Brevet FR2249855A1 — publié le 19750530

L'invention est relative au "frittage" de produits céramiques, notamment de produits céramiques de faibles ou de très faibles dimensions, tels que ceux destinés à l'industrie électronique. L'opération de "frittagen, qui a pour but assurer la cohésion des particules constituant le produit céramique, s'effectue, suivant la plupart des procédés connus, dans des fours où le produit est chauffé par rayonnement à partir de la face interne des parois du fours Souvent, les produits céramiques, et notamment ceux destinés à l'industrie électronique, sont essentiellement constitués de matériaux, principalement d' oxydes réfractaires, tels que des oxydes d'aluminium, de baryum, de béryllium ou de zirconium, dont les températures de frittage se situent à des niveaux élevés0 Le chauffage par rayonnement thermique de tels produits céramiques jusqu'à la température de frittage oblige à porter les parois internes du four à des températures au moins égales à la température de frittage des produits, ce qui oblige à construire ces parois internes avec des matériaux réfractaires nobles et à prévoir un isolement thermique efficace contre ces parois internes et les parois externes du four. En outre, les hautes températures nécessaires, de l'ordre par exemple de 16500C, dans le cas du frittage de produits céramiques à base d'alumine, ne permettent pas actuellement de chauffer, dans des conditions économiques acceptables, les parois internes du four par des résistances électriques et, en pratique, on est obligé d'assurer ce chauffage par des flammes, par exemple en utilisant un combustible gazeux. Le laboratoire de tels fours à gaz doit nécessairement présenter des dimensions relativement importantes, notamment dans le sens vertical. De ce fait, les parois réfractaires entourant ce laboratoire et qui, comme il a été mentionné ci-dessus, doivent être constituées de matériaux nobles, présentent un volume important, et, par voie de conséquence, leur isolement thermique par rapport aux parois externes du fourFrésente un volume également important. En outre, quand il s'agit de cuire dans ce laboratoire de dimensions relativement importantes des produits céramiques de faibles ou de très faibles dimensions, tels que ceux destinés à l'industrie électronique, il est nécessaire, pour obtenir un taux de remplissage convenable du laboratoire, de disposer les produits à cuire sur des supports, également constitués de matériaux nobles0 Pour toutes ces raisons, le frittage suivant les procédés connus, de produits céramiques de faibles ou de très faibles dimensions, frittant à haute température, conduit à mettre en oeuvre, à chauffer, et à entretenir en bonétat une masse de produits réfractaires, constituée pour une notable part de matériaux nobles et chers, dont l'importance est hors de proportion avec celle de la masse des produits à cuire0 Cette disproportion grève le prix de revient de l'opération de cuisson d'une manière véritablement inadmissible En outre, les procédés de frittage connus présentent d'autres inconvénients qui ont une incidence sur la qualité des produits céramiques ainsi fabriqués. En particulier, le chauffage à partir d'un combustible, par exemple gazeux, n'est en général pas favorable à l'obtention d'une atmosphère de cuisson optimale qui, dans de nombreux cas, doit entre nettement oxydante. Enfin, les procédés de frittage par rayonnement exigent des temps de frittage relativement longs. n a été proposé de chauffer des pièces céramiques jusqu'à leur température de frittage en utilisant la dissipation d'énergie produite au sein d'un corps non conducteur par l'action d'un champ électrique alternatif. On sait qu'une telle dissipation d'énergie est régie par l'expression : P = Kof..tg dans laquelle : - P est la dissipation d'énergie par unité de volume du corps non conducteur, - K est une constante, - f est la fréquence du champ, est la constante diélectrique relative du corps non conducteur, est l'angle de perte du corps non conducteur. - E est la valeur (en V/m) du champ électrique. On sait par ailleurs (Technicals Reports 182 & 203 - Laboratory for Insulation Research Massachusetts Institute of Technology) que les valeurs de et qff qui, à la température ordinaire,sont généralement très faibles poùr les constituants des produits céramiques et notamment pour les oxydes réfractaires croissent rapidement avec la température, si bien qu'il apparaît comme tout à fait possible, à condition de choisir pour la fréquence f des valeurs suffisamment élevées, de dissiper au sein de produits céramiques soumis à l'action d'un champ électrique alternatif, une énergie suffisante pour provoquer le frittage de ces produits. L'expérimentation a effectivement montré que l'on pouvait ainsi, avec une dépense d'énergie réduite, porter à la température de frittage notamment des pièces en alumine, en les soumettant à l'action d'un champ hyperfréquentiel de 2450 MHZJ la montée en température étant activée au départ par l'incorporation à la masse céramique d'ajouts susceptibles de stéchauffer rapidement dans un chanp hyperfréquentiel. C'est ainsi qu'il a été proposé notamment dtincorporer à la masse céramique une faible proportion de poudre d'aluminium. Un tel procédé de frittage par action d'un champ hyperfréquentiel remédie aux inconvénients signalés plus haut à propos des procédés classiques utilisant le chauffage par rayonnement. En èffet, l'importance des supports réfractaires et des matériaux réfractaires d'isolement se trouve réduite dans des proportions considérables. I1 est par exemple possible de constituer un four à passage par un guide d'ondes hyperfréquentielles, présentant une section réduite adapte à la taille des produits à fritter, et dans lequel un convoyeur déplace une ou plusieurs files de ces produits. Bien que les parois métalliques du fluide d'ondes soient peu éloignées des produits à fritter, il n'est en général pas nécessaire de les isoler thermiquement et il suffit éventuellement de les refroidir extérieurement, par exemple par ventilation0 En effet, elles sont uniquement chauffées par le rayonnement des produits céramiques à fritter, ce qui représente un apport de calories relativement faible. Ainsi, les masses dtisolement thermique nécessaires dans les fours à haute température chauffés au gaz disparaissent ici complètement et les supports réfractaires des produits à fritter sont réduits à un minimum. D'autre part, la composition de l'atmosphère du four n'est ici en aucune façon perturbée par le moyen de chauffage Toutefois, le frittage des produits céramiques dans un champ hyperfréquentiel présente notamment les difficultés suivantes : - Même en incorporant des "ajouts" à la masse céramique, la montée en température est très lente au départ, si bien que, par exemple, plus des trois quarts du temps total de l'opération sont nécessaires pour porter le produit à fritter à niveau de température n'atteignant pas la moitié du niveau de la température de frittage. - Des précautions particulières doivent être prises d'une part pour assurer un échauffement homogène des produits à fritter, d'autre part, pour contrôler une tendance à ltemballement de cet échauffement au voisinage de la température de frittage - Il faut éviter un échauffement excessif des supports sur lesquels reposent à l'intérieur du four les produits à fritter, tout en réduisant à un minimum l'amplitude des chocs thermiques subis par ces supports et par les produits à fritter. L'invention a notamment pour but de remédier à ces difficultés. A cet effet, elle concerne un procédé pour le frittage de produits céramiques, notamment de produits céramiques de faibles dimensions frittant à haute température, et comportant éventuellement des ajouts, procédé caractérisé en ce que l'on soumet les'produits à fritter, préalablement préchauffés à une température déterminée, à l'action d'un champ électrique alternatif pour les amener au niveau de température permettant d'obtenir le frittage. L'invention concerne également les installations permettant la mise en oeuvre du procédé. Un mode de réalisation d'une telle installation est représenté schématiquement, à titre d'exemple non limitatif, sur les dessins ci-joints, dans lesquels : - la figure 1 est un schéma en élévation de l'installation selon l'invention; - la figure 2 montre schématiquement en plan un support de frittage; - la figure 3 est une vue schématique en perspective du dispositif d'entrée du guide d'ondes; - La figure 4 est un schéma de l'ensemble formé par le guide d'ondes hyperfréquentielles et ses coupleurs d'alimentation. la figure 1 représente schématiquement un exemple de réalisation selon l'invention pour une installation de frittage de corps isolants en alumine entrant dans la constitution des bougies d'allumage pour moteurs à combustion internez Ces corps isolants a présentent une forme 7oisine de celle d'un tronc de cône. Les produits à fritter a sont transférés par un dispositif d'alimentation 1 non représenté en détail, sur le brin horizontal supérieur d'un tapis sans fin 2 qui les transporte dans le sens de la flèche G à travers le laboratoire 3 (indiqué en tireté) d'un four électrique-de modèle connu, chauffé par des résistances, par exemple des résistances en siliciure de molybdène.Ce four permet sans difficultés particulières de porter la température des produits a à un niveau voisin de 19000C par exemple0 A un tel niveau, les dispositifs permettant de manipuler les- produits a à l'intérieur et à la sortie du four, ainsi que l'essentiel de la structure même du four, peuvent être réalisés en matériaux relativement peu nobles, tels que des aciers réfractaires, et il n'est pas nécessaire de faire appel aux solutions techniques complexes, encombrantes et coûteuses, qui s'imposent à des températures de niveau plus élevé A la sortie du four 3 de longueur 4 , les produits a sont transférés par un dispositif de transfert 4 non représenté, sur le brin vertical ascendant 5 d'un convoyeur à channe 6 qui porte des supports réfractaires 7 (figure 2) composés d'une tige 8 portant une plaque 9.La tige 8 et la plaque 9 sont par exemple réalisées en alumine frittée, à haut degré de pureté Dans la position 10, juste avant dtêtre transférés sur les plaques 9 du convoyeur 6, les produits a sont coiffés d'un protecteur b en forme de pot renversé également réalisé en alumine de haut degré de pureté, et qui a été prélevé en position 10', sur le brin descendant du convoyeur 6. Le transfert du protecteur b de la position 10' à la position 10 est assuré par un dispositif automatique non représentéo Les produits à fritter a, préchauffés dans le four 3 et reveXtus de leur protecteur b, sont déplacés dans le sens de la flèche G' par le brin ascendant du convoyeur vertical 5 dans un guide d'ondes 11, de longueur 12, à l'intérieur duquel règne un champ électrique hyper fréquentiel,- par exemple d'une fréquence de 2450 MHz. Dans ce guide d'onde les produits a sont portés à la température de frittage La vitesse des produits à fritter dans ce guide d'ondes est réglables Cette vitesse peut être uniforme ou variables Le cas d'un convoyeur-à vitesse variable n'est pas représenté à la figure 1. A la sortie de guide d'ondes 5, les produits a maintenant frittés sont notablement refroidis su un trajet de longueur L3, avant d'être transférés par un dispositif aomatique 12 non représenté, sur un convoyeur d'évacuation 13. Quand le produit a se trouve dans la position 14 précédant immédiatement ce dernier transfert, le protecteur b est enlevé par un dispositif automatique non représenté et transporté dans la position 14', à la partie supérieure du brin descendant du convoyeur 5. Le temps t2 mis par le produit a pour parcourir la longueur L2 est beaucoup plus court que le temps t1 mis pour parcourir la longueur 4 s 4 étant beaucoup plus grande que lez Cependant, comme le produit a, lors de son entrée dans le guide d'ondes 1, se trouve, du fait de son préchauffage dans le four 3, et éventuellement du fait des ajouts qu'il contient présente une constante diélectrique ;;r et un angle de perteSdont les valeurs sont élevées, il est porté à la température de frittage pendant son court passage dans le guide d'ondes Au contraire, les supports 7 et les protecteurs b, réalisés en alumine de haute pureté, et dont la température, par des moyens qui seront explicités plus loin, est maintenue à un niveau relativement bas, présentent à leur entrée dans le guide d'onder des constantes diélectriques relatives et des angles de perte faibles et s'échaufferont donc peu pendant leur court passage dans le champ hyperfréquentiel. Ainsi, et contrairement à ce qui se passe dans les fours de frittage classiques, non seulement les produits réfractaires nobles associés aux produits à fritter sont réduits à leur simple expression (support 7 et protecteur b), mais encore ils sont utilisés dans des conditions telles que leur durée de vie est incomparablement plus grande que celle des réfractaires utilisés dans les fours classiques à haute température. Les parois métalliques du rayonnement d'ondes 5 préservées du rayonnement thermique des produits a par les plaques 9 et les protecteurs b, ne s'échauffent que très modérément et peuvent d'ailleurs être facilement refroidies par leur face externe, par exemple par ventilation. Il ne se pose donc aucun problème de détérioration par effets thermiques en ce qui concerne ce guide d'ondes et ses annexes, ni en ce qui concerne le convoyeur 5. On voit donc que le procédé de frittage selon l'invention permet d'échapper à toutes les sujétions du frittage à haute température selon les procédés classiques, sujétions qui, ainsi qu'on l'a vu, grèvent de façon inadmissible le coût de ltopération, notamment dans le cas de pièces de faibles dimensionso Le rdle des protecteurs b en association avec les plaques 9 est non seulement de protéger le guide d'ondes 11 contre le rayonnement thermique des produits a, mais également de limiter les déperditions thermiques des produits a aussi bien par rayonnement que par convection. Les courants de convection peuvent meme être totalement supprimés dans le cas où l'enceinte individuelle forméè par la plaque 9 et le protecteur b peut être pratiquement étanche, c'est-àdire dans le cas où il n'est pas nécessaire que le produit a reste en contactavec l'atmosphère du fouro I1 est avantageux, ainsi qu'on l'a vu, que la température des protecteurs b et des plaques 9 soit inférieure à celle des produits a Cependant, il n'est pas souhaitable que l'écart entre ces deux températures soit trop grand, afin d'éviter un choc thermique lors de la dépose du produit a sur la taque 9, et afin de limiter, de façon générale, les échanges thermiques entre le produit a et son environnement immédiat. Il y a donc un compromis à trouver en ce qui concerne le niveau de la température du protecteur b et de la plaque 8 à leur entrée dans le guide d'ondes, et l'installation doit comporter des moyens pour régler ce niveau de température0 Dans le meilleur des cas, ces moyens sont constitués par exemple par une enceinte thermiquement isolée, entourant le brin descendant du convoyeur 5, enceinte dans laquelle on peut régler la circulation d'air frais. On pourra ainsi contrôler le refroidissement des protecteurs b et des plaques 9 entre la sortie et entrée du guide d'ondesll. Dans de nombreux cas toutefois, en raison de la très faible inertie thermique des pièces b et 9, ce refroidissement sera toujours trop important. Il est alors nécessaire de prévoir, à.la partie inférieure du brin descendant du convoyeur 5, une gaine de réchauffage 15, dans laquelle les pièces b et 9 seront réchauffées par tout moyen approprié, tel que par exemple le rayonnement de résistances électriques0 Tout comme le moyen de contrOle du refroidissement, ce moyen de r-échauffement doit être réglable. La figure 3 montre schématiquement en perspective le dispositif d'entrée du guide d'ondes 11. Le guide d'ondes principal comporte tout d'abord une partie AB de section rectangulaire, les dimensions de cette section étant adaptées à la propagation des ondes hyperfréquentielles de la longueur d'onde utilisée. La partie BC est une transition entre la section rectangulaire du tronçon d'entrée AB et la section circulaire du tronçon principal du guide d'onde, commençant en C. Le diamètre de cette section circulaire est également adapté à la propagation des ondes hyperfréquentielles de la longueur d'onde utilisée. Les parties 51 et 52 correspondent respectivement à un premier et à un second coupleur dont les rôles seront explicités ci-dessouso La référence 53 désigne 11 entrée des produits à fritter, qui se déplacent à l'intérieur du guide d'ondes dans le sens de la flèche GT La référence 54 désigne la section d'entrée des micro-ondes véhiculant l'énergie potentielle et provenant d'un magnétron non représenté. La référence 55 désigne une charge à eau éventuelle, dont le rôle sera indiqué plus loin. La référence 56 désigne une fente, régnant sur toute la longueur du guide d'ondes et dont le rôle est de permettre le passage des tiges 8 assurant la liaison des plaques 9 avec la chaine du convoyeur 5. Les références 11, 21, 31 et d'une part et les références 12, 22, 32 et 42 d'autre part désignent, respectivement sur le premier coupleur 51 et sur le second coupleur 52, des points de repère qui seront utilisés dans la description, en relation avec la figure 4, du dispositif d'entrée du guide d'ondes représenté sur la figure 3. Sur la figure 4, le guide d'ondes est symbolisé par la droite AF - En se déplaçant dans le sens de la flèche G', on retrouve, à partir de l'entrée A, les parties constitutives représentées sur la figure 3, à savoir la partie AB de section rectangulaire, avec les repères 11, 21, 12 et 22, puis la partie de transition BC et enfin, à partir de C, le guide d'ondes de section circulaire, qui s'détend de C en D sur la majeure partie de la longueur L2o L'ensemble formé par le premier et le second coupleur est symbolisé par un segment de droite paralléle à la droite AF, avec les repères 31 41 32 et 420 Au-dessous du repère 42 est symbolisée une éventuelle charge à eau. Cet ensemble assure la transmission des ondes hyperfréquentielles avec des décalages de phase appropriés, de façon à obtenir les résultats suivants L'énergie injectée en 31 se subdivise en deux parts égales entre 21 et 41, et en 11 il n'y a rien, si bien que l'énergie hyperfréquentielle ne s'échappe pas par l'extrémité ouverte du guide d'ondes, où pénètrent les produits à fritter. A la sortie de l'ensemble, lténergie injectée en 31 se retrouve, au rendement des coupleurs près, en 22, la porte 42 ne recevant rien. Ainsi, l'énergie hyperfréquentielle injectée en 31 se propage comme on le souhaite dans le sens de la flèche G', sans s'échapper en 11 ni en 42. Le dispositif décrit permet donc, en ce qui concerne la propagation de l'énergie hyperfréquentielle, d'obtenir le mEme résultat que si le magnétron était directement branché sur l'entrée du guide d'ondes, mais sans gêner l'introduction par cette même entrée des produits à fritter. A ltextrémité de la partie à section circulaire CD du guide d'ondes, on retrouve une partie de transition DE, symétrique de BC et permettant le passage de la section circulaire à une section rectangulaire, puis un second ensemble identique à l'ensemble d'entrée et comportant, à côté du guide d'ondesprincipal avec les repères 13, 23, 14, 24, un troisième et un quatrième coupleur avec les repères 33, 43, 34 et 449 une charge à eau étant symbolisée au-dessous de ce dernier repère. A la sortie de ce second ensemble, l'énergie résiduelle, non utiliséepour le frittage, se retrouve en 449 la porte 24 ne recevant rien, Ainsi, l'énergie hyperfréquentielle résiduelle ne s'échappe pas par la sortie du guide d'onde empruntée par les produits à fritter et elle est absorbée en 44 par une charge à eauO Dans ce qui précède, les tron çons 21, 12 et 41, 32 ont été supposés identiques0 Mais on pourrait prendre des dispositions pour qu'ils ne le soient pas, ce qui provoquerait, par rapport au cas précédent, un déséquilibre de phases en 12 et 32 réduisant le niveau d'énergie en 22 et faisant apparaître un niveau d'énergie non nul en 42 où il faudrait alors prévoir une charge à eau pour absorber cette énergie On a ainsi un moyen de doser lténergie injectée dans le guide d'ondes0 L'ensemble total symbolisé sur la figure 4 permet donc d'injecteur l'énergie hyperfréquentielle dans le guide d'ondes et de la doser, sans g8ner la circulation des produits à fritter, et sans que l'énergie hyperfréquentielle s'échappe à l'extérieur. En outre, cet ensemble présente un taux d'ondes stationnaires suffisamment faible pour ne pas risquer d'endommager le magnétron générateur. De plus, la forme circulaire de la section du guide d'ondes sur le tronçon CD assure une action du champ hyperfréquentiel présentant une symétrie de révolution par rapport à l'axe des corps de révolution que constituent les corps isolants de bougies d'allumage a, ce qui contribue à l'homogénéité de l'échauffement subi par ces produits. Cependant, il peut être avantageux de prévoir un déplacement transversal des produits a dans le champ hyperfréquentiel, de façon à neutraliser d'éventuelles variations de l'intensité de ce champ dans le plan perpendiculaire à l'axe du guide- d'ondes. Ce déplacement transversal peut être- obtenu en donnant un degré de mobilité transversal aux supports 7 par rapport à la channe du convoyeur 5, par exemple en reliant ces supports à la chaîne par des parallélogrammes déformables et en modifiant la forme de ces parallélogrammes tout au long du guide d'ondes, par l'action d'une rampe fixe.D'autres moyens peuvent être imaginés pour obtenir ce déplacement transversal des produits a dans le guide d'ondes 11 sans qu'il soit nécessaire de les décrire ici en détails L'installation qui vient dtêtre décrite n'est qu'un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention parmi d'autres, D'autres produits céramiques a que les corps isolants de bougiés d'allumage peuvent être frittés par le procédé selon l'invention, par exemple des substrats de circuits électroniques, des armatures de condensateurs, des guide-fils, des carreaux céramiques pour le revêtement des sols et murs, etc... De même, la disposition des différentes partes de l'installation peut Btre différente0 Par exemple, le convoyeur 5 et le guide d'ondes 11 pourraient Btre horizontaux, dans le prolongement du convoyeur 2 et du four 3, ou placés latéralement par rapport à eux. De fanon générale, il reste bien entendu que l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation, sans pôur cela sortir du cadre de l'invention0 BEVE NP I CAT I ONS 10) Procédé pour le frittage de produits céramiques, notamment de produits céramiques de faibles dimensions frittant à haute température et comportant éventuellement des ajouts, procédé caractérisé en ce que l'on soumet les produits à fritter préalablement préchauffés à une température déterminée, à l'action directe d'un champ électrique hyperfréquentiel pour les amener au niveau de température permettant d'obtenir le frittage0 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ électrique hyper- fréquentiel utilisé a une fréquence voisine de 2,450 MHz. 30) Procédé se-lon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le niveau de température auquel on amène les produits à fritter au cours de la phase de préchauffage est voisin de 1,0000C. 40)Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on préchauffe les produits à fritter par l'action d'un champ électrique alternatif ou par conductibilité et rayonnement thermiques. 50) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, pour le frittage, on règle l'intensité du champ électrique alternatif et la vitesse de déplacement des produits dans le champ électrique hyperfréquentiel, cette vitesse étant uniforme ou variable. 60) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on protège, pendant la phase de frittage, les produits à fritter contre les déperditions par rayonnement et contre les chocs thermiques0 70) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on règle la température maximale des moyens de protection à un niveau déterminé inférieur à la température de frittage 80) Installation caractérisée en ce qu'elle permet la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, et en ce qu'elle comporte un dispositif d'alimentation automatique disposant les produits à fritter sur un convoyeur à vitesse réglable desservant un four de préchauffage à passage, chauffé par des résistances électriques, un dispositif transférant à la sortie de ce four les produits préchauffés sur un convoyeur à vitesse réglable desservant un guide sondes dans lequel les produits à fritter défilent dans un champ hyperfréquentiel, les produits à fritter étant posés sur des supports de frittage constitués de matériaux dont les pertes diélectriques sont faibles dans les conditions de leur utilisation0 90) Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif automatique munissant les produits à fritter de protecteurs à l'entrée du guide d'ondes et un dispositif automatique retirant ces protecteurs à la sortie du guide d'onde 100) Installation selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce quelle comporte un dispositif de recyclage des supports de frittage, et éventuellement des protecteurs, à l'extérieur du guide d'ondes dans des enceintes réglables en température0 110) Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que le guide d'onde3 est fendu sur toute sa longueur, des coupleurs perraettant l'injection latérale de l'énergie hyperfréquentielle à l'entrée du guide d'ondes et le prélèvement latéral de l'énergie hyperfréquentielle résiduelle à la sortie du guide d'ondes.