Brevet FR2331138A1 — publié le 19770603

La présente invention se réfère à l'établissement d'éléments pour systèmes de contacts électriques frottants. -' On sait que dans de nombreuses applications l'on doit transmettre un courant électrique entre deux éléments qui se déplacent au contact l'un de l'autre. Dans les machines tournantes on a résolu ce problème par le moyen de balais à base de carbone, mais de tels balais ne peuvent supporter les chocs, leur résistivité est relativement élevée et leur usure relativement rapide.On ne les utilise donc pas dans les appareils comportant des systèmes de contacts frottants fonctionnant à vitesse lente ou seulement par intermittences, tels par exemple que les commutateurs à plots et les contacteurs dans lesquels l'un des éléments frotte contre l'autre à l'instant du contact pour assurer le nettoyage automatique des surfaces intéressées. On réalise alors les éléments en présence sous forme métallique en cuivre, argent ou parfois en or. L'inconvénient de cette solution est qu'il apparat entre les éléments des phénomènes de micro-soudure s' apparentant au grippage, ce qui détériore les surfaces intéressées et nuit au bon fonctionnement de l'appareil. L'on peut évidemment songer à établir les éléments en question par le moyen d'alliages de grande dureté à faible coefficient de frottement qui ne donnent pas lieu au phénomène précité, du moins dans les conditions habituelles. Mais on se heurte alors au fait que de tels alliages ont une très forte résistivité et que la chute de tension apparaissant entre les surfaces intéressées est relativement grande. On doit donc donner à ces surfaces de très grandes dimensions, ce qui augmente l'encombrement, élève le prix de revient et accrort l'inertie des pièces en mouvement. La présente invention vise à éviter les inconvénients qui précèdent et à permettre d'établir des éléments pour systèmes de contacts électriques qui comportent une excellente conductibilité et qui cependant ne donnent pas lieu au phénomène précité de grippage ou micro-soudure dans les conditions normales d'utilisation et notamment aux faibles vitesses de déplacement et/ou en fonctionnement intermittent. Conformément à l'invention l'on établit un élément pour système de contact électrique en un alliage renfermant un métal de base bon conducteur, tel que le cuivre, l'argent ou l'or, et au moins un corps d'addition (métal ou métallode) plus oxydable que le métal de base et l'on traite cet élément de manière à y faire apparattre une couche superficielle mince d'oxydation interne. On sait qu'une telle couche renferme une matrice du métal de base au sein de laquelle sont dispersées des particules d'oxyde du corps d'addition. De telles couches présentent une grande dureté et c'est cette propriété qui a été utilisée jusqu' ce jour. L'invention est basée sur cette constatation que même dans le cas où le traitement d'oxydation interne ne conduit pas à une dureté superficielle élevée, les couches obtenues sont capables d'une excellente résistance à l'usure adhésive associée à une bonne conductibilité électrique, parfois meme meilleure que celle du métal de base. On combine donc les avantages électriques du métal de base avec les excellentes propriétés de frottement et de non-grippage obtenues habituellement avec des couches superficielles de dureté élevée, mais de faible conductivité électrique. Le corps d'addition. peut etre le cuivre lorsque le métal de base est l'argent ou l'or. De façon plus générale ce peut entre le chrome, le béryllium, le cobalt, le nickel, le silicium ou des mélanges de- ceux-ci, notamment béryllium-cobalt et nickel-silicium. Le traitement d'oxydation peut se faire par chauffage en présence d'un gaz oxydant tel que l'air ou des mélanges d'oxygène et de gaz inertes. Mais on peut également procéder en recouvrant la surface intéressée d'un rev & ement d'un oxyde susceptible de dégager de ltoxygène à haute température et en présence du métal de base et du corps d'addition. On peut citer à cet égard l'oxyde de cuivre et l'oxyde de nickel. Si en suite du traitement il apparat sur la surface une couche parasite faite soit d'oxyde du métal de base, soit de métal à l'étant libre (métal de base ou métal d'addition), on s'en débarrasse par tout moyen approprié, par exemple par rectification. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer. Fig. 1 est une coupe schématique montrant la constitution de la machine d'essai utilisée dans les exemples donnés ci-après. Fig. 2 représente l'allure générale des courbes force de frottement/nombre de tours sous charge, obtenues au cours de ces essais. Fig. 3 reproduit fig. 1, mais sous une forme plus schématique et en indiquant les efforts qui s'exercent entre le cylindre d'essai et les mors entre lesquels il est serré. Fig. 4 montre l'allure des courbes durée de vie/épaisseur de la couche d'oxydation interne. Fig. 5 indique de meme manière la relation entre la charge appliquée et la durée de vie. Fig. 6 à 10 sont des graphiques relevés au cours des essais dont la description va suivre. Avant de procéder à la description d'exemples de mise en oeuvre de l'invention, il convient de préciser les conditions dans lesquelles ont été effectués les essais correspondants. On a utilisé à cet effet une machine Faville suivant normes U.S. Institute of Petroleum Standards 241. Dans cette machine un cylindre 1 (fig. 1) de 6,5 mm de diamètre tourne entre deux mors taillés 2 en V à 900 appliqués contre lui à charge constante. La vitesse normalisée est de 178 tours/minute, soit 0,06 m/s. On enregistre la force de frottement qui apparat, ce qui permet de calculer le coefficient de friction. Fig. 2 montre l'allure générale des enregistrements obtenus. La zone A correspond au frottement sans usure notable avec faible coefficient de friction (environ 0,2 pour les alliages à base d'argent et 0,3 pour ceux à base de cuivre). Au contraire dans la zone B il y a grippage, le frottement est notablement plus élevé, et les surfaces intéressées s'usent et se détériorent très rapidement. L'abscisse N correspond à ce qu t on peut appeler durée de vie du couple mors-cylindre pour la charge correspondante. Il est à noter que les forces appliquées aux deux faces de chaque mors ne sont pas égales en raison des réactions de frottement, ainsi que le montre fig. 3 dans laquelle on distingue nettement une force P1 sur la face d'entrée du mors et une force plus petite P2 sur sa face de sortie. Il y a donc deux apparitions successives du phénomène de grippage, ce que fait bien ressortir la courbe indicative de fig. 4. Fig. 5 montre l'allure générale de la fonction durée de viecharge appliquée. Là encore on trouve deux ondes successives. Il convient d'ajouter que la présence de la couche d'oxydation interne ntemptche nullement la mise en oeuvre de tout traitement thermique ultérieur approprié (recuit, trempe, etc...). Exemple I Le cylindre est fait en alliage d 'argent à 5 % en poids de cuivre. Son oxydation interne est obtenue par chauffage à environ 8000C à l'air libre. La durée du traitement varie en fonction de l'épaisseur désirée pour la couche d'oxydation, conformément à 11équation de diffusion Le tableau ci-dessous donne les valeurs de A en fonction de la température exacte du traitement : température exacte du traitement : Température OC : 775 : 785 : 800 : 825 : 840 : A )Im/ 1/2 : 2,05 : 2,37 : 2,7 : 3,31 : 3,63 s A rm/: : 123 : 142 : 162 : 198 218 L'alliage traité est refroidi rapidement après arrêt du chauffage. Les essais ont été effectués à la machine Faville comme susindiqué, avec des mors en argent écroui. La charge appliquée était d'abord de 26 dN. Fig. 6 montre la courbe du nombre de tours avant grippage (durée de vie) en fonction de l'épaisseur de la couche dtoxydation interne. On y retrouve les deux maxima de fig. 4. En utilisant le même alliage et toujours avec des mors en argent écroui, mais en maintenant l'épaisseur de la couche à la valeur de 160 Fm (soit environ 1 h de traitement à 8000C), l'on a alors fait varier la charge. La courbe obtenue est celle indiquée en traits pleins en fig. 7. A titre comparatif on a indiqué en fig. 7 la courbe correspondant à un cylindre en argent pur (donc sans oxydation interne), recuit sous vide à 8000C et trempé à l'eau. La supériorité du cylindre à oxydation interne est évidente. Comme d'autre part la conductibilité électrique de ce dernier est au moins aussi bonne que celle de argent pur, on voit l'avantage que comporte son application à la réalisation d'éléments de systèmes de contacts électriques. Exemple II Il s'agit d'un alliage de cuivre à 2 % en poids de béryllium. Le traitement à l'air libre ne convient plus car il détermine une couche externe continue de BeO qui empoche l'oxydation interne. On procède alors par recouvrement de la surface à traiter à l'aide d'un mélange pulvérulent de Cu + Cu20 (proportions en poids 1-pour 2,1). On chauffe à 8000C sous atmosphère d'argon pendant 15 heures. Il apparat un phénomène analogue à la cémentation : l'oxy- de Cu20 est transporté vers la surface de la pièce où il se décompose, le cuivre restant en surface tandis que l'oxygène migre à l'intérieur pour donner naissance à la couche d'oxydation interne (particules de BeO). Après traitement l'on enlève par rectification environ 50 pm pour éliminer la couche superficielle de cuivre provenant de la décomposition de l'oxyde. Il reste une couche d'oxydation interne de 170 pu. Fig. 8 montre en traits pleins la relation entre le nombre de tours avant grippage et la charge appliquée. Les mors utilisés étaient en cuivre écroui. Le tracé en traits interrompus correspond à des essais comparatifs effectués avec un cylindre en alliage trempé et revenu, mais n'ayant pas été soumis à l'opération d'oxydation interne. Là encore la différence est évidente. Dans la pratique un élément établi suivant exemple II peut être soumis à un traitement thermique subséquent de durcissement de sa masse sans que cela influe sur la couche superficielle. Exemple III L'alliage est à base de cuivre avec 0,4 % en poids de chrome. L'oxydation interne est réalisée par chauffage à l'air libre à 10400 C, suivi d'une trempe à l'eau. Pendant le chauffage il apparait à la surface une couche compacte d'oxydes de cuivre et de chrome, tandis qu'entre cette première couche et l'alliage métallique se forme une couche intermédiaire d'oxydation interne. Sous l'effet de la trempe la couche superficielle éclate en dégageant la couche intermédiaire qui, pour la plupart des applications, ne nécessite aucune retouche. Fig. 9 montre la relation entre l'épaisseur de la couche et le nombre de tours avant grippage. On y aperçoit nettement deux discontinuités. Si l'on appelle x la surdimension à prévoir pour la pièce avant traitement et y ltépaisseur de la couche d'oxydation interne, on a (t représentant la durée du traitement) A 10000C on a A 2,8 pm/s B = 4,8 pm/s t = 100 s o Il est à noter que l'oxydation interne élève quelque peu la conductibilité électrique, au contraire de ce qu'on pourrait croire. Exemple IV Le métal de base est là encore le cuivre, mais il y a deux métaux d'addition, savoir le béryllium (0,5 % en poids) et le cobalt (2,5 % en poids). Le traitement s'effectue exactement comme dans exemple précédent. On retrouve les mimes formules, les coefficients à 10000C étant A = 3,2 B=2 t = 100 s o Les courbes en traits pleins de fig. 10 et 11 montrent les résultats d'essais à la machine Faville, pour une durée de traitement de 30 minutes à 10000C (épaisseur de la couche d'oxydation interne 80 pm), respectivement avec des mors en cuivre écroui et avec des mors faits du même alliage que le cylindre et traités comme lui. Le tracé comparatif en traits interrompus de fig. 10 correspond à un cylindre fait du même alliage, trempé et revenu, mais non soumis à l'oxydation interne, les mors étant également en cuivre écroui. Les exemples qui précèdent ne limitent d'ailleurs nullement le domaine de l'invention. C'est ainsi quton peut utiliser comme corps d'addition non seulement un métal, ainsi quton l'a fait dans les exemples, mais bien aussi un métalloïde tel que le silicium. On a notamment obtenu de bons résultats avec un alliage à base de cuivre renfermant 2 % de Ni et 0,5 % de Si. Cet alliage était traité soit par oxydation à l'air, soit par contact avec un revêtement pulvérulent Ni + NiO en atmosphère neutre. La couche d'oxydation interne obtenue renfermait alors de ltoxyde de silicium (silice) au sein d'une matrice métallique enrichie en nickel. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et quelle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'établissement d'éléments destinés à des systèmes de contacts électriques frottants, caractérisé en ce qu'on les réalise en un alliage d'un métal de base bon conducteur, tel que le cuivre, l'arguent ou l'or, et d'un faible pourcentage d'un corps d'addition plus oxydable que le métal de base, et en ce qu'on soumet la surface de contact de ces éléments à un traitement thermique susceptible de provoquer le phénomène d'oxydation interne. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce quton limite la durée du traitement thermique de manière que 1'épaisseur de la couche d'oxydation interne ne dépasse pas quelques centaines de microns. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce quton opère le traitement d'oxydation par chauffage en une atmosphère gazeuse oxydante, telle que l'air. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce quton chauffe les éléments à environ 8000 C. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce quton effectue le traitement thermique en recouvrant les surfaces intéressées d'un oxyde susceptible de se décomposer à chaud en présence du métal de base, en dégageant de l'oxygène qui migre dans celuici. 6. Procédé suivant la revendication 5, applicable au cas où le métal de base est du cuivre, caractérisé en e que l'oxyde utilisé est de ltoxyde de cuivre. 7. Procédé suivant la revendication 5, applicable au cas où le métal de base est du cuivre, caractérisé en ce que l'oxyde utilisé est de l'oxyde de nickel. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'on chauffe les éléments à environ 1000 C. 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'après le traitement thermique on élimine la couche externe parasite qui recouvre la couche d'oxydation interne. 10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce que le corps d'addition est choisi dans le groupe constitué par le cuivre (quand le métal de base est l'argent ou l'or), le béryllium, le chrome, le cobalt, le nickel le silicium, le mélange béryllium-cobalt et le mélange nickel-silicium. 11. Eléments pour systèmes de contacts électriques, caractérisés en ce qu'ils sont établis par mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent.