FR3078078A1 - Procede de fabrication d'un fil fin conducteur ou d'un fil de contact catenaire - Google Patents
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Abstract
La présente invention est relative à un procédé de fabrication d'un fil conducteur, à partir d'un alliage constitué de chrome entre 0,1 et 0,6%, de zirconium entre 0,02 et 0,06 %, de moins de 0,02 % de phosphore, le restant étant du cuivre et moins de 0,1% d'impuretés inévitables, ledit procédé comportant au moins les étapes : - fusion des différents composants de l'alliage à une température supérieure à 1200°C; - coulée continue à travers une filière présentant un diamètre D inférieur à 30 mm, permettant d'obtenir une barre d'un diamètre proche de D, avec le maintien du métal liquide à une température comprise entre 1100 et 1300°C; - solidification de ladite barre et refroidissement jusqu'à une température inférieure à 100°C. Une opération d'étirage est ensuite effectuée, pour obtenir la forme et la section finale du fil, suivie d'une étape de traitement thermique.
Description
La présente invention concerne le domaine des fils conducteurs réalisés dans un alliage à base de cuivre.
Plus spécifiquement, l'invention est notamment relative à un procédé de fabrication de tels fils conducteurs en particulier pour des applications en tant que câble conducteur constitué d'un fil ou de multifils toronnés, le diamètre d'un fil unitaire pouvant varier de 0,025 mm à 1,8 mm, le nombre de fils pouvant varier entre 7 et 61.
En effet, pour un câble constitué de plusieurs fils on constate que, pour une même section conductrice, le câble multifils est beaucoup plus flexible et sa résistance aux cycles de fatigue est améliorée en comparaison avec un fil unique de même section.
Une autre application concerne les câbles de caténaires avec une section comprise entre 80 et 150 mm2 .
Les fils conducteurs obtenus par la mise en œuvre du procédé selon l'invention présentent une résistance charge à la rupture particulièrement élevée, ainsi que des caractéristiques de tenue mécanique et de conductibilité électrique, de même qu'une résistance à l'adoucissement ou au fluage à chaud, et particulièrement intéressantes pour certaines très élevées applications particulières telles que celles qui ont été mentionnées ci-dessus, à savoir notamment les fils de contact d'une caténaire ou encore des fils fins conducteurs.
Traditionnellement, dans l'état de la technique, on connaît, du document européen EP 0 902 096, un procédé de fabrication d'un fil d'alliage de cuivre, dans lequel on part d'un fil existant, présentant un calibre de 0,25 pouce (6,35 mm) , ou moins, et fabriqué dans un alliage constitué de chrome entre 0,15 et 0,30%, de zirconium entre 0,01 et 0,15%, le reste étant du cuivre.
On applique traitement thermique dudit fil pendant au moins une minute dans des conditions de température comprise entre 1600 et 1800°F (870 à 982°C), ce traitement étant suivi d'une opération de mise en solution, par exemple une trempe. Ce traitement à chaud peut être mis en œuvre pendant une durée pouvant aller jusqu'à 2h.
-2Ensuite, un premier travail à froid, généralement un tréfilage, est effectué, jusqu'à un calibre intermédiaire de 0,030 à 0,125 pouce (de 0,762 à 3,175 mm), avant un second traitement à chaud, entre 600 et 1000°F (316 à 538°C), dudit alliage sur une durée allant de 15 min à lOh.
Le procédé est poursuivi par un travail à froid final, généralement un tréfilage, pour obtenir un calibre final inférieur ou égal à 0,010 pouce (0,254 mm) puis un traitement thermique final pendant 15 min à 10 h entre 600 et 1000°F.
Dans le fil d'alliage de cuivre ainsi fabriqué, une partie principale du chrome et du zirconium se présente sous la forme de particules précipitées d'une taille inférieure au micron, réparties sensiblement uniformément dans la matrice de cuivre.
Le fil obtenu par la mise en œuvre du procédé susmentionné est décrit ici comme présentant une résistance à la traction d'au moins 379,2 MPa, une conductivité électrique supérieure ou égale à 85% IACS et un allongement minimum de 6% sur 254 mm.
On connaît aussi, par le document de brevet FR 2 999 192 un conducteur électrique en alliage de cuivre constitué essentiellement de chrome (0,15-1,3%), zirconium (0,01-0,15%), argent (0,01-0,15%), terres rares telles que yttrium et/ou cérium (0,001-0,1%), le restant étant du cuivre et des impuretés inévitables.
Le conducteur électrique est décrit ici comme présentant une conductivité au moins supérieure à 85% IACS.
Ce document décrit également un procédé de fabrication discontinu d'un conducteur électrique comprenant un certain nombre d'étape et notamment :
la préparation de deux alliages mères Cu-Cr et Cu-Zr, par fusion et coulée ;
l'élaboration de l'alliage constitué de cuivre, chrome, zirconium, argent et terres rares, dans les proportions évoquées ci-dessus, sous forme de lingots, par fusion et coulée, à partir des alliages mères obtenus à l'étape a) ; l'enlèvement des surfaces du lingot et homogénéisation par traitement thermique à 850°C pendant 4h ;
-3 la transformation à froid du lingot en barre puis en fil de 8 mm ;
le traitement thermique de trempe de l'alliage du fil à 920°C pendant 30 minutes ;
le tréfilage à froid pour réduire la section du fil de l'ordre de 85% ;
le traitement thermique de trempe de l'alliage du fil ; le traitement de surface du fil par revêtement métallique avec un métal choisi parmi Ni, Ag et Sn ;
le tréfilage à froid de façon à réduire la section du fil entre 0,05 et 2 mm ;
1'assemblage de plusieurs brins pour obtenir un conducteur multibrins ;
le durcissement structural du conducteur, par traitement thermique pour obtenir le conducteur électrique final, entre 300 et 600°C pendant 1 à 5h.
Un procédé de fabrication continu d'un conducteur électrique est également décrit dans cette demande. Le procédé de fabrication continu diffère du procédé discontinu susmentionné en ce que l'on élabore, dès la deuxième étape, les fils par une opération de fusion-coulée continue.
Cependant, les procédés divulgués actuellement dans l'état de la technique sont relativement complexes, et fastidieux à mettre en œuvre, nécessitant l'enchaînement de nombreuses étapes de traitements différents, ces étapes impliquant des temps souvent extrêmement longs, afin d'obtenir des fils présentant des caractéristiques mécaniques, notamment de résistance à la rupture et/ou d'allongement, et de conductibilité électrique suffisantes pour les applications recherchées.
En outre, le traitement de mise en solution mis en œuvre dans l'état de la technique nécessite une température élevée pour permettre aux atomes de chrome et de zirconium de se positionner dans la structure cristalline du cuivre. Plus la température est élevée, plus le nombre d'atomes possible inclus dans la structure cristalline du cuivre est élevé. En d'autres termes, la limite de solubilité augmente.
-4Seuls les atomes en solution participent à l'amélioration des caractéristiques mécaniques. Les atomes hors solution vont engendrer des précipités de taille importante, de l'ordre de quelques pm, cette taille étant d'autant plus importante, et les précipités présentant en outre un alignement, que la vitesse de refroidissement est inférieure à la vitesse critique. Or, les précipités de grandes dimensions conduiront inévitablement à des casses de tréfilage, et plus particulièrement pour des fils de diamètres inférieurs à 0,1 mm.
La limite de solubilité du chrome, dans un état d'équilibre obtenu en laboratoire, donnée par le diagramme de phase, est inférieure à 0,6% à 1070°C et inférieure à 0,3% à 1000°C.
Or, il est très difficile d'atteindre, par réchauffage d'un matériau solide avec la composition visée, la température de 1070°C qui correspond à la température de début de fusion liquide.
L'invention offre la possibilité de pallier les divers inconvénients de l'état de la technique en proposant, notamment, un procédé aisé à mettre en œuvre de fabrication d'un fil conducteur en alliage de cuivre, chrome et zirconium, comprenant en outre éventuellement du phosphore et optionnellement de l'argent, tout en permettant d'aboutir à la fabrication d'un fil présentant un compromis particulièrement intéressant entre résistance charge à la rupture Rm, allongement A%, conductivité électrique %IACS et résistance thermique.
Dans une démarche inventive pour proposer un procédé innovant de fabrication de fil conducteur, il a ainsi été imaginé de supprimer le traitement de mise en solution à 900°C mis en œuvre traditionnellement dans les procédés connus de l'état de la technique, et de le remplacer par un procédé dans lequel la température de 1070°C est atteinte par solidification du liquide, la solidification étant opérée de manière continue avec un refroidissement rapide après solidification, et cela à un diamètre suffisamment faible pour que la totalité du volume respecte une vitesse de refroidissement qui s'approche de la vitesse critique nécessaire à la mise en solution maximale du chrome et du zirconium.
-5 Dans le procédé innovant, le point le plus éloigné de la surface de refroidissement ne dépasse pas 15 mm et le système de refroidissement permet que la baisse de température atteigne une vitesse d'au moins 10°C/s à 1060°C, d'au moins 15°C/s à 1040°C, de 20°C/s à 1030°C, de 25°C/s à 1000°C, de 30°C/s à 960°C et de 30°C/s à 900°C, préférentiellement supérieure ou égale à 20°C/s pour des températures inférieures à 900°C.
A cet effet, la présente invention permet, par rapport aux procédés traditionnels, de maximiser la mise en solution du chrome et du zirconium. Nous montrerons que la suite du procédé de l'invention permet, grâce à cet état initial, de maintenir des caractéristiques mécaniques élevées à un niveau de conductivité électrique supérieur à l'état de la technique disponible. Il est bien entendu qu'avec les techniques existantes il est possible d'atteindre le même niveau de conductivité électrique mais pas en maintenant un niveau élevé de résistance mécanique.
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un fil conducteur à partir d'un alliage constitué de chrome dans une proportion comprise entre 0,1 et 0,6% en masse, de zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et 0,06 % en masse, de phosphore dans une proportion inférieure à 0,02% en masse, le reste de l'alliage étant du cuivre et des impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 0,1% en masse, ledit procédé comportant au moins les étapes suivantes :
a) fusion des différents composants de l'alliage, à savoir le cuivre, le chrome, le zirconium et le phosphore, par exemple à une température supérieure à 1200°C, de préférence entre 1200°C et 1300°C ;
b) coulée continue à travers une filière cylindrique présentant un diamètre D inférieur à 30 mm, permettant d'obtenir une barre d'un diamètre proche du diamètre D de la filière avec le maintien du métal liquide dans le four de coulée à une température comprise entre 1100 et 1300°C;
c) solidification de ladite barre et refroidissement jusqu'à une température inférieure à 100°C, la vitesse de refroidissement étant au moins égale à 10°C/s jusqu'à atteindre une température de la barre de 1060°C, puis au moins égale à 15°C/s entre 1060 et 1040°C, puis au moins égale à 20°C/s entre 1040 et 1030°C, puis au moins égale à 25°C/s entre 1030 et 1000°C, puis au moins égale à 30°C entre 1000 et 900°C, puis au moins égale à 20°C/s pour des températures inférieures à 900°C, jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100°C ;
d) on procède à au moins une opération d'étirage de ladite barre pour obtenir la forme et la section finale du fil ;
e) traitement thermique à une température comprise entre 450 et 500°C pendant une durée comprise entre lh et 4h ;
ledit fil conducteur présentant une résistance charge à la rupture Rm supérieure ou égale à 414 MPa, et une conductibilité électrique supérieure ou égale à 85% IACS (International Annealed Copper Standard).
De manière avantageuse, le procédé de l'invention permet de fabriquer un fil fin conducteur et, dans ce cas, au cours l'étape d) , on procède à un tréfilage pour obtenir un fil fin d'un diamètre dl compris entre 30 pm et 3 mm, de préférence entre 0,08 mm et 0,3 mm, le fil fin présentant, outre les caractéristiques de résistance Rm et de conductibilité électrique susmentionnées, un allongement minimum de 6% à 9% suivant le diamètre dudit fil.
Préférentiellement, dans le cas de la fabrication d'un fil fin conducteur, l'étape d) est suivie d'une étape au cours de laquelle on effectue une opération de traitement de surface par dépôt d'une couche mince d'argent ou de nickel.
Une deuxième étape de tréfilage peut également être effectuée au cours duquel le fil fin est amené à son diamètre final d2, inférieur au diamètre dl obtenu lors de l'étape d) et supérieur ou égal à 30 pm, le plus fréquemment entre 80 pm et 0,3 mm.
Dans l'optique de fabriquer un fil fin conducteur, ledit diamètre D de la filière utilisée dans l'étape b) est avantageusement inférieur à 10 mm.
Toujours dans le but de fabriquer un fil fin conducteur, on notera que ledit alliage est préférentiellement constitué de chrome dans une proportion comprise entre 0,1 et 0,3% en masse, de zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et 0,04 % en
-7 masse, de phosphore dans une proportion inférieure à 0,01% en masse, le reste de l'alliage étant du cuivre et des impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 0,1% en masse.
Ledit fil fin conducteur obtenu présente alors une résistance charge à la rupture Rm supérieure ou égale à 414 MPa, un allongement minimum de 6% à 9% suivant le diamètre dudit fil, et une conductibilité électrique supérieure ou égale à 90% IACS (International Annealed Copper Standard).
Ledit alliage peut, en outre, être constitué, en plus des composants déjà mentionnés, d'argent dans une proportion comprise entre 0,01 et 0,015% en masse, ledit fil fin conducteur présentant alors une résistance charge à la rupture Rm supérieure ou égale à 414 MPa, un allongement minimum de 6% à 9% suivant le diamètre dudit fil, et une conductibilité électrique supérieure ou égale à 90% IACS.
Un coefficient de pondération est de préférence affecté à chaque élément chimique susceptible d'être présent en tant qu'impureté dans l'alliage pour la fabrication d'un fil fin conducteur, en fonction de l'effet dudit élément chimique sur la conductibilité électrique dudit fil ; la somme des proportions pondérées de chacun desdits éléments chimiques, en partie par million, étant inférieure à 5000.
Le procédé de l'invention peut également permettre la fabrication d'un fil de contact caténaire. Dans cette optique, le fil obtenu à l'étape d) a une forme de « goutte d'eau » ou de « queue d'aronde » présentant une surface si de coupe du profil comprise entre 80 mm2 et 150 mm2 .
Pour la fabrication d'un fil de contact caténaire, après le traitement thermique e) , une deuxième étape d'étirage f) peut être mise en œuvre, ce qui augmente la résistance à la rupture à une valeur supérieure ou égale à 500 MPa pour un allongement supérieur à 3%, et une conductibilité électrique supérieure ou égale à 80% IACS (International Annealed Copper Standard).
-8Toujours dans le procédé de fabrication d'un fil de contact caténaire, ledit alliage est, en outre, constitué d'argent dans une proportion comprise entre 0,01 et 0,015% en masse, ledit fil de contact caténaire présentant alors une résistance charge à la rupture Rm supérieure ou égale à 500 MPa, un allongement minimum de 3%, et une conductibilité électrique supérieure ou égale à 80% IACS.
Un coefficient de pondération peut également être affecté à chaque élément chimique susceptible d'être présent en tant qu'impureté dans l'alliage, en fonction de l'effet dudit élément chimique sur la conductibilité électrique ; la somme des proportions pondérées de chacun desdits éléments chimiques, en partie par million, étant inférieure à 5000.
L'invention concerne encore :
- une âme conductrice de câble comportant au moins un fil fin conducteur obtenu selon le procédé de l'invention ;
- un câble miniature comportant au moins un fil fin conducteur obtenu selon le procédé de l'invention ;
- une gaine de blindage comportant une pluralité de fils fins conducteurs obtenus selon le procédé de l'invention et arrangés sous forme de tresses ;
- un conducteur monobrin comprenant un fil fin conducteur obtenu selon le procédé de l'invention, ledit fil fin conducteur étant entouré d'une enveloppe isolante ;
- un conducteur multibrin comprenant une pluralité de fils fins conducteurs obtenus selon le procédé de l'invention torsadés, lesdits fils fins conducteurs étant entourés d'une enveloppe isolante.
La présente invention comporte de nombreux avantages. En particulier, le procédé, de mise en œuvre aisée, et sans traitement à chaud de mise en solution aux alentours de 900°C, permet l'obtention de fils conducteurs présentant des caractéristiques mécaniques intéressantes, notamment en termes de résistance charge à la rupture, d'allongement, de conductivité électrique et de résistance thermique.
-9D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l'invention.
Une figure unique, illustrant un profil d'un fil de contact caténaire en goutte d'eau ou en queue d'aronde et présentant une surface si de coupe de profil de 107 mm2, est annexée à la présente description.
La présente invention est relative à un procédé de fabrication d'un fil conducteur à partir d'un alliage particulier.
Cet alliage est constitué de chrome dans une proportion comprise entre 0,1 et 0,6% en masse, de zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et 0,06 % en masse, de phosphore dans une proportion inférieure à 0,02% en masse, le reste de l'alliage étant du cuivre et des impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 0,1% en masse.
Dans ces conditions il est possible d'atteindre une conductivité électrique > 85% IACS.
Il est important que les impuretés présentes ne réduisent la conductibilité électrique. Or, certains éléments considérés ici comme des impuretés agissent plus sur la réduction de la conductibilité électrique que d'autres.
Il convient donc de tenir compte de ce fait en affectant à chaque impureté un coefficient de pondération, comme indiqué dans le tableau 1 ci-dessous :
| Valeur du coefficient de pondération suivant l'élément chimique | ||||
| 1 | 2 | 5 | 10 | 20 |
| Ni | Al | As | B | S |
| Pb | Ge | Be | Fe | Ti |
| Zn | Sn | Co | Se | |
| Mg | Si | |||
| Mn | ||||
| Sb |
Tableau 1 : Valeur du coefficient de pondération suivant l'élément chimique
- 10La somme de la proportion de chaque impureté en ppm pondérée du coefficient ne doit pas dépasser la valeur de 5000.
De manière avantageuse, la somme pondérée des impuretés ne dépasse pas 2000.
Ainsi, par exemple, si, dans l'alliage, sont retrouvées, en tant qu'impuretés, dans les proportions indiquées, 100 ppm de silicium (Si), 100 ppm de fer (Fe) , 50 ppm d'étain (Sn) , 50 ppm d'aluminium (Al), 50 ppm de zinc (Zn) , 20 ppm de soufre (S) et 100 ppm d'autres impuretés, la proportion totale des impuretés est de 470 ppm.
En ce qui concerne la somme pondérée des impuretés, elle est calculée comme suit, en multipliant les proportions, en ppm, de chaque impureté présente par leur coefficient de pondération respectif, et en additionnant les proportions pondérées.
En reprenant les impuretés données dans l'exemple ci-dessus, leur somme pondérée est donc calculée comme suit :
100 x 10 + 50 x 2 + 50 x 2 + 50 x 1 + 20 x 20 = 2650
Outre les constituants mentionnés ci-dessus (chrome, zirconium, phosphore et cuivre), l'alliage servant à fabriquer le fil conducteur conformément à l'invention peut également, de manière avantageuse, incorporer une proportion d'argent comprise entre 0,01 et 0,015% en masse.
Le procédé de fabrication des fils conducteurs à partir de l'alliage dont la composition est détaillée ci-dessus se distingue des procédés usuels de fabrication de fils conducteurs en ce qu'il ne met pas en œuvre de traitement spécifique de mise en solution à 900°C.
En effet, dans le présent procédé de fabrication, on utilise une ébauche présentant un diamètre inférieur à 30 mm et un procédé de coulée continue avec un refroidissement rapide après solidification.
Plus spécifiquement, le procédé de fabrication du fil conducteur comporte, de préférence, au moins les étapes suivantes, prises dans l'ordre indiqué :
a) on procède à une fusion des différents composants de l'alliage, à savoir le cuivre, le chrome, le zirconium, le
- 11 phosphore, et éventuellement l'argent, par exemple à une température supérieure à 1200°C, de préférence entre 1200°C et 1300°C ;
b) on effectue une coulée continue à travers une filière cylindrique présentant un diamètre D permettant d'obtenir une barre, ou ébauche, d'un diamètre proche du diamètre D de la filière, celui-ci étant inférieur à 30 millimètres avec le maintien du métal liquide dans le four de coulée à une température comprise entre 1100 et 1300°C;
c) on solidifie ladite barre et on la soumet à un refroidissement jusqu'à une température inférieure à 100°C, la vitesse de refroidissement étant au moins égale à 10°C/s jusqu'à atteindre une température de la barre de 1060°C, puis au moins égale à 15°C/s entre 1060 et 1040°C, puis au moins égale à 20°C/s entre 1040 et 1030°C, puis au moins égale à 25°C/s entre 1030 et 1000°C, puis au moins égale à 30°C entre 1000 et 900°C, puis au moins égale à 20°C/s pour des températures inférieures à 900°C, jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100°C.
En d'autres termes, la vitesse de refroidissement est au moins égale à 10°C/s lorsque la température de la barre est supérieure à 1060°C, jusqu'à atteindre cette température, puis au moins égale à 15°C/s lorsque la température de ladite barre est comprise entre 1060 et 1040°C, puis au moins égale à 20°C/s lorsque cette température est comprise entre 1040 et 1030°C, puis au moins égale à 25°C/s lorsque la température est comprise entre 1030 et 1000°C, puis au moins égale à 30°C entre 1000 et 900°C.
Ensuite, pour des températures de barre inférieures à 900°C, la vitesse de refroidissement peut être au moins égale à 20°C/s et ce jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100°C.
d) suivant l'étape de solidification et refroidissement, on effectue au moins une étape d'étirage de la barre afin d'obtenir la forme et la section désirée du fil conducteur ;
e) on effectue un traitement thermique du fil obtenu à l'étape d), en le soumettant à une température comprise entre 450 et 500°C, pendant une durée comprise entre lh et 4h.
Le fil conducteur obtenu suivant la mise en œuvre de ces étapes présente une résistance charge à la rupture Rm supérieure ou égale à 414 MPa et une conductibilité électrique supérieure ou égale à 85% IACS.
Dans un premier mode de réalisation particulier, le procédé de l'invention permet la fabrication d'un fil fin conducteur.
A cet effet, l'étape d) d'étirage de la barre consiste, plus particulièrement, en une étape de tréfilage mise en œuvre sur ladite barre obtenue après solidification-refroidissement de l'étape c).
Cette étape de tréfilage permet d'obtenir un fil fin d'un diamètre dl compris entre 30 pm et 3 mm et fréquemment entre 0,08 mm et 0,3 mm, et l'étape e) de traitement thermique est mise en œuvre sur un tel fil.
A noter également que cette première étape de tréfilage peut optionnellement être suivie d'une opération de traitement de surface par dépôt d'une couche mince d'argent (ou d'autres métaux, comme le nickel).
Ce revêtement permet d'empêcher la formation d'oxydes lors de l'utilisation du câble qui engendreraient des risques de corrosion, des difficultés de soudage ou de conductibilité en haute fréquence.
A cette fin, il est préférentiel que le fil fin issu de la première étape de tréfilage d) soit particulièrement propre et exempt de tout résidu de lubrifiant de tréfilage qui empêcherait une bonne adhérence de l'argent (ou du nickel) lors du traitement d'électrodéposition.
Pour ce faire, il est avantageux de combiner des opérations de décapage mécanique (usinage ou rasage) et/ou chimique (décapage acide) ainsi que des opérations de dégraissage et rinçage.
De manière particulièrement avantageuse, deux opérations de tréfilage sont mises en œuvre au cours du procédé de l'invention,
- 13 un premier tréfilage suivant l'étape c) de refroidissement rapide après solidification et une deuxième étape de tréfilage, après l'étape de revêtement de surface par l'argent ou le nickel, ou bien directement après la première étape de tréfilage d) , sans application d'un revêtement de surface.
Dans cette deuxième étape de tréfilage, le fil est amené à son diamètre d2 final, d2 étant inférieur au diamètre dl obtenu suivant la mise en œuvre de la première étape de tréfilage d) et supérieur ou égal à 30 pm, et le plus fréquemment entre 80 pm et 0,3 mm.
Dans le cas de la réalisation d'un câble ou d'un toron multibrin ou procédera ensuite à l'opération de configuration du câble ou du toron.
Après la mise en forme finale du fil fin conducteur, on procède à un traitement thermique nécessaire pour augmenter la conductivité électrique et les caractéristiques mécaniques. Un tel traitement thermique est également appelé « traitement de durcissement », « traitement de précipitation », ou bien encore de traitement dit « âge hardening ».
Ce traitement est réalisé à des températures entre 450 et 500°C avec des temps de maintien entre lh et 4h.
En effet le traitement de mise en solution à l'issue de l'étape c) a laissé une part importante des atomes de chrome et de zirconium dans le réseau cristallin du cuivre. Or, c'est parce que la matière a le réseau cristallin du cuivre qu'il a été possible de procéder à la première étape de tréfilage d) , et éventuellement à la seconde étape optionnelle de tréfilage, sans casse de fil.
Les caractéristiques typiques du fil fin, avant l'étape de traitement thermique, sont : une conductivité électrique de 50 à 60 %IACS, un allongement de 2% et une résistance à la rupture de 500 MPa. Or, ces niveaux de conductivité électrique et d'allongement sont insuffisants.
Il est donc nécessaire, par l'étape e) de traitement thermique, de « sortir » les atomes de chrome et de zirconium de la structure cristalline du cuivre. Les atomes vont alors se
- 14regrouper sous forme de précipités cohérents et incohérents. Les précipités cohérents (de taille inférieure à 15 nm) sont réputés apporter l'effet de durcissement structural.
En prenant les conditions du procédé de l'invention, mais en procédant, lors de l'étape d) , à une réduction de diamètre limitée, en d'autres termes à une réduction de diamètre inférieure à ce qui est prévu dans le présent procédé de fabrication d'un fil fin conducteur (par exemple en passant d'un diamètre coulé 28 mm à un diamètre 16 mm alors que le présent procédé prévoit, lors de l'étape d) , de passer d'un diamètre de coulée de 30 mm au maximum à un diamètre pouvant atteindre au minimum de 30pm) suivi d'un traitement thermique e) : il a été observé que des précipités incohérents de chrome persistent mais sont beaucoup plus petits qu'avec le procédé traditionnel.
En effet, une observation par microscopie électronique en transmission identifie une proportion importante de précipités incohérents de chrome entre 20 et 50 nm.
Sans vouloir être liés par une quelconque théorie, les inventeurs formulent l'hypothèse que, dans le procédé de l'invention, ce sont ces précipités submicrométriques de chrome (de 0,02 pm à 0,05 pm) , associés au très fort écrouissage de l'étape de tréfilage d) , et éventuellement de la seconde étape optionnelle de tréfilage, pour réaliser des fils fins qui permettent, lors du traitement thermique, de remonter les valeurs de conductivité électrique 85% IACS et d'allongement de 6 à 9% en maintenant une résistance à la rupture élevée > 414 MPa.
Des essais de mesure de certaines caractéristiques mécaniques (allongement à la rupture Rm et allongement) et de la conductibilité électrique ont été conduits sur différents fils fins conducteurs obtenus par la mise en œuvre du procédé de l'invention, en testant différentes nuances d'alliage.
Pour un alliage constitué de 0,4 à 0,6% en masse de chrome ; 0,03 à 0,06% en masse de zirconium ; de phosphore dans une proportion inférieure à 0,02% ; le restant étant du cuivre (composition n°l), les caractéristiques obtenues sont les suivantes : résistance charge à la rupture Rm > 414 MPa, avec un
- 15allongement A% minimum situé entre 6% et 9% suivant le diamètre (d) de fil réalisé (6% pour d 0,05mm, 7% pour d < 0.08mm, 8% pour d < 0,14mm et 9% pour d 0,3 mm) et conductibilité électrique % IACS > 85.
La composition n°l permet d'aboutir à un fil conducteur présentant un compromis intéressant entre résistance charge à la rupture Rm, allongement A%, et conductivité électrique.
Dans un deuxième temps, un alliage constitué de 0,1 à 0,3% en masse de chrome ; 0,02 à 0,04% en masse de zirconium, de phosphore dans une proportion inférieure à 0,01%, le restant étant du cuivre, a été testé (composition n°2).
Dans le cas de la composition 2, après le traitement thermique de précipitation, les caractéristiques obtenues ont été les suivantes : Rm de 420 à 4 60 MPa et % IACS 92 à 94 et A% 8 à 11, les valeurs d'allongement minimum étant conservées en fonction du diamètre comme indiquées ci-dessus.
Dans le cas de la réalisation d'un câble multifilaire avec revêtement d'argent les propriétés mécaniques sont encore augmentées.
Ainsi, dans une composition encore plus préférentielle, dans le procédé de fabrication d'un fil fin conducteur, l'alliage est constitué de chrome dans une proportion comprise entre 0,1 et 0,3% en masse, de zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et 0,04 % en masse, de phosphore dans une proportion inférieure à 0,01% en masse, le reste de l'alliage étant du cuivre et des impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 0,1% en masse. Dans ces conditions il est possible, comme indiqué cidessus, d'atteindre une conductivité électrique > 90% IACS.
A noter également que, lorsque le procédé de l'invention est destiné à la fabrication d'un fil fin conducteur, le diamètre D de la filière utilisée lors de la mise en œuvre de l'étape b) du procédé de l'invention peut être, de manière avantageuse, inférieur à 10 mm.
Ainsi, on comprend que le procédé de l'invention peut être utilisé pour la fabrication d'un fil fin conducteur, à partir d'un alliage constitué de chrome (entre 0,1 et 0,6% en masse), de
- 16zirconium (entre 0,02 et 0,06% en masse), de phosphore (moins de 0,02% en masse), optionnellement d'argent (entre 0,01 et 0,015% en masse) , le reste étant du cuivre et moins de 0,1% en masse d'impuretés, dans lequel :
on fusionne les différents constituants de l'alliage, à savoir le cuivre, le chrome, le zirconium, le phosphore, et optionnellement l'argent, par exemple à une température supérieure à 1200°C, et plus avantageusement encore à une température comprise entre 1200°C et 1300°C ;
on effectue une coulée continue de l'alliage à travers une filière cylindrique présentant un diamètre D inférieur à 30 mm, de préférence inférieur à 10 mm, et permettant d'obtenir une barre d'un diamètre proche du diamètre D de la filière avec le maintien du métal liquide dans le four de coulée à une température comprise entre 1100 et 1300°C; on procède à une solidification de ladite barre et refroidissement jusqu'à une température inférieure à 100°C, la vitesse de refroidissement étant au moins égale à 10°C/s jusqu'à atteindre une température de la barre de 1060°C, puis au moins égale à 15°C/s entre 1060 et 1040°C, puis au moins égale à 20°C/s entre 1040 et 1030°C, puis au moins égale à 25°C/s entre 1030 et 1000°C, puis au moins égale à 30°C entre 1000 et 900°C, puis au moins égale à 20°C/s pour des températures inférieures à 900°C, jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100°C ;
on procède à un tréfilage de ladite barre jusqu'à obtenir un fil fin d'un diamètre dl compris entre 30 pm et 3 mm et, plus préférentiellement encore, ledit diamètre dl est compris entre 0,08 mm et 0,3 mm ;
optionnellement, on effectue un décapage mécanique (usinage ou rasage) et/ou chimique (décapage acide) ainsi que des opérations de dégraissage et rinçage dudit fil fin avant d'appliquer un traitement de surface par électrodéposition d'une couche mince d'argent ou de nickel ;
- 17optionnellement, on réalise une deuxième étape de tréfilage dans laquelle on amène le fil fin à son diamètre d2 final, d2 étant inférieur au diamètre dl obtenu suivant la mise en œuvre de la première étape de tréfilage et étant supérieur ou égal à 30 pm, et, plus préférentiellement encore, ledit diamètre d2 est compris entre 80 pm et 0,3 mm ;
on traite thermiquement ledit fil fin conducteur à une température comprise entre 450 et 500°C pendant une durée comprise entre lh et 4h ;
Le fil fin conducteur obtenu suivant la mise en œuvre de ces étapes ayant, à la fois, une résistance charge à la rupture Rm supérieure ou égale à 414 MPa, une conductibilité électrique supérieure ou égale à 85% IACS, ainsi qu'un allongement minimum de 6 à 9%, pouvant varier en fonction du diamètre dl ou d2 final dudit fil.
L'ajout optionnel d'argent dans une proportion comprise entre 0,01 et 0,015% entraîne une augmentation de la conductibilité électrique jusqu'à une valeur supérieure ou égale à 90% IACS.
A noter également que, de même que pour l'ajout d'argent, l'utilisation d'une composition préférentielle de l'alliage comportant entre 0,1 et 0,3% en masse de chrome, entre 0,02 et 0,04% de zirconium, moins de 0,01% en masse de phosphore et le reste étant du cuivre et des impuretés inévitables telles que décrites plus en détail ci-dessus, permet d'obtenir un fil fin conducteur ayant, au final, une conductibilité électrique supérieure ou égale à 90% IACS, en plus des caractéristiques de résistance et d'allongement déjà évoquées.
Dans un second mode de réalisation tout aussi intéressant, le procédé de l'invention permet la fabrication d'un fil de contact caténaire.
En d'autres termes, après la mise en œuvre de l'étape c) du procédé de l'invention, la barre produite est tout particulièrement indiquée pour une transformation en fil contact
- 18caténaire, destiné à être utilisé dans le domaine du transport ferroviaire.
En effet, une telle application nécessite des fils conducteurs présentant une forte résistance à la traction à température élevée pour des niveaux de conductibilité maintenue à plus de 80% IACS, avantageusement à plus de 85% IACS, et de manière plus avantageuse encore, à plus de 90% IACS.
Pour cette application fil de contact caténaire, on procédera, à l'étape d) à une transformation à froid pour obtenir un fil présentant un profil en forme de « goutte d'eau » ou de « queue d'aronde » avec la surface si de coupe du profil entre 80 mm2 et 150 mm2, on terminera la réalisation du câble caténaire en effectuant l'étape e) avec un traitement thermique de durcissement à une température comprise entre 450 et 500°C, entre 1 et 4h.
Par exemple, pour obtenir un fil de contact caténaire présentant un profil en forme de « goutte d'eau » ayant une section d'une surface de 107 mm2, telle qu'illustré sur la figure unique ci-annexée, on procède, dans un premier temps, à une coulée, telle que décrite précédemment, à un diamètre inférieur à 30 mm et supérieur à 25 mm.
Ensuite, on met en œuvre l'étape d), par tréfilage à froid, pour réaliser un fil rond rasé ayant un diamètre de l'ordre de, ou égal à, 14,5 mm.
On procède alors à une première mise en forme par tréfilage à froid pour obtenir un profil de section 133 mm2, puis, en ligne, à la mise en forme finale de la section de 107 mm2 par une dernière étape de tréfilage à froid.
Le procédé est achevé par la mise en œuvre de l'étape e) de traitement thermique.
Un tel exemple de réalisation n'est toutefois pas limitatif du procédé de l'invention.
Pour des raisons de conditionnement, il peut être plus pratique de procéder à l'enroulement du fil de contact caténaire sur touret bois ou métallique après l'étape de traitement thermique.
- 19On pourra alors procéder, après l'étape e) de traitement thermique, à une opération d'étirage-calibrage f) pour permettre un bon enroulement dudit fil de contact caténaire et, également, pour augmenter la résistance à la rupture jusqu'à une valeur pouvant être supérieure à 500 MPa, pour un allongement supérieur à 3% et une conductibilité électrique qui est maintenue à une valeur supérieure ou égale à 80% IACS.
Dans le cas de l'exemple précédent, où l'on fabrique un fil de contact caténaire en profil « goutte d'eau » de section d'une surface finale de 107 mm2, on procède à l'étape d) de mise au rond rasé de diamètre 14,5 mm, puis au traitement thermique de l'étape
e), suivi de la mise en forme du profil lors de l'opération f) en deux étapes de tréfilage en ligne 133 mm2 et 107 mm2, pour directement enrouler, finalement, le produit sur un touret bois ou métallique.
Ainsi, on comprend que le procédé de l'invention peut être utilisé pour la fabrication d'un fil de contact caténaire, à partir d'un alliage constitué de chrome (entre 0,1 et 0,6% en masse), de zirconium (entre 0,02 et 0,06% en masse), de phosphore (mois de 0,02% en masse), optionnellement d'argent (entre 0,01 et 0,015% en masse), le reste étant du cuivre et moins de 0,1% en masse d'impuretés, dans lequel :
on fusionne les différents constituants de l'alliage, à savoir le cuivre, le chrome, le zirconium, le phosphore, et optionnellement l'argent, par exemple à une température supérieure à 1200°C, et plus avantageusement encore à une température comprise entre 1200°C et 1300°C ;
on effectue une coulée continue de l'alliage à travers une filière cylindrique présentant un diamètre D inférieur à 30 mm, et permettant d'obtenir une barre d'un diamètre proche du diamètre D de la filière avec le maintien du métal liquide dans le four de coulée à une température comprise entre 1100 et 1300°C;
on procède à une solidification de ladite barre et refroidissement jusqu'à une température inférieure à 100°C, la vitesse de refroidissement étant au moins égale
-20à 10°C/s jusqu'à atteindre une température de la barre de 1060°C, puis au moins égale à 15°C/s entre 1060 et 1040°C, puis au moins égale à 20°C/s entre 1040 et 1030°C, puis au moins égale à 25°C/s entre 1030 et 1000°C, puis au moins égale à 30°C entre 1000 et 900°C, puis au moins égale à 20°C/s pour des températures inférieures à 900°C, jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100°C ;
on procède à une transformation à froid de la barre pour obtenir un fil présentant un profil en forme de « goutte d'eau » ou de « queue d'aronde » avec la surface si de coupe du profil entre 80 mm2 et 150 mm2 ;
on traite thermiquement ledit fil à une température comprise entre 450 et 500°C pendant une durée comprise entre lh et 4h ;
on étire à nouveau ledit fil obtenu suite à la mise en œuvre de 1'étape de traitement thermique, le fil de contact caténaire ainsi obtenu présente une résistance à la rupture supérieure ou égale à 500 MPa, un allongement supérieur à 3% et une conductibilité électrique supérieure ou égale à 80% IACS.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés et décrits précédemment qui peuvent présenter des variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de 1'invention.
Claims (17)
- REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un fil conducteur à partir d'un alliage constitué de chrome dans une proportion comprise entre 0,1 et 0,6% en masse, de zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et 0,06 % en masse, de phosphore dans une proportion inférieure à 0,02% en masse, le reste de l'alliage étant du cuivre et des impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 0,1% en masse, ledit procédé comportant au moins les étapes suivantes :a) fusion des différents composants de l'alliage, à savoir le cuivre, le chrome, le zirconium et le phosphore, à une température supérieure à 1200°C, de préférence entre 1200°C et 1300°C ;b) coulée continue à travers une filière cylindrique présentant un diamètre D inférieur à 30 mm, permettant d'obtenir une barre d'un diamètre proche du diamètre D de la filière avec le maintien du métal liquide dans le four de coulée à une température comprise entre 1100 et 1300°C;c) solidification de ladite barre et refroidissement jusqu'à une température inférieure à 100°C, la vitesse de refroidissement étant au moins égale à 10°C/s jusqu'à atteindre une température de la barre de 1060°C, puis au moins égale à 15°C/s entre 1060 et 1040°C, puis au moins égale à 20°C/s entre 1040 et 1030°C, puis au moins égale à 25°C/s entre 1030 et 1000°C, puis au moins égale à 30°C entre 1000 et 900°C, puis au moins égale à 20°C/s pour des températures inférieures à 900°C, jusqu'à ce que la barre soit refroidie à une température au plus de 100°C ;d) on procède à au moins une opération d'étirage de ladite barre pour obtenir la forme et la section finale du fil ;e) traitement thermique à une température comprise entre 450 et 500°C pendant une durée comprise entre lh et 4h ;ledit fil conducteur présentant une résistance charge à la rupture Rm supérieure ou égale à 414 MPa, et une conductibilité électrique-22supérieure ou égale à 85% IACS (International Annealed CopperStandard).
- 2. Procédé de fabrication d'un fil fin conducteur selon la revendication précédente dans lequel, au cours l'étape d) , on procède à un tréfilage pour obtenir un fil fin d'un diamètre dl compris entre 30 pm et 3 mm, de préférence entre 0,08 mm et 0,3 mm, le fil fin présentant en outre un allongement minimum de 6% à 9% suivant le diamètre dudit fil.
- 3. Procédé de fabrication d'un fil fin conducteur selon la revendication précédente dans lequel l'étape d) est suivie d'une étape au cours de laquelle on effectue une opération de traitement de surface par dépôt d'une couche mince d'argent ou de nickel.
- 4. Procédé de fabrication d'un fil fin conducteur selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3 dans lequel on effectue une deuxième étape de tréfilage au cours duquel le fil est amené à son diamètre final d2, inférieur au diamètre dl obtenu lors de l'étape d) et supérieur ou égal à 30 pm, le plus fréquemment entre 80 pm et 0,3 mm.
- 5. Procédé de fabrication d'un fil fin conducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 dans lequel ledit diamètre D de la filière est inférieur à 10 mm.
- 6. Procédé de fabrication d'un fil fin conducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 dans lequel ledit alliage est constitué de chrome dans une proportion comprise entre 0,1 et 0,3% en masse, de zirconium dans une proportion comprise entre 0,02 et 0,04 % en masse, de phosphore dans une proportion inférieure à 0,01% en masse, le reste de l'alliage étant du cuivre et des impuretés inévitables dans une proportion inférieure à 0,1% en masse, ledit fil conducteur présentant une résistance charge à la rupture Rm supérieure ou égale à414 MPa, un allongement minimum de 6% à 9% suivant le diamètre dudit fil, et une conductibilité électrique supérieure ou égale à 90% IACS (International Annealed Copper Standard).
- 7. Procédé de fabrication d'un fil fin conducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 dans lequel ledit alliage est en outre constitué d'argent dans une proportion comprise entre 0,01 et 0,015% en masse, ledit fil fin conducteur présentant une résistance charge à la rupture Rm supérieure ou égale à 414 MPa, un allongement minimum de 6% à 9% suivant le diamètre dudit fil, et une conductibilité électrique supérieure ou égale à 90% IACS.
- 8. Procédé de fabrication d'un fil fin conducteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 dans lequel un coefficient de pondération est affecté à chaque élément chimique susceptible d'être présent en tant qu'impureté dans l'alliage, en fonction de l'effet dudit élément chimique sur la conductibilité électrique ; la somme des proportions pondérées de chacun desdits éléments chimiques, en partie par million, étant inférieure à 5000.
- 9. Procédé de fabrication d'un fil de contact caténaire suivant la revendication 1 dans lequel le fil obtenu à l'étape d) a une forme de « goutte d'eau » ou de « queue d'aronde » présentant une surface si de coupe du profil comprise entre 80 mm2 et 150 mm2 .
- 10. Procédé de fabrication d'un fil de contact caténaire selon la revendication 9 dans lequel on effectue, après le traitement thermique e), une deuxième étape d'étirage f) ce qui augmente la résistance à la rupture à une valeur supérieure ou égale à 500 MPa pour un allongement supérieur à 3%, et une conductibilité électrique supérieure ou égale à 80% IACS (International Annealed Copper Standard).
- 11.Procédé de fabrication d'un fil de contact caténaire selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10 dans lequel ledit alliage est en outre constitué d'argent dans une proportion comprise entre 0,01 et 0,015% en masse, ledit fil de contact caténaire présentant une résistance charge à la rupture Rm supérieure ou égale à 500 MPa, un allongement minimum de 3%, et une conductibilité électrique supérieure ou égale à 80% IACS.
- 12. Procédé de fabrication d'un fil de contact caténaire selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 dans lequel un coefficient de pondération est affecté à chaque élément chimique susceptible d'être présent en tant qu'impureté dans l'alliage, en fonction de l'effet dudit élément chimique sur la conductibilité électrique ; la somme des proportions pondérées de chacun desdits éléments chimiques, en partie par million, étant inférieure à 5000.
- 13. Ame conductrice de câble comportant au moins un fil fin conducteur obtenu selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 8.
- 14. Câble miniature comportant au moins un fil fin conducteur obtenu selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 8.
- 15. Gaine de blindage comportant une pluralité de fils fins conducteurs obtenus selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 8 arrangés sous forme de tresses.
- 16. Conducteur monobrin comprenant un fil fin conducteur obtenu selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 8, ledit fil fin conducteur étant entouré d'une enveloppe isolante.
- 17.Conducteur multibrin comprenant une pluralité de fils fins conducteurs obtenu selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 8 torsadés, lesdits fils fins conducteurs étant entourés d'une enveloppe isolante.
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| CN110993190A (zh) * | 2019-12-10 | 2020-04-10 | 西安西电光电缆有限责任公司 | 一种接触线及其制备方法和应用 |
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2018
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| CN110993190B (zh) * | 2019-12-10 | 2021-06-22 | 西安西电光电缆有限责任公司 | 一种接触线及其制备方法和应用 |
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