Brevet FR2042686A1 — publié le 19710212

La présente invention est relative aux composants ou éléments électriquement résistants pour bougies d'allumage à incandescence, instruments, appareils ménagers et autres applications analogues En règle générale ces éléments résistants sont réalisés en fils métalliques minces, habituellement en un alliage de nickel et de chrome ou en alliage de fer, de chrome, d'aluminium et de cobalt. De tels éléments résistants sont largement utilisés et supportent sous forme dit une température maximale de 900 à 11000 C, suivant le diamètre. Pour certaines applications, on a constaté qu'il était souhaitable d'utiliser des éléments résistant à une température plus élevée et, dans ce but, il a été proposé, entre autres, d'utiliser des éléments en disiliciure de molybdène. Cette matière est cependant d'une façon générale extrêmement fragile, en particulier après une utilisation à une température élevée, cette fragilité résultant du développement des grains dans la matière. Des tiges ayant un diamètre de 3 à 2mm. en disilisiure de molybdène fabriquée suivant les techniques de la métallurgie des poudres sont déjà si fragiles et si difficiles à fabriquer qu'il n'a pas été possible, jusqu'à présent, de leur trouver une utilisation pratique. On doit ajouter à ce fait qu'il existe un risque important de corrosion de ces fils métalliques. Cette corrosion peut être de deux sortes, savoir tout d'abord la corrosion communément appelée pes- te" qui se produit dans une plage de température de 300 à 7000C et, ensuite, une oxydation à température élevée qui produit un verre de silice. L'invention a pour but de résoudre, au moins dans une certaine mesure ces problèmes ainsi que dtautres, et elle a pour objet un élément électriquement résistant comprenant un fil métallique de O,15à 1,15mm. de diamètre, et ayant de préférence un diamètre de 0,35 à 0,85mm., et qui est formé afin de constituer une spirale plate ou cylindrique, une hélice, des boucles ou toutes autres formes appropriées.Ce fil étant fabriqué en utilisant une technique de la métallurgie des poudres, par extrusion et frittage ultérieur, et comprenant au moins 70X en volume de MoSi2 et jusqu' à 30% en volume d'un additif s'opposant à la croissance des grains à température élevée, cet additif étant de préférence du carbure de silicium ou du verre, la dimension des particules dans le fil achevé étant inférieure à 1/15 du diamètre du fil et dans tous les cas inférieure à 20 microns. Le rapport de la longueur de la partie incandescente du fil à son diamètre doit de préférence excéder 200. Il est particulièrement important que le fil soit entouré par un revêtement très dense de verre de silice. qui doit être pratiquement exempt de fissures et, d'une part, suffisamment mince pour adhérer au fil tout en étant d'autre part suffisamment épais pour offrir au fil une protection satisfaisante contre les att a- ques de l'oxydation. Ces conditions signifient que l'épaisseur de la couche de verre est critique et ne peut varier qu'entre i et 8 microns. On a constaté que l'épaisseur ia plus appropriée était comprise entre 2 et 5 microns. L'additif inhibant la croissance des grains doit etre choisi en tenant compte du fait qu'il doit être actif å la fois dans une plage de températures modérées, telles que de 300 A 700 C et dans une plage de températures élevées telles que de 1400 Jusqu'S î68o0c. A l'état incandescent, un tel fil est déformable plastiquement mais après usage et à froid le fil doit pouvoir se déformer élastiquement de façon suffisante pour pouvoir supporter les contraintes dûes aux variations de température, ou autres. D'après les conditions ci-dessus, un diamètre du fil de 0,15mm. -correspond à une dimension du grain qui n'excède pas 1/15 de ce diamètre ou O,Olmm. ou 10 microns. Un fil ayant- un diamètre de 0,3 à 1,15mm. correspond à une dimension de grain plus élevée, de 20 microns. Ces indications doivent être interprétées de telle sorte qu'au plus environ 15% et de préférence 5% en poids de la matière peut avoir une dimension de grains supérieure. L'invention est basée sur le fait que l'on observe d'une façon surprenante qu'un fil métallique ou une tige mince ayant la composition indiquée ci-dessus présente une combinaison de propriétés qui le rend approprié pour la fabrication de bougies à incandescence, d'instruments, d'appareils ménagers ou autres, c'est-à-dire qu'à froid et dans la plage indiquée des dimensions du fil en section, le fil. se'déforme élastiquement sans se rompre mais que le même fil, lorsqu'il est chauffé, est déformable plastiquement et que l'additif inhibant' la croissance des grains et qui est ajouté suivant une technique de la métallurgie des poudres a-pour effet qutaprès chauffage à une température élevée, aussi bien, lors du frittage au cours de la rabrication que pendant l'uti- lisation pratique, la matière constituant le fil conserve à peu près sa petite dimension de grain et n'est pas fragile au point que ses propriétés à froid soient perdues. Grâce à cette combinaison de propriétés, l'élément électriquement résistant suivant l'invention est en pratique très utile dans cette application. A froid et juste après sa fabrication, et à une température de +200C le fil présente une résistance à la rupture par flexion d'au moins 60kg/mm2 et habituellement supérieure à 80kg/mm2 Un tel fil peut être essayé au moyen d'un traitement par choc ou à la fatigue. On fait ensuite passer un courant électrique dans le fil entouré d'air pendant 10 secondes grâce à quoi il est rapidement chauffé jusqu'à 14000C, puis on coupe le courant et on laisse refroidir le fil pendant 5 secondes. On répète 100.000 fois ce cycle de chauffage et de refroidissement. La résistance du fil à la flexion se trouve réduite, par ce traitement au '2 2 plus de 40%, par exemple de 60kg/mm à 36kg/mm2. L'élément électriquement résistant suivant 1' inven- tion peut avoir la forme d'une spirale cylindrique qui repose entièrement ou partiellement à l'intérieur d'un tube en une matière à l'épreuve de la chaleur, de préférence un verre au quartz transparent, de telle sorte que les spires de l'élément ne sont en contact direct avec la surface interne du tube que par un petit nombre de points. Du fait que le verre au quartz ne cristallise qu > à 10000C jusqu'à 11000C on obtient l'avantage que ce verre est chauf- fé au-dessus de sa température limite en très peu de points seulement, c'est-à-dire aux points où l'élément électriquement résistant en disiliciure de molybdène se trouve en contact direct avec la paroi du tube.En tous les autres points, le tube de verre au quartz laisse passer les radiations provenant de l'élément sans être lui-même chauffé au-dessus de la température critique. En variante, l'élément peut avoir la forme d'une spirale plate qui repose librement sur un support à l'épreuve de la chaleur tel quine brique de sillimanite. Des essais pratiques ont montré que les éléments supportent un chauffage à flair de l'ordre de 80 jusqu'à 90 W/cm2 de surface du fil et également qu'après un usage prolongé à des températures excédant 15000C le fil est toujours élastique et compara- tivement robuste à froid. Par comparaison avec les éléments électriquement résistants connus jusqu'à" présent contenant des alliages ferritiques du type fer-chrome-aluminium-cobalt, les éléments suivant i'invention présentent la caractéristique d'être amagnéti ques, grâce à quoi les inconvénients provoqués par les parasites et le phénomène habituellement appelé bourdonnement, sont supprimés.Le coefficient de température positif élevé de la résistance électrique a pour résultat que les éléments atteignent rapidement une température élevée lorsqu'on fait passer le courant. Les variations de température dans la partie incandescente sont également supprimées dans une mesure importante par suite de l'influence du coefficient de température positif. Un élément suivant l'invention dans lequel le fil a un diamètre d'environ 0,4mm. et une longueur suffisante peut être relié directement au secteur électrique sans utiliser de transformateur. Sous une charge superficielle de 60 W/cm2 le courant atteint une valeur de 6 ampères. Par suite de la faible résistance du fil à froid il se produit une forte impulsion de courant lorsque l'élément est branché en circuit mais tout inconvénient provoqué par ce fait peut être facilement supprimé en commandant l'élément au moyen d'un thyristor ; on trouve des thyristors à bon marché dans le commerce. Exemple. Un fil est composé de 80% en volume de MoSi2 et de 20% en volume de verre et a un diamètre de 0,5mm. Il est fabriqué par frittage en deux phases à partir d'une masse extrudée contenant 95% en poids de MoSi2 ayant une dimension de grain inférieure à 10 microns, et 5% en poids d'une argile formatrice de verre, de préférence de la bentonite. La première phase de frittage est effectuée dans l'hydrogène gazeux à 13000C pendant une durée de 30 minutes et le seconde phase du frittage est faite à l'air à 16000C pendant 10 secondes. Le fil fritté à l'air révèle à l'examen microspique un revêtement de verre d'une épaisseur comprise entre 3 et 4 microns. Les grains ont des dimensions variables et plus de 50% de ces grains ont un diamètre d'environ 8 microns ou moins. Quelques grains7 moins de 5%, peuvent être discernés et présentent un diamètre pouvant s'élever jusqu'à 20 microns. On a trouvé qu a une température de +200C la résistivité était de 0,315 ohm.mm2/m. A une température de +15000C cette résistivité était augmentée jusqu'à 3ffi41 ohm.mm2/m. A une température de +200C la résistance à la rupture en flexion était de 2 67 kg/im . Après des essais de fatigue suivant les indications ci- 2 dessus cette résistance était réduite'à 43kg/mm2. Après un chauffage de 400 à 5000C pendant 1000 heures on nta trouvé que des tra ces insignifiantes sinon nulles de l'oxydation connue sous le nom de peste du disilisiure de molybdène à la surface externe du fil. Un tel élément électriquement résistant constitué par un fil métallique mince peut être utilisé pour allumer un gaz, comme par exemple dans un brûleur de cuisinière ou dans une chaudière de chauffage central, le fil ayant un diamètre de 0,4mm. et étant soudé sur des conducteurs métalliques. On a constaté que de tels éléments fonctionnent de façon satisfaisante pour l'allumage d'un gaz, auquel cas la partie incandescente fonctionne sous une température d'environ 140000. Un inconvénient est que le fil est fragile et difficile à fabriquer sur une grande échelle et avec un faible prix de revient. On rencontre parfois des difficultés pour l'allumage de certaines compositions gazeuses, de sorte que l'on doit utiliser une température très élevée de l'élément.On a constaté qutune raison importante de ce fait est que des fils métalliques de section circulaire ne produisant aucune turbulence dans le gaz devant être allumé. Pour éviter une détérioration du fil sous une température élevée, il a été proposé d'utiliser plusieurs spires de fil formant une spirale pour produire une turbulence et rendre ainsi possible l'utilisation d'une température plus modérée. Il est cependant encore plus difficile de produire des fils de ce type formés en spirale à l'échelle industrielle et la tendance du disilisiure de molybdène à se ramollir sous une température élevée constitue un inconvénient important. L'invention est particulièrement intéressante dans son application à des éléments électriquement résistants devant être ut-ilisés pour l'allumage de gaz ou de mazout; il est prévu une zône incandescente adaptée pour supporter des températures de fonctionnement dans la plage de 11000 à 17000C, et des parties d'extrémité froides fixées à cette zône et qui sont constituées de disilisiure de molybdène. Une caractéristique importante de l'invention est que la surface conductrice de la zône incandescente est rectan 2 gulaire et est de 0,3 à ,Omm , chaque coté du rectangle ayant au moins 0,5mm. La caractéristique suivant laquelle la zône incandescente a en section une forme rectangulaire produit une turbulence lorsque le gaz devant être allumé franchit les angles de cette zône La forme proposée pour l'élément le rend facile à fabriquer sur une échelle industrielle avec des machines- automatiques et sans nécessiter aucune soudure. Un tel élément est de préférence fabriqué de la fa çon suivante : une masse pulvérulente est introduite dans une presse et ensuite soumise à une compression puis à un frittage. La poudre utilisée pour remplir le moule de la presse a de préférence une dimension de grain de 0,05 8:0,75mm.; chaque grain étant un conglomérat constitué par un grand nombre de particules de MoSi2 ayant une dimension de grain de 1 à 10 microns. Ces particules individuelles de disilisiure de molybdène sont de préférence maintenues ensemble au moyen d'un liant, tel que de la bentonite. Exemple Une masse pulvérulente est fabriquée par séchage d' une masse humide contenant 95% en poids de MoSi2 ayant une dimension de grain d'environ 8 microns, et 5% en poids de bentonite, et l'on sépare de cette masse, par tamisage, une fraction d'une dimension de grain comprise entre 0,1 et 0,7mm. La poudre est versée 2 dans un moule et comprimée sous une pression de 5000kg/cm2. La mas- se comprimée et formée ainsi obtenue présente l'aspect représenté à la Fig. unique du dessin et a des dimensions considérablement plus grandes que le corps de la résistance dans son état final. Cette première masse est ensuite soumise à deux opérations de frittage, la première opération s'effectuant sous hydrogène gazeux a 13000C et la seconde à l'air à 16000C. Après ce traitement l'élément est prêt à être utilisé et ses parties froides peuvent de façon connue, être pourvues d'un revêtement métallique tel que par exemple par une opération de métallisation par pulvérisation d'aluminium dans une flamme, afin de faciliter leur liaison avec des bornes. Un élément suivant l'invention va être maintenant décrit en se référant au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple et dans lequel la Fig. unique est une vue en perspective d'un élément électriquement résistant suivant l'invention, terminé. L'élément est plat et a dans son ensemble la forme de la lettre oméga et présente une partie incandescente annulaire 1 ayant en section transversale une forme rectangulaire, la dimension radiale a étant de 1,îmm. et l'épaisseur axiale b étant de 0,8mm. Le diamètre externe D est de 5,2mm. et le diamètre interne -a est de 3,Omm. Les extrémités de la partie 1 sont prolongées par deux branches parallèles 2 et 3 qui sont elles-mêmes terminées par deux parties d'extrémité froides 4 et'5. Entre les branches 2 et 3 et les extrémités 4 et 5 est prévu un étroit intervalle d'air 6. Sous une température de 13500 C est liment fonctionne sous Z3 aspires et 9,g volts et peut entre utilisé pour l'allug4 du propane danss l'air. REVENDICATIONS 1 - Elément électriquement résistant de faibles dimensions destiné à être utilisé à des températures pouvant s'élever jusqu'à 16000cl caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins 70% en volume de MoSi2 et jusqu'à 30% en volume d'un additif ayant des propriétés inhibitrices de la croissance, des grains aux températures élevées, la dimension des particules dans le corps de l'élément fini étant inférieure à 1/15 de la dimension en section transversale de l'élément dans sa partie incandescente et, dans tous les cas, inférieure à 20 microns, l'élément comportant en outre une couche superficielle dense de verre de silice dont l'épais- seur est comprise entre 1 et 8 microns. 2 - Elément suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie incandescente a en section transversale une forme rectangulaire présentant une surface de conduction de l'élec- tricité comprise entre 0,3 et 4,0 mm2, chaque côté du rectangle ayant au moins 0,5mm. de long. 3 - Elément suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'additif inhibant la croissance des grains est du carbure de silicium. 4- - Elément suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'additif inhibant à croissance du grain est un verre. 5 - Elément suivant l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce qu'il est constitué par un fil ayant un diamètre de 0,15 à 1,15 mm. 6 - Elément suivant la revendication 5, caractérisé en ce que son diamètre est de l'ordre de 0,35 à 0,85mu. 7 - Elément suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le rapport de la longueur du fil à son diamètre est supérieur à 200.