Brevet FR2515999A1 — publié le 19830513

On connait la méthode d'assemblage de deux pièces petalli- ques appelée " brasure 12 . Elle consiste à assembler ces deux pièces par fusion d'un métal d'apport disposé entre elles. Il existe un très grand nombre de brasures diverses, sans que la science ait pu établir entre toutes les méthodologies industrialisées une cohérence scientifique quelconque . Les brasures, en effet, font intervenir quantité de phénomènes physiques ou chimiques, telsque l'adsorption, l'e'pitaxie, la mouillabilité, la capillarité, la diffusion,etc... et aucune approche scientifique nta réussi à ce jour à donner une définition précise de la suite des phénomènes mis en jeu Pourtant tous les types de brasure les plus divers proposés jusqu'ici à l'industrie ont en commun un certain nombre de défauts majeurs qui en limitent ltxaploi . En effet, tantôt l'assemblage fait appel à des températures trop élevées, entraînant des déformations des pièces mécaniques chaque fois qu'elles sont le siège de contraintes résiduelles t - soit thermiques provenant du traitement préalable - soit mécaniques provenant des écrouissages dusi- nage-. Tantes, il nécessiteque pendant toute la durée de l'opération de brasage il y ait un contact sous une forte pression entre les deux pièces à assembler Tantôt même, ces deux caractères, de température et de pression, peuvent être conjointement exigés Or, si la température trop élevée entratne des déformations,des pressions exigées trop fortes entraient des montages comateux et un mauvais coefficient de remplissage des fours de traite- ment . De plus, les températures élevées entratnent des phénomènes connexes d'oxydation rendant nécessaire l'emploi de tours à atmosphère. La présente invention permet de braser des pièces mécaniques à la fois à basse température et sous faible pression de contact Ltinvention est fondée sur les remarques suivantes On note qu'à l'heure actuelle toute opération de brasage se présente comme une suite extratSrdlnairement complexe de phénomènes physiques et chimiques zu ccessifs allant de la iiouil- labilité à l'épitaxie jusqu'à la liaison chimique , la diffusion , etc...Or , dans la suite de ces phénomènes , tinter vieunat des facteurs qui compliquent 1'opération , diminuent son rendement et le rendent plus ou moins aléatoire , ces facteurs principaux étant les couches dioxydes qui recou virent naturdiement tous les métaux et l'intervention du milieu qui baigne l'opération. On peut donc remarquer que toute intervention nuisible de couches d'oxydes entre un métal ou alliage support et un métal d'apport peut etre éliminée par une opération préalable, par exemple , un dépit électrolytique des métaux dtap- port fait avant la brasure ( le métal d'apport déposé peut être allié à un ou plusieurs autres métaux). On continuera en choisissant les métaux d'apport avec un potentiel dloxydo-réduction élevé. Quant à la résistance de la brasure à la traction ou au cisaillement , elle implique que l'on ait des caractères mécaniques suffisants , dsune part à l'interface métal sur port/métal d'apport , d'autre part au coeur de la brasure , là où le ou les métaux d'apport ont suhi des transformations dues à l'élévation de température , aux diffusions f etc... On remarque ainsi que le métal d'apport doit être susceptible de faire , avec le métal support 2 des liaisons physiques . Quant aux métaux ou alliages d'apport , ils de Vront pouvoir former entre eux un composé qui soit le siège de contraintes résiduelles de compression s provoquées par exemple par une solution au moins partielle d'insertion. Tulles sont les principales remarques qui ont amené à l'invention , dont voici la définition La présente invention concerne une nouvelle méthode de brasage valable pour les pincipaux métaux de construction mécanique , qui aboutit à des résultats originaux exceptionnels , groupés autour de l'un des deux thèmes principaux suivants a) - elle permet des brasures de haute résistance sans faire appel ni à des températures supérieures à 4500 C , ni à des pressions autres qu'un contact intime des pièces; b) - elle permet de braser en toute fiabilité des métaux qui , jusqu'ici , n'étaient point justiciables de ce mode dtnssemblage , comme le chrome et la magnésium. Pour outre conforme à l'invention , la brasure du métal A sur un métal B doit présenter conjointement au mpins cinq des six caractères que voici 1 - l'une au moins des deux pièces métalliques A et B a été revQtue d'une couche simple ou composite de mélanges ou alliages d'apport , préalablement à l'opération de brasage; les méthodes de revêtemeS peuvent entre tel moyen connu que l'on voudra s à condition que dans leur processus de mise en oeuvre , intervienne une phase de destruction des couches d'oxydes qui rev8tent les pièces t par eemple un décapage ionique s'il s'agit d'un dépit sous vide .Dans le cas où ltune seulement des deux. pièces A et B est revgtue d'une couche d'apport , alors l'autre pièce doit subir une opération de préparation de surface capable notamment de détruire les couches d'oxydes , cette opération pouvant Outre un décapage. 2 - le métal d'apport est choisi de façon à s - ou bien avoir un diamètre atomique différent d'au moins 15% du diamètre atomique du support. Lorsqu'on met en oeuvre un alliage rapport constitué par deux ou plusieurs métaux t il suffit qu'un seul des métaux appartenant à cet alliage vérifie cette condition I ou bien avoir la même structure cristalline que le métal support Par exemple , sur le fer de diamètre atomique 2256 A s on aura droit , par exemple , comme métaux d'apport : - ou bien à l'étain ( éventuellement sous forme d'alliage) dont la diamètre atomique est 3,16 ; -- ou bien au cuivre qui cristallise comme une des phases du fer dans le système cubique à face centrée. Dans le cas où la couche d'apport est composite b c'est- à-dire formée par superposition de plusieurs couches élémentaires , ce qui précède s'applique à chaque couche élémentaire par rapport à la couche qui la supporte. 3 - le métal d'apport lorsqu'il ne cristallise pas dans le mtme système que le métal support , présente avec lui un diagramme binaire de solubilité tel qu'au moins à une tempé rature comprise entre 0 et 2000 C s une parallèle à ltabscis- se rencontre au moins quatre phases ou mélanges de phases différentes et stables ; par exemple , sur du fer , le métal d'apport pourra etre de étain , car , dans le diagramme binaire fer/étain , on trouve successivement ventre O et 2000 C : 0 Lorsque l'on met en oeuvre un alliage d'apport constitué par deux ou plusieurs mentaux s il suffit qu'un seul de ces métaux vérifie cette condition avec le métal support. 4 - si les structures cristallines des métaux des deux couches d'apport a et b sont différentes , alors les diamètres atomiques de ces métaux d'apport doivent différer d' au moins 15% Lorsque lon met en oeuvre un alliage d'apport constitué par deux ou plusieurs métaux sur une des pièces , il suffit qu'un seul des métaux apparienant à cet alliage vérifie cette condition avec le métal d'apport de l'autre pièce. Lorsque l'on met en rouvre un alliage d'apport sur les deux pièces , il suffit que deux métaux seulement , apparte- nant respectivement à chacun de ces alliages , vérifient cette condition. 5 - le potentiel d'oxydoréduction le plus bas ( par rapport à l'électrode à hydrogène) entre les deux couches dtap- port ( métaux ou alliages ou mélanges) ne doit pas outre inférieur à - 0,763 Volt. L'une des deux couches d'apport a un potentiel d'oxydoréduction supérieur à - 0,14 volt ( par rapport à l'électrode à hydrogène). 6 - sur chacune des deux pièces , le potentiel dtoxydo réduction de la couche rapport et le potentiel d'oxydoréduc- tion du métal support différeront d'au moins 0,3 volts. Le dessin annexé , donné à titre d'exemple non limitatif , permettra de mieux comprendre les caractristiques de l'invention. Figure 1 illustre la préparation au brasage de deux pièces en acier. Figure 2 montre une varia e pour assembler par brasage deux pièces en cuivre. Figure 3 montre une autre variante pour braser deux pièces cuivre. Figure 4 illustre une variante supplémentaire pour assembler deux pièces en acier. Figure 5 illustre une variante pour braser deux pièces en chrome. Premier r exemple : Brasage de deux pièces en acier (figure 1) On aillustré sur la figure 1 une mise en oeuvre de l'invention pour assembler par brasage deux pièces A et B n acier. Les deux pièces A et B sont revêtues de deux couches de liaison différentes S - la couche a déposée sur la pièce A est obtenue de la façon suivante s la pièce A est d'abord dégraissée aux solvants x puis le dégraissage est achevé dans un bain électrolytique * La pièce A est ensuite attaquée dans une solution d'acide sulfurique à 50% . Elle est ensuite plongée dans un bain cyanuré de cuivre . L'épaisseur de cuivre obtenue est de 10 microns pour la couche a'. la pièce B , préparée de façon identique à la pièce A jusqu'à l'attaque chimique, est ensuite revêtue d'une couche d'étain de 10 microns d'épaisseur , référencée b les pièces A et B sont mises en contact , puis sont placées à l'étuve w dans l'atmosphère ambiante , à la température de 2000 C , pendant deux heures0 A la sortie de l'étuve , on obtient une liaison dont la dureté est 240 Vickers ( sous 50 g). Cet exemple est bien conforme à l'invention. En effet - l'attaque des pièces dans une solution d'acide sulfurique à 50% entratne la destruction des couches dioxydes a la surface des pièces - le cuivre cristallise dans le même système qu'une phase du fer cubique à faces centrées ; - le diantre atomique du fer 12956 j0) diffère de celui de l'étain (3,16 A) de plus de 2'9 %. Dans le diagramme binaire de solubilité Fer/ étain, on trouve successivement, antre C et 200 C , les phases suivantes t 0k + FeSn ; FeSn + FeSn2 ; FeSn2 + e ; e - le cuivre et l'étain ont des diamètres atomiques qui dif fervent de plus de 20 % - le potentiel d'oxydoréduction le plus bas entre les deux métaux d'apport est celui de l'étain ( -0,14 volt) alors que le potentiel d'oxydoréduction du cuivre est égal à 0,34 volt ; - la différence entre les potentiels dIoxydoréduction de l'étain et du fer est égale à -0,14 + 0,44 = 0,30 volt. - la différence entre les potentiels d'oxydoréduction du cuivre et du ie r est égale à 0,34 + 0,44 = 0s78 volt Deuxième exemple : Brasage de deux pièces en cuivre (figure 2) Les deux pièces A et B sont revêtues de deux couches de liaison a et b identiques entre elles . La couche déposée sur chacune des deux pièces est obtenue de la fa çon suivante : les pièces sont d'abord dégraissées aux solvants r puis le dégraissage est achevé dans un bain électrolytique. les pièces sont ensuite attaquées dans une solution de acide sulfurique à 10% , Elles sont enfin plongées dans un bain cyanuré de dépit d'alliage d'étain zinc à 20 % de zinc. L'épaisseur de chaque dépit est de 10 microns. les pièces A et B ainsi revêtues sont mises en contact puis placées à l'étuve dans l'atmosphère ambiante à la température de 200 C pendant deux heures. A la sortie de l t étuve b on obtient une liaison dont la dureté atteint 350 Vickers ( sous 50 g). Cet exemple est bien conforme à l'invention * En effet - l'attaque des pièces dans une solution d'acide sulfurique à 10 % entrain la destruction des couches d'oxyde à la surface des pièces ; - le diamètre atomiflae du cuivre (2,56 A) diffère de celui de l'étain ( 3,16 A) de plus de 20 CA g LI dans le diagramme binaire de solubilité Cu/Sn r on trou ve successivement entre O et 2000 C s les phases suivan tes + # ; # ; # + # ; # ; # + # ; Dans le diagramme de solubilité cuivre/zinc w on trouve successivement s entre 0 et 2000 C 2 l-s phases sui- vantes : &alpha; : &alpha; + ss: ss: ss + &gamma; : &gamma; : &gamma; +# : # + # : I les métaux rapport ont la mEme structure cristalline w puisqu'il s'agit du même alliage Sn - Zn déposé sur chaque pièce ; - la différence entre les potentiels dtoxydoréduction du cuivre et de l'étain st égale à o134 + 0,14 = 0,48 volt , et la différence entre les potentielsd'oxydoréduction du cuivre et du zinc est égale à 0,34 + 0,76 = 1,10 volt, Troisième exemple :Brasage de deux pieces en cuivre (figure 3) Les deux pièces A et B sont revêtues de deux couches de Maison différente différentes - la couche a déposée sur la pièce A est obtenue de la façon suivante s la pièce A est d'abord dégraissée aux solvants t puis le dégraissage est achevé dans ufl bain électrolytique.La pièce est ensuite attaquée dans une solution d'acide sulfurique à 10 % Elle est plongée dans un bain cyanuré de dépôt d'al- liage dtétain-zinc à 20 % de zinc. L'épaisseur de ce dépôt est de 10 microns. - la pièce B , préparée de façon identique à la pièce A jus qu'à l'attaque chimique t est ensuite revêtue dtune couche de plomb de 10 microns d'épaisseur , référencée b les pièces A et B sont mises en contact , puis sont placées à l'étuve , dans l'atmosphère ambiante , à la température de 200 C r pendant deux heures. A la sortie de l'étuve , on obtient une liaison dont la dureté atteint 400 Vickers (sous 50 g). Cet exemple est bien conforme à ltinvention.En effet l'attaque des pièces dans une solution acide sulfurique à 10 % entratne la destruction des couches dioxyde à la sur face des pièces ; le plomb cristallise dans le m8me système qu'une phase du cuivre cubique à faces centrées - la diamètre atomique du cuivre (2,56 ) diffère de celui de l'étain (3,16 A) de plus de 20 % ; - dans le diagramme binaire de solubilité cuivre /étain Son trouve successivement s entre O et 2000 C , les phases suivantes : &alpha; ; &alpha; + # ; # ; # + # ; # ; # + # Dans le diagramme de solubilité cuivre/zinc , on trouve successivement r entre O et 2000 C , les phases sui vantes : &alpha; ; &alpha; + ss ; ss ; ss + &gamma; ; &gamma; ; &gamma; + # ; # + # ; #. Le diamètre atomique du zinc (2,74 A)diffère de celui du plomb (3,50 ) de 26 . - le potentiel d'oxydoréduction le plus bas entre les métaux d'apport est celui du zinc : -0,76 volt le potentiel 'oxydoréduction du plomb est -0,13 volt. - la différence entre les potentiels d'oxydoréduction du cuivre et de étain est égale à 0,34 + o,i4 = 0,48 volt et la différence entre les potentiels d'oxydorécuction du cuivre et du zinc est égale à 0,34 + 0,76 = 1, 10 volt. la différence entre les potentiels d'oxyderéduction du cuivre et du plomb est égale à 0,34 + 0,13 = 0,47 volt, Quatrième exemple : Brasage de deux pièces en acier ( figure 4) Les deux pièces sont revêtues de deux couchesde liaison différentes : - la couche a déposée sur la pièce A est obtenue de la fa çon suivante : la pièce A est d'abord dégraissée aux solvants s puis le dégraissage e st achevé dans un bain électrolytique. la pièce A est ensuite attaquée dans une solution d'acide sulfurique à 50 %. Elle est ensuite revêtue d'une couche dt étain de 5 microns d'épaisseur - la pièce B , préparée de façon identique à la pièce A jus qu'à l'attaque chimique , est ensuite revêtue d'une couche de zinc de 10 microns d'épaisseur référencée b Les pièces A etB sont mises en contact , puis sont place cées à l'étuve dans l'atmosphère ambiante , à la température de 200 C pendant deux heures. A la sortie de l'étuve , on obtient une liaison de dont la dureté est de 180 Vickers ( sous 50 g). Cet exemple est bien conforme a' l'invention, En effet - l'attaque des pièces dans une solution d'acide sulfurique à 50 % entraîne la destruction des couches d'oxyde à la sur face des pièces ; - le diamètre atomique du fer (2,56 A) diffère de celui de l'étain (3,16 A) de plus de 20 % - dans le diagramme de solubilité : fer/étain t on trouve auccessivement , entre 0 et 2000 C t les cinq phases sui vantes t + Fe Sn ; Fe Sn + Fe Sn2 ;Fe Sn2 + e ; e - dans le diagramme de solubilité fer/Zinc r on trouve suc- cessivement s entre O et 2000 C s les huit phases suivant tes t +# ; # ; # + # ; # ; # ; + # ; # ; # + &alpha; - le zinc et l'étain ont des diamètres atomiques qui diffè- rent de 15 % - le potentiel d'oxydoréduction le plus bas entre les deux métaux d'apport est celui du zinc ( égal à - 0,76 volt) 9 alors que le potentiel d'oxydoréduction da l'étain est égal à - 0,14 volt. - la différence entre les potentiels d'oxydoréduction de l' étain et du fer est égale à -0,14 + 0,44 = 030 volt la différence entre les potentiels d'oxydoréduction du fer et du zinc est égale à -0,44 + 0t76 = 0*32 volt. Cinquième exemple t brasage de deux pièces en chrome ( figure 5) Les deux pièces sont revêtues de deux cou- ches de liaison différentes : ka couche a déposée sur la pièce A est d'abord dégraissée aux solvants , puis elle est soumise à un décapage ionique (sous vide). La pièce est ensuite revêtue d'une couche de cobalt de 5 microns. - la pièce B est préparée de façon identique à la pièce A w jusqu'au décapage ionique Elle est ensuite revêtue d une couche d'étain de 5 microns d ' épaisseur , référencée b Les pièces A et B sont alors mises en contact puis sont placées à l'étuve , dans l'atmosphère ambiante à la température de 2000 C pendant deux heures Cet exemple est bien conforme à ltinvention .En effet - dans le processus de mise en oeuvre , le décapaga ionique élimine toute trace dtoxyde restant à la surface des pièl ces - sur le diagramme binaire de solubilité Co/Cr , on trouve successivement , entre 0 et 2000 C , les phases suivantes: &alpha; ; &alpha; + # ; # ; # + Co Cr ; Co Cr + #; #; # + # ; - les diamètres atomiques du cobalt et de l'étain diffèrent de 25 % - le potentiel dtoxydoréduction le plus bas entre les dëux métaux d'apport est celui du cobalt - 0,28 volt ,alors que le potentiel d'oxydoréduction de l'étain est égal à -0,14 volt - la différence des potentiels d'oxydoréduction entre chrome et cobalt est égale à+0,74 - 0228 = 0,46 volt la différence des potentiels d'oxydoréduction entre chrome et étain est égale à + 0,74 - 0,14 = 0,60 volt. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour assembler deux pièces métalliques A et B par brasage à l'aide d'au moins un métal d'apport caractérisé en ce qu'il comprend au moins cinq des six opérations suivantes 10) on revit séparément au moins l'une des deux pièces A et B d'une couche métallique d'apport ( métal , mélange de mél taux , alliage métallique ou superposition de plusieurs couches métalliques élémentaires ) t référence a pour la pièce A et b pour la pièce B ;; 20) le métal d'au moins l'une des couches a et b a la m8me structure cristalline que celui de sa pièce de support (A) ou (B) 30) le métal d'au moins l'une des couches a et b a une struc ture cristalline différente de celuide sa pièce de support (A) ou (B), les diamètres atomiques des métaux dans la couche d'apport a ou b et dans la pièce de support (A) ou (B) étant différents d'au moins 15 % , tandis que ces mé taux présentent entre eux un diagramme binaire de solubi lité tel qu'au moins à une température comprise entre O et 2000 C , une ligne droite parallèle a' l'axe des abscisses rencontre au moins quatre phases ou mélanges de phases dif férentes 40) si les structures cristallines des métaux des deux couches d'apport a et b sont différentes , alors les diaxtres ato miques de ces métaux d'apport doivent différer d'au moins 15 do 50) le potentiel d'oxydoréduction le plus bas par rapport à l'6lectrode à hydrogène entre les deux étaux rapport ne doit pas entre inférieur à - 0,763 valut 60) sur chacune des deux pièces (A) et (B) , le potentiel d' oxydoréduction du métaldapport et le potentiel d'oxydo réduction du métal support doivent différer d'au moins 0,3 volt. 2 - Procédé suivant la revendication 1 , caractéri- sé en ce que , utilisé pour assembler deux pièces (A) et (B) en acier , il comporte les opérations suivantes 10) on dégraisse la pièce (A) et on la décape avec une solu tion sulfurique , puis on la plonge dans un bain cyanuré de cuivre , pour la revoir d'une couche a en cuivre ; 20) on prépare la pièce (B) de façon identique pour la déca per , puis on la revêt d'une couche b en étain ; 30) on place en contact les couches a et b et on laisse ain si les pièces (A) et (B à 2000 C pendant deux heures ; 3 - Procédé suivant la revendication 1 , caractéri sé en ce que , utilisé pour assembler deux pièces (A) et (B) en cuivre , il comporte les opérations suivantes 10) on dégraisse la pièce (A) et on la décape avec une solu tion d'acide sulfurique , puis on la plonge dans un bain cyanuré de dépit d'alliage d'étain-zinc à 20 % de zinc pour la rev8tir dune couche a de cet alliage t 20) on traie de la même façon la pièce (B) pour la revêtir d'une couche b de même nature que la couche a ; 30) on place en contact les couches a et b , et on laisse ainsi les pièces (A) et (B) à 2000 C pendant deux heures. 4 - Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que , utilisé pour assembler deux pièces (A) et (B) en cuivre , il comporte les opérations suivantes 10) on dégraisse la pièce (A) et on la décape avec une solu tion d'acide sulfurique , puis on la plonge dans un bain cyanuré de dépit d'alliage étain-zinc à 20 ffi de zinc , pour la revêtir d'une couche a de cet alliage ; 20) on prépare la pièce (B) de façon identique pour la déca Fer t puis on la revêt d'une couche b en plomb 30). on place en contact les couches a et b , et on laisse ainsi les pièces (A) et (B) à 2000 C pendant deux heures. 5 - Procédé suivant la revendication 1 , caractéri- sé en ce que , utilisé pour assembler deux pièces (A) et (B) en acier , il comporte les opérations suivantes : 10) on dégraisse la pièce (A) et on la décape avec une solu tion d'acide sulfurique , puis on la revêt d'une couche a d'étain 20) on prépare la pièce (B) de façon identique pour la décaper puis on la revêt d'ante couche b de zinc g 30) on place en contact les couches a et b 2 et on laisse ain si les pièces (A) et (B) à 2000 C pendant deux heures. 6 - Procédé suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que , utilisé pour assembler deux pièces (A) et (5) en chrome , il comporte les opérations suivantes 10) on dégraisse la pièce (A) t on la décape par un décapa ge ionique sous vide > puis on la revit d'une couche a de cobalt 20) on prépare la pièce (B) de façon analogue pour la déca per , puis on la revit d'une couche b d'étain ; ; 30) on place en contact les couche. a et b , et on laisse ainsiles pièces (A) et (B) à 2000 C pendant deux heures, 7 - Procédé d'assomblago suivant lQune quelconque des revendications précédentes X caractériséen ce que l'epaisseur de chaque couche a et b est inférieure ou égale à 10 mi cocons. 8 - Assemblage de deux pièces métallique obtenu à basse température par la mise en oeuvre du procédé de brasage suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend entre les pièces Q) et (B) une couche d'assemblage composite mince dont la matière a diffusé dans celle des pièces (A) et (