Brevet FR2476636A1 — publié le 19810828

ta présente invention, système René CLEMENT et Francis GUGLIERMOTTE, se rapporte a des tubes en alumine translucide et, plus particulièrement, à de tels tubes employés dans une lampe d'eclaxrage a vapeur métallique a haute pression. L'utilisation de ces lampes à vapeur métallique a haute pression, en particulier celles à vapeur de sodium, se développe considérablement, en raison principalement de leur rendement lumineux élevé et de leur durée de vie importante L'enveloppe d'une telle lampe doit résister a l'action corrosive des vapeurs métalliques a haute pression, et de plus être optiquement transparente dans la zone de décharge de l'arc électrique. Elle est, pour ces raisons, réalisée le plus souvent en alumine pure de densité voisine de la densité théorique. Un procédé de fabrication de tels tubes en alumine translucide est décrit, par exemple, dans le brevet américain nO 3 026 210 (COBLE) du 20 mars 1962 intitulE "Transparent alumina and method of preparation" Selon les procédés habituellement décrits, la matiere première est une alumine de très grande pureté chimique et de granulométrie bien centrée, a laquelle est ajouté un oxyde comme la magnésie ettou un oxyde d'un élément de terre rare. Ces oxydes sont soigneusement mélanges et, après addition d'une faible quantité de liant organique, sont mis sous forme de tubes, soit par extrusion-filage a travers l'espace annulaire ménagé entre une buse et un poinçon a l'aide d'une presse a piston, soit par compression isostatique entre deux membranes en élastomère ou entre un mandrin métallique central et une membrane externe en élastomère. Les tubes obtenus sont soumis à un premier traitement thermique de "dégourdissage" destiné a éliminer les liants organiques et à assurer une certaine consolidation des particules d'alumine. A ce stade, les tubes sont équipes, à leurs deux extrémités, de bouchons perforées, également en alumine pure. Enfin, les tubes sont soumis à un second traitement thermique à température plus élevée qui confère au matériau céramique ses propriétés optiques et mécaniques Ce traitement est effectué sous hydrogène pur ou sous hydrogène avec une faible proportion d'oxygène, d'azote, de vapeur d'eau, d'oxyde de carbone ou encore sous vide. Les tubes obtenus, ainsi que leurs bouchons, présentent une excellente transparence optique puisque des valeurs de tran.smission totale de la lumière de 96-97% sont couramment atteintes. Cependant, il peut etre important, pour des problèmes de conductivité thermique ou électrique, que certaines parties de ces tubes ne soient pas translucides, mais soient, au contraire, parfaitenent opaques à la lumière et éventuellement légèrement conductrices de 1' électricité. Par exemple, il peut être avantageux que les extrémités des tubes ainsi que les bouchons soient noirs et opaques, de façon que la haute température atteinte en fonctionnement dans la partie centrale du tube entre les deux électrodes (1300 C à 1400C) ? soit mal transmise dans ces zones extrêmes comportant des électrodes métalliques et un dispositif de scellement relativement fusibles. L'écran thermique que constitue ainsi ces zones opaques à la lumière permet également un meilleur contrôle de la température du point froid de l'arc électrique située en général à une valeur inférieure à 5000C. Il peut être egalement intéressant d'obtenir de tels tubes presentant une bande noire et semi-conduc trice reliant une extrémite du tube à l'autre suivant une génératrice ou suivant une ou plusieurs spires. Cette bande légèrement conductrice dans toute l'épaisseur du tube peut aider à l'amorçage de l'arc électrique lors de l'allumage de la lampe et augmenter la durée de vie de celle-ci ; elle peut également permettre d'adapter une lampe à vapeur de sodium aux conditions d'allumage d'une lampe à vapeur de mercure qui ne nécessite généralement qu'une tension d'allumage de l'ordre de 1000 volts. La présente invention a précisé ment pour objet un tube en alumine polycristalline translucide présentant des zones localisées noires, optiquement opaques, et éventuellement conductrices de l'électricité, de fabrication très simple et répondant aux exigences précédentes. Ce tube en alumine translicide, destiné à servir d'enveloppe à des lampes à décharge à vapeur métallique, se caractérisé en ce qu'il comprend des zones opaques à la lumière et éventuellement conductrices de l'électricité renfermant un oxyde métallique choisi dans le groupe comprenant le fer, le manganèse, le nickel et/ou le cobalt. Selon l'invention, le tube renferme donc dans les parties noires et éventuellement conductrices de l'électricité, une faible proportion d'oxyde de fer et/ou d'un oxyde d'un élément de la famille du fer, à savoir manganèse, cobalt ou nickel. Lors de ses travaux, la Demanderesse a en effet, constaté que l'addition d'une très fabile quantité d'oxyde de fer, de manganèse, de cobalt et/ou de nickel permettait de rendre la pièce d'alumine parfaitement noire et légèrement conductrice dans les conditions de frittage habituel de ces matériaux, c'est-à-dire en atmosphère réductrice d'hydrogène pur ou de mélange d'hydrogène avec un gaz neutre ou encore sous vide. Cet effet nouveau et inattendu pour l'Homme de l'Art, tient vraisemblablement à une transformation locale de la structure cristalline de l'alumine au cours de la cuisson donnant.lieu notamment à la formation de compositions aluminium-oxygène en proporition sousstoechiométriques par rapport à la formule A1203. Selon l'invention, les parties noires, opaques à la lumière et éventuellement conductrices de l'électricité, renferment de 0,001 à 0,18 en poids d'oxyde de fer et/ou manganèse, nickel et cobalt, par rapport à l'alumine. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication de tubes présentant de telles parties localisées noires et conductrices. Selon le procédé de l'inventiòny l'élément de la famille du fer peut être ajouté lors du mélange initial des poudres ou de leur broyage éventuel ou peut entre appliqué localement sur le tube mis en forme, cru ou ayant subi le premier traitement thermique à basse température. Dans ceadernier cas, l'oxyde pénètre complètement le tube dans toute son épaisseur, le rendant ainsi opaque et conducteur dans la masse. Cet élément peut être ajouté sous forme d'oxyde ou sous forme de sel décomposable thermiquement en oxyde. Les tubes subissent ensuite normalement le cycle de traitement thermique final, sans aucune modification par rapport au traitement d':une- pièce translucide. Lorsqu'on ajoute ces oxydes (ou des sels thermiquement décomposables en oxydes) aux matières premières pulvérulentes, il est évident que toute la pièce obtenue est noire et légèrement conductrice après frittage. Cette méthode peut être appliquée, par exemple, pour les bouchons d'extrémités qui sont, en-général, réalisés par pressage dans un moule d'une poudre d'alumine qui renferme donc les oxydes de fer, de cobalt, de manganèse et/ou de nickel. Lorsqu'on souhaite en revanche, ce qui est la majorité des cas, qu'une partie seulement du tube soit obscurcie et conductrice (par exemple les extrémités ou une bande ou ligne tracée suivant une génératrice ou en hélice autour du tube) les oxydes ou les sels métalliques, en solution ou en suspension D sont appliques sur le tube cru après sa mise en forme ou encore après le premier traitement thermique d'élimination des liants. Ce dépôt peut entre réalisé en immergeant la partie du tube à noircir dans la solution on suspension renfermant 3.es éléments actifs ou en déposant celle -ci par 11 intermédiaire de tout instrument approprié, eatel que pinceau tampon, mèche, fil, etc Après traitement thermique qui conduit. l'objet à une densité voisine de celle du monocristal dalumine1 c'est-a-dire cuisson dans une atmosphère réductrice à haute température, les parties ainsi traitées sont noires et donc opaques et leur conductibilité électrique est sensiblement plus élevée que celles des zones non traitées et translucides. Il faut préciser que ces parties noires et conductrices ne sont pas seulement en surface du tube mais que l'épaisseur complète est concernée. De toutes façons, 1' invention sera mieux comprise à la lecture de l'exemple donné cì-apres à titre non limitatif de fabrication de tubes noircis localement. Exemple 100 kg d'une poudre d'alumine très pure, ayant une surface spécifique d'environ 6m2 par gramme est mélangée avec 0,02% d'oxyde de magnésium, puis on réalise une pâte en malaxant ce mélange de poudre avec de l'eau renfermant environ 6% dEthyl-mErEhyl-cellulose comme liant. Cette pàte est longuement brassée jusqu' l'obtention d'une consistance parfaitement homogène, puis ensuite forcée sous pression à travers une grille ayant des trous de 1,5 mm de diamètre. Le vermicelle obtenu est ensuite mis sous forme de tubes en forçant-la pâte, sous pression, dans un espace annulaire entre une buse et un poinçon. Les tubes obtenus sont séchés à l'air, puis dans une étuve. Ces tubes sont alors équipés, à chaque extrémité, d'un bouchon de quelques millimètres d'épaisseur avec un trou central, le diamètre extérieur de ces bouchons étant un peu inférieur au diamètre intérieur des tubes de faÇon que les bouchons puissent pénétrer dans le tube sans jeu excessif. Ces bouchons sont réalisés avec la même poudre -d'alumine et magnésie que celle utilisée pour les tubes, mais sans addition organique puis mise en forme par pressage dans un moule adapté. L'ensemble tube et bouchons est ensuite soumis à un premier traitement thermique dans l'air à 10000C pendant une heure, cette première cuisson ayant pour but d'éliminer les liants organiques et de consolider le matériau pulvérulent. Ensuite, on immerge chaque extrémité du tube jusqu'à la hauteur des bouchons dans une solution d'acétate de fer dans l'eau distillée dont la concentration est calculée de façon qu'elle- dépose dans le tube une quantité correspondant à 50 parties d'oxyde de fer par million d'alumine. te tube est ensuite porté dans un four fermé, à une température de 1780 C qui est maintenue pendant trois heures et sous atmosphère d'hydrogène pur. Après frittage, le tube présente une partie centrale translucide avec une transmission totale de la lumière visible de plus. de 96t, mais les bouchons et les parties du tube au contact des bouchons sont noir s et opaques. La résistivité électrique de la partie translucide est de loi4 ohms x cm tandis que la partie noire a une résistivité de 106 ohms x cm REVENDICATIONS 1. Tube en alumine translucide destiné à servir d'enveloppe à des lampes à décharge à vapeur métallique caractérisé en ce qui présente des zones opaques à la lumière et éventuellement conductrices de l'électricité renfermant un oxyde métallique choisi dans le groupe comprenant le fer, le manganèse, le nickel et/ou le cobalt. 2. Tube selon la revendication 1 caractérisé en ce que les partie noires, opaques à la lumière et eventuellement conductrices de l'électricité, renferment de Q,001 à 0,1t en poids d'oxyde de fer et/ou manganèse, nickel et cobalt, par rapport à l'alumine. 3. Procédé de fabrication du tube suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le ou les oxydes de fer, manganèse, nickel et/ou cobalt sont ajoutés dans la poudre d'alumine de départ, ce mélange étant ensuite mis en forme de tube puis traité thermiquement à une température comprise entre 17500C et 19500C1 en atmosphère réductrice, selon tout moyen connu. 4. Procédé de fabrication du tube suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le ou les oxydes de fer, manganèse, nickel et/ou cobalt sont appliqués sur les parties du tube d'alumine à traiter après sa mise en forme, ou après le premier traitement thermique d'élimination des liants sous forme de solutions de sels dans un liquide ou sous une forme d'une suspension des oxydes ou de composés dans un liquide, l'ensemble étant ensuite porté à une température comprise entre 17500C et 19500C en atmosphère réductrice.