Brevet FR2009218A1 — publié le 19700130

i 2009218 La présente invention concerne une structure d'électrode pour un appareil à arc tel qu'un disjoncteur, et plus particulièrement une structure d'électrode comportant une matrice d'un métal réfractaire imprégnée d'un métal de haute 5 conductivité. L'invention concerne aussi un procédé pour former cette structure d'électrode. Le procédé habituel pour produire ces électrodes consiste à former d'abord un corps pareux ayant approximativement la forme désirée par moulage sous pression d'un métal réfractaire 10 en poudre, tel que du tungstène, sous haute pression dans un moule ayant la forme convenable. La pièce résultante est ensuite chauffée à une température élevée pour fritter les particules réfractaires, après quoi la pièce obtenueest imprégnée d'un métal d'une conductivité élevée. 15 Après ces opérations, la pièce formant le corps de l'électrode doit être fixée à un support convenable, habituellement par brasage. La première opération habituelle pour la fixation consiste à usiner des surfaces correspondantes de l'électrode et du support pour une adaptation convenable pour le brasage . Cet 20 usinage doit être fait avec des tolérances étroites, aussi bien pour le support que pour l'électrode. La surface de l'électrode est ensuite préparée pour le brasage par application d'un revêtement en alliage de brasure, habituellement dans un four contenant une atmosphère réductrice. 25 L'opération réelle de brasage est faite ensuite, après quoi un usinage est effectué pour obtenir les dimensions finales de l'électrode et pour supprimer l'alliage de brasure en excès. Il est évident que l'ensemble de ce procédé est assez compliqué et coûteux. C'est en particulier le cas quand les 30 électrodes ont des dimensions importantes ou des formes irrégulières, car cela nécessite des moules de formes spéciales et des presses importantes, et parce que l'usinage de l'électrode et du support à des tolérances étroites est une opération lente et coûteuse. De plus, l'électrode est unie- au support par un 35 alliage de brasure ayant une température de fusion basse, et ces jonctions sont désavantageuses pour différentes raisons quand les électrodes doivent supporter des courants intenses d'arc. 69 17073 2 2009218 La présente invention a pour objet des électrodes pouvant supporter des arcs et un procédé supprimant la plus grande partie des opérations de moulage sous pression, d'usinage et de brasage. L'invention a aussi pour objet un procédé pour 5 former de telles électrodes ne demandant pas de presses spéciales ni d'opérations coûteuses d'usinage, et aussi d'établir la jonction entre l'électrode et le support métallique sans utiliser d'alliage de brasure fondant à basse température,, Suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention la 10 structure d'électrode à amorçage d'arc est formée en établissant d'abord une surface rugueuse sur un support métallique approprié» Un métal réfractaire est ensuite pulvérisé dans un arc à plasma sur cette surface pour établir un revêtement poreux en métal réfractaire verrouillé à la surface» La température de ce revête-15 ment poreux est ensuite élevée à une valeur prédéterminée et un métal de haute conductivité en fusion est imprégné dans le revêtement pour remplir les pores de celui-ci. Le revêtement est ensuite refroidi pour solidifier le métal hautement conducteur dans les pores. 20 Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exemple, et faite en se référant au dessin annexé sur lequel : La figure 1 représente une étape de la formation d'une structure d'électrode selon la présente invention. 25 La figure 2 est une coupe schématique à grande échelle de la microstructure d'une électrode selon l'invention. La figure 3 est une coupe d'une structure d'électrode d'un type antérieur, et La figure 4 est une coupe d'une structure d'électrode 30 suivant un autre mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente un support conducteur 10 ayant une surface sensiblement hémisphérique ou bombée 12. Une électrode résistant à l'arc en une matière comportant un métal réfractaire doit être fixée à cette surface. Une matière couramment utilisée 35 pour ces électrodes devant supporter un arc est du tungstène imprégné d'un métal d'une haute conductivité, tel que le cuivre ou l'argent. Une autre matière convenable pour constituer le support 10 est.un acier inoxydable. 69 17073 3 2009218 Conformément à l'invention, l'électrode et sa jonction au support 10 sont fornées par pulvérisation dans un arc à plasma» Des canons de pulvérisation dans un arc à plasma sont disponibles commercialement et ont en général la forme représentée 5 en 15 sur la figure 1. Le canon de pulvérisation 15 comprend une cathode 17 en tungstène bhorié en forme de tige, et une anode tubulaire en cuivre 10 entourant la cathode 17 et comportant un orifice 20 à l'extrémité de droite sur la figure 1, Un arc électrique de grande intensité 22 est établi entre l'anode 17 et la 10 cathode 10» Un gaz convenable tel que de l'argon est envoyé à travers l'orifice 20 et l'arc 22 pour être ionisé et établir un courant 23 de plasma extrêmement chaud» Une poudre est envoyée à travers un passage 24 dans le courant de plasma de l'arc dans lequel cette poudre est fondue et est transformée en gouttelettes 15 extrêmement fines ou "atomisées" de matière en fusion, ces gouttelettes étant éjectées à grande vitesse à travers l'orifice dans le courant de plasma. Le courant de plasma contenant les gouttelettes en fusion est projeté sur la surface devant recevoir le revêtement, et quand les particules en fusion frappent cette surfa-20 ce elles s'aplatissent et se solidifient en formant un revêtement adhérent. Suivant le mode de mise en oeuvre représenté de l'invention, de la poudre de tungstène est envoyée à travers le passage 24, et le courant de plasma 23 contenant les particules 25 de tungstène en fusion est projeté sur la surface 12» Le revêtement formé par les particules de tungstène solidifié est indiqué en 25 sur les figures 1 et 2. La figure 2 est une coupe schématique à très grande échelle de la microstructure du revêtement montrant les particules aplaties de tungstène entrecroisées les unes par rapport 30 aux autres. Avant cette opération de pulvérisation dans un arc à plasma, la surface 12 du support 10 de l'électrode est préparée en étant rendue rugueuse, de préférence par sablage pneumatique d'une façon classique. Cette opération établit non seulement une 35 surface rugueuse, mais aussi nettoie la surface-. En supposant que le support 10 formant la surface 12 soit en acier inoxydable, l'opération suivante consiste à appliquer une couche mince 14 de cuivre sur la surface rugueuse. Cette' couche de cuivre est appliquée à la brosse sur la surface rugueuse 69 17073 4 2009218 en utilisant une petite quantité de cuivre eii suspension dans un véhicule convenable, par exemple de l'acétate de cellulose« Cependant, d'autres techniques peuvent.aussi être utilisées, par exemple le cuivrage électrolytique ou la pulvérisation. Le support 5 10 est ensuite chauffé à une température supérieure au point de fusion du cuivre pour provoquer la fusion du cuivre et son écoulement sur la surface pour former un revêtement mince 14 sur toute la surface rugueuse. Le véhicule est évaporé pendant ce chauffage et il est pratiquement éliminé. Cette couche de cuivre a pour but 10 d'empêcher la formation d'une couche d'oxyde réfractaire sur l'acier inoxydable pendant le traitement consécutif à haute température. Une telle couche d'oxyde réfractaire serait nuisible à la liaison du tungstène à l'acier inoxydable. La couche de cuivre 14 est très mince, de préférence 15 de l'ordre de 2,5 microns. Comme les dépressions formées par le sablage ont en général une profondeur de plusieurs fois cette valeur, la couche mince de cuivre n'influe pas sensiblement sur la rugosité de la surface, comme le montre la figure 2. Dans certains cas il peut être désirable de sabler légèrement la surface de cui-20 vre pour obtenir une rugosité supplémentaire. Après cette préparation de la surface 12, la couche de tungstène 25 est appliquée par pulvérisation dans un arc à plasma de la façon indiquée ci-dessus. Le revêtement de tungstène pulvérisé se verrouille dans les parties saillantes de la surface 25 réceptrice et il en résulte,une liaison mécanique solide entre les deux» La pulvérisation est poursuivie jusqu'à obtenir l'épaisseur désirée de revêtement. A titre d'exemple, le revêtement peut avoir une épaisseur de l'ordre de 0,25 à 1,25 mm» La densité ou la porosité du revêtement formé par pulvérisation peut être réglée de la 30 façon désirée pour répondre aux conditions requises dans chaque cas. L'étape suivante consiste à infiltrer un métal de haute conductivité tel que du cuivre dans le revêtement poreux en tungstène. Cette opération est effectuée en appliquant d'abord du cuivre 35 sur la surface du revêtement poreux, par exemple par application à la brosse d'une couche épaisse de poudre de cuivre sur la surface, ou en plaçant un disque ou une ébauche convenable en cuivre sur cette surface. 69 17073 5 2009218 Le support de l'électrode est ensuite chauffé dans une atmosphère réductrice convenable, telle que de l'hydrogène à une température supérieure au point de fusion du cuivre, par exemple environ 1100°Go II en résulte la fusion du cuivre et son 5 écoulement en fusion à travers le revêtement de tungstène poreux, le cuivre remplissant les pores et liant plus intimement les particules de tungstène les unes aux autres et au support 10 après solidification du cuivre par le refroidissement consécutif» Après cette infiltration, la pièce est refroidie 10 puis légèrement polie par abrasion pour lisser sa surface et éventuellement supprimer le cuivre en excédent„ Les électrodes formées de la façon décrite ci-dessus supportent des essais sévères de flexion et de choc® Les essais montrent que la liaison entre l'électrode 12 et le support 10 15 est plus résistante que les jonctions brasées avec un alliage à l'argent utilisées jusqu'ici pour unir des électrodes comparables à leurs supports. Suivant une utilisation de la présente invention, l'électrode 10, 12 constitue l'un des contacts d'un disjoncteur, 20 par exemple le contact 70 du disjoncteur décrit dans le brevet des E.U.A. n° 2.911.546. Dans ce cas, le contact peut être serré sur le contact opposé et en être séparé d'une façon répétée, avec établissement d'un arc entre les deux à chaque rupture. Les essais montrent que l'électrode selon l'invention reste fermement liée à 25 son support malgré les chocs mécaniques à la fermeture et malgré les chocs thermiques résultant de l'éclatement de l'arc à l'ouverture. Aucun écaillage ni aucun effrittement du revêtement ne sont constatésmalgré ces chocs. L'examen microscopique montre qu'il subsiste très 30 peu de vides à l'intérieur de l'électrode terminée, même dans la région immédiatement voisine de la jonction entre l'électrode et le support® Cela fait constraste par rapport aux jonctions brasées utilisées jusqu'ici pour unir une électrode en métal réfractaire à son support. Avec ces jonctions brasées, il est fréquent qu'il 35 existe des vides du fait de l'emprisonnement de petites quantités du flux utilisées pour le brasage. Quand la naissance de l'arc établi sur l'électrode pendant l'ouverture du disjoncteur chauffe l'électrode, ce flux emprisonné a tendance à s'évaporer et à provo 69 17073 6 2009218 quer des pressions à l'intérieur» Ce phénomène peut être considéré comme la cause principale du fendillement parfois constaté dans ces électrodes après l'établissement d'un arc. Même en l'absence de flux dans ces cavités, ces cavités sont indésirables, parce 5 qu'elles empêchent un transfert efficace de la chaleur de l'électrode vers le support, quand l'électrode est particulièrement mince. Cela peut poser des problèmes appréciables quand les électrodes sont exposées à des arcs de grande intensité, pour lesquelles un bon transfert de la chaleur est nécessaire pour éviter 10 l'échauffement localisé de l'électrode. Quand les électrodes doivent être exposées aux arcs, la suppression de l'alliage de brasure est aussi un avantage appréciable pour vire autre raison0 L'arc a tendance à chercher et à atteindre tout alliage de brasure exposé, et la base de l'arc a 15 tendance à s'accrocher à l'alliage de brasure. Cela peut gêner le mouvement de l'arc, qui est souvent désiré, et il peut aussi en résulter une vaporisation excessive de la matière de l'électrode, en particulier parce que l'alliage de brasure contient habituellement des constituants relativement volatils. Dans un disjoncteur 20 l'un ou l'autre de ces derniers facteurs peut sérieusement réduire la capacité de coupure de courant du disjoncteur. A titre d'exemple de la tendance de l'arc à chercher l'alliage de brasure et à s'accrocher à cet alliage, il sera supposé que l'électrode 25 est unie par brasure à son support 10, Il 25 sera supposé aussi que des trous sont nécessaires à travers l'électrode et le support, par exemple pour permettre le passage de l'air. Une telle électrode avec son support représentée sur la figure 3, comporte des trous 30 traversant l'électrode et le support. La jonction brasée entre l'électrode et le support est indiquée en 30 32. Ces trous sont percés à travers la structure, quand l'électrode ' a été brasée sur son support. Quand un arc est établi avec sà base ou racine sur la surface exposée de l'électrode, la base de l'arc semble être attirée vers l'un des trous 30 et rester accrochée à ce trou dans lequel la brasure 12 est exposée. Cela gêne le dépla-35 cernent désiré de l'arc et provoque une vaporisation excessive, comme il a été indiqué ci^-dessus. Cette difficulté est évitée avec une électrode selon la présente invention en premier lieu, parce qu'il n'y a pas d'alliage 69 17073 7 2009218. de brasure volatil pour attirer et retenir l'arc, et en second lieu, parce qu'il est possible d'étendre le revêtement du tungstène pulvérisé 25 sur toute la surface intérieure du trou 30o Cette caractéristique est représentée sur la figure 4» sur laquelle le 5 revêtement de tungstène est représenté prolongé dans chaque trou 30 et couvrant toute la surface intérieure de chaque trou, en plus de la surface hémisphérique ou bombée 12„ Le métal à haute conductivité est aussi infiltré dans la partie du revêtement 25 se trouvant sur la surface intérieure du trou 30, comme dans le reste 10 du revêtement 25. Il est facile de voir que le procédé décrit ci-dessus pour former la structure d'électrode ne demande aucune presse spéciale, aucune opération de brasage et aucun usinage précis de différentes parties pour les adapter au brasage» Par suite, une 15 structure d'électrode formée par le procédé selon l'invention est bien moins coûteuse, qu'une structure d'électrode d'un type antérieur, tel que décrit ci-dessus. En outre, des performances électriques nettement supérieures peuvent être obtenues avec des électrodes selon l'invention comme il est expliqué ci-après, en 20 particulier du fait de la suppression des alliages de brasure volatils. Le procédé de fabrication décrit ci-dessus est particulièrement utile pour former des électrodes formant des contacts de disjoncteurs. Cette utilisation est particulièrement importante 25 parce que les contacts sont soumis non seulement à l'éclatement d'arcs mais aussi à des chocs mécaniques sévères à la fin du mouvement de fermeture du circuit. Quand il n'est pas nécessaire que l'électrode supporte ces chocs mécaniques, il est possible conformément à l'invention d'obtenir une électrode satisfaisante par 30 pulvérisation dans un plasma d'un mélange de poudres métalliques, par exemple de tungstène et de cuivre, directement sur la surface rendue rugueuse du support. Ces poudres peuvent être mélangées avant leur envoi dans le courant de plasma ou peuvent être envoyées séparément dans le courant de plasma* Ce mode d'opérer supprime 35 l*opération consécutive d'infiltration décrite ci-dessus. Pour toutes les opérations de pulvérisation dans un plasma décrites ci-dessus, l'addition d'une petite quantité de 69 î7G73 6 2009218 poudre d'hydrure de titane à la poudre de tungstène pulvérisée dans le plasma permet, conformément à l'invention, une amélioration de la liaison du cuivre au tungstène. Il apparaît que la surface du tungstène est dans ces conditions plus propre et plus 5 facilement mouillée par le cuivre. Bien que le tungstène soit le métal réfractaire préféré, il doit être noté que 1*invention n* est pas limitée à l'utilisation de ce métal et qu'il est possible d'utiliser d'autres métaux réfractaires, par exemple le molybdène0 10 Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 69 17073 9 2009218 REVENDICATIONS 1. Procédé pour former une électrode en métal réfractaire imprégné pouvant supporter un arc et pour unir cette électrode à un support métallique, caractérisé par 1*établissement d'une surface rugueuse sur le support métallique, la pulvérisation dans un 5 arc à plasma d'un métal réfractaire sur cette surface pour former un revêtement de métal réfractaire poreux verrouillé à cette surface, l'élévation de la température du revêtement poreux à une valeur prédéterminée, l'infiltration d'un métal de haute conductivité en fusion dans le revêtement poreux pour que le métal en 10 fusion remplisse les pores du revêtement et le refroidissement du revêtement pour provoquer la solidification du métal de haute conductivité dans les pores. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé par l'établissement sur la surface rendue rugueuse du support, avant 15 l'opération de pulvérisation, d'une couche mince d'un métal protégeant le métal du support contre l'oxydation pendant l'opération d'infiltration à haute température. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'opération de pulvérisation est effectuée en éta- 20 blissant un courant de plasma, en envoyant dans ce plasma le métal réfractaire choisi dans le groupe constitué par le tungstène et le molybdène à l'état de poudre et en ajoutant de la poudre d'hydrure de titane à la poudre du métal réfractaire. 4» Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que 25 le métal à haute conductivité est du cuivre. 5. Procédé pour former une électrode en métal réfractaire imprégné devant supporter un arc et pour unir cette électrode à un support en métal, caractérisé par l'établissement d'une surface rugueuse sur le support métallique, l'utilisation d'une poudre d'un 30 métal réfractaire et d'une poudre d'un métal non réfractaire de haute conductivité, et la pulvérisation dans un plasma de ces deux poudres sur la surface rugueuse pour former un revêtement poreux de métal réfractaire contenant dans ses pores le métal de haute conductivité. 69 17073 10 2009218 60 Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la pulvérisation dans le plasma est effectuée en établissant un courant de plasma, en envoyant dans ce courant de plasma le métal réfractaire sous la forme de poudre d'un métal choisi dans le 5 groupe constitué par le tungstène et le molybdène et en ajoutant de la poudre d'hydrure de titane à cette poudre de métal réfractaire e 7„ Structure d'électrode pour un appareil dans lequel sont établis des arcs électriques ayant une extrémité sur la 10 structure d'électrode, caractérisée par un support métallique ayant une surface rugueuse, une électrode comportant un revêtement d'un métal réfractaire appliqué thermiquement par pulvérisation sur cette surface et formé de particules superposées aplaties verrouillées et liées les unes aux autres pour former une matrice 15 poreuse, et un métal de haute conductivité remplissant les pores de la matrice, l'interface entre le revêtement et le support ne comportant aucun métal de brasure à un point de fusion inférieur à celui du métal de haute conductivité. 8. Structure d'électrode selon la revendication 7 carac- 20 térisée par au moins un trou traversant le support et le revêtement, le revêtement étant prolongé pour couvrir la surface intérieure du trou traversant le support.