EP2909842B1 - Fil de transport électrique en alliage d'aluminium a conductivite electrique elevee - Google Patents

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EP2909842B1
EP2909842B1 EP13789858.1A EP13789858A EP2909842B1 EP 2909842 B1 EP2909842 B1 EP 2909842B1 EP 13789858 A EP13789858 A EP 13789858A EP 2909842 B1 EP2909842 B1 EP 2909842B1
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alloy
zirconium
aluminum alloy
electrical
transmission wire
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Rodrigue Sumera
Nicolas MASQUELIER
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Nexans SA
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    • Y10T29/49991—Combined with rolling

Definitions

  • the invention relates to an electrical cable comprising at least one aluminum alloy electrical transport wire, a method of manufacturing said electric transport wire, and a method of manufacturing said electric 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.
  • EP 0 787 811 is known an electric transport wire aluminum alloy ensuring good breaking strength, and good temperature resistance.
  • This alloy contains 0.28 to 0.80 percent by weight of zirconium, 0.10 to 0.80 percent by weight of manganese and 0.10 to 0.40 percent by weight of copper.
  • This alloy is obtained by a process comprising a casting step of the molten aluminum alloy, then an extrusion or rolling step, then a heating step, and finally a cold working step in order to obtain alloy wires 4 mm in diameter.
  • the heating step can be performed after the cold working step.
  • this alloy has the disadvantage of having an electrical conductivity lower than 56.5% IACS (International Annealed Copper Standard ), less than 51% IACS depending on the operating conditions used. Furthermore, the method of manufacturing said alloy does not allow on the one hand to control the microstructure of zirconium precipitates (Al 3 Zr), and on the other hand to produce sufficient zirconium precipitates in said alloy. As a result, this method induces a breaking strength and an electrical conductivity of said alloy which are not optimized.
  • IACS International Annealed Copper Standard
  • the object of the present invention is to overcome the disadvantages of the techniques of the prior art by proposing an aluminum alloy, in particular used as an electric transport wire in an electric cable, comprising aluminum and zirconium, easy to manufacture, having improved electrical properties (in terms of electrical capacity and electrical conductivity), while ensuring good mechanical properties, especially in terms of breaking strength and resistance to hot creep and good temperature resistance.
  • the present invention firstly relates to an electric aluminum alloy transport wire comprising aluminum, zirconium and unavoidable impurities, said aluminum alloy comprising from 0.05 to 0.6% by weight. zirconium weight, characterized in that said alloy comprises at least 80 parts by weight of zirconium in the form of precipitates (Al 3 Zr) per 100 parts by weight of zirconium in said aluminum alloy.
  • the aluminum alloy of the electrical transport wire of the The invention has a higher electrical conductivity than prior art aluminum alloys while ensuring good electrical properties.
  • said electric transport wire comprises at the surface a porous layer of alumina hydroxide.
  • the alumina hydroxide layer is an aluminum oxide hydroxide layer, or in other words, a hydrated alumina layer.
  • the thermal emissivity is optimized and the thermal absorption is minimized, which is favorable to a significant reduction in the heating of the transport wire. electric that could be weakened at high temperatures.
  • a second object not forming part of the invention relates to an aluminum alloy electrical transport wire comprising aluminum, zirconium precipitates and unavoidable impurities, characterized in that said electric transport wire has a surface a porous layer of alumina hydroxide.
  • the thermal emissivity is optimized and the thermal absorption is minimized, which is favorable to a significant reduction in the heating of the electric transport wire which could be embrittled at high temperatures. and thus to the improvement of electrical properties while guaranteeing good mechanical properties.
  • Said alloy of the second object may comprise at least 80 parts by weight of zirconium in the form of precipitates (Al 3 Zr) per 100 parts by weight of zirconium in said aluminum alloy.
  • the aluminum alloy of the electric transport wire conforming to second object has a higher electrical conductivity than aluminum alloys of the prior art.
  • the aluminum alloy electrical transport wire according to the first subject of the invention or the second object is an electrical transport wire made of said aluminum alloy.
  • the hydrated alumina layer is a monohydrated layer.
  • boehmite which is the gamma polymorph of AlO (OH) or Al 2 O 3 .H 2 O
  • diaspore which is the alpha polymorph of AIO (OH) or Al 2 O 3 .H 2 O.
  • the hydrated alumina layer is a polyhydrated layer, and preferably a trihydrate layer.
  • alumina trihydrate of gibbsite or hydrargillite, which is the gamma polymorph of Al (OH) 3 ; the bayerite that is the alpha polymorph of Al (OH) 3 ; or nordstrandite, which is the beta polymorph of Al (OH) 3 .
  • the electric transport wire comprises a controlled microstructure dispersion of zirconium precipitates (Al 3 Zr).
  • the aluminum alloy may comprise from 0.05% to 0.6% by weight of zirconium.
  • the aluminum alloy preferably comprises from 0.05% to 0.5% by weight of zirconium, and more preferably from 0, 2% to 0.5% by weight of zirconium.
  • the aluminum alloy When the amount of zirconium in said aluminum alloy is less than 0.05% by weight, the aluminum alloy may not include enough zirconium precipitates, inducing a random distribution of said precipitates in the alloy and thus, a decrease in its electrical conductivity.
  • the amount of zirconium in said aluminum alloy is greater than 0.5% by weight, large zirconium precipitates (Al 3 Zr) can be formed, inducing a decrease in the mechanical properties of the alloy, particularly in terms of Tear resistant.
  • the diameter of the zirconium precipitates (Al 3 Zr) in said alloy of the electric transport wire according to the first subject of the invention or the second object ranges from 1 to 100 nm, preferably from 1 to at 20 nm, and more preferably from 1 to 5 nm.
  • the temperature resistance of the alloy of the electrical transport wire of the invention is improved.
  • the alloy of the electric transport wire according to the first object of the invention or the second object can withstand a temperature of 150 ° C, and preferably a temperature of 210 ° C.
  • said zirconium precipitates (Al 3 Zr) are spherical.
  • the aluminum alloy of the electric transport wire according to the first object of the invention or the second object further comprises an element selected from copper, iron and their mixture.
  • the aluminum alloy of the electric transport wire according to the first subject of the invention or the second object may comprise from 0.15% to 0.4% by weight of iron, and preferably from 0.25% to 0%. 35% by weight of iron.
  • the presence of the copper in the aluminum alloy of the electric transport wire according to the first object of the invention or the second object makes it possible to improve the mechanical properties with respect to 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 electrical transport wire according to the first subject of the invention or the second object may comprise from 0.05% to 0.35% by weight of copper, and preferably from 0.12% to 0%. 22% by weight of copper.
  • the electrical conductivity of the aluminum alloy of the electric transport wire according to the first object of the invention or the second object may be at least 57% International Annealed Copper Standard (IACS), preferably at least 58%. % IACS, and preferably at least 59% IACS.
  • IACS International Annealed Copper Standard
  • the aluminum alloy of the electric transport wire according to the first object of the invention or the second object comprises only aluminum; zirconium; unavoidable impurities; and optionally an element selected from iron, copper and their mixture.
  • 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 aluminum alloy of the electric transport wire according to the first object of the invention or the second object 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 99.40%.
  • the unavoidable impurity content in the aluminum alloy of the electric transport wire according to the first subject of the invention or the second object 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, zirconium, 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.
  • the aluminum alloy comprises at most 0.08% by weight, and preferably at most 0.05% by weight of Mn and / or Si. In fact, these unavoidable impurities can decrease the electrical conductivity of said alloy.
  • the third subject of the present invention is an electrical cable comprising at least one electric transport wire according to the first object of the invention or the second object, characterized in that said electric cable further comprises an elongated reinforcing element.
  • an elongate reinforcing element makes it possible in particular to form an aerial power transmission cable (i.e. OHL cable).
  • the elongate reinforcing member is surrounded by said aluminum alloy electrical transport wire.
  • the elongate reinforcing element is a central element.
  • the elongated reinforcing element is preferably a central mechanical support rod.
  • aluminum alloy electrical transport wire according to the first subject of the invention or the second object
  • a metal strand or “an element electrically elongated driver”
  • the electric cable according to the third subject of the invention comprises an assembly (ie a plurality) of aluminum alloy electrical transport wires according to the first object of the invention or the second object, these wires being in particular wound on the elongated reinforcing element.
  • 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 metal strands according to the first object of the invention or the second object.
  • 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) 'means that: the juxtaposition or the nesting 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 electrical transport wire of the invention may be twisted around the elongated reinforcing element, in particular when the electrical cable of the invention comprises an assembly of aluminum alloy electrical transport wires conforming to the first object of the invention. invention or the second object (ie metal strands).
  • the inventors of this application have discovered surprising that the electrical conductivity of the alloy obtained at the end of the heating step iv) is increased.
  • sufficient zirconium precipitates are formed to allow the increase of the electrical conductivity with respect to an alloy of the prior art comprising zirconium.
  • the addition of iron and / or copper in the alloy, associated with the heating step iv) of the process of the invention leads to an alloy having both improved mechanical properties, especially in terms of resistance to hot creep and breaking strength, and better electrical conductivity.
  • Step i) can be conventionally carried out by incorporating a parent alloy (ie "master alloy " in English) comprising aluminum; zirconium; optionally iron and / or copper; in a bath of molten aluminum, substantially pure. It is also possible to perform step i) by adding zirconium, and optionally an element chosen from copper, iron and their mixture, to molten aluminum, and then mixing.
  • a parent alloy ie " master alloy " in English
  • step i) by adding zirconium, and optionally an element chosen from copper, iron and their mixture, to molten aluminum, and then mixing.
  • Stage ii) makes it possible in particular to form, by cooling the casting (ie solidification), a cast aluminum alloy, in particular in the form of bar or bar, preferably cylindrical.
  • the cross section of the bar can range for example from 500 mm 2 to 2500 mm 2 or more.
  • the casting temperature in step ii) is from about 680 ° C to about 850 ° C, and preferably from about 710 ° C to about 770 ° C.
  • the cooling during the casting step ii) is carried out at a speed of at least 50 ° C / min, from the casting temperature up to about 500 ° C.
  • the casting step can be carried out continuously, in particular using a rotating wheel, called "casting".
  • Step iii) rolls said cast aluminum alloy into a rolled alloy.
  • the steps of casting ii) and rolling iii) make it possible to control the microstructure of the zirconium precipitates in said alloy while avoiding the formation of large zirconium precipitates, and thus guarantee the production of an aluminum alloy 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 step iii) of rolling can be carried out hot, especially at a temperature ranging from 400 to 550 ° C.
  • said aluminum alloy manufactured according to the process of the invention comprises at least 80 parts by weight of zirconium in the form of precipitates per 100 parts by weight of zirconium in said alloy. 'aluminum.
  • this step iv) makes it possible to obtain at least 90 parts by weight of zirconium in the form of precipitates per 100 parts by weight of zirconium in the aluminum alloy manufactured according to the method of the invention.
  • This step iv) may preferably be a so-called "income” step, well known to those skilled in the art; said income stage being in particular different from a so-called “annealing” step also known under the anglicism " annealing step ".
  • the annealing step makes it possible to increase the mechanical elongation of an alloy by heating it, and thus to be able to easily deform it once annealed, while the income step makes it possible, in turn, to increase the resistance. mechanical alloy.
  • step iv) is carried out at a temperature ranging from 300 to 500 ° C, preferably from 350 to 450 ° C, and even more preferably from 400 to 450 ° C.
  • the duration of the heating step iv) ranges from 100 to 500 hours, preferably from 100 to 350 hours, and even more preferably from 100 to 300 hours.
  • step iv) the temperature and times used in said step iv) are interdependent.
  • time / temperature pairs used during step iv the following time / temperature combinations can notably be mentioned: 100 hours / 450 ° C., 200 hours / 400 ° C., and 340 hours / 350 ° C. C.
  • the control of the heating time during step iv) for a given temperature can be carried out by transmission electron microscopy.
  • the heating according to step iv) can be carried out using an electric furnace (i.e. resistance furnace) and / or an induction furnace and / or a gas oven.
  • an electric furnace i.e. resistance furnace
  • an induction furnace i.e. induction furnace
  • a gas oven i.e. induction furnace
  • step iv) can be carried out by carrying out a slow rise in temperature, in particular by about 5 ° C. per minute.
  • the method of manufacturing the electric transport wire according to the first subject of the invention further comprises the following step: v) cold-working said electric transport wire of step iv), to obtain an electric transport wire with the desired dimensions.
  • the cold working step v) may be a drawing step in order to obtain said electric transport wire with the desired dimensions (e.g. final diameter). It can be performed at a temperature of at most 80 ° C.
  • step v) makes it possible to obtain metal alloy strands (or electrical transport wires) of aluminum alloy, in particular of round or trapezoidal or Z-shaped cross section.
  • the diameter of the cross section can range from 0.2mm to 5.0mm.
  • the method according to the fourth subject of the invention further comprises the following step: vi) forming by chemical conversion a porous layer of alumina hydroxide on the surface of said electric transport wire.
  • Step vi) may be performed with the electrical transport wire from step iv) or from step v) if it exists.
  • the porous layer of alumina hydroxide surrounding said electrical transport wire and formed in step vi), is preferably a layer that is in direct physical contact with said electrical transport wire. in aluminum alloy.
  • the electrical cable thus formed does not preferably comprise a layer interposed between the porous layer of alumina hydroxide and said aluminum alloy electrical transport wire.
  • pores of said porous alumina hydroxide layer are optionally arranged substantially evenly (or homogeneously) all along the outer surface of the porous alumina hydroxide layer, and they may all have substantially the same dimensions .
  • Step A) may be conventionally carried out by incorporating a master alloy (ie "master alloy " in English) comprising aluminum; zirconium; optionally iron and / or copper; in a bath of molten aluminum, substantially pure. It is also possible to carry out step A) by adding zirconium, and optionally an element chosen from copper, iron and their mixture, to molten aluminum, and then mixing.
  • a master alloy ie " master alloy " in English
  • step A) by adding zirconium, and optionally an element chosen from copper, iron and their mixture, to molten aluminum, and then mixing.
  • Stage B) makes it possible in particular to form, by cooling the crude casting (ie solidification), a cast aluminum alloy, especially in the form of bar or bar, preferably cylindrical.
  • the cross section of the bar can range for example from 500 mm 2 to 2500 mm 2 or more.
  • the casting temperature in step B) ranges from about 680 ° C to about 850 ° C, and preferably from about 710 ° C to about 770 ° C.
  • the cooling in the casting step B) is carried out at a speed of at least 50 ° C / min, from the casting temperature up to about 500 ° C.
  • the casting step can be carried out continuously, in particular using a rotating wheel, called "casting".
  • the casting steps B) and the rolling step C) make it possible to control the microstructure of the zirconium precipitates in said alloy by avoiding the formation of large zirconium precipitates, and thus guarantee the obtaining of an aluminum alloy having good properties. mechanical, 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 C) can be carried out hot, in particular at a temperature ranging from 400 to 550 ° C.
  • step D) is carried out at a temperature ranging from 300 to 500 ° C, preferably from 350 to 450 ° C, and even more preferably from 400 to 450 ° C.
  • the duration of the heating step D) ranges from 100 to 500 hours, preferably from 100 to 350 hours, and even more preferably from 100 to 300 hours.
  • step D) is carried out at a temperature between 400 and 450 ° C, for 100 to 500 hours.
  • step D the temperature and time parameters used in said step D) are interdependent.
  • the following time / temperature combinations can notably be mentioned: 100 hours / 450 ° C. and 200 hours / 400 ° C.
  • the control of the heating time in step D) for a given temperature can be carried out by transmission electron microscopy.
  • Stage D) for heating the rolled alloy i.e. heat treatment step
  • said aluminum alloy manufactured according to the process according to the fifth object may comprise at least 80 parts by weight of zirconium in the form of precipitates per 100 parts by weight of zirconium in said alloy aluminum.
  • the heating of stage D) can be carried out by carrying out a slow rise in temperature, in particular by approximately 5 ° C. per minute.
  • this step D) makes it possible to obtain at least 90 parts by weight of zirconium in the form of precipitates per 100 parts by weight of zirconium in the aluminum alloy manufactured according to the process according to the fifth object.
  • This step D) may preferably be a so-called "income” step, well known to those skilled in the art; said income stage being in particular different from a so-called “annealing” step also known under the anglicism " annealing step ".
  • the annealing step makes it possible to increase the mechanical elongation of an alloy by heating it, and thus to be able to easily deform it once annealed, while the income step makes it possible, in turn, to increase the resistance. mechanical alloy.
  • the heating according to step D) can be carried out using an electric furnace (ie resistance furnace) and / or an induction furnace and / or a gas oven.
  • an electric furnace ie resistance furnace
  • an induction furnace ie resistance furnace
  • a gas oven ie resistance furnace
  • the drawing step E) makes it possible to obtain said electric transport wire with the desired dimensions (e.g. final diameter). It can be performed at a temperature of at most 80 ° C.
  • step E) makes it possible to obtain metal alloy strands (or electrical transport wires) of aluminum alloy, in particular of round or trapezoidal or Z-shaped cross section.
  • the diameter of the cross section can range from 0.2mm to 5.0mm.
  • the porous layer of alumina hydroxide surrounding said electrical transport wire and formed in step F) is preferably a layer that is in direct physical contact with said electrical transport wire. in aluminum alloy.
  • the electrical cable thus formed does not preferably comprise a layer interposed between the porous layer of alumina hydroxide and the aluminum alloy electrical transport wire.
  • pores of said porous alumina hydroxide layer are optionally arranged substantially evenly (or homogeneously) all along the outer surface of the porous alumina hydroxide layer, and they may all have substantially the same dimensions .
  • step vi) of the method according to the fourth subject of the invention or step F) of the method according to the fifth object is carried out by anodization.
  • Anodizing is a surface treatment that can be formed by anodic oxidation, from the electrical transport wire from step iv) (or step D)) or step v) (or from step E)) if it exists, the porous layer of alumina hydroxide.
  • the anodizing will consume a portion of the electrical transport wire to form said porous layer of alumina hydroxide.
  • the porous layer of alumina hydroxide is formed from the surface of said electric transport wire to the core of said electric transport wire, in contrast to an electrolytic deposition.
  • Anodizing is conventionally based on the principle of electrolysis of water. It consists of immersing the electric transport wire in a bath anodizing, said electric transport wire being placed at the positive pole of a DC generator.
  • the anodizing bath is more particularly an acid bath, preferably a phosphoric acid bath or a sulfuric acid bath. These are respectively phosphoric anodizing or sulfuric anodizing.
  • the electrolytic parameters are imposed by a current density and a conductivity of the bath.
  • the current density is preferably set at 55 to 65 A / dm 2
  • the voltage is set at 20 to 21 V
  • the intensity is fixed at 280 to 350 A.
  • This current density makes it possible to ensure that a sufficient quantity of pores has been formed.
  • step a) and step b) can be carried out concomitantly.
  • the method according to the fourth subject of the invention or the fifth object may furthermore comprise the following step, prior to the chemical conversion step vi) or F): c) Neutralizing said electric transport wire.
  • the method according to the fourth object of the invention or the fifth object may comprise said three steps a), b) and c), step c) being performed after steps a) and b ).
  • the purpose of the degreasing step a) is to eliminate the various bodies and particles contained in the greases that may be present on the surface of the electric transport wire.
  • the degreasing step a) can be carried out by at least partially immersing the electric transport wire in a solution comprising at least one surfactant as a degreasing agent.
  • the stripping step b) serves to remove oxides that may be present on the surface of the electric transport wire.
  • a chemical etching may be used consisting of removing the oxides by dissolution, or even bursting of the oxide layer, without attacking the material of the underlying electrical transport wire.
  • the stripping step b) can be carried out by at least partially immersing the electric transport wire in a solution comprising a base as a stripping agent.
  • step a) and step b) are carried out concomitantly, a single solution comprising a degreasing agent and a etchant may be used to both etch and degrease the electrical transport wire.
  • the neutralization step c) makes it possible to condition the electric transport wire before the chemical conversion step vi) or F).
  • the step c) of neutralization consists in conditioning the electric transport wire by plunging it at least partially into a solution identical to the bath of anodizing provided in the chemical conversion step vi) or F), in order to put the surface of the electric transport wire at the same pH as the anodizing bath of the anodizing step vi) or F).
  • the neutralization step c) can be carried out by at least partially immersing the electric transport wire in a solution comprising an acid as neutralizing agent.
  • said aluminum electrical transport wire it is preferable first of all to strip and degrease said aluminum electrical transport wire, by immersing it in a soda solution and surfactants such as for example the GARDOCLEAN referenced solution marketed by the Company CHEMETALL (30-50 g / L of sodium hydroxide), especially at a temperature ranging from 40 to 60 ° C, for a period of about 30 seconds.
  • said electric transport wire can be immersed in a solution of sulfuric acid (20% by weight of sulfuric acid in distilled water) to perform the step c) of neutralization, preferably at room temperature (ie 25 ° C), for 10 seconds.
  • said electric transport wire Prior to the anodizing step vi) or F), said electric transport wire can then be smoothed to have a glossy appearance and then rinsed.
  • Brightening eliminates a surface roughness that impacts the gloss associated with the reflection of light.
  • the brightening can be carried out in a solution of acid assisted or not current. In the first case, it is an electrochemical brilliance.
  • the samples tested in the laboratory were made from the LUMIA range of the company COVENTYA.
  • the anodizing step vi) or F) can then be performed.
  • the electrical transmission wire made of aluminum alloy for example with a diameter of 3 mm, will be anodized by forming a porous layer of alumina hydroxide all around said electric transport wire, by sulfuric anodizing ( 20 to 30% by weight of sulfuric acid in distilled water) at a temperature of 30 ° C, or by phosphoric anodization (8 to 30% by weight of phosphoric acid in distilled water) at room temperature (ie 25 ° C), under the application of a current density between 55 and 65 A / dm 2 .
  • Said aluminum alloy electrical transport wire obtained is thus covered with a porous layer of alumina hydroxide.
  • the method according to the fourth subject of the invention or the fifth object further comprises, after the chemical conversion step vi) or F), and in particular anodization, the following step: vii) sealing the pores of said porous layer of alumina hydroxide.
  • This step vii) makes it possible to improve the compactness of the alumina hydroxide layer. Following this step vii), all the pores on the surface of the alumina hydroxide layer are capped.
  • Step vii) may for example be performed by performing hot hydration of said electrical transport wire, by dipping said electrical transport wire into boiling water or hot water.
  • the clogging may be carried out in water optionally with an additive, for example nickel salt at a temperature above 80 ° C, preferably between 90 and 95 ° C.
  • an additive for example nickel salt at a temperature above 80 ° C, preferably between 90 and 95 ° C.
  • said electric transport wire obtained after the chemical conversion step vi) or F) or said electric transport wire obtained after the sealing step vii), is rinsed with osmosis water.
  • the method of manufacturing the electric cable of the invention is an easy process to implement.
  • it provides an electrical cable having both good electrical properties (in terms of electrical capacitance and conductivity) and good mechanical properties (in terms of breaking strength and resistance to hot creep). .
  • step Y) makes it possible to obtain said electrical transport wires optionally covered with a layer of alumina hydroxide
  • step Z) is to position the electrical transport son around the reinforcing element, so as to form at least one layer of said electrical transport son around said reinforcing element.
  • the electric transport wires are twisted around said reinforcing element.
  • each electric transport wire has a cross section of complementary shape to the (s) strand (s) adjacent thereto, and being capable of conferring on said layer a substantially regular surface.
  • the electric cable according to the invention may have an apparent diameter (that is to say outside diameter) ranging from 10 to 100 mm.
  • the electric cable of the invention may be more particularly a high voltage electrical transmission cable, in particular of high voltage overhead line type of at least 225 kV and up to 800 kV (i.e. OHL cables). This type of cable is usually stretched between two pylons.
  • the figure 1 represents a first variant of a high voltage electric transmission electric cable of the OHL 100A type according to the invention, seen in cross section, comprising three layers of a 10A assembly of aluminum alloy wire strands 1A 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 two layers of an assembly 10B of metal strands 1B of aluminum 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 electric transmission electric cable of the OHL 100C type according to the invention, seen in cross-section, comprising two layers of a 10C assembly of metal strands 1C of aluminum alloy of the invention. These two layers surround an elongated central reinforcing element 20C.
  • 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 practically provided with no gaps 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.
  • the aluminum alloy of the electric transport wire included at most 0.8% by weight of unavoidable impurities.
  • the figure 4 shows a transmission electron microscopic view (TEM) of the aluminum alloy as prepared above bright field mode (English “BF: Bright Field”) ( figure 4a ) and in dark field mode (in English “ DF: Dark Field ”) ( figure 4b ).
  • TEM transmission electron microscopic view
  • TEM Transmission electron microscopy
  • the diameter of the zirconium precipitates in the alloy was determined by TEM. To do this, an alloy sample as prepared above was taken, polished to obtain an alloy thickness of about 100 microns, and electrochemically pierced to obtain a transparent sample thickness to electrons ranging from 50 to about 100 nm.
  • the zirconium precipitates obtained at the end of step iv) were coarse, in particular with a diameter greater than 100 nm.
  • Table 1 shows the tensile strength (in MPa) of several aluminum alloy electrical transport wires A1, A2, A3, A4 and A01, their electrical conductivity (in% IACS) and the loss of their properties mechanical after aging at 230 ° C for 1 hour (ie loss of breaking strength, in ⁇ UTS).
  • A1, A2, A3 and A4 were manufactured according to the process of the invention as described in the example above with different heating parameters according to the amount of zirconium they contained, and A01 was marketed under the reference AI1120 by Nexans. A01 is not part of the invention since it does not contain zirconium.
  • A1, A2, A3 and A4 were respectively obtained with the following heating parameters of step iv): 400 ° C / 300 hours, 400 ° C / 250 hours, 400 ° C / 220 hours and 400 ° C / 180 hours.
  • the aluminum alloy electrical transport wires manufactured according to the process according to the invention have good mechanical properties before and after aging and good electrical properties. .
  • the presence of zirconium in the aluminum alloy reduces the loss of mechanical properties after aging, while ensuring good electrical properties.
  • the figure 5 shows the electrical conductivity of the aluminum alloy electrical transport wire of the invention as a function of the heating time of step iv) of the process according to the invention when step iv) is carried out at a heating temperature 450 ° C (curve A), 400 ° C (curve B) and 350 ° C (curve C).
  • the alloy used in this example was prepared as in the examples described above and included 0.35% zirconium, 0.27% iron and 0.17% copper.
  • step iv) the temperature and time parameters used during said step iv) are interdependent and have a direct impact on the electrical conductivity of the alloy obtained.
  • time / temperature pairs allowing in step iv) to form sufficient zirconium precipitates and thus to obtain a conductivity of at least 57% IACS, the following time / temperature pairs are found: About 100 hours / 450 ° C, about 200 hours / 400 ° C, and about 340 hours / 350 ° C.
  • the aluminum alloy A5 of the electric transport wire included at most 0.8% by weight of unavoidable impurities.
  • the diameter of the zirconium precipitates was determined by the MET method as described in Example 1, on the alloy A5 as prepared at the end of the drawing step E) (ie before the stripping steps, degreasing, neutralization, anodizing and clogging).
  • the process according to the invention makes it possible to obtain a homogeneous dispersion of controlled microstructure of zirconium precipitates and in particular to obtain spherical zirconium precipitates with a diameter of from 1 to about 20 nm.
  • Table 2 below shows the temperature resistance (in ° C) of several aluminum alloy electrical transport wires A5, A6, A02 and A03, their electrical conductivity (in% IACS), their emissivity, their absorption, their diameter, the diameter and the cross-section of the corresponding cables (in mm), the intensity (in A) and the intensity gain (in%) of the cables respectively comprising the aluminum alloy electrical transport wires A03, A5 and A6 with respect to the cable comprising the aluminum alloy electrical transport wire A02.
  • A6 was manufactured according to the method according to the fourth subject of the invention and as described in the first example of the present application (with the heating parameters of step iv) following: 400 ° C / 180 hours).
  • A6 did not include a porous layer of alumina hydroxide.
  • A02 pure aluminum was marketed under the reference AI1350 by Nexans. A02 did not include a porous layer of alumina hydroxide.
  • A03 was made from A02, performing only steps a), b), c), F) and vii) described above in this example.
  • A03 thus included a porous layer of alumina hydroxide.
  • A02 and A03 do not form part of the invention since they do not include zirconium.
  • the maximum allowable intensity is particularly increased thanks to the invention, as shown by the calculations in Table 2 above. , made on round electric transport wires.

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Description

  • L'invention concerne un câble électrique comprenant au moins un fil de transport électrique en alliage d'aluminium, un procédé de fabrication dudit fil de transport électrique, et un procédé de fabrication dudit câble électrique.
  • 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 EP 0 787 811 est connu un fil de transport électrique en alliage d'aluminium assurant une bonne résistance à la rupture, et une bonne tenue en température. Cet alliage contient 0,28 à 0,80 pour cent en poids de zirconium, 0,10 à 0,80 pour cent en poids de manganèse et 0,10 à 0,40 pour cent en poids de cuivre. Cet alliage est obtenu par un procédé comprenant une étape de coulée de l'alliage d'aluminium en fusion, puis une étape d'extrusion ou de laminage, puis une étape de chauffage, et enfin une étape de travail à froid afin d'obtenir des fils d'alliage de 4 mm de diamètre. L'étape de chauffage peut être effectuée après l'étape de travail à froid.
  • Toutefois, cet alliage présente l'inconvénient d'avoir une conductivité électrique inférieure à 56,5% IACS (International Annealed Copper Standard), voire inférieure à 51% IACS selon les conditions opératoires utilisées. Par ailleurs, le procédé de fabrication dudit alliage ne permet pas d'une part de contrôler la microstructure des précipités de zirconium (Al3Zr), et d'autre part de produire suffisamment de précipités de zirconium dans ledit alliage. De ce fait, ce procédé induit une résistance à la rupture et une conductivité électrique dudit alliage qui ne sont pas optimisées.
  • On peut également citer le document US 4 402 763 qui décrit un fil conducteur en alliage d'aluminium et de zirconium.
  • 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 que fil de transport électrique dans un câble électrique, comprenant de l'aluminium et du zirconium, facile à fabriquer, présentant des propriétés électriques améliorées (en termes de capacité électrique et de conductivité électrique), tout en garantissant de bonnes propriétés mécanique, notamment en termes de résistance à la rupture et de résistance au fluage à chaud et une bonne tenue en température.
  • Pour ce faire, la présente invention a pour premier objet un fil de transport électrique en alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium, du zirconium et des impuretés inévitables, ledit alliage d'aluminium comprenant de 0,05 à 0,6% en poids de zirconium, caractérisé en ce que ledit alliage comprend au moins 80 parties en poids de zirconium sous forme de précipités (Al3Zr) pour 100 parties en poids de zirconium dans ledit alliage d'aluminium.
  • Grâce à la présence d'au moins 80 parties en poids de zirconium sous forme de précipités (Al3Zr) pour 100 parties en poids de zirconium dans ledit alliage d'aluminium, l'alliage d'aluminium du fil de transport électrique de l'invention présente une conductivité électrique supérieure à celle des alliages d'aluminium de l'art antérieur, tout en garantissant de bonnes propriétés électriques.
  • Dans un mode de réalisation particulier, ledit fil de transport électrique comprend en surface une couche poreuse d'hydroxyde d'alumine.
  • Dans l'invention, la couche d'hydroxyde d'alumine est une couche d'hydroxyde d'oxyde d'aluminium ou en d'autres termes, une couche d'alumine hydratée.
  • Grâce à la couche poreuse d'hydroxyde d'alumine, l'émissivité thermique est optimisée et l'absorption thermique est minimisée, ce qui est favorable à une diminution importante de l'échauffement du fil de transport
    électrique qui pourrait se fragiliser à hautes températures.
  • Un second objet ne faisant pas partie de l'invention porte sur un fil de transport électrique en alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium, des précipités de zirconium et des impuretés inévitables, caractérisé en ce que ledit fil de transport électrique comporte en surface une couche poreuse d'hydroxyde d'alumine.
  • Grâce à la couche poreuse d'hydroxyde d'alumine, l'émissivité thermique est optimisée et l'absorption thermique est minimisée, ce qui est favorable à une diminution importante de l'échauffement du fil de transport électrique qui pourrait se fragiliser à hautes températures, et ainsi à l'amélioration des propriétés électriques tout en garantissant de bonnes propriétés mécaniques.
  • Ledit alliage du second objet peut comprendre au moins 80 parties en poids de zirconium sous forme de précipités (Al3Zr) pour 100 parties en poids de zirconium dans ledit alliage d'aluminium.
  • Grâce à la présence d'au moins 80 parties en poids de zirconium sous forme de précipités (Al3Zr) pour 100 parties en poids de zirconium dans ledit alliage d'aluminium, l'alliage d'aluminium du fil de transport électrique conforme au second objet présente une conductivité électrique supérieure à celle des alliages d'aluminium de l'art antérieur.
  • Dans un mode de réalisation particulier, le fil de transport électrique en alliage d'aluminium conforme au premier objet de l'invention ou au second objet est un fil de transport électrique constitué dudit alliage d'aluminium.
  • Selon une première variante du premier objet de l'invention ou du second objet, la couche d'alumine hydratée est une couche monohydratée.
  • A titre d'exemple, on peut citer comme alumine monohydratée, la boéhmite, qui est le polymorphe gamma de AIO(OH) ou Al2O3.H2O; ou la diaspore, qui est le polymorphe alpha de AIO(OH) ou Al2O3.H2O.
  • Selon une deuxième variante du premier objet de l'invention ou du second objet, la couche d'alumine hydratée est une couche polyhydratée, et de préférence une couche trihydratée.
  • A titre d'exemple, on peut citer comme alumine trihydratée, le gibbsite ou hydrargillite, qui est le polymorphe gamma de Al(OH)3 ; la bayerite qui est le polymorphe alpha de Al(OH)3 ; ou la nordstrandite, qui est le polymorphe béta de Al(OH)3.
  • Dans un mode de réalisation particulier du premier objet de l'invention ou du second objet, le fil de transport électrique comprend une dispersion de microstructure contrôlée de précipités de zirconium (Al3Zr).
  • Grâce à la dispersion de microstructure contrôlée de précipités de zirconium (Al3Zr), les propriétés mécaniques et thermiques de l'alliage d'aluminium et ainsi du fil de transport électrique, sont améliorées.
  • Dans le fil de transport électrique conforme au second objet, l'alliage d'aluminium peut comprendre de 0,05% à 0,6% en poids de zirconium.
  • Dans le fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention ou au second objet, l'alliage d'aluminium comprend de préférence de 0,05% à 0,5% en poids de zirconium, et de préférence encore de 0,2% à 0,5% en poids de zirconium.
  • Lorsque la quantité de zirconium dans ledit alliage d'aluminium est inférieure à 0,05% en poids, l'alliage d'aluminium peut ne pas comprendre assez de précipités de zirconium, induisant une répartition aléatoire desdits précipités dans l'alliage et ainsi, une diminution de sa conductivité électrique. Lorsque la quantité de zirconium dans ledit alliage d'aluminium est supérieure à 0,5% en poids, de gros précipités de zirconium (Al3Zr) peuvent se former, induisant une diminution des propriétés mécanique de l'alliage, notamment en terme de résistance à la rupture.
  • Dans un mode de réalisation particulier, le diamètre des précipités de zirconium (Al3Zr) dans ledit alliage du fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention ou au second objet, va de 1 à 100 nm, de préférence de 1 à 20 nm, et de préférence encore de 1 à 5 nm. Lorsque le diamètre des précipités diminue, la tenue en température de l'alliage du fil de transport électrique de l'invention est améliorée. Ainsi, l'alliage du fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention ou au second objet peut résister à une température de 150°C, et de préférence à une température de 210°C.
  • Dans un mode de réalisation particulier, lesdits précipités de zirconium (Al3Zr) sont sphériques.
  • Dans un mode de réalisation préféré, l'alliage d'aluminium du fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention ou au second objet comprend en outre un élément choisi parmi le cuivre, le fer et leur mélange.
  • La présence du fer dans ledit alliage d'aluminium 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 du fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention ou au second objet peut comprendre de 0,15% à 0,4% en poids de fer, et de préférence de 0,25% à 0,35% en poids de fer.
  • La présence du cuivre dans l'alliage d'aluminium du fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention ou au second objet 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 du fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention ou au second objet peut comprendre de 0,05% à 0,35% en poids de cuivre, et de préférence de 0,12% à 0,22% en poids de cuivre.
  • La conductivité électrique de l'alliage d'aluminium du fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention ou au second objet peut être d'au moins 57% IACS (International Annealed Copper Standard), de préférence d'au moins 58% IACS, et de préférence d'au moins 59% IACS.
  • Il est préférable que l'alliage d'aluminium du fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention ou au second objet ne comprenne uniquement que de l'aluminium ; du zirconium ; des impuretés inévitables ; et optionnellement un élément choisi parmi le fer, le cuivre et leur mélange. 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 d'aluminium du fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention ou au second objet 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 99,40%.
  • La teneur en impuretés inévitables dans l'alliage d'aluminium du fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention ou au second objet 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, zirconium, 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 sont généralement des impuretés intrinsèques à l'aluminium.
  • Dans un mode de réalisation particulier, l'alliage d'aluminium comprend au plus 0,08% en poids, et de préférence au plus 0,05% en poids de Mn et/ou de Si. En effet, ces impuretés inévitables peuvent diminuer la conductivité électrique dudit l'alliage.
  • La présente invention a pour troisième objet un câble électrique comprenant au moins un fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention ou au second objet, caractérisé en que ledit câble électrique comprend en outre 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 fil de transport électrique en alliage d'aluminium.
  • Dans un mode de réalisation particulier, l'élément allongé de renforcement est un élément central.
  • L'élément allongé de renforcement est de préférence un jonc central de support mécanique.
  • Dans le cadre de l'invention, on entend par « fil de transport électrique en alliage d'aluminium conforme au premier objet de l'invention ou au second objet », un « brin métallique », ou « un élément électriquement
    conducteur allongé ».
  • De façon particulièrement préférée, le câble électrique conforme au troisième objet de l'invention comprend un assemblage (i.e. une pluralité) de fils de transport électrique en alliage d'aluminium conformes au premier objet de l'invention ou au second objet, ces fils étant notamment enroulés sur l'élément allongé de renforcement. 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 conforme au premier objet de l'invention ou au second objet.
  • 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.
  • Le fil de transport électrique de l'invention peut être torsadé autour de l'élément allongé de renforcement, notamment lorsque le câble électrique de l'invention comprend un assemblage de fils de transport électrique en alliage d'aluminium conformes au premier objet de l'invention ou au second objet (i.e. brins métalliques).
  • La présente invention a pour quatrième objet un procédé de fabrication d'un fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    1. i) Former un alliage d'aluminium en fusion comprenant de l'aluminium, du zirconium, des impuretés inévitables, et optionnellement un élément choisi parmi le cuivre, le fer et leur mélange ;
    2. ii) Couler l'alliage en fusion de l'étape i), pour obtenir un alliage brut de coulée ;
    3. iii) Laminer l'alliage brut de coulée de l'étape ii), pour obtenir un alliage laminé,
    4. iv) Chauffer l'alliage laminé de l'étape iii) pour obtenir ledit fil de transport électrique en alliage d'aluminium, ledit alliage comprenant au moins 80 parties en poids de zirconium sous forme de précipités (Al3Zr) pour 100 parties en poids de zirconium dans ledit alliage d'aluminium.
  • 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 de zirconium pour permettre l'augmentation de la conductivité électrique par rapport à un alliage de l'art antérieur comprenant du zirconium. En outre, l'ajout du fer et/ou du cuivre dans l'alliage, associé à l'étape 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.
  • L'étape i) peut être classiquement réalisée en incorporant un alliage mère (i.e. « master alloy » en anglais) comprenant de l'aluminium ; du zirconium ; optionnellement du fer et/ou du cuivre ; dans un bain d'aluminium fondu, sensiblement pur. On peut également réaliser l'étape i) par ajout du zirconium, et optionnellement d'un élément choisi parmi le cuivre, le fer et leur mélange, à de l'aluminium en fusion, puis mélange.
  • 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 barre ou de barreau, de préférence cylindrique. La section transversale du barreau peut aller par exemple de 500 mm2 à 2500 mm2, voire plus.
  • Dans un mode de réalisation particulier, la température de coulée lors de l'étape ii) va de 680°C à 850°C environ, et de préférence de 710°C à 770°C environ.
  • Dans un mode de réalisation particulier, le refroidissement lors de l'étape de coulée ii) est effectué à une vitesse d'au moins 50°C/min, de la température de coulée jusqu'à 500°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 ».
  • 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 de zirconium dans ledit alliage en évitant la formation de gros précipités de zirconium, 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 400 à 550°C environ.
  • L'étape iv) de chauffage de l'alliage laminé permet quant à elle, de contrôler la microstructure des précipités de zirconium dans ledit alliage et également de former suffisamment de précipités de zirconium. Ainsi, à l'issue de l'étape iv), ledit alliage d'aluminium fabriqué selon le procédé de l'invention comprend au moins 80 parties en poids de zirconium sous forme de précipités pour 100 parties en poids de zirconium dans ledit alliage d'aluminium.
  • Dans un mode de réalisation particulier, cette étape iv) permet d'obtenir au moins 90 parties en poids de zirconium sous forme de précipités pour 100 parties en poids de zirconium 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 ; ladite étape de revenu étant notamment différente d'une étape dite « de recuit » également connue sous l'anglicisme « annealing step ». L'étape de recuit permet d'augmenter l'allongement mécanique d'un alliage en le chauffant, et ainsi de pouvoir le déformer facilement une fois recuit, alors que l'étape de revenu permet, quant à elle, d'augmenter la résistance mécanique de l'alliage.
  • Dans un mode de réalisation particulier, l'étape iv) est effectuée à une température allant de 300 à 500°C environ, de préférence de 350 à 450°C, et de manière encore plus préférée de 400 à 450°C.
  • Dans un mode de réalisation préféré, la durée de l'étape iv) de chauffage va de 100 à 500 heures, de préférence de 100 à 350 heures, et de manière encore plus préféré de 100 à 300 heures.
  • Il est important de noter que les paramètres de température et de temps utilisés lors de ladite étape iv) sont interdépendants. A titre d'exemple de couples temps/température utilisés lors de l'étape iv), on peut notamment citer les couples temps/température suivants: 100 heures/450°C, 200 heures/400°C, et 340 heures/350°C.
  • Le contrôle du temps de chauffage lors de l'étape iv) pour une température donnée peut être effectué par microscopie électronique à transmission.
  • Le chauffage selon l'étape iv) peut être réalisé à l'aide d'un four électrique (i.e. four à résistance) et/ou d'un four à induction et/ou d'un four à gaz.
  • Afin d'améliorer la formation des précipités de zirconium (Al3Zr), le chauffage de l'étape iv) peut être réalisé en effectuant une montée lente en température, notamment de 5°C par minute environ.
  • Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication du fil de transport électrique conforme au premier objet de l'invention comprend en outre, l'étape suivante :
    v) Travailler à froid ledit fil de transport électrique de l'étape iv), pour obtenir un fil de transport électrique avec les dimensions souhaitées.
  • L'étape v) de travail à froid peut être une étape de tréfilage afin d'obtenir ledit fil de transport électrique avec les dimensions souhaitées (e.g. diamètre final). Elle peut être réalisée à une température d'au plus 80°C environ.
  • Selon un mode de réalisation préféré, l'étape v) permet d'obtenir des brins (ou fils de transport électrique) 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 préféré, le procédé conforme au quatrième objet de l'invention comprend en outre, l'étape suivante :
    vi) Former par conversion chimique une couche poreuse d'hydroxyde d'alumine en surface dudit fil de transport électrique.
  • L'étape vi) peut être effectuée avec le fil de transport électrique issu de l'étape iv) ou issu de l'étape v) si elle existe.
  • Dans un mode de réalisation préféré, la couche poreuse d'hydroxyde d'alumine entourant ledit fil de transport électrique et formé au cours de l'étape vi), est de préférence une couche qui est directement en contact physique avec ledit fil de transport électrique en alliage d'aluminium. En d'autres termes, le câble électrique ainsi formé ne comprend de préférence pas de couche intercalée entre la couche poreuse d'hydroxyde d'alumine et ledit fil de transport électrique en alliage d'aluminium.
  • Les pores de ladite couche poreuse d'hydroxyde d'alumine sont éventuellement agencés de façon sensiblement régulière (ou homogène) tout le long de la surface externe de la couche poreuse d'hydroxyde d'alumine, et ils ont éventuellement tous sensiblement les mêmes dimensions.
  • Un cinquième objet ne faisant pas partie de l'invention porte sur un procédé de fabrication d'un fil de transport électrique conforme au second objet, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    1. A) Former un alliage d'aluminium en fusion comprenant de l'aluminium, du zirconium, des impuretés inévitables, et optionnellement un élément choisi parmi le cuivre, le fer et leur mélange,
    2. B) Couler l'alliage en fusion obtenu à l'étape A), pour obtenir un alliage brut de coulée, notamment sous forme d'une barre,
    3. C) Laminer l'alliage brut de coulée de l'étape B), pour obtenir un alliage laminé
    4. D) Chauffer l'alliage laminé de l'étape C),
    5. E) Eventuellement tréfiler l'alliage obtenu à l'étape D) pour obtenir ledit fil de transport électrique avec le diamètre final souhaité, et
    6. F) Former ladite couche poreuse d'hydroxyde d'alumine par conversion chimique.
  • L'étape A) peut être classiquement réalisée en incorporant un alliage mère (i.e. « master alloy » en anglais) comprenant de l'aluminium ; du zirconium ; optionnellement du fer et/ou du cuivre ; dans un bain d'aluminium fondu, sensiblement pur. On peut également réaliser l'étape A) par ajout du zirconium, et optionnellement d'un élément choisi parmi le cuivre, le fer et leur mélange, à de l'aluminium en fusion, puis mélange.
  • L'étape B) permet notamment de former, par refroidissement du brut de coulée (i.e. solidification), un alliage d'aluminium brut de coulée, notamment sous forme de barre ou de barreau, de préférence cylindrique. La section transversale du barreau peut aller par exemple de 500 mm2 à 2500 mm2, voire plus.
  • Dans un mode de réalisation particulier, la température de coulée lors de l'étape B) va de 680°C à 850°C environ, et de préférence de 710°C à 770°C environ.
  • Dans un mode de réalisation particulier, le refroidissement lors de l'étape de coulée B) est effectué à une vitesse d'au moins 50°C/min, de la température de coulée jusqu'à 500°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 ».
  • L'étape C) permet de laminer ledit alliage d'aluminium brut de coulée pour obtenir un alliage laminé.
  • Les étapes de coulée B) et de laminage C) permettent de contrôler la microstructure des précipités de zirconium dans ledit alliage en évitant la formation de gros précipités de zirconium, 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 C) de laminage peut être réalisée à chaud, notamment à une température allant de 400 à 550°C environ.
  • Dans un mode de réalisation particulier, l'étape D) est effectuée à une température allant de 300 à 500°C environ, de préférence de 350 à 450°C, et de manière encore plus préférée de 400 à 450°C.
  • Dans un mode de réalisation préféré, la durée de l'étape D) de chauffage va de 100 à 500 heures, de préférence de 100 à 350 heures, et de manière encore plus préféré de 100 à 300 heures.
  • Dans un mode de réalisation encore plus préféré, l'étape D) est effectuée à une température comprise entre 400 et 450°C, pendant 100 à 500 heures.
  • Il est important de noter que les paramètres de température et de temps utilisés lors de ladite étape D) sont interdépendants. A titre d'exemple de couples temps/température utilisés lors de l'étape D), on peut notamment citer les couples temps/température suivants : 100 heures/450°C et 200 heures/400°C.
  • Le contrôle du temps de chauffage lors de l'étape D) pour une température donnée peut être effectué par microscopie électronique à transmission.
  • L'étape D) de chauffage de l'alliage laminé (i.e. étape de traitement thermique) permet de contrôler la microstructure des précipités de zirconium dans ledit alliage et également de former suffisamment de précipités de zirconium. Ainsi, à l'issue de l'étape D), ledit alliage d'aluminium fabriqué selon le procédé conforme au cinquième objet peut comprendre au moins 80 parties en poids de zirconium sous forme de précipités pour 100 parties en poids de zirconium dans ledit alliage d'aluminium.
  • Afin d'améliorer la formation des précipités de zirconium (Al3Zr), le chauffage de l'étape D) peut être réalisé en effectuant une montée lente en température, notamment de 5°C par minute environ.
  • Avantageusement, cette étape D) permet d'obtenir au moins 90 parties en poids de zirconium sous forme de précipités pour 100 parties en poids de zirconium dans l'alliage d'aluminium fabriqué selon le procédé conforme au cinquième objet.
  • Cette étape D) peut être de préférence une étape dite « de revenu », bien connue de l'homme du métier ; ladite étape de revenu étant notamment différente d'une étape dite « de recuit » également connue sous l'anglicisme « annealing step ». L'étape de recuit permet d'augmenter l'allongement mécanique d'un alliage en le chauffant, et ainsi de pouvoir le déformer facilement une fois recuit, alors que l'étape de revenu permet, quant à elle, d'augmenter la résistance mécanique de l'alliage.
  • Le chauffage selon l'étape D) peut être réalisé à l'aide d'un four électrique (i.e. four à résistance) et/ou d'un four à induction et/ou d'un four à gaz.
  • L'étape E) de tréfilage permet d'obtenir ledit fil de transport électrique avec les dimensions souhaitées (e.g. diamètre final). Elle peut être réalisée à une température d'au plus 80°C environ.
  • Selon un mode de réalisation préféré, l'étape E) permet d'obtenir des brins (ou fils de transport électrique) 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.
  • Dans un mode de réalisation préféré, la couche poreuse d'hydroxyde d'alumine entourant ledit fil de transport électrique et formé au cours de l'étape F), est de préférence une couche qui est directement en contact physique avec ledit fil de transport électrique en alliage d'aluminium. En d'autres termes, le câble électrique ainsi formé ne comprend de préférence pas de couche intercalée entre la couche poreuse d'hydroxyde d'alumine et le fil de transport électrique en alliage d'aluminium.
  • Les pores de ladite couche poreuse d'hydroxyde d'alumine sont éventuellement agencés de façon sensiblement régulière (ou homogène) tout le long de la surface externe de la couche poreuse d'hydroxyde d'alumine, et ils ont éventuellement tous sensiblement les mêmes dimensions.
  • Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'étape vi) du procédé conforme au quatrième objet de l'invention ou l'étape F) du procédé conforme au cinquième objet est effectuée par anodisation.
  • L'anodisation est un traitement de surface qui permet de former par oxydation anodique, à partir du fil de transport électrique issu de l'étape iv) (ou de l'étape D)) ou de l'étape v) (ou de l'étape E)) si elle existe, la couche poreuse d'hydroxyde d'alumine. Ainsi, l'anodisation va consommer une partie du fil de transport électrique pour former ladite couche poreuse d'hydroxyde d'alumine.
  • Lors de l'anodisation, la couche poreuse d'hydroxyde d'alumine se forme à partir de la surface dudit fil de transport électrique vers le coeur dudit fil de transport électrique, contrairement à un dépôt électrolytique.
  • L'anodisation est classiquement basée sur le principe de l'électrolyse de l'eau. Elle consiste à immerger le fil de transport électrique dans un bain d'anodisation, ledit fil de transport électrique étant placé au pôle positif d'un générateur de courant continu.
  • Le bain d'anodisation est plus particulièrement un bain acide, de préférence un bain d'acide phosphorique ou un bain d'acide sulfurique. On parle alors respectivement d'anodisation phosphorique ou d'anodisation sulfurique.
  • Lorsque la couche poreuse d'hydroxyde d'alumine est formée avantageusement par anodisation, les paramètres électrolytiques sont imposés par une densité de courant et une conductivité du bain. Pour une épaisseur souhaitée sur un fil de transport électrique prototype de 8 à 10 µm, la densité de courant est préférentiellement fixée de 55 à 65 A/dm2, la tension est fixée de 20 à 21 V, et l'intensité est fixée de 280 à 350 A.
  • Cette densité de courant permet de garantir qu'une quantité suffisante de pores a été formée.
  • Le procédé conforme au quatrième objet de l'invention ou au cinquième objet peut comprendre en outre au moins l'une des étapes suivantes, préalables à l'étape de conversion chimique vi) ou F):
    1. a) dégraisser ledit fil de transport électrique, et/ou
    2. b) décaper ledit fil de transport électrique.
  • De préférence, l'étape a) et l'étape b) peuvent être réalisées de façon concomitante.
  • Par ailleurs, le procédé conforme au quatrième objet de l'invention ou au cinquième objet peut comprendre en outre l'étape suivante, préalable à l'étape de conversion chimique vi) ou F) :
    c) Neutraliser ledit fil de transport électrique.
  • Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, le procédé conforme au quatrième objet de l'invention ou au cinquième objet peut comprendre lesdites trois étapes a), b) et c), l'étape c) étant réalisée après les étapes a) et b).
  • L'étape de dégraissage a) a pour objet d'éliminer les différents corps et particules contenus dans les graisses susceptibles d'être présentes sur la surface du fil de transport électrique.
  • Elle peut être effectuée par voie chimique ou aidée par voie électrolytique.
  • A titre d'exemple, l'étape a) de dégraissage peut être réalisée en plongeant au moins partiellement le fil de transport électrique dans une solution comprenant au moins un tensio-actif en tant qu'agent dégraissant.
  • L'étape de décapage b) sert à éliminer les oxydes susceptibles d'être présents sur la surface du fil de transport électrique. Il existe plusieurs méthodes de décapage : chimique, électrolytique ou mécanique.
  • De préférence, on pourra utiliser un décapage chimique consistant à éliminer les oxydes par dissolution, voire par éclatement de la couche d'oxyde, sans attaquer le matériau du fil de transport électrique sous-jacent.
  • A titre d'exemple, l'étape b) de décapage peut être réalisée en plongeant au moins partiellement le fil de transport électrique dans une solution comprenant une base en tant qu'agent décapant.
  • Lorsque l'étape a) et l'étape b) sont réalisées concomitamment, une unique solution comprenant un agent dégraissant et un agent décapant peut être utilisée pour à la fois décaper et dégraisser le fil de transport électrique.
  • L'étape de neutralisation c) permet de conditionner le fil de transport électrique, avant l'étape de conversion chimique vi) ou F).
  • Plus particulièrement, lorsque l'étape de conversion chimique vi) ou F) est une étape d'anodisation, l'étape c) de neutralisation consiste à conditionner le fil de transport électrique en le plongeant au moins partiellement dans une solution identique au bain d'anodisation prévu à l'étape de conversion chimique vi) ou F), afin de mettre la surface du fil de transport électrique au même pH que le bain d'anodisation de l'étape d'anodisation vi) ou F).
  • Cette solution permet en outre d'une part d'éliminer certaines traces d'oxydes pouvant nuire à l'anodisation, et d'autre part d'éliminer les éventuels résidus de l'agent décapant. La neutralisation permet de mettre la surface de l'aluminium au même pH que le bain anodique.
  • A titre d'exemple, l'étape c) de neutralisation peut être réalisée en plongeant au moins partiellement le fil de transport électrique dans une solution comprenant un acide en tant qu'agent neutralisant.
  • A titre d'exemple, il est préférable tout d'abord de décaper et de dégraisser ledit fil de transport électrique en aluminium, en le plongeant dans une solution de soude et de tensio-actifs telle que par exemple la solution référencée GARDOCLEAN commercialisé par la société CHEMETALL (30-50 g/L de soude), notamment à une température allant de 40 à 60°C environ, pendant une durée de 30 secondes environ. Puis, ledit fil de transport électrique peut être plongé dans une solution d'acide sulfurique (20% en poids d'acide sulfurique dans de l'eau distillée) pour effectuer l'étape c) de neutralisation, de préférence à température ambiante (i.e. 25°C), pendant 10 secondes.
  • Préalablement à l'étape d'anodisation vi) ou F), ledit fil de transport électrique peut être ensuite lissé afin de présenter une apparence brillante puis rincé. Le brillantage permet d'éliminer une rugosité de la surface qui impacte sur le brillant lié à la réflexion de la lumière. Le brillantage peut s'effectuer dans une solution d'acide assisté ou non de courant. Il s'agit dans le premier cas, d'un brillantage électrochimique. A titre d'exemple, les échantillons testés en laboratoire ont été réalisés à partir de la gamme LUMIA de la société COVENTYA.
  • L'étape d'anodisation vi) ou F) peut ensuite être réalisée.
  • A titre d'exemple, on va anodiser le fil de transport électrique en alliage d'aluminium, par exemple de diamètre 3 mm, en formant une couche poreuse d'hydroxyde d'alumine tout autour dudit fil de transport électrique, par anodisation sulfurique (20 à 30% en poids d'acide sulfurique dans de l'eau distillée) à une température de 30°C, ou par anodisation phosphorique (8 à 30% en poids d'acide phosphorique dans de l'eau distillée) à température ambiante (i.e. 25°C), sous l'application d'une densité de courant comprise entre 55 et 65 A/dm2. Ledit fil de transport électrique en alliage d'aluminium obtenu est ainsi recouvert d'une couche poreuse d'hydroxyde d'alumine.
  • Dans un mode de réalisation particulier, le procédé conforme au quatrième objet de l'invention ou au cinquième objet comprend en outre après l'étape de conversion chimique vi) ou F), et notamment d'anodisation, l'étape suivante :
    vii) Colmater les pores de ladite couche poreuse d'hydroxyde d'alumine.
  • Cette étape vii) permet d'améliorer la compacité de la couche d'hydroxyde d'alumine. Suite à cette étape vii), tous les pores en surface de la couche d'hydroxyde d'alumine sont bouchés.
  • L'étape vii) peut par exemple être réalisé en effectuant une hydratation à chaud dudit fil de transport électrique, en plongeant ledit fil de transport électrique dans de l'eau bouillante ou de l'eau chaude.
  • Le colmatage peut être effectué dans de l'eau avec éventuellement un additif, par exemple du sel de nickel à une température supérieure à 80°C, préférentiellement comprise entre 90 et 95°C.
  • Avantageusement, ledit fil de transport électrique obtenu après l'étape de conversion chimique vi) ou F) ou ledit fil de transport électrique obtenu après l'étape de colmatage vii), est rincé à l'eau osmosée.
  • La présente invention a pour sixième objet un procédé de fabrication d'un câble électrique conforme au troisième objet de l'invention, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
    • Y) fabriquer un fil de transport de transport électrique selon le procédé de fabrication conforme au quatrième de l'invention ou cinquième objet, et
    • Z) Positionner ledit fil de transport électrique autour de l'élément allongé de renforcement.
  • Ainsi, le procédé de fabrication du câble électrique de l'invention est un procédé facile à mettre en oeuvre. De plus, il permet d'obtenir un câble électrique possédant à la fois de bonnes propriétés électriques (en termes de capacité électrique et de conductivité) et de bonnes propriétés mécaniques (en termes de résistance à la rupture et de résistance au fluage à chaud).
  • Plus particulièrement, lorsque ledit câble comprend un assemblage de fils de transport électrique en aluminium, l'étape Y) permet d'obtenir lesdits fils de transport électrique éventuellement recouverts d'une couche d'hydroxyde d'alumine, et l'étape Z) consiste à positionner les fils de transport électrique autour de l'élément de renforcement, de sorte à former au moins une couche desdits fils de transport électrique autour dudit élément de renforcement. De préférence, les fils de transport électrique sont torsadés autour dudit élément de renforcement.
  • Dans un mode de réalisation particulier, dans la couche formée autour dudit élément de renforcement, chaque fil de transport électrique 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.
  • Le câble électrique selon l'invention peut présenter un diamètre apparent (c'est-à-dire diamètre extérieur) pouvant aller de 10 à 100 mm.
  • Le câble électrique de l'invention peut être plus particulièrement un câble de transmission électrique à haute tension, notamment de type ligne aérienne à haute tension alternative d'au moins 225 kV et pouvant aller jusqu'à 800 kV (i.e. câbles OHL). Ce type de câble est généralement tendu entre deux pylônes.
  • 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 microscopie électronique à transmission (MET) du fil de transport électrique en alliage d'aluminium du câble électrique de l'invention.
    • La figure 5 représente les courbes de la conductivité électrique du fil de transport électrique du câble électrique de l'invention en fonction du temps de chauffage de l'étape iv) du quatrième objet de l'invention pour différentes températures de chauffage.
  • 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 trois couches d'un assemblage 10A de brins métalliques 1A d'alliage d'aluminium 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 deux couches d'un assemblage 10B de brins métalliques 1B d'alliage d'aluminium 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 deux couches d'un assemblage 10C de brins métalliques 1C d'alliage d'aluminium 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 pourvue d'aucuns 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.
    • Préparation d'un fil de transport électrique en alliage d'aluminium selon le procédé conforme au quatrième objet de l'invention
  • Un alliage a été préparé selon le procédé de l'invention de la façon suivante :
    • Etape i) : après avoir incorporé un alliage maître d'aluminium, de zirconium, de cuivre et de fer, dans un bain fondu d'aluminium pur à plus de 99,5% en poids, on a mélangé le tout pour homogénéiser l'aluminium pur et l'alliage maître, et ainsi former un alliage en fusion.
    • Etape ii) : on a ensuite coulé l'alliage en fusion dans une filière cylindrique pour former un barreau d'un alliage dit « brut de coulée », que l'on a solidifié par refroidissement : le barreau cylindrique formé avait un diamètre de 30 mm.
    • Etape iii) : on a laminé à une température de 25°C 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 10 mm.
    • Etape iv) : on a chauffé dans un four à résistance conventionnel le barreau de l'étape précédente à 400°C pendant 150 heures pour former un fil de transport électrique en alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium, 0,3% de zirconium, 0,15% de fer et 0,001% de cuivre, ledit alliage comprenant 80 parties en poids de zirconium sous forme de précipités pour 100 parties en poids de zirconium dans ledit alliage. La quantité de zirconium sous forme de précipités dans le fil de transport électrique en alliage d'aluminium a été déterminée à l'aide du diagramme de phase, par calcul de la quantité de zirconium restant dans la solution solide (i.e. zirconium n'étant pas sous forme de précipités) à l'issue de l'étape iv).
    • Etape v) : on a tréfilé enfin à froid le fil de transport électrique de l'étape précédente pour obtenir un fil d'alliage de l'invention (i.e. brin métallique d'alliage) de 3,5 mm de diamètre.
  • L'alliage en aluminium du fil de transport électrique comprenait au plus 0,8% en poids d'impuretés inévitables.
  • La figure 4 montre une vue par microscopie électronique à transmission (MET) de l'alliage d'aluminium tel que préparé ci-dessus en mode champ clair (en anglais « BF: Bright Field ») (figure 4a) et en mode champ sombre (en anglais « DF: Dark Field ») (figure 4b).
  • La microscopie électronique à transmission (MET) a été réalisée avec un microscope électronique à transmission haute résolution commercialisé sous la référence ARM 200S par GEOL.
  • Le diamètre des précipités de zirconium dans l'alliage a été déterminé par MET. Pour ce faire, un échantillon d'alliage tel que préparé ci-dessus a été prélevé, poli jusqu'à l'obtention d'une épaisseur d'alliage de 100 µm environ, et percé électrochimiquement pour obtenir une épaisseur d'échantillon transparente aux électrons allant de 50 à 100 nm environ.
  • On a pu ainsi constater que le procédé conforme à l'invention, et notamment les étapes de coulée ii) et de chauffage iv), permet l'obtention d'une dispersion homogène de microstructure contrôlée de précipités de zirconium et en particulier, l'obtention de précipités de zirconium sphériques, de diamètre allant de 1 à 100 nm environ.
  • A contrario, il a été constaté que lorsque les conditions opératoires de l'étape de coulée ii) et/ou de l'étape de chauffage iv) n'étaient pas optimales (e.g. étape de coulée effectuée à une température trop faible, c'est-à-dire à une température inférieure à 680°C, vitesse de refroidissement lors de l'étape de coulée trop faible, c'est-à-dire de moins de 50°C/min, étape de chauffage effectuée pendant une durée trop longue, c'est-à-dire supérieure à 500 heures), les précipités de zirconium obtenus à l'issue de l'étape iv) étaient grossiers, notamment de diamètre supérieur à 100 nm.
    • Résistance à la rupture du fil de transport électrique en alliage d'aluminium préparé selon le procédé conforme au quatrième objet de l'invention
  • Le tableau 1 ci-dessous montre la résistance à la rupture (en MPa) de plusieurs fils de transport électrique en alliage d'aluminium A1, A2, A3, A4 et A01, leur conductivité électrique (en % IACS) et la perte de leurs propriétés mécaniques après vieillissement à 230°C pendant 1 heure (i.e. perte de la résistance à la rupture, en ΔUTS).
  • A1, A2, A3 et A4 ont été fabriqués selon le procédé de l'invention tel que décrit dans l'exemple ci-dessus avec des paramètres de chauffage différents selon la quantité de zirconium qu'ils contenaient, et A01 a été commercialisé sous la référence AI1120 par la société Nexans. A01 ne fait pas partie de l'invention puisqu'il ne contient pas de zirconium. TABLEAU 1
    Alliage Teneur en zirconium (%) Teneur en cuivre (%) Teneur en fer (%) Résistance à la rupture avant vieillissement (MPa) Conductivité électrique (% I ACS) ΔUTS (%)
    A01 0 0,17 0,27 229,8 59,1 -18,2
    A1 0,568 0,17 0,27 220,4 59,4 -9,3
    A2 0,487 0,17 0,27 225,3 59,3 -6,7
    A3 0,426 0,17 0,27 207,1 59,1 -7,0
    A4 0,349 0,17 0,27 221,8 59,5 -8,6
  • A1, A2, A3 et A4 ont été respectivement obtenus avec les paramètres de chauffage de l'étape iv) suivants : 400°C/300 heures, 400°C/250 heures, 400°C/220 heures et 400°C/180 heures.
  • Ainsi, d'après le tableau 1 illustré ci-dessus, on peut voir que les fils de transport électrique en alliage d'aluminium fabriqués selon le procédé conforme à l'invention présentent de bonnes propriétés mécaniques avant et après vieillissement et de bonnes propriétés électriques.
  • En outre, la présence du zirconium dans l'alliage d'aluminium permet de diminuer la perte en propriétés mécaniques après vieillissement, tout en garantissant de bonnes propriétés électriques.
    • Etude de la conductivité électrique du fil de transport électrique en alliage d'aluminium en fonction du temps et de la température de chauffage du quatrième objet de l'invention
  • La figure 5 montre la conductivité électrique du fil de transport électrique en alliage d'aluminium de l'invention en fonction du temps de chauffage de l'étape iv) du procédé conforme à l'invention lorsque l'étape iv) est réalisée à une température de chauffage de 450°C (courbe A), 400°C (courbe B) et 350°C (courbe C).
  • L'alliage utilisé dans cet exemple a été préparé comme dans les exemples décrits ci-dessus et comprenait 0,35% de zirconium, 0,27% de fer et 0,17% de cuivre.
  • On peut ainsi constater que les paramètres de température et de temps utilisés lors de ladite étape iv) sont interdépendants et qu'ils ont un impact direct sur la conductivité électrique de l'alliage obtenu. A titre d'exemple de couples temps/température permettant lors de l'étape iv) de former suffisamment de précipités de zirconium et ainsi, d'obtenir une conductivité d'au moins 57% IACS, on trouve les couples temps/température suivants : 100 heures/450°C environ, 200 heures/400°C environ, et 340 heures/350°C environ.
    • Préparation d'un fil de transport électrique en alliage d'aluminium selon le procédé conforme au cinquième objet
  • Un élément électriquement conducteur en alliage d'aluminium A6 a été préparé selon le procédé conforme au cinquième objet de la façon suivante :
    • Etape A) : après avoir incorporé un alliage maître d'aluminium et de zirconium, dans un bain fondu d'aluminium pur à plus de 99,5% en poids, on a mélangé le tout pour homogénéiser l'aluminium pur et l'alliage maître, et ainsi former un alliage en fusion.
    • Etape B) : on a ensuite coulé l'alliage en fusion dans une filière cylindrique pour former un barreau d'un alliage dit « brut de coulée », que l'on a solidifié par refroidissement : le barreau cylindrique formé avait un diamètre de 30 mm.
    • Etape C) : on a laminé à une température de 25°C 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 10 mm.
    • Etape D) : on a chauffé le barreau de l'étape précédente à 400°C pendant 180 heures pour former un fil de transport électrique en alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium et 0,35% de zirconium.
    • Etape E) : on a tréfilé à froid ledit fil de transport électrique de l'étape précédente pour obtenir un fil d'alliage (i.e. brin métallique
      d'alliage) de 3,5 mm de diamètre.
      • Etapes a) et b) : on a décapé et dégraissé ledit fil de transport électrique en aluminium de l'étape précédente, en le plongeant dans une solution de soude et de tensio-actifs commercialisée sous la référence GARDOCLEAN par la société CHEMETALL (30-50 g/L de soude), à une température allant de 40 à 60°C environ, pendant une durée de 30 secondes environ.
      • Etape c) : Puis, on a plongé ledit fil de transport électrique en aluminium de l'étape précédente dans une solution d'acide sulfurique (20% en poids d'acide sulfurique dans de l'eau distillée), à température ambiante (i.e. 25°C), pendant 10 secondes.
    • Etape F) : on a formé par anodisation sulfurique (20% en poids d'acide sulfurique dans de l'eau distillée) à une température de 25 à 35°C, une couche poreuse d'hydroxyde d'alumine en surface du fil de transport électrique de l'étape précédente, sous l'application d'une densité de courant comprise entre 55 et 65 A/dm2. Ledit fil de transport électrique en alliage d'aluminium obtenu est ainsi recouvert d'une couche poreuse d'hydroxyde d'alumine. L'épaisseur de ladite couche poreuse d'hydroxyde d'alumine allait de 8 à 10 µm environ.
      Etape vii) : on a colmaté les pores de la couche poreuse d'hydroxyde d'alumine telle que formée à l'étape précédente en plongeant ledit fil de transport électrique de l'étape précédente dans de l'eau chaude.
  • L'alliage en aluminium A5 du fil de transport électrique comprenait au plus 0,8% en poids d'impuretés inévitables.
  • Le diamètre des précipités de zirconium a été déterminé par la méthode MET telle que décrite dans l'exemple 1, sur l'alliage A5 tel que préparé à l'issu de l'étape E) de tréfilage (i.e. avant les étapes de décapage, dégraissage, neutralisation, anodisation et colmatage).
  • Les inventeurs de la présente demande ont ainsi pu constater que le procédé conforme à l'invention permettait l'obtention d'une dispersion homogène de microstructure contrôlée de précipités de zirconium et en particulier, l'obtention de précipités de zirconium sphériques, de diamètre allant de 1 à 20 nm environ.
  • Le tableau 2 ci-dessous montre la tenue en température (en °C) de plusieurs fils de transport électrique en alliage d'aluminium A5, A6, A02 et A03, leur conductivité électrique (en % IACS), leur émissivité, leur absorption, leur diamètre, le diamètre et la section des câbles correspondants (en mm), l'intensité (en A) et le gain d'intensité (en %) des câbles comprenant respectivement les fils de transport électrique en alliage d'aluminium A03, A5 et A6 par rapport au câble comprenant le fil de transport électrique en alliage d'aluminium A02.
  • A6 a été fabriqué selon le procédé conforme au quatrième objet de l'invention et tel que décrit dans le premier exemple de la présente demande (avec les paramètres de chauffage de l'étape iv) suivants: 400°C/180 heures).
  • Il comprenait de l'aluminium et 0,35% de zirconium (ledit alliage ne comprenait pas de fer et pas de cuivre). A6 ne comprenait pas de couche poreuse d'hydroxyde d'alumine.
  • A02 (aluminium pur) a été commercialisé sous la référence AI1350 par la société Nexans. A02 ne comprenait pas de couche poreuse d'hydroxyde d'alumine.
  • A03 a été fabriqué à partir de A02, en effectuant uniquement les étapes a), b), c), F) et vii) décrites ci-dessus dans le présent exemple. A03 comprenait donc une couche poreuse d'hydroxyde d'alumine.
  • A02 et A03 ne font pas partie de l'invention puisqu'ils ne comprennent pas de zirconium. TABLEAU 2
    A02 A03 A6 A5
    Tem pérature maximale (°C) 80°C 80°C 210°C 210°C
    Conductivité (% IACS) 62% 62% 60% 60%
    Em issivité 0,4 0,92 0,4 0,92
    Absorption 0,85 0,5 0,85 0,5
    Diamètre du fil (mm) 3,500 3,500 3,513 3,513
    Diamètre du câble (mm) 31,50 31,50 32,52 31,52
    Section (mm2) 346,46 346,46 357,67 357,67
    Intensité (A) 1360 1549 2334 2688
    Gain d'intensité (%) - 13,91 71,59 97,68
  • Outre des propriétés mécaniques améliorées à une température de 210°C en utilisation continue durant une période allant jusqu'à 40 ans, l'intensité maximale admissible est particulièrement augmentée grâce à l'invention, comme le montrent les calculs du tableau 2 ci-dessus, réalisés sur des fils de transport électrique ronds.

Claims (18)

  1. Fil de transport électrique en alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium, du zirconium et des impuretés inévitables, ledit alliage d'aluminium comprenant de 0,05 à 0,6% en poids de zirconium, caractérisé en ce que ledit alliage comprend au moins 80 parties en poids de zirconium sous forme de précipités (Al3Zr) pour 100 parties en poids de zirconium dans ledit alliage d'aluminium.
  2. Fil de transport électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fil de transport électrique comprend en surface une couche poreuse d'hydroxyde d'alumine.
  3. Fil de transport électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit alliage d'aluminium comprend de 0,2 à 0,5% en poids de zirconium.
  4. Fil de transport électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre des précipités de zirconium (Al3Zr) va de 1 à 200 nm.
  5. Fil de transport électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit alliage d'aluminium comprend en outre un élément choisi parmi le cuivre, le fer et leur mélange.
  6. Fil de transport électrique selon la revendication 5, caractérisé en que ledit alliage d'aluminium comprend de 0,15% à 0,4% en poids de fer.
  7. Fil de transport électrique selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en que ledit alliage d'aluminium comprend de 0,05% à 0,35% en poids de cuivre.
  8. Câble électrique comprenant au moins un fil de transport électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en que le câble électrique comprend en outre un élément allongé de renforcement.
  9. Câble électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément allongé de renforcement est entouré par ledit fil de transport électrique en alliage d'aluminium.
  10. Câble électrique selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en que le fil de transport électrique en alliage d'aluminium est torsadé autour de l'élément allongé de renforcement.
  11. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en qu'il est un câble de transport d'énergie (câble OHL).
  12. Procédé de fabrication d'un fil de transport électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    i) Former un alliage d'aluminium en fusion comprenant de l'aluminium, du zirconium, des impuretés inévitables, et optionnellement un élément choisi parmi le cuivre, le fer et leur mélange ;
    ii) Couler l'alliage en fusion de l'étape i), pour obtenir un alliage brut de coulée ;
    iii) Laminer l'alliage brut de coulée de l'étape ii), pour obtenir un alliage laminé ;
    iv) Chauffer l'alliage laminé de l'étape iii) à une température allant de 300 à 500°C, pendant une durée allant de 100 à 500 heures, pour obtenir ledit fil de transport électrique en alliage d'aluminium, ledit alliage comprenant au moins 80 parties en poids de zirconium sous forme de précipités (Al3Zr) pour 100 parties en poids de zirconium dans ledit alliage d'aluminium.
  13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le procédé comprend en outre, l'étape suivante :
    v) Travailler à froid le fil de transport électrique de l'étape iv), pour obtenir un fil de transport électrique avec les dimensions souhaitées.
  14. Procédé selon l'un quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape suivante :
    vi) Former par conversion chimique une couche poreuse d'hydroxyde d'alumine en surface dudit fil de transport électrique.
  15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape vi) est effectuée par anodisation.
  16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre avant l'étape vi), au moins l'une des étapes suivantes :
    a) Dégraisser le fil de transport électrique, et/ou
    b) Décaper le fil de transport électrique.
  17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre avant l'étape vi), l'étape suivante :
    c) Neutraliser le fil de transport électrique.
  18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce qu'il comprend en outre après l'étape vi), l'étape suivante :
    vii) Colmater les pores de ladite couche poreuse d'hydroxyde d'alumine.
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