apte à conférer à ladite couche une surface sensiblement régulière.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence aux figures annotées, lesdits exemples et figures étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif.
    • La figure 1 représente de manière schématique une structure, en coupe transversale, d'une première variante d'un câble électrique selon l'invention.
    • La figure 2 représente de manière schématique une structure, en coupe transversale, d'une seconde variante d'un câble électrique selon l'invention.
    • La figure 3 représente de manière schématique une structure, en coupe transversale, d'une troisième variante d'un câble électrique selon l'invention.
    • La figure 4 représente une vue par microscope électronique à balayage (MEB) d'un alliage ne faisant pas partie de l'invention comprenant de l'aluminium, de l'erbium, du cuivre et du fer.
    • La figure 5 représente une vue par microscope électronique à balayage (MEB) de l'alliage de l'invention comprenant de l'aluminium, de l'erbium, du cuivre et du fer.
  • Pour des raisons de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par des références identiques. De même, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique, et ceci sans respect de l'échelle.
  • La figure 1 représente une première variante d'un câble électrique de transmission électrique à haute tension du type OHL 100A selon l'invention, vue en coupe transversale, comprenant un élément électriquement conducteur allongé 10A composé de trois couches d'un assemblage de brins métalliques 1A d'alliage de l'invention. Ces trois couches entourent un élément central 20A allongé de renforcement. Les brins métalliques 1A constitutifs desdites couches ont une section transversale de forme ronde.
  • La figure 2 représente une seconde variante d'un câble électrique de transmission électrique à haute tension du type OHL 100B selon l'invention, vue en coupe transversale, comprenant un élément électriquement conducteur allongé 10B composé de deux couches d'un assemblage de brins métalliques 1B d'alliage de l'invention. Ces deux couches entourent un élément central 20B allongé de renforcement. Les brins métalliques 1B constitutifs desdites couches ont une section transversale de forme trapézoïdale.
  • La figure 3 représente une troisième variante d'un câble électrique de transmission électrique à haute tension du type OHL 100C selon l'invention, vue en coupe transversale, comprenant un élément électriquement conducteur allongé 10C composé de deux couches d'un assemblage de brins métalliques 1C d'alliage de l'invention. Ces deux couches entourent un élément central 20C allongé de renforcement. Les brins métalliques 1C constitutifs desdites couches ont une section transversale en forme de Z (ou en de forme « S » selon l'orientation du Z). La géométrie des brins en forme de « Z » permet d'obtenir une surface quasiment dépourvue d'interstices pouvant générer des accumulations d'humidité et donc des pôles de corrosion.
  • L'élément central 20A, 20B, 20C allongé de renforcement représenté dans les figures 1, 2 et 3 peut être par exemple des brins d'acier 2A, 2B, 2C ou des brins composites 2A, 2B, 2C d'aluminium dans une matrice organique.
  • Dans des variantes de modes de réalisation représentés sur les figures 1 à 3, il est possible de modifier le nombre de brins 1A, 1B, 1C de chaque couche, leur forme, le nombre de couches ou encore le nombre de brins d'acier ou brins composites 2A, 2B, 2C, ainsi que la nature de l'aluminium.
  • Des essais comparatifs ont été réalisés pour montrer les propriétés électriques de l'alliage selon l'invention.
    • EXEMPLE 1
  • Pour ce faire, deux alliages A1 et A2 de l'invention ont été préparés selon le procédé de l'invention de la façon suivante.
  • Après avoir incorporé un alliage maître d'aluminium, d'erbium (l'erbium n'étant pas sous forme de précipités), de cuivre et de fer, dans un bain fondu d'aluminium pur à plus de 98,9% en poids, on mélange le tout pour homogénéiser l'aluminium pur et l'alliage maître, et ainsi former un alliage en fusion (étape i).
  • On coule ensuite l'alliage en fusion dans une filière cylindrique pour former un barreau d'un alliage dit « brut de coulée », que l'on solidifie par refroidissement en passant d'une température de 670°C-850°C à une température de 150°C en 1 min : le barreau cylindrique formé à un diamètre de 30 mm (étape ii).
  • On lamine à chaud le barreau cylindrique, directement formé à l'étape précédente, pour obtenir un barreau de plus petit diamètre, à savoir un barreau d'un diamètre de 9,5 mm (étape iii),
  • On chauffe le barreau de l'étape précédente à 350°C pendant 15h pour former des précipités d'erbium (étape iv).
  • On tréfile enfin à froid le barreau chauffé de l'étape précédente pour obtenir des fils d'alliage de l'invention (i.e. brins métalliques d'alliage de l'invention) de 3 mm de diamètre (étape v).
  • Chacun des alliages de l'invention comprend au plus 1,1% en poids d'impuretés inévitables.
  • Le tableau 1 ci-dessous rassemble les teneurs en erbium, cuivre et fer, de chacun des alliages d'aluminium A1 et A2 conformes à l'invention, ainsi que la conductivité électrique des fils d'alliage obtenus.
  • Le tableau 1 comprend également quatre alliages comparatifs A01, A02, A03 et A04 ne faisant pas partie de l'invention puisque A01 ne comprend pas d'erbium, A02 ne comprend pas de cuivre et de fer, et A03 et A04 n'ont pas subi d'étape de chauffage conformément à l'étape iv du procédé de l'invention.
  • L'alliage A01 est commercialisé sous la référence Al1120 par la société Nexans.
  • L'alliage A02 est obtenu selon le procédé décrit dans CN 101418401 (procédé ne comprenant pas les étapes iii et iv). TABLEAU 1
    Alliage Teneur en erbium (en ppm) Teneur en cuivre (en ppm) Teneur en fer (en ppm) Conditions chauffage de l'étape iv Conductivité électrique (%IACS)
    A1 1000 1700 3000 350°C, 15h 61,1
    A2 3000 1700 3000 350°C, 15h 62,0
    A01 - 1700 3000 - 59,1
    A02 2000/4000 - - - 60,9/60,8
    A03 1000 1700 3000 - 58,7
    A04 3000 1700 3000 - 59,7
  • Ainsi, la présence d'erbium dans l'alliage de l'invention améliore sa conductivité électrique, notamment grâce à l'étape de chauffage iv du procédé de l'invention qui permet de former suffisamment de précipités d'erbium ayant une microstructure contrôlée.
  • Par ailleurs, l'ajout de fer et de cuivre permet de maintenir de bonnes propriétés de conductivité électrique, voire de les améliorer, tout en obtenant de meilleures propriétés mécaniques, notamment en termes de résistance au fluage à chaud et de résistance à la rupture.
  • Un alliage A05 non conforme à l'invention a été préparé selon le procédé tel que décrit ci-dessus, excepté qu'il n'a pas subi d'étape de chauffage et qu'il comprenait 3000 ppm en poids d'erbium, 1500 ppm en poids de cuivre et 2500 ppm en poids de fer. L'alliage A05 ne fait pas partie de l'invention puisqu'il n'a pas subi d'étape de chauffage conformément à l'étape iv du procédé de l'invention.
  • La figure 4 annexée montre une vue par MEB dudit alliage A05 (i.e. après l'étape ii de coulée/solidification). Sur cette figure 4, on peut voir d'une part, des précipités d'erbium avec des impuretés inévitables (11% d'erbium) et d'autre part, des précipités d'erbium avec du fer (1,3% de fer et 0,9% d'erbium).
  • Ces précipités sont des précipités primaires qui peuvent se former au cours de la solidification. Ils sont peu nombreux, très grossiers (i.e. ils présentent une taille moyenne allant de 0,5 à 10 µm), et ne sont pas sphériques contrairement aux précipités secondaires qui se formeraient si l'alliage A05 subissait une étape de chauffage conformément à l'étape iv du procédé de l'invention.
  • Un alliage A3 de l'invention a été préparé selon le procédé tel que décrit ci-dessus sauf en ce qui concerne l'étape de chauffage qui a été réalisée à 350°C pendant 2 heures, ledit alliage A3 comprenant 3000 ppm en poids d'erbium, 1700 ppm en poids de cuivre et 3000 ppm en poids de fer.
  • La figure 5 annexée montre une vue par MEB dudit alliage A3 après l'étape iv de chauffage. Les précipités d'erbium obtenus sont de taille moyenne de l'ordre de 22 nm (i.e. formation de précipités secondaires) et sont sous forme sphérique.
    • EXEMPLE 2
  • Deux autres alliages A4 et A5 de l'invention ont été préparés selon le procédé de l'invention et tel que décrit dans l'exemple 1.
  • Le tableau 2 ci-dessous rassemble les teneurs en erbium, cuivre et fer, de chacun des alliages d'aluminium A4 et A5 conformes à l'invention, ainsi que la conductivité électrique des fils d'alliage obtenus.
  • Le tableau 2 comprend également deux alliages comparatifs A06 et A07 ne faisant pas partie de l'invention puisque A06 ne comprend pas d'erbium et A07 n'a pas subi d'étape de chauffage conformément à l'étape iv du procédé de l'invention.
  • L'alliage A06 est commercialisé sous la référence Al1350 par la société Nexans. TABLEAU 2
    Alliage Teneur en erbium (en ppm) Teneur en cuivre (en ppm) Teneur en fer (en ppm) Conditions chauffage de l'étape iv Conductivité électrique (%IACS)
    A4 1000 - 1000 350°C, 2h 62,9
    A5 1000 - 1000 350°C, 15h 63,0
    A06 - - 1000 - 62,5
    A07 1000 - 1000 - 61,2
  • Ainsi, les résultats du tableau 2 montrent que l'étape iv de chauffage est nécessaire pour permettre de maintenir une bonne conductivité électrique d'un alliage comprenant de l'erbium et du fer.

Claims (17)

  1. Câble électrique (100A, 100B, 100C) comprenant un élément électriquement conducteur (10A, 10B, 10C) allongé en alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium (Al) et des précipités d'erbium (Al3Er), caractérisé en ce que ledit alliage d'aluminium comprend en outre un élément choisi parmi le fer (Fe), le cuivre (Cu) et leur mélange ; et des impuretés inévitables.
  2. Câble électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend au moins 100 ppm en poids d'erbium.
  3. Câble électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend au plus 10000 ppm en poids d'erbium.
  4. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les précipités d'erbium (Al3Er) ont une taille moyenne strictement inférieure à 1 µm.
  5. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les précipités d'erbium (Al3Er) ont une taille moyenne allant de 1 à 100 nm.
  6. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend de 1500 ppm à 4000 ppm en poids de fer.
  7. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend de 500 ppm à 3500 ppm en poids de cuivre.
  8. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend au moins 98,00% en poids d'aluminium.
  9. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur comprend un assemblage de brins métalliques (1A, 1B, 1C).
  10. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément (20A, 20B, 20C) allongé de renforcement.
  11. Câble électrique selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément (20A, 20B, 20C) allongé de renforcement est entouré par ledit élément électriquement conducteur (10A, 10B, 10C) allongé en alliage d'aluminium.
  12. Câble électrique selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur (10A, 10B, 10C) allongé en alliage d'aluminium est torsadé autour de l'élément (20A, 20B, 20C) allongé de renforcement.
  13. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est un câble aérien de transport d'énergie (câble OHL).
  14. Procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium (Al) et des précipités d'erbium (Al3Er), ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    i. former un alliage d'aluminium en fusion comprenant de l'aluminium ; de l'erbium ; des impuretés inévitables ; et optionnellement un élément choisi parmi le fer (Fe), le cuivre (Cu) et leur mélange ;
    ii. couler l'alliage en fusion de l'étape i, pour obtenir un alliage brut de coulée ;
    ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes :
    iii. laminer l'alliage brut de coulée de l'étape ii, pour obtenir un alliage laminé ; et
    iv. chauffer l'alliage laminé de l'étape iii, pour former des précipités d'erbium.
  15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend après l'étape iv, l'étape suivante :
    v. travailler à froid l'alliage chauffé de l'étape iv, pour obtenir un alliage travaillé à froid.
  16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend après l'étape v, l'étape suivante :
    vi. chauffer l'alliage de l'étape v, pour augmenter l'allongement mécanique de l'alliage.
  17. Procédé de fabrication d'un câble électrique selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    a. fabriquer un alliage d'aluminium selon le procédé de fabrication tel que défini dans l'une quelconque des revendications 14 à 16, pour obtenir ledit élément électriquement conducteur (10A, 10B, 10C) allongé en alliage d'aluminium, et
    b. positionner ledit élément électriquement conducteur (10A, 10B, 10C) allongé obtenu à l'étape a, autour de l'élément (20A, 20B, 20C) allongé de renforcement, pour former le câble électrique (100A, 100B, 100C).
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