WO2013057415A1 - Alliage d'aluminium resistant a des temperatures elevees - Google Patents

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WO2013057415A1
WO2013057415A1 PCT/FR2012/052350 FR2012052350W WO2013057415A1 WO 2013057415 A1 WO2013057415 A1 WO 2013057415A1 FR 2012052350 W FR2012052350 W FR 2012052350W WO 2013057415 A1 WO2013057415 A1 WO 2013057415A1
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WO
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alloy
aluminum
aluminum alloy
weight
scandium
Prior art date
Application number
PCT/FR2012/052350
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Inventor
Emilien Comoret
Nicolas MASQUELIER
Original Assignee
Nexans
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/023—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Definitions

  • the present invention relates to an electrical cable comprising an elongated electrically conductive member of aluminum alloy, as well as to a method of manufacturing said alloy and to a method of manufacturing said cable.
  • These cables are conventionally composed of a central reinforcing element, surrounded by at least one electrically conductive layer.
  • the central reinforcing element may be a composite or metallic element.
  • the electrically conductive layer can in turn typically comprise an assembly of metal strands, preferably twisted around the central element.
  • the metal strands may be strands of aluminum, copper, aluminum alloy or copper alloy. That said, the electrically conductive layer is generally made of aluminum or an aluminum alloy, since this material has a relatively low weight compared to other electrically conductive materials.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of the techniques of the prior art by proposing in particular an electric cable, in particular of the OHL type, comprising at least one elongated conductive element made of aluminum alloy, easy to manufacture, while presenting good mechanical resistance at high temperature.
  • the present invention firstly relates to an electric cable comprising an elongated electrically conductive element made of aluminum alloy, characterized in that the aluminum alloy comprises aluminum, of 250 ppm (ie at least 0.025% by weight of scandium) at 1200 ppm by weight (ie at most 0.12% by weight of scandium) of scandium (Se), and unavoidable impurities.
  • the electrical cable according to the first object may further comprise an elongate reinforcing member.
  • the second subject of the present invention is an electric cable comprising an elongated electrically conductive element made of aluminum alloy, characterized in that the electric cable further comprises an elongated reinforcing element, the aluminum alloy comprising aluminum, scandium (Se), and inevitable impurities.
  • the elongated reinforcing element is surrounded by said electrically conductive element, the elongated reinforcing element being in particular a central element.
  • an elongated reinforcing element makes it possible in particular to form an OHL cable.
  • the amount of scandium in the aluminum alloy may advantageously be at least 250 pm by weight.
  • the aluminum alloy may not include enough Se precipitates to maintain good mechanical properties at high temperatures.
  • the amount of scandium in the aluminum alloy may advantageously be at most 1200 ppm by weight. Beyond 1200 ppm by weight of scandium, the electrical conductivity of the alloy can drop significantly. More particularly, it is preferable that the amount of scandium in the aluminum alloy is at most 1000 ppm by weight, preferably at most 800 ppm by weight, and preferably at most 600 ppm by weight. .
  • the electrical conductivity of the aluminum alloy is 60% IACS, for a limited cost.
  • the aluminum alloy of the invention comprises from 250 ppm to 1200 ppm by weight of scandium (Se), and preferably from 250 to 600 ppm by weight of scandium.
  • ppm means "parts per million by weight”. In other words, the ppm content of an element is expressed relative to the total weight of the alloy.
  • the aluminum alloy of the invention being an alloy comprising aluminum (Al) and scandium (Se), it will be possible to use in the remainder of the description the term "Al-Sc alloy".
  • the electrical cable in particular the electrically conductive element, has a good mechanical strength at high temperature in continuous use, while ensuring good electrical conductivity and good mechanical properties.
  • the electric cable in particular the electrically conductive element of the invention, exhibits a loss of tensile strength of at most 10% compared to the same cable which has not undergone said test of aging.
  • the electrical cable in particular the electrically conductive element of the invention, has a tensile strength of at least 162 MPa, after said aging test.
  • This minimum value of tensile strength corresponds in particular to an electrically conductive element with a diameter of 3.3 mm.
  • the tensile strength is conventionally determined according to the standard NF-EN-ISO-6892-1-2099 "Metallic materials / tensile tests”.
  • the Al-Sc alloy of the invention in particular of the raw casting type, does not require heat treatment to form Se precipitates within said Al-Sc alloy, said heat treatment being long and expensive.
  • the alloys In addition, during a heat treatment after casting, whether after rolling or after drawing, the alloys generally tend to "anneal”, inducing a decrease in their mechanical properties.
  • the electrical conductivity of the Al-Sc alloy may be at least 55% International Annealed Copper Standard (IACS), preferably at least 58% IACS, and preferably at least 60% IACS.
  • IACS International Annealed Copper Standard
  • the Al-Sc alloy of the invention include only aluminum, scandium, and unavoidable impurities. Indeed, if we add other elements in the alloy, such as for example zirconium (Zr), the electrical conductivity can drop sharply. For electrical applications, it is important to keep the aluminum alloy as pure as possible.
  • Zr zirconium
  • the Al-Sc alloy of the invention does not comprise zirconium (Zr), or comprises less than 0.1% by weight (the value
  • the aluminum content of the alloy of the invention may be at least 95.00% by weight, preferably at least 98.00% by weight, preferably at least 99.00% by weight preferably at least 99.50% by weight, and preferably at least 99.70% by weight.
  • the content of impurities in the aluminum alloy according to the invention may be at most 1.00% by weight, preferably at most 0.60% by weight, preferably at most 0.40% by weight. % by weight, preferably at most 0.30% by weight, preferably less than 0.1% by weight, preferably at most 0.08% by weight, and preferably at most 0.05% by weight .
  • unavoidable impurities means the sum of metallic or non-metallic elements included in the alloy, excluding aluminum, scandium, and possibly oxygen, during the manufacture of said alloy.
  • impurities may be for example one or more of the following elements: Ag, Cd, Cr, Fe, Mg, Mn, Pb, S, Si, Ti, V, Ni, S, Fe and / or Zn.
  • the electrically conductive element may be one or more metal strands of Al-Sc alloy.
  • the electrically conductive element may comprise an assembly of Al-Sc alloy metal strands.
  • This assembly may in particular form at least one layer of the continuous envelope type, for example of circular or oval or square cross section.
  • the electrical cable of the invention comprises an elongated reinforcing member
  • said assembly may be positioned around the elongate reinforcing member.
  • the metal strands may be of round, trapezoidal or Z-shaped cross section.
  • the strands When the strands are of round cross section, they can have a diameter ranging from 2.25 mm to 4.75 mm. When the strands are of non-round cross section, their equivalent diameter in round section can also range from 2.25 mm to 4.75 mm.
  • the elongate reinforcing member is surrounded by at least one layer of an Al-Sc alloy metal wire assembly.
  • 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 electrically conductive element of the invention may be twisted around the elongated reinforcing element, especially when said electrically conductive element is an assembly of metal strands.
  • Another object of the invention is a process for manufacturing an aluminum alloy, preferably aluminum alloy as defined in the present invention, comprising the following steps:
  • molten aluminum alloy comprising aluminum (Al), scandium (Se) and unavoidable impurities
  • step ii casting the molten alloy of step i, to obtain a raw casting alloy
  • step iii rolling the crude casting alloy of step ii, to obtain a rolled alloy
  • step iii cold working the laminated alloy of step iii, in particular to obtain an electrically conductive element as defined in the invention, said manufacturing method not comprising, after step ii, and more particularly after step iii a heat treatment step of heating the alloy at a temperature of 310 to 390 ° C for a period of 50 to 400 hours, such as that mentioned in US4402763.
  • Another object of the invention is a process for manufacturing an aluminum alloy, preferably aluminum alloy as defined in the present invention, comprising the following steps:
  • step ii casting the molten alloy of step i, to obtain a raw casting alloy
  • step iii rolling the crude casting alloy of step ii, to obtain a rolled alloy
  • step iv. cold working the rolled alloy of step iii, in particular to obtain an electrically conductive element as defined in the invention, said manufacturing method not comprising a heat treatment step between step iii and step iv .
  • This heat treatment step, excluded from said manufacturing process of the invention, can be for example:
  • a step of heating the alloy at a temperature of 310 to 390 ° C for a period of 50 to 400 hours; a step of heating the alloy at a temperature of 300 to 500 ° C for a period of 0.5 hours to 100 hours.
  • steps iii and iv of the invention are two successive steps, step iv arriving directly after step iii, these two steps can be carried out typically on the same production line, continuously.
  • a heat treatment step subsequent to step iv, could be considered, in order to improve the mechanical properties (eg breaking strength and elongation at break) of the rolled alloy and cold worked.
  • said process for manufacturing an aluminum alloy comprises only steps i, ii, iii and iv.
  • the manufacturing processes of the invention using the Al-Sc alloy are easy to implement since they avoid the long and restrictive step of the heat treatment, after obtaining the casting (cf. ii), and more particularly between step iii and step iv.
  • step i may be conventionally carried out by incorporating a master alloy (i.e. "master alloy” in English) of aluminum and scandium, in a bath of molten aluminum, substantially pure.
  • master alloy i.e. "master alloy” in English
  • Step ii allows in particular to form, by cooling of the casting (ie solidification), a bar of Al-Sc cast alloy crude.
  • the cross section of the bar can range for example from 500 mm 2 to 2500 mm 2 or more.
  • Step iii makes it possible to roll said Al-Sc alloy bar, the rolling being carried out using a rolling mill well known to those skilled in the art.
  • the bar obtained after rolling preferably has a round cross section.
  • the diameter of the cross section may be for example of the order of 10 mm.
  • the rolling of step iii may conventionally be a "hot" rolling.
  • Hot rolling consists in passing the crude cast alloy of step ii (see the Al-Sc crude casting bar) in a rolling mill, said raw casting alloy being able to be at a temperature greater than 200 ° C at the entrance of the rolling mill, and in particular at a temperature that can be understood between 300 and 550 ° C at the mill inlet. Hot rolling is therefore not a heat treatment step as such, since during hot rolling, the raw casting alloy is not heat treated, in particular it is not subjected to an external source. heat.
  • the cold working step iv may preferably be a drawing step of the rolled alloy.
  • Drawing makes it possible to reduce the section of the rolled alloy obtained in step iii by mechanical traction using a drawing machine, this method being well known to those skilled in the art.
  • the wire drawing makes it possible in particular to obtain metal strands (or wires) of Al-Sc alloy, in particular of round or trapezoidal or Z-shaped cross section.
  • the diameter of the cross section can range from 2.25 mm to 4, 75 mm.
  • the cold working step iv is not a step in which the rolled alloy is heat-treated, in particular it is not subjected to an external source of heat.
  • Another object of the invention is a method of manufacturing the electric cable comprising an elongated reinforcing element, the following steps:
  • step b positioning said electrically conductive member obtained in step a around the elongate reinforcing member to form the electrical cable.
  • step a consists in obtaining said metal strands
  • step b consists in positioning the metal strands around the metal strand element. reinforcing so as to form at least one layer of said metal strands around said reinforcing member.
  • the metal strands are twisted around said reinforcing member.
  • Figure 1 schematically shows a structure, in cross section, of a first variant of an electric cable according to the invention.
  • Figure 2 schematically shows a structure, in cross section, of a second variant of an electric cable according to the invention.
  • FIG. 3 represents the evolution of the tensile strength with respect to the temperature of an aluminum strand, and of a strand of an Al-Sc alloy according to the invention.
  • FIG. 1 represents a first variant of an OHL cable 100A according to the invention, seen in cross section, comprising an electrically conductive element 10A composed of three layers of a metal strand assembly 1A of Al-Sc alloy. These three layers surround an elongate central reinforcing element 20A.
  • the metal strands 1A constituting said layers have a cross section of round shape.
  • FIG. 2 represents a second variant of an OHL cable 100B according to the invention, seen in cross section, comprising an electrically conductive element 10B of two layers of a metal strand assembly 1B of Al-Sc alloy. These two layers surround an elongated central reinforcing element 20B.
  • the metal strands 1B constituting said layers have a trapezoidal cross section.
  • the central reinforcing element 20A, 20B of reinforcement shown in FIGS. 1 and 2 may for example be steel strands 2A, 2B, or composite strands 2A, 2B of aluminum in an organic matrix.
  • the Al-Sc alloy prepared comprises 350 ppm by weight of scandium, the remainder of the alloy being only aluminum and at most 0.3% by weight of unavoidable impurities.
  • This Al-Sc alloy was manufactured as follows:
  • the Al-Sc alloy is then melted in a cylindrical die to form a bar of a so-called "raw cast” alloy which is solidified by cooling: the cylindrical bar formed with a diameter of 30 mm, the Al-Sc alloy bar, directly formed in the previous step, is hot-rolled to obtain a bar of smaller diameter, namely a bar with a diameter of 10 mm, and
  • Al-Sc alloy wire i.e. Al-Sc alloy wire strands
  • this alloy Al-Sc has not undergone any heat treatment step once the casting step is completed, and in particular between the rolling step and the drawing step.
  • a heat treatment step of subjecting the Al-Sc alloy to a temperature of the order of 310-390 ° C for a period of 50 to 400 hours, is excluded from the manufacturing process, between the step rolling and the drawing step.
  • the 3.3 mm diameter alloy wire AI-SC was subjected to a thermal aging test at the following temperatures: 180 ° C., 210 ° C., 230 ° C., 250 ° C. and 280 ° C., for 1 hour. hour.
  • the tensile strength was determined according to standard NF-EN-ISO-6892-1-2099 "Metallic materials / tensile tests”.

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Abstract

La présente invention concerne un câble électrique (100A, 100B) comprenant un élément électriquement conducteur (10A, 10B) allongé en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend de l'aluminium (Al), de 250 ppm en poids à 1200 ppm en poids de scandium (Se), et des impuretés inévitables.

Description

Alliage d'aluminium résistant à des températures élevées
La présente invention se rapporte à un câble électrique comprenant un élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium, ainsi qu'à un procédé de fabrication dudit alliage et à un procédé de fabrication dudit câble.
Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement, aux câbles de transmission électrique à haute tension ou câbles aériens de transport d'énergie, bien connus sous l'anglicisme "Overhead Lines (OHL) cable ».
Ces câbles se composent classiquement d'un élément central de renforcement, entouré par au moins une couche électriquement conductrice.
L'élément central de renforcement peut être un élément composite ou métallique. A titre d'exemple, on peut citer des brins d'acier ou des brins composites d'aluminium dans une matrice organique.
La couche électriquement conductrice peut quant à elle comprendre typiquement un assemblage de brins métalliques, de préférence torsadés autour de l'élément central. Les brins métalliques peuvent être des brins en aluminium, en cuivre, en alliage d'aluminium ou en alliage de cuivre. Ceci étant, la couche électriquement conductrice est généralement fabriquée à base d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, puisque ce matériau présente un poids assez faible par rapport à d'autres matériaux électriquement conducteurs.
Du document US 4 402 763 est connu un alliage d'aluminium utilisé en tant que conducteur électrique, résistant à des températures élevées et présentant une bonne conductivité. Cet alliage se compose de 0,23 à 0,35 % en poids de zirconium (Zr), le reste de l'alliage étant de l'aluminium et des impuretés inévitables (i.e. alliage Al-Zr).
Toutefois, une fois l'alliage Al-Zr du type brut de coulée obtenu, il est nécessaire de le traiter thermiquement à une température de 310-390°C pendant une durée de 50 à 400 heures, pour former au sein de l'alliage Al-Zr des précipités de Zr, et obtenir ainsi une bonne résistance mécanique à haute température de l'alliage. Ce traitement thermique est plus particulièrement réalisé préalablement à l'étape de travail à froid de l'alliage. Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur en proposant notamment un câble électrique, notamment de type OHL, comprenant au moins un élément conducteur allongé en alliage d'aluminium, facile à fabriquer, tout en présentant une bonne résistance mécanique à haute température.
La présente invention a pour premier objet un câble électrique comprenant un élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend de l'aluminium, de 250 ppm (i.e. au moins 0,025% en poids de scandium) à 1200 ppm en poids (i.e. au plus 0,12% en poids de scandium) de scandium (Se), et des impuretés inévitables.
Dans un mode de réalisation particulier, le câble électrique selon le premier objet peut en outre comprendre un élément allongé de renforcement.
La présente invention a pour second objet un câble électrique comprenant un élément électriquement conducteur allongé en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que le câble électrique comprend en outre un élément allongé de renforcement, l'alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium, du scandium (Se), et des impuretés inévitables.
De préférence, l'élément allongé de renforcement est entouré par ledit élément électriquement conducteur, l'élément allongé de renforcement étant notamment un élément central.
Dans la présente invention, la présence d'un élément allongé de renforcement permet notamment de former un câble OHL.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, la quantité de scandium dans l'alliage d'aluminium peut être avantageusement d'au moins 250 pm en poids. Lorsque la quantité de scandium est inférieure à 250 ppm en poids, l'alliage d'aluminium peut ne pas comprendre assez de précipités de Se pour conserver de bonnes propriétés mécaniques à hautes températures.
Dans un second mode de réalisation de l'invention, la quantité de scandium dans l'alliage d'aluminium peut être est avantageusement d'au plus 1200 ppm en poids. Au-delà de 1200 ppm en poids de scandium, la conductivité électrique de l'alliage peut chuter de façon significative. Plus particulièrement, il est préférable que la quantité de scandium dans l'alliage d'aluminium soit d'au plus 1000 ppm en poids, de préférence d'au plus 800 ppm en poids, et de préférence d'au plus 600 ppm en poids.
En outre, pour une quantité de scandium de 600 ppm en poids, la conductivité électrique de l'alliage d'aluminium est de 60% IACS, pour un coût limité.
De façon particulièrement avantageuse, l'alliage d'aluminium de l'invention comprend de 250 ppm à 1200 ppm en poids de scandium (Se), et de préférence de 250 à 600 ppm en poids de scandium.
Dans la présente invention, l'abréviation « ppm » signifie « parties par million massiques ». En d'autres termes, la teneur en ppm d'un élément est exprimée par rapport au poids total de l'alliage.
L'alliage d'aluminium de l'invention étant un alliage comprenant de l'aluminium (Al) et du scandium (Se), on pourra utiliser dans la suite de la description la mention « alliage Al-Sc ».
Grâce à la présente invention, le câble électrique, notamment l'élément électriquement conducteur, présente une bonne résistance mécanique à haute température en utilisation continue, tout en garantissant une bonne conductivité électrique et de bonnes propriétés mécaniques.
Cette résistance à haute température en utilisation continue correspond aux spécifications mentionnées dans la norme IEC 62004 en page 12, Annexe A, à savoir passer un test de vieillissement thermique à
280°C pendant 1 heure, sans perdre plus de 10% de résistance à la traction.
Ainsi, après ce test de vieillissement, le câble électrique, notamment l'élément électriquement conducteur de l'invention, présente une perte de résistance à la traction d'au plus 10% par rapport au même câble n'ayant pas subi ledit test de vieillissement.
Un autre avantage est que le câble électrique, notamment l'élément électriquement conducteur de l'invention, présente une résistance à la traction d'au moins 162 MPa, après ledit test de vieillissement. Cette valeur minimum de résistance à la traction correspond notamment à un élément électriquement conducteur d'un diamètre de 3,3 mm. Dans la présente invention, la résistance à la traction est classiquement déterminée selon la norme NF-EN-ISO-6892-1-2099 « Matériaux métalliques / Essais de traction ».
L'alliage Al-Sc de l'invention, notamment du type brut de coulée, ne nécessite pas de traitement thermique pour former des précipités de Se au sein dudit alliage Al-Sc, ledit traitement thermique étant long et coûteux.
De plus, lors d'un traitement thermique post brut de coulée, que ce soit notamment après laminage ou après tréfilage, les alliages ont de façon générale tendance à se « recuire », induisant une baisse de leurs propriétés mécaniques.
La conductivité électrique de l'alliage Al-Sc peut être d'au moins 55% IACS (International Annealed Copper Standard), de préférence d'au moins 58% IACS, et de préférence d'au moins 60% IACS.
Il est préférable que l'alliage Al-Sc de l'invention ne comprenne uniquement que de l'aluminium, du scandium, et des impuretés inévitables. En effet, si on rajoute d'autres éléments dans l'alliage, tel que par exemple du zirconium (Zr), la conductivité électrique peut fortement baisser. Pour les applications électriques, il est important de conserver l'alliage d'aluminium le plus pur possible.
Ainsi, il est préférable que l'alliage Al-Sc de l'invention ne comprenne pas de zirconium (Zr), ou comprenne moins de 0,1% en poids (la valeur
« 0,1% » étant exclue) de zirconium (Zr), et de préférence comprenne au plus
0,08% en poids de zirconium.
La teneur en aluminium de l'alliage de l'invention peut être d'au moins 95,00% en poids, de préférence d'au moins 98,00% en poids, de préférence d'au moins 99,00% en poids, de préférence d'au moins 99,50% en poids, et de préférence d'au moins 99,70% en poids.
La teneur en impuretés dans l'alliage d'aluminium selon l'invention peut être d'au plus 1,00% en poids, de préférence d'au plus 0,60% en poids, de préférence d'au plus 0,40% en poids, de préférence d'au plus 0,30% en poids, de préférence moins de 0,1% en poids, de préférence au plus 0,08% en poids, et de préférence au plus 0,05% en poids. On entend par « impuretés inévitables » la somme des éléments métalliques ou non métalliques compris dans l'alliage, hors aluminium, scandium, et éventuellement oxygène, lors de la fabrication dudit alliage.
Ces impuretés peuvent être par exemple un ou plusieurs des éléments suivants : Ag, Cd, Cr, Fe, Mg, Mn, Pb, S, Si, Ti, V, Ni, S, Fe et/ou Zn.
Dans le cadre de l'invention, l'élément électriquement conducteur peut être un ou plusieurs brin(s) métallique(s) en alliage Al-Sc.
De façon particulièrement préférée, l'élément électriquement conducteur peut comprendre un assemblage de brins métalliques en alliage Al-Sc. 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 Al-Sc.
L'élément allongé de renforcement peut être typiquement un élément composite ou métallique. A titre d'exemple, on peut citer des brins d'acier ou des brins composites d'aluminium dans une matrice organique.
L'élément électriquement conducteur de l'invention peut être torsadé autour de l'élément allongé de renforcement, notamment lorsque ledit élément électriquement conducteur est un assemblage de brins métalliques. Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium, de préférence de l'alliage d'aluminium tel que défini dans la présente invention, comprenant les étapes suivantes :
i. former un alliage d'aluminium en fusion, comprenant de l'aluminium (Al), du scandium (Se) et des impuretés inévitables,
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, et
iv. travailler à froid l'alliage laminé de l'étape iii, notamment pour obtenir un élément électriquement conducteur tel que défini dans l'invention, ledit procédé de fabrication ne comprenant pas, après l'étape ii, et plus particulièrement après l'étape iii, une étape de traitement thermique consistant à chauffer l'alliage à une température de 310 à 390°C, pendant une durée de 50 à 400 heures, telle que celle mentionnée dans le document US4402763.
Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium, de préférence de l'alliage d'aluminium tel que défini dans la présente invention, comprenant les étapes suivantes :
i. former un alliage d'aluminium en fusion, comprenant de l'aluminium
(Al), du scandium (Se) et des impuretés inévitables,
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, et
iv. travailler à froid l'alliage laminé de l'étape iii, notamment pour obtenir un élément électriquement conducteur tel que défini dans l'invention, ledit procédé de fabrication ne comprenant pas une étape de traitement thermique entre l'étape iii et l'étape iv.
Cette étape de traitement thermique, exclue dudit procédé de fabrication de l'invention, peut être par exemple:
- une étape consistant à chauffer l'alliage à une température de 310 à 390°C, pendant une durée de 50 à 400 heures ; - une étape consistant à chauffer l'alliage à une température de 300 à 500°C, pendant une durée de 0,5 heure à 100 heures.
Plus particulièrement, les étapes iii et iv de l'invention sont deux étapes successives, l'étape iv arrivant directement après l'étape iii, ces deux étapes pouvant s'effectuer typiquement sur la même ligne de fabrication, en continue.
Bien entendu, selon ce procédé de fabrication, une étape de traitement thermique, postérieure à l'étape iv, pourrait être envisagée, afin d'améliorer les propriétés mécaniques (e.g. résistance à la rupture et allongement à la rupture) de l'alliage laminé et travaillé à froid.
Dans un mode de réalisation particulier, ledit procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium comprend uniquement les étapes i, ii, iii et iv.
Les procédés de fabrication de l'invention utilisant l'alliage Al-Sc sont des procédés faciles à mettre en œuvre puisqu'ils évitent l'étape contraignante et longue du traitement thermique, après obtention du brut de coulée (cf. après l'étape ii), et plus particulièrement entre l'étape iii et l'étape iv.
Dans la présente invention, l'étape i peut être classiquement réalisée en incorporant un alliage mère (i.e. « master alloy » en anglais) d'aluminium et de scandium, dans un bain d'aluminium fondu, sensiblement pur.
L'étape ii permet notamment de former, par refroidissement du brut de coulée (i.e. solidification), un barreau d'alliage Al-Sc brut de coulée. La section transversale du barreau peut aller par exemple de 500 mm2 à 2500 mm2, voire plus.
L'étape iii permet de laminer ledit barreau d'alliage Al-Sc, le laminage étant effectué à l'aide d'un laminoir bien connu de l'homme du métier. Le barreau obtenu après laminage a une section transversale ronde de préférence. Le diamètre de la section transversale peut être par exemple de l'ordre de 10 mm.
Le laminage de l'étape iii peut être classiquement un laminage dit « à chaud ». Le laminage à chaud consiste à faire passer l'alliage brut de coulé de l'étape ii (cf. le barreau d'alliage Al-Sc brut de coulé) dans un laminoir, ledit alliage brut de coulé pouvant être à une température supérieure à 200°C à l'entrée du laminoir, et notamment à une température pouvant être comprise entre 300 et 550°C à l'entrée du laminoir. Le laminage à chaud n'est donc pas une étape de traitement thermique en tant que telle, puisque lors du laminage à chaud, l'alliage brut de coulée n'est pas traité thermiquement, notamment il n'est pas soumis à une source extérieure de chaleur.
L'étape iv de travail à froid peut être de préférence une étape de tréfilage de l'alliage laminé. Le tréfilage permet la réduction de la section de l'alliage laminé obtenu à l'étape iii, par traction mécanique à l'aide d'une machine à tréfiler, ce procédé étant bien connu de l'homme du métier. Le tréfilage permet notamment d'obtenir des brins (ou fils) métalliques d'alliage Al-Sc, notamment de section transversale ronde ou trapézoïdale ou en forme de Z. Le diamètre de la section transversale peut aller de 2,25 mm à 4,75 mm. Plus particulièrement, l'étape iv de travail à froid n'est pas une étape dans laquelle l'alliage laminé est traité thermiquement, notamment il n'est pas soumis à une source extérieure de chaleur.
Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication du câble électrique comprenant un élément allongé de renforcement, les étapes suivantes :
a. fabriquer un alliage d'aluminium selon ledit procédé de fabrication de l'alliage d'aluminium, mentionné ci-avant, pour obtenir ledit élément électriquement conducteur, et
b. positionner ledit élément électriquement conducteur obtenu à l'étape a autour de l'élément allongé de renforcement, pour former le câble électrique.
Plus particulièrement, lorsque l'élément électriquement conducteur est un assemblage de brins métalliques d'alliage Al-Sc, l'étape a consiste à obtenir lesdits brins métalliques, et l'étape b consiste à positionner les brins métalliques autour de l'élément de renforcement de sorte à former au moins une couche desdits brins métalliques autour dudit élément de renforcement. De préférence, les brins métalliques sont torsadés autour dudit élément de renforcement.
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 l'évolution de la résistance à la traction par rapport à la température d'un brin d'aluminium, et d'un brin d'un alliage Al-Sc selon l'invention.
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 OHL 100A selon l'invention, vue en coupe transversale, comprenant un élément électriquement conducteur 10A composé de trois couches d'un assemblage de brins métallique 1A d'alliage Al-Sc. 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 OHL 100B selon l'invention, vue en coupe transversale, comprenant un élément électriquement conducteur 10B de deux couches d'un assemblage de brins métallique 1B d'alliage Al-Sc. 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.
L'élément central 20A, 20B allongé de renforcement représenté dans les figures 1 et 2 peut être par exemple des brins d'acier 2A, 2B, ou des brins composites 2A, 2B d'aluminium dans une matrice organique.
Des essais comparatifs ont été réalisés pour montrer les propriétés mécaniques de l'alliage Al-Sc selon l'invention, à hautes températures. Pour ce faire, l'alliage Al-Sc préparé comprend 350 ppm en poids de scandium, le reste de l'alliage étant uniquement de l'aluminium et au plus 0,3% en poids d'impuretés inévitables.
Cet alliage Al-Sc a été fabriqué de la façon suivante :
- après avoir incorporé un alliage maître d'aluminium et de scandium, dans un bain fondu d'aluminium pur à plus de 99,7% en poids, on mélange le tout pour homogénéiser l'aluminium pur et l'alliage maître, et ainsi former un alliage Al-Sc en fusion,
- on coule ensuite l'alliage Al-Sc en fusion dans une filière cylindrique pour former un barreau d'un alliage dit « brut de coulée », que l'on solidifie par refroidissement : le barreau cylindrique formé à un diamètre de 30 mm, on lamine à chaud le barreau d'alliage Al-Sc, directement formé à l'étape précédente, pour obtenir un barreau de plus petit diamètre, à savoir un barreau d'un diamètre de 10 mm, et
on tréfile enfin à froid le barreau de 10 mm de diamètre pour obtenir des fils d'alliage Al-Sc (i.e. brins métalliques d'alliage Al-Sc) de 3,3 mm de diamètre.
Lors de la fabrication de cet alliage Al-Sc, ce dernier n'a subit aucune étape de traitement thermique une fois l'étape de coulée terminée, et notamment entre l'étape de laminage et l'étape de tréfilage. Par exemple, une étape de traitement thermique consistant à soumettre l'alliage Al-Sc à une température de l'ordre de 310-390°C pendant une durée de 50 à 400 heures, est exclue du procédé de fabrication, entre l'étape de laminage et l'étape de tréfilage.
Le fils d'alliage AI-SC de 3,3 mm de diamètre a été soumis à un test de vieillissement thermique aux températures suivantes : 180°C, 210°C, 230°C, 250°C et 280°C, pendant 1 heure.
A titre de comparaison, on a également soumis un fil d'aluminium pur à 99,7% en poids, de 3,3 mm de diamètre, auxdites températures. Les résultats sont rassemblés sous forme de courbes dans le graphique de la figure 3.
Le ratio UTS (« Ultimate Tensile Stress »), mentionné sur l'ordonnée du graphique de la figure 3, correspond, pour un fils métallique donné et pour une température de vieillissement donnée, au rapport suivant :
„ . Ύ TrT1„ Résistance à la traction après vieilliss ement
RatioUTS = -
Résistance à la traction avant vieillissement
La résistance à la traction a été déterminée selon la norme NF-EN-ISO- 6892-1-2099 « Matériaux métalliques / Essais de traction ».
Au regard des courbes de la figure 3, il est clair que l'alliage Al-Sc de l'invention (référencé par « Alliage AISc » sur la figure 3) satisfait à la norme IEC 62004, puisqu'à 280°C, le ratio UTS est de l'ordre de 0,95, ce qui correspond à une perte de 5% en résistance à la traction (i.e. moins de 10% de perte en résistance à la traction), contrairement au fils d'aluminium pur à 99,7% en poids (référencé par « Al » sur la figure 3) dont le ratio UTS tombe à moins de 0,8 à 280°C.

Claims

REVENDICATIONS
1. Câble électrique (100A, 100B) comprenant un élément électriquement conducteur (10A, 10B) allongé en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend de l'aluminium (Al), de 250 ppm en poids à 1200 ppm en poids de scandium (Se), et des impuretés inévitables.
2. Câble électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément (20A, 20B) allongé de renforcement.
3. Câble électrique (100A, 100B) comprenant un élément électriquement conducteur (10A, 10B) allongé en alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément (20A, 20B) allongé de renforcement, et en ce que l'alliage d'aluminium comprend de l'aluminium (Al), du scandium (Se), et des impuretés inévitables.
4. Câble électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend au moins 250 ppm en poids de scandium (Se).
5. Câble électrique selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend au plus 1200 ppm en poids de scandium (Se).
6. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend de 250 ppm à 600 ppm en poids de scandium (Se).
7. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend au moins 98% en poids d'aluminium (Al).
8. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium ne comprend pas de zirconium (Zr), ou comprend moins de 0,1% en poids de zirconium (Zr).
9. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium comprend uniquement de l'aluminium (Al), du scandium (Se), et des impuretés inévitables.
10. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur comprend un assemblage de brins métalliques (1A, 1 B).
11. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que l'élément (20A, 20B) allongé de renforcement est entouré par ledit élément électriquement conducteur (10A, 10B).
12. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur (10A, 10B) est torsadé autour de l'élément (20A, 20B) allongé de renforcement.
13. Procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : i. former un alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium (Al), du scandium (Se), et des impuretés inévitables, 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, et iv. travailler à froid l'alliage laminé de l'étape iii, ledit procédé de fabrication ne comprenant pas, après l'étape ii, une étape de traitement thermique consistant à chauffer l'alliage à une température de 310 à 390°C, pendant une durée de 50 à 400 heures.
14. Procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : i. former un alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium (Al), du scandium (Se), et des impuretés inévitables, 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, et iv. travailler à froid l'alliage laminé de l'étape iii, ledit procédé de fabrication ne comprenant pas une étape de traitement thermique entre l'étape iii et l'étape iv.
15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que l'étape iv de travail à froid est une étape de tréfilage de l'alliage laminé.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium de l'étape i est un alliage d'aluminium comprenant de l'aluminium (Al), de 250 ppm en poids à 1200 ppm en poids de scandium (Se), et des impuretés inévitables.
17. Procédé de fabrication d'un câble électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a. fabriquer un alliage d'aluminium selon le procédé de fabrication tel que défini dans l'une quelconque des revendications 13 à 16, pour obtenir ledit élément électriquement conducteur (10A, 10B) allongé, et b. positionner ledit élément électriquement conducteur (10A, 10B) obtenu à l'étape a autour de l'élément (20A, 20B) allongé de renforcement, pour former le câble électrique (100A, 100B).
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