Brevet FR2460176A1 — publié le 19810123

La présente invention est relative à un procédé nouveau pour assembler deux pièces métalliques qui peuvent être en des métaux divers parmi lesquels l'aluminium. Les pièces à assembler peuvent être toutes les deux en un meme métal, ou bien etre en deux métaux différents. Ces métaux peuvent être, entre autres, l'aluminium ou le cuivre. Pour assembler deux pièces métalliques de ce type, on connaît divers procédés de collage ou dgassemblage mécanique. En dehors de cela, on connais le soudage et le brasage qui sont les procédés auxquels s'apparente la présente invention. On sait que pour souder ou braser deux pièces dont lune au moins est en aluminium, on rencontre dtimportantes difficultés, parmi lesquelles - il est nécessaire de chauffer au moins localement les pièces en aluminium ou en alliage d'aluminium, à des températures très élevées, voisines du point de fusion de l'aluminium, voire supérieures à oelui-ci. On sait que, dans ces conditions, les caractéristiques mécaniques de la ou des pièces en aluminium chutent considérablement, et ceci de façon irréversible. - étant donné le fort coefficient de dilatation de l'aluminium et de ses alliages, les pièces subissent des déformations considérables du fait de l'échauffement nécessaire pour le sondage ou le brasage : ces déformations subsistent après refroidissement et rendent souvent les pièces inutilisables pour des applications précises. - le soudage ou le brasage s'erfsctnt par par fusion d'un métal qui se solidifie ensuite au cours du refroidissement. Cette solidification par refroidissement donne souvent lieu à l'apparition de criques ou de fissures. - pour souder l'aluminium, on est souvent conduit à utiliser un flux salin nécessaire pour éliminer la couche d'alumine recouvrant le métal : ce flux salin est très corrosif, si bien qu#on est ensuite contraint de soumettre les pièces à des opérations de nettoyage et de rinçage très poussées. Dans ce qui précède, on a rappelé les difficultés que l'on rencontre en pratique pour souder ou braser des ## e'pièces en aluminium, ceci parce que les procédés connus conduisent à des difficultés particulièrement importantes dans le cas de l'alumi- nium. Bien entendu, on retrouve certaines de ces difficultés sur d'autres métaux lorsqu'on les assemble par des procédés connus La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients en proposant un procédé nouveau qui assure aux deux pièces métalliques lm assemblage particulièrement solide, réalisé à basse température (ctest-à-dire à une température de traitement comprise entre 4500C et la température ambiante, selon les métaux en présence). Ce procédé selon l'invention présente le grand avantage de ne pas déformer les pièces, puisquton les chauffe peu ou pas du tout. Par ailleurs, la mise en oeuvre de ce procédé est particulièrement simple et économique : on peut procéder dans l'atmosphère ambiante, sans qu'il soit nécessaire d'appliquer fortement les deux pièces l'une contre l'autre. Le procédé selon l'invention pour assembler une première pièce métallique et une seconde pièce métallique est caractérisé en ce qutil comprend la suite des opérations suivantes - dans un premier temps, on revêt la première pièce d'une couche métallique superficielle dite "première couche de liaison" on procède de même avec la seconde pièce métallique, qui est revêtue d'une seconde couche de liaison. - dans une deuxième étape, on place l'une contre l'autre les deux pièces métalliques ainsi revêtues et on leur fait subir un simple étuvage à basse température, ctest-à-dire à une température comprise entre l'ambiance et 4500C, de façon à provoquer la diffusion des #toms métalliques des couches de revêtent, ce qui provoque localement ltapparition d'un nouvel alliage se solidifiant sur place, pratiquement a la température dtétuvage, progressivement au fur et à mesure de son apparition On obtient ainsi un assemblage parfaitement solide des deux pièces métalliques, au moyen d'un alliage de liaison dont la résistance mécanique peut être supérieure à celle des constituants des deux couches initiales de revêtement, Suivant une autre caractéristique de l'invention, correspondant plus particulièrement au cas où le métal constituant les deux pièces métalliques est le même, par exemple de ltalumi nium, la solidification des deux couches intermédiaires de reve- tement s'effectue, non plus seulement par migration d'atomes mé talliqucs de la première couche de revêtement dans la seconde, mais également avec intervention des deux supports, c'est-à-dire avec diffusion du métal de la première pièce et de la seconde pièce, qui migre à travers au moins l'une des deux couches de re vêtement. Bien entendu, le métal des couches de revêiment est choisi parmi les métaux présentant une bonne aptitude à la diffusion intermétallique à basse température, comme entre autres l'étajn, le cuivre, l'or, ou l'indium. En ce qui concerne le revêtement superficiel des pièces métalliques tel qu'il est pratiqué dans la première phase du procédé, on peut lteffectuer par divers moyens connus, notamment par voie galvanique, par métallisation sous vide, ou par évaporation. En ce qui concerne la deuxième phase du phénomène, qui consiste à placer l'une contre l'autre les deux pièces métalliques revalues, sans les soumettre à une pression d'application importante, cette deuxième phase peut être effectuée selon les cas, à ltair libre, ou bien dans une ambiance protectrice. Dans tous les cas, cet étuvage est effectué à une température suffisamment basse pour ne pas déformer les pièces métalliques, ni nuire à la solidité de leur structure cristallographique. Il est connu que, dans le cas de la soudure de deux pièces dont l'une est en alliage d'aluminium, ou en aluminium; on est contraint à utiliser des flux particulièrement corrosifs pour éliminer les couches superficielles d'oxyde tendant à recouvrir naturellement les pièces qui contiennent de l'aluminium. On remarquera que dans le cadre de la présente invention, une telle sujétion n'est plus nécessaire, les surfaces en aluminium étant revêtues de "couches de liaison" très peu oxydées. Dans ce cas, un simple nettoyage suffit. Pour fixer les idées, on va maintenant décrire à titre dtexemples non limitatifs, plusieurs cas pratiques pour la réalisation d'assemblages selon l'invention, cette description faisant référence aux figures des dessins ci-joints. Exemple n0 1 - Assemblage de deux pièces en alliage d'aluminium AS7 G La figure 1 montre les deux pièces avant assemblage. La figure 2 est une coupe analogue les montrant après. Les deux pièces sont revetues de deux couches de liaison différentes x et p, La couche x déposée sur la pièce A, est obtenue selon la gamme suivante : la pièce A est tout d'abord dégraissée aux solvants minéraux puis le dégraissage est achevé dans une solution de lessive sodée. La pièce A est ensuite désox? dée dans une solution d'acide nitrique à 5 dr d'acide fluorhydri que puis revêtue d'une couche de conversion à base de zinc (i) par la méthode connue dite au zincate. La pièce A est ensuite plongée dans un bain cyanuré de dépôt d'alliage étain-zinc (2) à 25 % de zinc tel que décrit dans la littérature. L'épaisseur obtenue est de 20 microns. La couche y déposée sur la pièce B est obtenue selon la gamme suivante ; la pièce B préparée de façon identique à la pièce A jusqu'au zincage par conversion chimique (1) est ensuite cuivrée (3) à épaisseur de 10 microns dans un bain au cyanure puis revêtue d'un alliage étain-zinc à 25 ,qC de zinc (2) à épaisseur 20 microns tel que défini dans le traitement de la pièce A. On obtient alors les deux pièces rev8tues A de sa couche de liaison x, et B de sa couche de liaison y, comme illustré sur la Fig. 1. Les pièces 4 et B sont alors mises au contact l'une de ltautret (Fig. 1), puis sont placées dans une étuve en ambiance neutre d'azote à la température de 4200C pendant 4 heures. À la sortie de l'étuve (Fig. 2) la couche d'étain-zinc, ont le pint de fusion est voisin de 1850C) de la piècer A, et les couches étain-zinc et cuivre de la pièce B, ont diffusé l'une dans l'autre, créant ainsi un alliage ternaire étain-zinc-cuivre 5, (Fig. 2) riche en cuivre dont le point de fusion est très supérieur à la température de traitement de 420 C. Autrement dit, et conformément à l'invention, la solidification du joint de soudure ne d'effectue pas, comme il est classique, par refroidissement mais, sous l'effet de la diffusion, par formation d'un alliage ternaire à haut point de fusion.De plus, les couches de conversion (i) de A et B ont diffusé dans l'alliage support AS7G contribuant par là à accrottre la solidité du joint de soudure. Enfin, la liaison A sur B est assurée sans porosité dans le joint de soudure, La Fig. la correspond à la Fig. 1 et montre schématiquement 1 'épaisseur intéressée par le métal de chaque couche avant 1 assemblage. La Fig. 2a correspond à la Fig. 2 et montre schématiquement ltépaisseur intéressée par le métal de chaque couche après assemblage. On voit que les ions d'étainet de zinc de la couche (2) ont migré sur pratiquement toute ltépaisseur du joint, tandis que le cuivre de la couche 3 a diffusé jusqu'à la pièce B, mais pas tout à fait jusqutà la pièce A. De même,les ions zinc de chaque couche (1) ont diffusé dans ltaluminium des pièces A et Exemple n0 2 - Assemblage de deux pièces respectivement en cuivre massif (pièce A) et en alliage d'aluminium (pièce n). La Fig. 3 est une coupe montrant les deux pièces a#ant assemblage, la Fig. 4 après. La pièce A est revêtue d'une couche de liaison en argent, obtenue de la façon suivante On dégraisse A aux solvants minéraux puis on effectue un dégraissage électrolytique dans un bain soude-cyanure-carbonate tel que décrit dans la littérature ; ensuite, on attaque dans une solution à 10 % d'acide sulfurique dans l'eau déminéralisée, puis, après une pré-argenture, on effectue un dépôt d'argent (Ll) dans un bain de charge à base de cyanure à épaisseur de 10 microns. La pièce B est revêtue comme défini dans le premier exemple, pièce B couche de liaison y (zinc 1, étain-zinc 2, cuivre 3). La pièce A est ensuite posée sur la pièce B, (Fig. 3), puis placée dans un courant de gaz chaud non oxydant pendant 6 heures à 3200C. On retire ensuite les pièces du courant de gaz chauds et l'on constate que la soudure de la pièce A sur la pièce B testée sur machine d'adhérence est plus de 10 fois plus résistante en traction et cisaillement qu'une brasure classique a' l'étain ou aux alliages d'étain. Un examen à la micro-sonde électronique sur une coupe micrographique révèle que le joint de soudure 6 (Fig. 4) est maintenant composé sur toute son épaisseur deun alliage argentétain-zinc-cuivre. Comme précédemment, les diagrammes des Fig. 3a et 4a montrent l'épaisseur intéressée par le métal de chaque couche, respectivement avant et après diffusion des ions métalliques. On voit notamment en Fig. 4 que l'argent de la couche (4) a diffusé dans le cuivre de la pièce A , tandis que le zinc de la couche (î) a diffusé dans l'aluminium de la pièce B. 3ème exemple - La pièce A et la pièce B respectivement en alliage d'aluminium AU4G sont revetues de couches x et y telles que définies au premier exemple dans le cas de la couche y. La Fig. 5 est une coupe transversale montrant les deux pièces avant assemblage. La Fig. 6, après. La pièce A est ensuite posée sur la pièce B après que les couches x et y aient été nettoyées au moyen diacide chlorhydrique dilué à 10 C; dans l'eau déminéralisée, (Fig. 5). Les deux pièces sont ensuite chauffées en ambiance d'air à la température de 2100C pendant 10 heures. On obtient ainsi une composition 7 d'alliage ternaire cuivre-étain-zinc, (Fig. 6). Des mesures de résistance au passage du courant électrique montrent que par cette méthode d'assemblage, on obtient des valeurs de résistance électrique 20 à 30 f inférieures à celles relevées sur des échantillons traités par les méthodes d'as- semblage classiques à l'aide d'alliages de soudure aluminiumsilicium, par exemple. Comme précédemment, les diagrammes des Fig. 5a et 6a montrent les zones de présence de divers ions métalliques avant et après diffusion. REVENDICATIONS 1. Procédé pour assembler une première pièce métallique et une seconde pièce métallique, caractérisé en ce qutil comprend la suite des opérations suivantes - dans un premier temps, on revit la première pièce d'une couche métallique superficielle dite première couche de liaison" on procède de mame avec la seconde pièce métallique qui est re vêtue d'une seconde couche de liaison - dans un deuxième temps, on place l'une contre l'autre les deux pièces métalliques ainsi revêtues et on leur fait subir un sim ple étuvage à basse température, c'est-à-dire à une température comprise entre l'ambiance et 4500C, de façon à provoquer la diffusion métallique des couches de liaison, ce qui provoque localement l'apparition dtun nouvel alliage se solidifiant sur place, pratiquement à la température d'étuvage, progressivement au fur et à mesure de son apparition. 2. Procédé suivant la revendication 1, correspondant plus particulièrement au cas où le métal est le même pour constituer la première pièce métallique et la seconde pièce métallique, caractérisé en ce qu'on effectue l'étuvage à basse température, pour faire participer à la constitution de l'alliage d'assemblage, le métal de la première pièce et de la seconde pièce, qui migre à travers au moins l'une des deux couches de liaison. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on effectue l'étuvage à basse température, directement dans l'atmosphère ambiante. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on effectue l'étuvage à basse température, sans exercer de pressions importantes sur les deux pièces métalliques à assembler, lesquelles peuvent par exemple être simplement posées l'une sur l'autre et soumise à l'action de leur propre poids. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revetement superficiel dos pièces métalliques pour la mise en place des couches de liaison, est effectué par l'un des procédés groupant le revêtement galvanique, la métallisation sous vide, l'évaporation, la métallisation au tremper, et la métallisation par projection; 6.Assemblage dtau moins deux pièces métalliques, obtenu par la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des re vendications précédentes, caractérisé en ce que la couche d'assemblage est en un alliage obtenu par diffusion métallique entre les deux couches de liaison, lesquelles étaient initialement constituées par au moins l'un des métaux présentant une bonne aptitude à la diffusion intermétallique à basse température, compris dans le groupe auquel appartiennent l'étain, le cuivre, l'or, ltindiu le zinc, le plomb, ltargent, l'antimoine, autrement dit les groupes 1 B, 2 B, 3B , 4B, 5B de la table de classification périodique des éléments. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: - on utilise une première pièce A en alliage d'aluminium ASG7 - on dégraisse et on désoxyde la pièce A - on la revêt d'une couche de conversion à base de zinc, par la méthode connue dite : au zincate" - on la plonge dans un bain cyanuré de dépôt d'alliage étain zinc - on utilise une seconde pièce B en alliage d'aluminium ASG7; - on la revêt d'une couche de conversion à base de zinc par la méthode connue dite au zincate" - on la cuivre dans un bain au cyanure - on la revêt dtun alliage étain-zinc à 25 # de zinc - on place les deux pièces A et B ainsi revêtues, au contact l'une de l'autre dans une étuve en ambiance neutre d'azote à 4200C pendant 4 heures. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes - on utilise une première pièce A en cuivre massif - on la revêt d'une couche d'argent x - on utilise une seconde pièce B en alliage une seconde pièce B en alliage d'aluminium A5 - on la revêt d'une couche de conversion à base de zinc par la méthode connue dite "au zincate" - on la cuivre dans un bain au cyanure - on la revêt d'un alliage étain-zinc à 25 ,di de zinc - on pose l'une sur l'autre les deux pièces A et B ainsi revêtues et on les place pendant 6 heures dans un courant de gaz chaud non oxydant à 3200C. 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: - on utilise une première pièce A en alliage d'aluminium AUkG - on la revet d'une couche de conversion à base de zinc par la méthode dite : au zincate"; - on la cuivre dans un bain au cyanure - on la revêt d'un alliage étain-zinc à 25 '- de zinc - on utilise une seconde pièce B en alliage d'aluminium A.U4G - on la dégraisse et on la désoxyde - on la revêt d'une couche de conversion à base de zinc par la méthode dite au zincate "~ - on la cuivre dans un bain au cyanure - on la revêt d'un alliage étain-zinc à 25 gc de zinc - on nettoie à l'acide chlorhydrique dilué, les deux pièces A et 13 ainsi revêtues, puis on les pose l'une sur l'autre - on chauffe les pièces A et B ainsi superposées, à 2100C pendant 10 heures, dans l'atmosphère ambiante.