Brevet FR2146336A1 — publié le 19730302

La présente invention concerne un procédé de fabrication de fils métalliques revêtus d'un matériau choisi parmi le verre ou le verre-céramique. Elle concerne plus particulièrement un procédé de fabrication de fils métalliques revêtus par étirage à partir d'une masse fondue. Les fils métalliques fins, même de l'ordre de 1 m, re v8tus d'un matériau de verre ou de verre-céramique, ont diverses applications, par exemple dans les domaines de l'électricité et de l'électronique comme conducteurs, microthermocouples-et résistances, dans le domaine médical, comme microélectrodes, dans le domaine des matériaux composites comme éléments de renforcement ou comme conducteurs de l'électricité ou de la chaleur au sein de masses céramiques. En éliminant ie revêtement,on peut obtenir des fils métalliques non revetus,élargissant ainsi le domaine d'application, principalement dans les matériaux composites pour des applications dans les domaines structural, électro-magnéto-électronique, thermique, ainsi que dans le domaine textile comme fibres antistatiques, et dans le domaine acoustique comme feutres absorbant le son. Le procédé de fabrication de fils métalliques à partir de la masse fondue en chauffant une extrémité d'un tube de verre contenant le métal est déjà connu (brevet français N 1.452.979, brevets E.U.A. n0s 3.214.805 et 3.256.584). Le chauffage s'éffec- tue en général au moyen de l'induction électromagnétique qui fond le métal, lequel ramollit à son tour le verre. Une variante du système de chauffage par induction consiste en un chauffage par induction superposé à un chauffage par radiation effectué par un bloc de graphite, de charbon ou de carbure de silicium, ayant au centre un trou cylindrique (brevet US nO 3.362.803). Ces procédés de chauffage sont difficiles à contrôler à cause de la lévitation du métal à étirer, par suite des forces électromagnétiques mise en åeu et de la forme géométrique très spéciale de l'enroulement d'induction qui dépend du métal, du rapport du verre au métal et de la vitesse d'avancement du tube de verre contenant le métal. Si elles ne sont pas bien contrôlées toutes ces conditions ne permettent pas d'obtenir des fils métalliques continus. De plus, avec des métaux ayant une tension superficielle particulière, ou des coefficients de dilatation particuliers, (comme par exemple l'or et le fer), il n'est pas pos sible d'obtenir des fils continus par les procédés décrits cidessus. Ainsi, par les procédés classiques, il est difficile, et même impossible dans certains cas, d'obtenir des fils métalliques revêtus continus de diamètre uniforme. En conséquences un des buts de l'invention est de fournir un procédé qui, tout en évitant les inconvénients ci-dessus, permette d'obtenir des fils métalliques continus, revêtus de verre ou de matériaux verre-céramique et ayant un diamètre uniforme. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé qui permette d'obtenir des fils revêtus continus dont le fil métallique a un petit diamètre et dont le revêtemement a une tres faible épaisseur. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé permettant d'obtenir des fils métalliques continus à partir de métaux ou d'alliages métalliques, aussi bien à bas point de fusion qu'à point de fusion élevé, et à partir de métaux et d'alliage métalliques même rigides. Tous ces buts ainsi que d'autres, qui apparaitront plus clairement aux spécialistes au-vu de la description ci-dessous sont atteints commodément par un procédé de fabrication de fils métalliques continus revêtus d'un matériau choisi parmi le verre et le verre-céramique, lequel, conformément à l'invention, est caractérisé en ce que l'on fait passer en continu un tube de ce matériau, contenant une tige métallique à travers une zone de chauffage radiant à l'intérieur d'un creuset métallique en forme de tronc de cone et chauffé comme une résistance, ce qui provoque le ramollissement du tube et la fusion de la tige métallique, et en ce qu'on les étire et les refroidit simultanément par un liquide en contact direct avec la zone d'étirage du fil revêtu, ce qui produit le fil revêtu que l'on enroule ensuite sur une bobine. Le terme de verre désigne un matériau ayant une structure amorphe, comme le verre, la silice, etc..., le terme de verre-céramique désigne un matériau ayant une structure amorphe, comme un verre, lequel, par suite de sa composition particulière subit une dévitrification partielle ou complète résultant du procédé par lequel est filé le fil revêtu formé, prenant ainsi une structure au moins partiellement cristalline. Le present procédé de fabrication de fils métalliques revêtus comporte donc - un système de chauffage dune extrémité du tube de verre ou de verre-céramique et de la tige se trouvant à l'intérieur de ce tube, au moyen d'un creuset métallique en forme de tronc de cône et chauffé came une résistance. - un système de refroidissement du cône d'étirage utilisant un liquide, de préférence un liquide lubrifiant et antistatique - un système d'enroulement et d'étirage pour obtenir le diamètre désiré et un enroulement souple et régulier du fil sur la bobine. Le système de chauffage corme résistance se cchnpose d'un creuset en forme de tronc de cône de matière conductrice de l'é- lectricité. Le creuset peut être en silite (CSi), en acier inoxydable, en tantale, suivant le point de fusion du métal à étirer. En général, le creuset est en Pt-Rh pour les métaux en alliages allant de céux à bas point de fusion jusqu'a ceux, tels qu'Al, Ag , Cu et Au, qui ont des points de fusion de 6000 à 11000C. Le creuset est en Ir pour les métaux ou alliages métalliques fondant à environ 15000C, comme le fer et l'acier. Tant Pt-Rh que Ir sont faciles à travailler pour obtenir le creuset sous la forme désirée, et on peut les maintenir en fonctionnement pendant des durées prolongées. Dans ce creuset avance à vitesse constante la tige de métal ou d'alliage métallique, incluse dans un tube de verre ou de verre-céramique qui avance de son côté à vitesse constante. Un système d'alimentation, qui permet d'obtenir des fils métalliques revêtus avec un rapport du revêtement au métal variable, bien que l'on parte de tubes et de tiges métalliques de dimensions constantes, est décrit en détail dans un brevet également en cours d'examen de la même demanderesse. Le creuset est chauffé électriquement came une résistance. Ce système de chauffage garantit un contrôle précis de la température au cours de l'étirage, par une surie de thermocouples disposés dans le creuset et reliés à un système équipé d'un contrôle automatique de température qui commande la puissance fournie au creuset. Le creuset est revêtu d'une couche de quelques microns ou matériau réfractaire du type Zro2 où A120 stabi d'un matériau réfractaire du type ZrO2 où lisé, stabilisé, pulvé- risé sur les surfaces interne et externe du creuset par le procédé au jet de plasma. Par ce procédé, on évite partiellement l'évaporation du métal travaillant à chaud, et on évite d'autre part que dans la partie interne du creuset, au cas où le métal fondu de la tige viendrait au contact du creuset, ce métal fondu ne forme un alliage avec le métal du creuset, endommageant ainsi le creuset lui-même. On décrira maintenant l'invention avec plus de détails en se référant aux dessins en annexe, donnés à titre de simple illustration, dans lesquels - les figures I et 2 représentent respectivement sous forme schématique une vue de face et une vue latérale d'une installation d'étirage selon le procédé de l'invention. - les figures 3 et 4 représentent respectivement sous forme schématique une vue de face et une vue en plan du creuset de chauffage conforme à l'invention. - les figures 5 et 6, représentent toujours sous forme schématique, une vue de face et une vue en élévation latérale respectivement du dispositif de refroidissement de l'invention. En ce qui concerne les figures, le creuset de chauffage revêt la forme d'un tronc de cône (figures 3 et 4), de sorte que la fusion du métal et le ramollissement simultané du matériau de verre ou de verre-céramique, se produisent à la partie inférieure du creuset lui-même. il est conseillé de choisir le type de verre ou de verre-céramique de telle sorte qu'ils présentent, à l'état ramolli, une viscosité d'environ 103 - 104 poises à une température supérieure au point de fusion du métal ou de l'alliage à étirer. Lorsque le tube ne contient pas le métal, il se forme simplement une goutte qui, lorsqu'on l'étire, permet de former des fibres de verre creuses. Lorsque le métal est présent dans le tube sous forme de tige ou lorsqu'il remplit complétement le tube, il se forme une goutte que le métal dilate à mesure que sa fusion progresse. L'étirage simultané de la combinaison métal-tube permet de former un fil de métal revêtu, mais la chaleur fournie à la matière du tube par la solidifaction du métal tend à dilater la zone d'étirement de cette matière et peut par suite provoquer la rupture du capillaire en formation, ou une discontinuité dans la pièce métallique. Le refroidissement de la zone d'étirage du verre ou du verre-céramique suivant l'invention, permet d'obtenir la solidification du métal dés que l'étirage du matériau de verre ou de verre-céramique a été accompli, c'est-à-dire dés que le capillaim de cette matière a atteint un diamètre constant ; ceci permet dsobtendr-des fils revêtus continus de diamètre uniforme. Le système de refroidissement (figures 5 et 6) comporte un dispositif placé sous le creuset, dispositif dans lequel s'écoule en circuit ferme un liquide lubrifiant circulant-à la température ambiante. Ce système de refroidissement permet de raccourcir la zone d'étirement de la matière de verre ou de verrecéramique de telle sorte que la solidification du métal se produise dès que l'étirage de cette matière a été effectué. Le liquide utilisé dans ce but peut être l'eau, la glycérine, une soluti-onde glycérine et d'eau, des huiles de silicone. La dissipation de la chaleur produite par la solidification du métal s'effectue à l'intérieur du liquide de refroidissement qui ramène le fil à la température ambiante. En provoquant des chpcs thermiques energiques, il est possible de produire la rupture du revêtement, ce qui permet de produire des fils métal liques sans revêtement.Le dispositif de refroidissement peut autre placé à diverses distances du creuset, ce qui permet de faire va rier la vitesse de refroidissement du métal et du revêtenent, et par-conséquent aussi les caractéristiques du fil revêtu ainsi ob Be système d'enroulement et d'étirage avec bobinoir peut attelndre une vitesse de 15.900 tours/minute avec un contré automatique de la vitesse et un équipement adéquat pour disposer convenablement le fil sur la surface du tambour du bobinoir, compte-tenu des traitements et des applications ultérieures. Un système automatique pour mesurer la continuité et l'untformitZ du fil est-obtenu par un condensateur dont la constante diélectrique varie en fonction de l'état de la fibre. Les figures 1 et 2 montrent le dispositif d'alimentation avec son moteur d'entrainement (1) qui agit sur le tube (3) ou sur le matériau de verre ou de verre-céramique tandis que le moteur (2) agit sur la tige métallique (4), le tube (3) et la tige métallique (4), coaxiale au tube, avancent verticalement à des vitesses d'alimentation constantes et indépendantes à travers le creuset (5) constitué d'un matériau conducteur de l'électricité en général Pt-Rh, et chauffé comme une résistance. Le transformateur (6) fournit le courant électrique au creuset (5) par deux bornes (7) amenant le courant, refroidies par1l-'eau et portées par des cibles souples pour-permettre la dilatation thermique du creuset, les attache-fils des bornes (7) serrent les aluettes (8) du creuset (5) qui est complétement isolé par une matière réfractaire à l'exception des deux ouvertures. La temperature du creuset (5) est contrôlée par une série de-thermocouples, non-repr-ésentés pour plus de simplicité dans les dessins en annexe, et qui sont reliés à un dispositif de contrôle (10) constitué d'un contrôle automatique de la température capable de piloter la puissance fournie au transformateur. On garantit ainsi la stabilité des conditions de chauffage du creuset. Le dispositif de refroidissement (11), disposé sous le creuset, est supporté par un dispositif mécanique permettant un positionnement parfait dans les trois directions. il est cons- truit de telle façon que les fibres en formation traversent un liquide de refrodidissent circulant en circuit fermé à température ambiante, avant d'aller à la bobine d'enroulement (14), le fil est ainsi porté a la température du liquide. Bes huiles ou so- lutions de refroidissement facilitent aussi les opérations d'enroulement du fil, car une couche de moins d'un micronde cellesci resté adhérente-:à la surface du fil revêtu. Avant d'atteindre ia bobine d'enroulement (14), le fil revêtu (9) traverse les armatures d'un microcondensateur (13) capable d'évaluer liuniformité de diamètre du fil et la continuité de son âme métallique. La bobine d'enroulement est placée sur un support dont les deplacements dans les trois directions assurent un centrage parfait. La bobine d'enroulement comporte un dispositif de croisement du fil (15) lequel, guidant le fil (9) dispose ce fil sur le tambour de réception d'une façon déterminée à l'avance. Les figures 3 et 4 montrent en détail la forme géométrique du creuset (5) des figures 1 et 2. Les ailettes (8) sont in serées dans les attache-fils amenant le courant reliés au transformateur qui, suivant la taille du creuset, peut fournir de 1 à 10 kVA. Le creuset (5) en forme de tronc de cône a des dimen sions qui varient suivant le type du métal, du matériau de verre ou verre-céramique, et les conditions d'étirage. Le diametre interne inférieur du tronc de cône du creuset peut varier de 8 à 16 mm et, corrélativement, -le diamètre interne supérieur peut varier de 15 a~55~mm-, avec des hauteurs de 20 à 30 mm respective- ment. La fusion du métal et le ramollissement du tube 'effecttett dans la zone inférieure du creuset et permettent l'étirage à chaud simultané du fil. Les figures 5 et 6 montrent en détail le dispositif de refroidissement (11) des figures 1 et 2. Le fil revêtu (9), en formation, traverse la cavité (16) du petit tube (20) dans lequel il est aisément inséré par l'ouverture (17) Dans la cavité (16) arrive le liquide de refroidissement à la température ambiante, venant de la trappe (23) par des trous (18) et introduit par le tuyau d'entrée (19) dans lequel il arrive sous la pression, exercée par une pompe doseuse. Le li- quide de refroidissement mouille ainsi le fil revêtu en formation sur une certaine distance, qui commence en fait dans le petit tube (20), présentant un évasement divergent qui empêche le liquide de se disperser par crépitement et lui permet ainsi d'etre facile- ment recueilli dans des récipients (21) d'où il est évacué par le tube (22) pour être recyclé. De cette façon, le liquide de refroidissement est en contact direct avec la zone d'étirage du fil revêtu (9). Be fil ramené à la température du liquide entraine une partie du liquide de refroidissement lui-même et se présente avec une surface mouillée. Ce fait n'est pas un inconvénient car un choix approprie du liquide de refroidissement peut servir à recouvrir le fil revêtu d'un lubrifiant qui facilite le traitement ultérieur du fil lui-même. 'tes exemples non-limitatifs suivants sont donnés à titre d'illustration de l'invention. Exemple 1 On introduit une tige de cuivre électrolytiquement pur (titre 99,93%, avec des impuretés P/ 0,05%, Ca, Fe, Pb, Mg, Su, Ag) de 2 mm de diamètre dans un tube de verre SUPRES.E (verre au borosilicate de Schott et Genossen) d'un diamètre intérieur de 2,7 mm et d'un diamètre extérieur de 5,3 mm. On fait avancer le tube et la tige dans le creuset par le même système d'alimentation que celui décrit aux figures 1 et 2, à la même vitesse de 10 mm/min. te creuset de Pt-Rh à 20 %, d'une hauteur de 24 mm, chauffé avec une puissance d'alimentation de 1 kVA, fond la partie inférieure du métal et ramollit le verre, de sorte que tous deux sont étirés simultanément par la bobine d'enroulement. Avec une vitesse d'étirage, effectué par la bobine d'enroulement, de 100 m/min, on obtient un fil de cuivre d'un diamètre de 20 > ?m revêtu d'une épaisseur de verre de 15/lm ; le fil est continu tant dans la partie métal que dans la partie verre, et il est d'un diamètre uniforme. Avec une vitesse étirage de 500 m/min, on obtient un fil de cuivre ayant un diamètre de 9Am revêtu d'une épaisseur de verre de 7/fm ; le fil est continu tant dans la partie métal que dans la partie verre et il est d'un diamètre uniforme. Dans les deux essais, le dispositif de refroidissement est placé à une distance d'environ 3 mm entre le bas du creuset et la surface supérieure du liquide de refroidissement dans le tube (20) de la figure 6. Le liquide de refroidissement est une huile silicone du type 200/50de la Dow Corning Cor. Les caractéristiques électriques du fil métallique, malgré le refroidissement, ne diffèrent pas de façon appréciable de celles du cuivre de départ. Les caractéristiques mécaniques dépendent du diamètre du fil. Pour éviter l'oxydation du cuivre au cours de l'étirage, on opère dans une atmosphère inerte à l'intérieur du tube de verre. Ces fils sont utilisés comme conducteurs dans des transformateurs et dans des circuits électroniques miniaturés. Exemple 2 On place une tige d'argent (titre 99,97 %) de 1,0 mm de diamètre dans un tube de verre Pyrex (verre au borosilicate de CORWING GLASS Corp.) ayant un diamètre intérieur de 2 mm et un diamètre extérieur de 4 mm. On place le tout sur le dispositif d'alimentation qui communique au tube de verre une vitesse d'avancement de 10 mm/min, et à la tige métallique une vitesse de 6,5 mm/min. Avec une puissance de 1 kVA, le creuset de Pt, qui a 18 mm de haut, est porté à une température suffisante pour ramollir le verre et pour fondre l'argent, de sorte qu'il peuvent tous deux etre étirés simultanément par le bobinage d'enrouleent. Avec une vitesse d'étirage, communiquée par la bobine d'enroulement, de 16 m/min on obtient un fil d'argent ayant un diamètre de 20fim revêtu d'une épaisseur de verre de 402Vm, le fil est continu tant dans la partie métal que dans la partie verre, et il a un diamètre uniforme.Avec une vitesse d'étirage de 4 m/min, on obtient un fil d'argent ayant un diamètre de 401cIm revêtu d'une épaisseur de verre de 80 o41m ; le fil est continu tant dans la partie métal que dans la partie verre et il a un diamètre uniforme. Dans les deux essais, on place le dispositif de refroidissement à une distance d'environ 3 mm, entre le bas du creuset et la surface supérieure du liquide de refroidissement. On utilise comme liquide de refroidissement de la glycérine contenant 10 % en poids d'eau. Ces fils conviennent pour l'utilisation en physiologie comme microélectrodes. Exemple 3 On place une tige de fer, fournie par la firme Carlo Erba, de 1 mm de diamètre, dans un tube de silice ayant un diamètre intérieur de 2,7 mm et un diamètre extérieur de 5,5 mm. On fait avancer le tube et la tige dans le creuset au moyen du dispositif d'avancement décrit aux figures 1 et 2 à la même vitesse de 10 mm/min. Le creuset, constitué d'iridium, et d'une hauteur de 24 mm, chauffé avec une puissance d'environ 2 kVA, fond l'extrémité inférieure de la tige métallique et ramollit le tube de silice de sorte qu'on peut les étirer tous les deux simultanément au moyen de la bobine d'enroulement.Avec une vitesse d'étirage, accompli par la bobine d'enroulement, de 100m/min, on obtient un fil de fer d'un diamètre de 10 IO$1m m revêtu d'une épaisseur de silice de 24A m ; le fil est continu tant dans la partie métal que dans la partie silice et il est de diamètre uniforme. Avec une vitesse d'étirage de 1000 m/min, on obtient un fil de fer d'un diamètre de 3 /m revêtu d'une épaisseur de silice de 8 8/Ym ; le fil est continu tant dans la partie métal que dans la partie silice et il est d'un diamètre uniforme. Dans les deux essais, le dispositif de refroidissement est placé à une distance de 5 mm entre le bas du creuset et la surface supérieure du liquide de refroidissement utilisé, qui est une huile de silicone du type 200/50 de Dow Corming Corp. Ces fils conviennent pour l'utilisation en physiologie comme microélectrodes, dans les matériaux composites comme fibres de renforcement, et dans les mesures de température comme thermocouples. Exemple 4 On place une tige d'aluminium pur, du type Rafinal produit par la firme I.S.M.L., de 1 mm de diamètre, dans un tube verre-céramique ayant la composition molaire suivante : SiO2 60 % A1203 10 % - Li20 30 % - et ayant un diamètre intérieur de 3,0 mm et un diamètre extérieur de 5,0 mm i on fait avancer le tube et la tige dans le creuset au moyen du dispositif d'alimentation décrit aux figures 1 et 2, à la même vitesse de 10 mm/min. Le creuset, constitué de Pt-Rh à 10 , d'une hauteur de 24 mm, chauffé avec une puissance d'environ 1 kVA, fond l'extrémité inférieure de la tige métallique et ramollit le tube de telle sorte qu'ils peuvent tous deux être étirés simultanément par la bobine d'enroulement.Avec une vitesse d'étirage, accompli par la bobine d'enroulement, de 100 m/min, on obtient un fil d'aluminium ayant un diamètre de 10, m revêtu d'une épaisseur de matière verrecéramique de 16Y m, le fil est continu tant dans la partie métal que dans la partie verre-céramique et a un diamètre uniforme. Avec une vitesse d'étirage de 1000 m/min, on obtient un fil d'aluminium ayant un diamètre de 3m revêtu d'une épaisseur de matière verre-céramique de 5$il, le fil est continu tant dans la partie métal que dans la partie verre-céramique, et il a un diamètre uniforme. Dans les deux essais, le dispositif de refroidissement est placé à une distance de 5 mm entre le bas du creuset et la surface supérieure du liquide de refroidissement utilisé qui est de l'huile de silicone du type 200/50 de Dow Corning Corp. On introduit ces fils en continu dans un four tubulaire à 5700 C de façon à obtenir une complète dévitrification du revêtement verre-céramique. Ces fils conviennent pour l'utilisation comme conducteurs en électricité. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de fils métalliques continus, revêtus d'une matière choisie parmi le verre et le verre-céramique, caractérisé en ce qu'on fait passer un tube de cette matière contenant une tige métallique, à travers une zone de chauffage radiant à l'intérieur d'un creuset métallique de forme tronconique, chauffé électriquement xcce une résistatioe, ohtpnnnt ainci le ramollissement du tube et la fusion de la tige métallique, et en ce qu'on étire le tube avec la tige et les refroidit simultanément par un liquide de refroidissement en contact direct avec 1e cône d'étirage du fil, formant ainsi le fil revêtu que l'on enroule ensuite sur une bobine. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le creuset, de forme tronconique, est fait d'un matériau conducteur de l'électricité choisi parmi la silite, l'acier inoxydable, le tantale, les alliages Pt-Rh, l'iridium. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement du fil s'effectue par contact direct avec un liquide, circulant en circuit fermé, à la température ambiante. 4. Procédé suivant les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le liquide de refroidissement est choisi parmi l'eau, la glycérine, une solution de glycérine et d'eau, les huiles de silicone.