Brevet FR2011946A1 — publié le 19700313

La présente invention concerne et a essentiellement pour objet un corps composé métallique pulvérulent, son procédé de fabrication, de préparation ou d'élaboration et à titre de produits industriels nouveaux, les divers articles, éléments, organes 5 ou pièces réalisés avec ledit corps, les diverses applications et utilisations résultant de leur mise en oeuvre et les systèmes, dispositifs, appareils, machines, ensembles, équipements et installations pourvus de tels articles. l'invention se rapporte à des corps composés métalliques 10 et en particulier à des substances monoblocs composées d'un premier constituant métallique comprenant du rhénium ou des mélanges de rhénium et de métaux réfractaires en combinaison avec un autre constituant métallique comprenant un métal ou alliage métallique possédant une conductivité thermique et électrique 15 élevée. Les divers composants métalliques sont intégrés ou réunis pour former des corps composés métalliques utilisables pour'la fabrication de divers d'articles et sont caractérisés par le fait que les constituants métalliques sont à l'état sensiblement non allié . L'invention vise également le procédé de fabrication 20 de tels composés métalliques et la fabrication d'objets manufacturés ou de produits laminés à partir de ceux-ci. Un but principal de l'invention est de produire une matière métallique utilisable pour la fabrication de pièces de contact électrique, de composants électroniques et de certains éléments 25 pour des applications à de l'équipement ionique à haute température . Des alliages pour pièces de contact électrique ont depuis longtemps été soumis à une recherche intensive afin d'améliorer la conductibilité électrique et thermique de telles pièces de 30 contact et le durée de vie ou de service utile de celles-ci. Les métaux , possédant des propriétés conductrices électriques supérieures, tels que l'argent, l'or ou le cuivre, manquent généralement de résistance à l'usure. Dans le cas des métaux précieux^Ll's présentent également l'inconvénient d'un coût élevé. 35 Les matériaux d'un prix plus bas, tels que le cuivre,sont par ailleurs plus sujets à la coirosion et à l'érosion. Des métaux 1 * BAD ORIGINAL 69 20096 2 2011946 réfractaires tels^œ Ie tungstène^ molybdène et3e tantale possèdent une dureté et une résistance à haute température excellentes, mais ne sont pas de "bons conducteurs et ne possèdent pas une capacité élevée de dissipation de chaleur. Beaucoup des métaux précédents 5 sont également soumis à l'inconvénient de la formation d'un polymère ou d'un film ou d'une pellicule sur leurs surfaces, en particulier dans des conditions de production d'arcs électriques ou de jaillissement d'étincelles électriques, qui détériorent ou altèrent la conductivité entre deux points de contact. Des 10 métaux réfractaires,tel- que le rhénium,offrent un perfectionnement à ce dernier égard, ainsi qu'une conductivité raisonnablement bonne, mais sont de nouveau d'un coût élevé . La pratique d'allier plusieurs métaux â été utiliséepour obtenir un produit résultant possédant certains des avantages de chacun des composants de 15 l'alliage. De tels alliages représentent cependant un compromis car la nature des composants métalliques individuels est nécessairement changée à un degré plus ou moins grand au cours de l'opération ou du processas d'alliage. La présente invention rend possible l'obtention de matériaux 20 métalliques qui conservent,dans une mesure beaucoup plus grande, les caractéristiques et avantages individuels des divers composants individuels dans la matière métallique résultante. En bref, ceci est réalisé en formant un corps composé monobloc de rhénium ou d'un mélange de rhénium et de métal réfractaire, 25 en tant que premier constituant , et d'un métal ou alliage métallique précieux ou non précieux à propriétés thermiques et électriques élevées, comme second constituant métallique. Le composant, contenant du rhénium,' peut être du rhénium pur ou un mélange de rhénium'et d'un autre métal réfractaire tel que le tungstène, • 30 molybdène ou lé tantale. Ce composant , contenant du rhénium', est introduit sous forme d'une poudre finement divisée qui, dans le corps composé, comprend une structure de squelette flottée et cette matière,contenant du rhénium, est ensuite imprégnée ou mélangée avec une matrice formée par le second constituant métal-35 lique. L'or et l'argent sont des exemples de métaux de ce denier BAD ORIGINAL 69 20096 3 2011946 groupe qui sont utilisables; le cuivre et des métaux similaires, possédant une borneccaaluctivité, peuvent également parfois être employés avantageusement à cause de leurs prix plus bas, si les exigences ou conditions imposées de résistance à la corrosion ne sont pas 5 si strictes ou impératives. Un procédé en varainte consiste à mélanger des proportions appropriées des constituants désirés sous forme de poudre, à les comprimer ou agglomérer et à les fritter pour former la matière composée désirée. Conformément à ce dernier procédé, le constituant .en or, en argent ou en cuivre 10 est mélangé _ .mécaniquement avec la matière contenant du rhénium par un mélange de poudres des divers métaux avant toute compression ou agglomération de ceux-ci. La matière métallique résultante possède des avantages distincte par rapport aux alliages métallurgiques ou véritables 15 des mânes composants, relativement au maintien ou à la conservation des propriétés physiques et électriques désirables des constituants individuels. Les composés métalliques présentent ainsi un comportement amélioré par rapport à là conductibilité électrique et thermique, la résistance à l'érosion par l'arc ou 20 les étincelles électriques, l'usure métallique, la résistance • à l'empoisonnement par une atmosphère contaminée ou polluée et analogues. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéri-tiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront au cours 25 de la description explicative des exemples suivants, donnés uniquement à titre purement indicatifs et non limitatifs et illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention. Exemple I Un disque fut préparé à partir d'une poudre de rhénium pur 30 en comprimant • ou pressant la poudre dans une matrice, coquille ou un moule cylindrique sous une pression de 3447»25 bar. La grosseur ou taille granulométrique moyenne des particules de la poudre de rhénium était de 2,10 micron Le disque, pesant T,2 g , avait une grandeur ou taille à l'état pressé ou 35 comprimé de 26,162 mm de diamètre et 1,56mm d'épaisseur. Le volume des pores de ce produit aggloméré ou compact préliminaire fut déterminé comme étant approximativement égal à 59%' 69 20096 4 2011946 Ce disque fut fritte dans line atmosphère d'hydrogène pendant une heure à 1400°C. le frittage réduisit le volume des pores à approximativement 45$. Le disque fritte fut ensuite imprégné d'or en utilisant des 5 particules d'or finement divisées , de grande pureté (99»999$)• L'imprégnation fut exécutée en plaçant lqâ.isque de rhénium dans un crible ou analogue en carbone comportant un orifice légèrement plus grand en diamètre et en épaisseur que le disque. Une quantité de particules d'or,suffisante pour remplir les pores du rhénium 10 et procurer un léger excédent, fut placée sur le disque et autour , de celui-ci. Le disque et l'or furent placés dans un four à atmosphère d'hydrogène pendant 30 minutes à une température de H00°C, après quoi l'or remplit les pores dans le squelette de rhénium. 15 Le disque fut ensuite enlevé du four, l*or en excès fut éliminé par nettoyage ou décapage de la surface au jet de sable ou par ponçage et le disque fut réduit en épaisseur par laminage à froid dans un '.laminoir classique.il fut nécessaire de recuire le disque après chaque réduction d'épaisseur de 20$. Le recuit 20 fut effectué à 1650°C pendant 10 minutes dans chaque cas. 0e procédé fut poursuivi jusqu'à ce qu'une épaisseur de 177,8 microns fut atteinte. Une certaine quantité d'or fut perdue pendant le recuit qui réduisit la teneur en or à 31$ en poids, sur la feuille de 177,8 microns . Cependant, la feuille finie présentait mie 25 structure sans aucune porosité visible. Des petits disques, de .2,413mm de diamètre et 0,1778mm d* épaisseur,ferait exécutés à partir de la feuille par poinçonnage ou découpage à froid et furent ensuite assemblés par brasage à un bras de contact d'un régulateur de tension électrique pour 30 . essai comme matière de contact électrique. La dureté du disque imprégnée était de 359 unités de dureté Vickers. Exemple II Un mélange fut préparé en utilisant un mélange , en volume, 35 de 5Q$ de poudre de rhénium et de 50$ de poudre d'or, qui équivalait à une proportion en poids de 52$ de rhénium et de 48$ d'or. La grosseur granulométrique moyenne des particules du rhénium BAD ORIGINAL 69 20096 5 2011946 était de 2,10 microns, tandis que celle de l'or était de 6,9 microns. L'or avait une pureté de 99,999$. Le mélange de poudres fut brassé en utilisant une combinaison de techniques de mélangeage ou de brassage sec et humide afin 5 de réaliser un. mélange hétérogène. Un disque fut réalisé par agglomération sous compression à partir du mélange pulvérulent en employant une pression de 3447,25 bar. Le poids de ce disque était de 7,1 g et ses dimensions a l'état aggloméré ou pressé étaient de 26,162mm de 10 diamètre et 1,143mm d'épaisseur. Ce disque fut fritte dans une atmosphère d'hydrogène à 1400°C pendant une heure, après quoi l'or dans le mélange devint liquide et contribua à rendre le disque plus dense ou plus compact. La densité du disque résultant était de 15,2g /cm 15 après frittage ou 76$ de la valeur théorique de 20,0g /cm pour le produit aggloméré compact. Le disque fut ensuite laminé à froid avec une réduction totale d'épaisseur de 57$ suivie par un recuit de 5 minutes à 1400°C dans de l'hydrogène. Une réduction d'épaisseur subséquente 20 supplémentaire de 59$ fut réalisée après recuit afin de donner une épaisseur finale de 177,8 microns de la matière .en feuille. La composition finale de la feuille de 177,8 microns fut déterminée comme étant égale en poids à 51$ de rhénium et 49$ d'or. " • 25 Exemple III Deux mélanges; furent préparés en employant des poudres de rhénium et d'argent dans les rapports de 70$ en volume d'argent kg et 30$ en volume de rhénium-Re , ce qui équivalait à 53,5$ en poids d'argent et 46,5$ en poids de rhénium; et 50$ en volume 30 d'argent et 50$ en volume de rhénium,ce qui équivalait à 33$ en poids d'argent et 67$ en poids de rhénium. La grosseur granulométrique moyenne des particules du rhénium était de 2 microns, tandis que celle de l'argent était de 4?8 microns. Les mélanges de poudres furent mélangés ou brassés d'une 35 façon semblable à ceux de. l'exemple II. Dés disques furent confectionnés par agglojfiération sous pression à patir de ces poudres à des pressions de 2757,8 bar 69 20096 6 2011946 avec des grandeurs de 26,162mm de diamètre et 0,7112mm d'épaisseur^ avec des poids.d'échantillons de 3,5g chacun. le frittage fut exécuté dans de l'hydrogène à 1120°C pendant une heure. De ces conditions résultèrent des densités de 5 86$ de la valeur théorique pour la matière à proportion de mélange 70-30 et 80$ de la valeur théorique pour la matière à proportion de mélange 50-50. les dimensions à l'état fritté étaient de 24,5mm de diamètre et 0,6858mm d'épaisseur pour 1e disque à proportion de mélange 70-30 et 23,5mm de diamètre 10 par 0,7366mm d'épaisseur pour le disque à composition relative de 50-50. Tous les pourcentages et proportions indiqués ici sont exprimés en rapports de volume. . Ces disques furent laminés à froid jusqu'à une épaisseur de 0,381mm, recuite à 900°C pendant 30 minutes et laminés 15 jusqu'à l'obtention d'une épaisseur finale de 0,254mm. • Des disques de 3,175mm de diamètre furent poiçonnés ou découpés dans la feuille résultante et brasés. à des supports en cuivre en utilisant un alliage de brasage à base de cuivre, d'argent et de phosphore pour,essai, subséquent comme pièces de 20 contact électrique. l'examen métallographique de la feuille finie révéla, peu. porosité visible et une phase d'argent bien dispersée. Des dimensions typiques d'emplacements d'argent étaient de 0,010 -x 0 ,G>3mm'. Des mesures de dureté' de la feuille de 0,010mm 25 donnèrent des valeurs de 84-113 unités de dureté Vickers (pour la matière à proportion de mélange de 70-30) et de 119-131 • unités de dureté Vickërs (pour la matière à proportion de . mélange 50-50). Exemple IV / 30 Une matière pour pièce de contact électrique à deux couches fut réalisée en employant, pour la première couche^un mélange possédant une composition (en poids) de 65$ de tuig3fcène et de 35$ d'argent, la seconde couche fut formée par une composition de 65$ d'un mélange de tungpfcène et de rhénium (95$-5$) et de 35$ d'argent, tous les pourcentages étant ici exprimés en poids. 35 Ceci fut exécuté en agglomérant par pression 8,72g de tungstène contenant un agent liant organique (pour une résistance 69 20096 7 2011946 mécanique plus élevée à l'état aggloméré sous compression) à une pre'ssion de 827»34 "bar dans une matrice ou coquille de 26,162mm de diamètre. Un gramme de poudre (contenant également un agent liant), consistant en un mélange (en poids) de 95$ de tungstène 5 et de 5$ de rhénium , fut réparti ou distribué sur la surface de la masse agglomérée compacte de tungstène comprimé ou pressé et la masse agglomérée compacte plus la couche de poudre furent comprimées à une pression de 1654,78 bar. Les épaisseurs étaient dlenviron 1,651mm pour la couette de tungstène et 0,254mm pour 10 la couche de tungstène-rhénium. La pièce fut ensuite préfrittée pendant 20 minutes dans de l'hydrogène à 1400°C pour éliminer l'agent liant et pour impartir une résistance mécanique supplémentaire à la masse agglomérée compacte. 15 , Ensuite, une quantité d'argent, suffisante pour remplir les pores et pour fournir un léger excédent, fut placée sur la masse agglomérée compacte dans .un crible ou analogue en carbone et le crible fut placé dans un four à 1400°C sous atmosphère d'hydrogène pendant 1,5 heure. 20 On- constata, que la pièce résultante était en. majorité exempte de porosité avec une bonne liaison entre les interfaces des deux couches et présentait une distribution ou répartition d'argent bien dispersée . La porosité de la pièce avant l'imprégnation d'argent était 25 telle que la teneur en argent de la pièce finie était de 35$ (en poids). Cette matière fut ensuite usinée pour constituer des pièces de contact électrique à deux couches, de forme rectangulaire. Exemple Y 30 Un composé métallique pulvérulent, sous la forme d'un fil métallique de 0,9144m de long et 2,032mm de diamètre, contenant, en poids, -95$ d'argent et 5$ de rhénium, fut préparé de la manière suivante : 100g du mélange à 95$ en poids d'argent et 5$ en poids de 3) rhénium furent préparés à partir de la poudre d'argent avec une grosseur granulométrique moyenne de particules de 4,8 microns et à partir de poudre de rhénium possédant une grosseur 69 20096 8 2011946 granulométrique moyenne de particules de 2 microns, passées à travers Tin tamis de 50,374 mailles/cm . les poudres furent mélangées à fond conformément à la pratique normale ou courante de la métallurgie des poudres. 5 Une barre rectangulaire, mesurant 6,35mm x 6,35mm x 304,8mm fut formée par compression ou agglomération sous pression à partir de 80g des poudres mélangées à une pression de '2068,35 "bar. La barre fut frittée pendant une heure dans une atmosphère d'hydrogène à une température de 900°C pour produire une résistance 10 mécanique plus élevéet La barre frittée fut ensuite façonnée ou travaillée par une combinaison d1étampage ou de rétreint et d'étirage ou de tréfilage de fil métallique jusqu^à l'obtention d'un diamètre final de 2,032mm. Un recuit a approximativement 500 à 900°0 fût 15 exécuté en divers points au cours de la fabrication du fil métallique quand cela "était nécessaire. Le fil métallique résultant présentait un bon état de surface fini, une densité supérieure à 95$ de la valeur théorique et une distribution uniforme ou répariLtiogtégulière des particules 20 de rhénium dans une matrice d'argent. Des échantillons de ce fil métallique furent essayés avec succès sous forme de pièces de contact de relais. * Les pièces de contact de relais résultantes, produites conformément à l'invention illustrée par les exemples précédents, -25 présentent une amélioration par rapport aux pièces de contact de relais en alliage du type classique. L'une des principales raisons de cela est la suivante . Des pastilles ou plaquettes • de contact, contenant du rhénium simple ou élémentaire, sont auto-nettoyantss d'une façon inhérente en raison de la volatilité / 30 des oxydes de rhénium et ainsi contribuent à empêcher les piqûres, la formation de polymères et une résistance électrique élevée à la surface de contact. Cette propriété du rhénium est efficacement rendue maximale dans les composés métalliques de l'invention en réduisant 1! effet de dilution que la véritable opération 35 d'alliage métallurgique exerce sur le métal. La même chose s'applique aussi évidemment au métal de conductivité électrique et thermique élevo^ par le fait que ces propriétés sont conservées BAD ORIGINAL 69 20096 9 2011946 ou maintenues plus efficacement dans le composé métallique que si les mêmes métaux étaient en réalité obtenus sous forme d'un alliage. A la place du rhénium pur comme premier constituant du 5 corps composé, des considérations de prix inférieur peuvent imposer l'emploi d'un alliage au tungstène ;et au rhénium, comme dans l'exemple IV. En général , un grand domaine de teneur de rhénium peut être employé; 20$ à 80$ en poids sont préférés pour certaines applications, mais de "bons résultats peuvent être 10 obtenus dans d'autres applications utilisant 5$ à 95$ en poids de rhénium. On constate que les meilleurs résultats sont obtenus quand la grosseur des particules de poudre de rhénium est maintenue ^ entre environ 2 et 5 microns ( sous-tamis de îisher) ; cependant, 15 un domainde de 1 à environ 12 microns apparaît comme étant efficace. lia grosseur de particule de l'autre constituant est de préférence la même que celle du constituant .en rhénium pour assurer le meilleur mélangeage dans les matériaux mélangés, pressés ou comprimés et frittés. 20 Des densités des composés pulvéruleoits mixtes ou mélangés . sont en moyenne égales au moins à environ 75$ de la valeur théorique, des densités .plus élevées de l'ordre de 90$ étant . facilement obtenues en particulier par laminage à froid après l'opération de frittage. Des densités de composés imprégnés sont habituel-25 lement de 95$ de la valeur théorique ou davantage . Grâce à la disponibilité des composés métalliques divulgués ici, divers perfectionnements ou améliorations sont maintenant rendus possibles dans des appareils de con±act électrique de divers types. Parmi de tels appareils peuvent être mentionnés 30 des équipements connus tels que relais, régulateurs de tension, n' disjoncteurs ou intérrùpteurs de circuit électrique et pastilles v/. ou plaquettes d'allumage ou analogues. Bien que les conceptions et structure générales de tels appareils ne soient pas fondamen-\/ talement affectées par l'incorporation des nouveaux composés 35 métalliques aux éléments de contact, une taille plus petite, une capacité plus grande de transport de courant électrique et une 69 20096 2011946 encapsulation plus complète de ' l'appareil sont rendues possibles, droù résultent des unités sensiblement améliorées, d'une efficacité mécanique et électrique plus grande. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes 5 de réalisation décrits ... qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. 69 ,20096 2011946 REVENDICATIONS 1 - Corps composé métallique pulvérulent, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en un premier constituant comprenani/m. métal en poudre choisi dans le groupe comprenant le rhénium et des mélanges de rhénium et de métaux réfractaires 5 et en un second constituant formé par un métal ou alliage métallique pulvérulent possédant une conductivité électrique et thermique élevée, lesdits constituants étant intimement mélangés pour former une masse compacte ou agglomérée frittée et autoportante, dans laquelle les composants métalliques des deux 10 groupes sont sensiblement, non alliés. 2 - Corps composé métallique pulvérulent selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second constituant précité est choisi dans le groupe comprenant l'or, l'argent et le cuivre. 3 - Corps composé métallique pulvérulent selon la revendica-15 tiontcu2,caractérisé en ce que le premier constituant précité comprend une masse agglomérée compacte frittée en une poudre métallique réfractaire choisie dans le groupe comprenant le rhénium et des mélanges de rhénium et de tungstène et formant une structure de squelette pour ledit corps composé, le second 20 constituant précité comprenant un métal de matrice fond» enveloppant ladite structure de : -squelette métallique réfractaire et mélangé , dispersé ou parsemé dans celle-ci. 4- Corps composé métallique pulvérulent selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier constituant précité 25 consiste en un mélange , en poids, de 95$ de tungstène et de 5$ de rhénium et le second constituant précité est de l'argent. 5 -Corps composé métallique pulvérulent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second composant précité représente 5$ à 95$ en poids dudit corps composé. 30 6 - Corps composé métallique pulvérulent selon la revendica tion 5, caractérisé en ce que le second constituant métallique précité représente 20$ a 80$ en poids dudit corps composé. 7 ~ Corps composé métallique pulvérulent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la masse 69 20096 12 2011946 métallique agglomérée compacte précitée possède une densité égale à au moins 75$ de la densit^aaximale théorique. 8 - Corps composé métallique pulvérulent selon l*une des revendications précédentes , caractérisé en ce que les poudres 5 métalliques des deux constituants précités ont approximativement la même grosseur de particules comprise- dans un domaine s*étendant de 2 à 5 microns (sous-tamis de Fisher). 9 - Procédé de fabrication d'un corps composé métallique pulvérulent selon l'une des revendications précédentes, caracté- 10 risé en ce qu'il consiste à agglomérer sous pression "'ou à comprimer et à préfritter une poudre du premier constituant métallique précité pour former, à partir de celle-ci,une masse agglomérée compacte poreuse, préfrittée, à placer la nasse agglomérée compacte préfrittée dans un moule, à recouvrir celle-15 ci d'une certaine quantité du second constituant métallique précité et à soumettre le tout, dans une atmosphère d*hydrogène,, à une température inférieure au point de fusion dudit premier constituant métallique, mais supérieure à celui dudit second constituant métallique pour fondre ce dernier et le forcer à 20 imprégner- les pores dudit premier constituant métallique préfritté sans s'allier d'une façon ^appréciable avec celui-ci. 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la grosseur moyenne des particules des poudres métalliques précitées est de 1 à 12 microns. 25 11 - Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé eh ce qu'il consiste en outre à laminer, à froid le composé métallique -précité pour former, avec celui-ci, une feuille ou tôle dense, • essentiellement non poreuse. 12 - Procédé de fabrication d'un corps métallique composé / 30 selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger d'abord à fond les poudres métalliques précitées, à les comprimer ouàles agglomérer d'une façon compacte sous pression et ensuite à fritter là masse agglomérée compacte à un température inférieure au point de fusion du premier consti-35 tuant précité, mais supérieure à celui du second constituant précité pour former ledit corps métallique composé. RAD ORIGINAL 69 20096 13 2011946 13 - Procédé selon la revend!cation 12, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à laminer à froid le composé métallique précité pour former, à partir de celui-ci, une feuille ou tôle dense, essentiellement non poreuse. 5 14 - Elément de contact électrique ou analogue , caractérisé en ce qu'il est constitué par un composé métallique selon l'une des revendications 1 à 8. 15 - Appareil de contact électrique ou analogue, caractérisé en ce qu'il comporte des pastilles, pièces ou plaquettes de contact 10 électrique constituées en un composé métallique selon l'une des revendications 1 à 8. r BAD ORIGINAl