Fil métallique en alliage Fe-Ni ayant une grande résistance mécanique et un faible coefficient de dilatation thermique, pour câbles haute tension, et procédé de fabrication.Metallic wire of Fe-Ni alloy having a high mechanical resistance and a low coefficient of thermal expansion, for high voltage cables, and manufacturing process.
La présente invention concerne un procédé de fabrication de fils métallique en alliage Fe-Ni ayant une grande résistance mécanique et un faible coefficient de dilatation thermique, plus particulièrement destinés à la fabrication de câbles électriques à haute tension.The present invention relates to a method for manufacturing metallic wires of Fe-Ni alloy having high mechanical strength and a low coefficient of thermal expansion, more particularly intended for the manufacture of high voltage electric cables.
Les premiers câbles électriques à haute tension aériens ont tout d'abord été réalisés en acier revêtu d'un métal ou d'un alliage susceptible de transporter l'énergie électrique, tel que l'aluminium ou le zinc et leurs alliages, l'âme en acier assurant la résistance mécanique de l'ensemble.The first aerial high voltage electric cables were first made of steel coated with a metal or an alloy capable of transporting electrical energy, such as aluminum or zinc and their alloys, the core in steel ensuring the mechanical resistance of the assembly.
Cependant, de tels câbles ne pouvaient transporter qu'une puissance électrique limitée, car au-delà de 70°C environ, la flèche obtenue dépassait le maximum admissible, en raison du trop fort coefficient de dilatation thermique de l'acier utilisé. II a alors été proposé, dans EP 723 025 de remplacer l'âme en acier par un alliage de fer et de nickel (l'Invar), renforcé par précipitation de différents carbures, qui présentait l'avantage d'avoir un coefficient de dilatation thermique inférieur à 5.10"6/°C entre 20 et 300°C. Cependant, le procédé de fabrication d'un tel alliage est compliqué et délicat à mettre en œuvre, car il impose notamment le contrôle du rapport surfacique de précipités aux joints de grains.However, such cables could only carry a limited electrical power, because beyond about 70 ° C, the deflection obtained exceeded the maximum allowable, due to the too high coefficient of thermal expansion of the steel used. It was then proposed, in EP 723 025 to replace the steel core with an alloy of iron and nickel (Invar), reinforced by precipitation of different carbides, which had the advantage of having a coefficient of expansion thermal below 5.10 "6 / ° C between 20 and 300 ° C. However, the manufacturing process of such an alloy is complicated and delicate to implement, because it requires in particular the control of the surface ratio of precipitates at the joints of grains.
La présente invention a donc pour but de mettre à disposition un procédé de fabrication de fils adaptés à la fabrication de câbles à haute tension, qui soit simple à mettre en œuvre, contrairement aux procédés de l'art antérieur et qui permette d'obtenir un fil présentant une résistance mécanique supérieure à 900 MPa, et un coefficient de dilatation thermique inférieur ou égal à 6.10"6/°C, voire à 4,0 .10"6/°C entre 20 et 240°C.
A cet effet, un premier objet de la présente invention est constitué par un procédé de fabrication d'un fil métallique en alliage ayant une grande résistance mécanique et un faible coefficient de dilatation thermique, comprenant les étapes consistant à : - laminer à chaud un alliage comprenant, en % en poids :The present invention therefore aims to provide a method of manufacturing wires suitable for the manufacture of high voltage cables, which is simple to implement, unlike the methods of the prior art and which makes it possible to obtain a wire having a mechanical resistance greater than 900 MPa, and a coefficient of thermal expansion less than or equal to 6.10 "6 / ° C, or even 4.0 .10 " 6 / ° C between 20 and 240 ° C. To this end, a first object of the present invention consists of a method of manufacturing an alloy metal wire having high mechanical strength and a low coefficient of thermal expansion, comprising the steps consisting in: - hot rolling an alloy comprising, in% by weight:
38 < Ni + Co + Cu < 45%38 <Ni + Co + Cu <45%
Co <10%Co <10%
Cu < 5%Cu <5%
0,5% < Ti + Al < 5,5% Cr < 3%0.5% <Ti + Al <5.5% Cr <3%
Si ≤ 1%If ≤ 1%
Mn < 1%Mn <1%
C < 0,25%C <0.25%
Nb + Ta + Mo + W + Zr + Hf + V < 6% Mg ≤0,10%Nb + Ta + Mo + W + Zr + Hf + V <6% Mg ≤0.10%
Ca ≤O.10% S < 0,02% P < 0,04 % B ≤ 0,005%, le complément étant du fer et d'éventuelles impuretés résultant de l'élaboration, pour obtenir un fil machine, que l'on décape éventuellement,Ca ≤O.10% S <0,02% P <0,04% B ≤ 0,005%, the complement being iron and possible impurities resulting from the elaboration, to obtain a wire rod, which is etched eventually,
- puis à mettre en forme ledit fil machine par déformation plastique à froid, en une ou plusieurs passes, avec ou sans recuits intermédiaires, - puis à recuire ledit fil mis en forme, et- then shaping said machine wire by cold plastic deformation, in one or more passes, with or without intermediate annealing, - then annealing said shaped wire, and
- à lui faire subir un traitement de vieillissement et éventuellement une opération de tréfilage final, dans un ordre quelconque.- subjecting it to an aging treatment and possibly a final drawing operation, in any order.
L'invention peut également comprendre les variantes suivantes, prises isolément ou en combinaison :The invention may also include the following variants, taken individually or in combination:
- la teneur en carbone est inférieure ou égale à 0,10%, voire inférieure ou égale à 0,05%,
- le laminage à chaud est effectué avec un taux de réduction tel que le fil obtenu a un diamètre inférieur ou égal à 11 mm,- the carbon content is less than or equal to 0.10%, or even less than or equal to 0.05%, the hot rolling is carried out with a reduction rate such that the wire obtained has a diameter less than or equal to 11 mm,
- la mise en forme par déformation plastique à froid est effectuée avec un taux de réduction compris entre 10 et 85%, - le recuit est effectué en statique, à une température comprise entre- shaping by cold plastic deformation is carried out with a reduction rate of between 10 and 85%, - annealing is carried out statically, at a temperature between
750 et 950°C, ou750 and 950 ° C, or
- le recuit est effectué au défilé, à une température comprise entre 950 et 1150°C,- the annealing is carried out on parade, at a temperature between 950 and 1150 ° C,
- le procédé comprend un traitement de vieillissement effectué en statique, à une température comprise entre 600 et 750°C, outhe method comprises an aging treatment carried out statically, at a temperature of between 600 and 750 ° C., or
- le procédé comprend un traitement de vieillissement effectué au défilé, à une température comprise entre 700 et 950°C,the process comprises an aging treatment carried out at the parade, at a temperature of between 700 and 950 ° C.,
- le procédé comprend un traitement de vieillissement, à l'issue du recuit du fil mis en forme, - le procédé comprend une opération de tréfilage, à la suite dudit traitement de vieillissement, outhe method comprises an aging treatment, after the annealing of the shaped wire, the method comprises a drawing operation, following said aging treatment, or
- le procédé comprend, à l'issue du traitement de recuit, une opération de tréfilage suivie d'un traitement de vieillissement.- The process comprises, at the end of the annealing treatment, a drawing operation followed by an aging treatment.
Un second objet de l'invention est constitué par un fil métallique dont la composition comprend en % en poids :A second object of the invention consists of a metal wire, the composition of which comprises in% by weight:
38 < Ni + Co + Cu < 45% Co <10% Cu < 5% 0,5% < Ti + Al < 5,5%38 <Ni + Co + Cu <45% Co <10% Cu <5% 0.5% <Ti + Al <5.5%
Cr < 3%Cr <3%
Si ≤ 1 %If ≤ 1%
Mn ≤ 1%Mn ≤ 1%
C < 0,25% Nb + Ta + Mo + W + Zr + Hf + V < 6%C <0.25% Nb + Ta + Mo + W + Zr + Hf + V <6%
Mg <0,10% Ca <0,10%
S < 0,02% P < 0,04 % B < 0,005%, le complément étant du fer et d'éventuelles impuretés résultant de l'élaboration.Mg <0.10% Ca <0.10% S <0.02% P <0.04% B <0.005%, the balance being iron and possible impurities resulting from the production.
Dans un mode de réalisation préféré, la taille moyenne de grains dans la direction transversale du fil est comprise entre 5 et 160 μm, de façon particulièrement préférée, comprise entre 10 et 80 μm, et de façon plus particulièrement préférée, comprise entre 20 et 40 μm.In a preferred embodiment, the average grain size in the transverse direction of the wire is between 5 and 160 μm, particularly preferably, between 10 and 80 μm, and more particularly preferably, between 20 and 40 .mu.m.
Dans un autre mode de réalisation préféré, le coefficient de dilatation thermique de l'alliage entre 20 et 240°C est inférieur ou égal à 6.10"δ/°C, de préférence inférieur ou égal à 4,0.10"6/°C.In another preferred embodiment, the coefficient of thermal expansion of the alloy between 20 and 240 ° C is less than or equal to 6.10 "δ / ° C, preferably less than or equal to 4.0.10 " 6 / ° C.
Enfin, l'invention a pour troisième objet un câble électrique pour ligne à haute tension comprenant un fil métallique selon l'invention, ledit fil ayant été revêtu à l'aide d'un revêtement métallique susceptible de transporter de l'énergie électrique, tel que, de préférence de l'aluminium, du zinc ou du cuivre, ou un de leurs alliages.Finally, the third object of the invention is an electric cable for a high-voltage line comprising a metal wire according to the invention, said wire having been coated with a metal coating capable of transporting electrical energy, such as than preferably aluminum, zinc or copper, or one of their alloys.
On préfère les câbles présentant une résistance à la rupture supérieure ou égale à 900 MPa, voire supérieure ou égale à 1 100 MPa, ou même supérieure ou égale à 1200 MPa. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise, mais non limitative, et illustrée par les exemples qui suivent.Cables with a breaking strength greater than or equal to 900 MPa, or even greater than or equal to 1100 MPa, or even greater than or equal to 1200 MPa are preferred. The invention will now be described in more detail, but without limitation, and illustrated by the examples which follow.
Pour fabriquer un fil tréfilé fin de diamètre inférieur ou égal à 2 mm, on utilise un fil machine de diamètre supérieur ou égal à 5 mm en alliage Fe-Ni, qui comprend les éléments suivants :To make a thin drawn wire with a diameter less than or equal to 2 mm, a wire rod with a diameter greater than or equal to 5 mm is used made of Fe-Ni alloy, which comprises the following elements:
- du nickel à une teneur comprise entre 38 et 45%, éventuellement substitué par du cobalt et/ou du cuivre jusqu'à une hauteur de 10%, de
préférence de 5%, et de façon plus particulièrement préférée inférieure à 0,5% pour le cobalt en raison de son coût, et de 5% pour le cuivre. Le respect de la fourchette de ces éléments permet classiquement d'obtenir un faible coefficient de dilatation thermique. - du titane et/ou de l'aluminium en une teneur cumulée de 0,5 à 5,5%.- nickel with a content of between 38 and 45%, optionally substituted by cobalt and / or copper up to a height of 10%, preferably 5%, and more preferably less than 0.5% for cobalt because of its cost, and 5% for copper. Respecting the range of these elements conventionally makes it possible to obtain a low coefficient of thermal expansion. - titanium and / or aluminum in a cumulative content of 0.5 to 5.5%.
L'un ou l'autre de ces éléments, combiné au nickel, permet d'obtenir la formation d'une phase durcissante de type γ' de formule Ni3(Ti,AI), qui permet d'obtenir de bonnes caractéristiques de résistance mécanique. On préfère que la teneur en titane soit inférieure ou égale à 3,5% et la teneur en aluminium inférieure à 1 %. Dans un autre mode de réalisation préféré, la teneur en titane est supérieure ou égale à 0,5%.One or the other of these elements, combined with nickel, makes it possible to obtain the formation of a γ 'type hardening phase of formula Ni 3 (Ti, AI), which makes it possible to obtain good resistance characteristics. mechanical. It is preferred that the titanium content is less than or equal to 3.5% and the aluminum content less than 1%. In another preferred embodiment, the titanium content is greater than or equal to 0.5%.
- du niobium et/ou du tantale et/ou du molybdène, et/ou du tungstène, et/ou du zirconium, et ou de l'hafnium et/ou du vanadium, en une teneur maximale cumulée de 6%. Ces éléments permettent de durcir la matrice de l'alliage, mais tendent à faire augmenter le coefficient de dilatation thermique, d'où la limitation de leur teneur. Il en va de même du chrome, qui joue en outre un rôle durcissant.- niobium and / or tantalum and / or molybdenum, and / or tungsten, and / or zirconium, and or hafnium and / or vanadium, in a maximum cumulative content of 6%. These elements allow the alloy matrix to harden, but tend to increase the coefficient of thermal expansion, hence the limitation of their content. The same applies to chromium, which also plays a hardening role.
- du carbone à une teneur maximale de 0,25%. Cet élément est utilisé en tant que désoxydant, mais on en limite la teneur car il rend l'alliage fragile. C'est pourquoi on préfère limiter sa teneur à 0,1 %, voire à- carbon with a maximum content of 0.25%. This element is used as a deoxidizer, but its content is limited because it makes the alloy fragile. This is why it is preferable to limit its content to 0.1%, or even to
0,05%.0.05%.
- du silicium et/ou du manganèse, utilisés à titre de désoxydants. On limite leur teneur à 1 % en poids, car ils ont tendance à faire augmenter le coefficient de dilatation thermique. La teneur en manganèse est de préférence inférieure à 0,5% pour cette même raison.- silicon and / or manganese, used as deoxidizers. Their content is limited to 1% by weight, because they tend to increase the coefficient of thermal expansion. The manganese content is preferably less than 0.5% for the same reason.
Les autres éléments cités, tels que Mg, Ca, S, P et B, sont considérés comme des impuretés.The other elements mentioned, such as Mg, Ca, S, P and B, are considered as impurities.
Le fil selon l'invention peut être fabriqué par tout procédé adapté. A titre d'illustration, on va décrire un mode de fabrication possible, décrit à titre indicatif mais non limitatif.
Avec l'acier qui vient d'être défini, on fabrique tout d'abord un fil machine de diamètre généralement inférieur ou égal à 11 mm, par une opération classique de laminage à chaud.The wire according to the invention can be manufactured by any suitable process. By way of illustration, a possible manufacturing method will be described, described for information but not limiting. With the steel which has just been defined, a wire rod with a diameter generally less than or equal to 11 mm is first manufactured, by a conventional hot rolling operation.
Le fil machine est ensuite décapé, puis mis en forme par déformation plastique à froid jusqu'à un diamètre généralement inférieur ou égal à 6 mm, en une ou plusieurs étapes de plusieurs passes chacune, avec ou sans traitement thermique intermédiaire. La mise en forme par déformation plastique à froid a pour but, notamment, de réduire la section et, éventuellement, de donner à la section du fil la forme souhaitée (rond, carré, triangle, etc.). Cette déformation plastique peut être effectuée par tréfilage, par laminage ou par tout autre procédé de fabrication d'un fil par déformation plastique à froid. On préfère cependant mettre en forme par tréfilage.The wire rod is then pickled, then shaped by cold plastic deformation to a diameter generally less than or equal to 6 mm, in one or more stages of several passes each, with or without intermediate heat treatment. The purpose of cold plastic deformation is, in particular, to reduce the cross-section and, possibly, to give the cross-section of the wire the desired shape (round, square, triangle, etc.). This plastic deformation can be carried out by drawing, by rolling or by any other method of manufacturing a wire by cold plastic deformation. However, it is preferred to shape by drawing.
Avant le dernier tréfilage pour atteindre le diamètre final, qui est généralement inférieur ou égal à 3 mm, on fait subir un recuit d'adoucissement au fil, afin de restaurer sa capacité de déformation après l'écrouissage subi. Ce recuit peut être effectué en statique, comme au défilé.Before the last wire drawing to reach the final diameter, which is generally less than or equal to 3 mm, the wire is subjected to a softening annealing, in order to restore its deformation capacity after the hardening undergone. This annealing can be done in static, as in the parade.
Cette opération de tréfilage peut être réalisée en une ou plusieurs passes et reste optionnelle, le diamètre final du fil ayant pu être obtenu précédemment lors de la mise en forme à froid effectuée à la suite du laminage à chaud.This drawing operation can be carried out in one or more passes and remains optional, the final diameter of the wire having been obtained previously during the cold shaping carried out following hot rolling.
Pour obtenir les propriétés mécaniques souhaitées, il est nécessaire d'effectuer un traitement thermique de vieillissement, qui permet de faire précipiter la phase durcissante de type γ' de formule Ni3(Ti,AI). Ce traitement de vieillissement peut consister en un chauffage pendant un temps compris entre 1 min et 3 heures, à une température comprise entre 600 et 750 °C en statique ou au défilé à une température de 700-950°C.To obtain the desired mechanical properties, it is necessary to carry out an aging heat treatment, which makes it possible to precipitate the hardening phase of type γ 'of formula Ni 3 (Ti, AI). This aging treatment can consist of heating for a time between 1 min and 3 hours, at a temperature between 600 and 750 ° C in static or at the parade at a temperature of 700-950 ° C.
Le traitement de vieillissement peut être effectué soit directement après le recuit précédant l'éventuel dernier tréfilage, soit après avoir effectué ce dernier tréfilage.The aging treatment can be carried out either directly after the annealing preceding the possible last wire drawing, or after having carried out this last wire drawing.
A titre d'exemple, on a fabriqué deux fils tréfilés A et B de 3 mm, conformes à l'invention en partant d'un fil machine de 11 mm de diamètre,
constitué d'un alliage dont la composition chimique était la suivante, en % en poids :By way of example, two drawn wire A and B of 3 mm were produced, in accordance with the invention, starting from a machine wire of 11 mm in diameter, consisting of an alloy whose chemical composition was as follows, in% by weight:
Le fil A a été décapé puis tréfilé en 6 passes jusqu'à atteindre un diamètre de 3,0 mm, puis recuit à 1125°C au défilé et vieilli en four statique à 730°C.Wire A was pickled and drawn in 6 passes until it reached a diameter of 3.0 mm, then annealed at 1125 ° C in the process and aged in a static oven at 730 ° C.
Le fil B a été décapé puis tréfilé en 2 passes jusqu'à atteindre un diamètre de 6,5 mm, recuit en four au défilé à une température de 1125°C, tréfilé jusqu'à 5,0 mm, recuit au défilé à une température de 1125°C et vieilli en four statique à une température de 730°C, puis tréfilé en 6 passes jusqu'à 3,0 mm.Wire B was pickled and then drawn in 2 passes until it reached a diameter of 6.5 mm, annealed in the oven at a temperature of 1125 ° C, drawn up to 5.0 mm, annealed in the process at a temperature of 1125 ° C and aged in static oven at a temperature of 730 ° C, then drawn in 6 passes to 3.0 mm.
Les caractéristiques mécaniques et dilatométriques obtenues sont rassemblées dans le tableau suivant :The mechanical and dilatometric characteristics obtained are collated in the following table: