Brevet FR2542394A1 — publié le 19840914

DISPOSITIF DE FIXATION DU METAL A LA CERAMIQUE. La présente invention concerne d'une manière générale l'assemblage d'une matière non métallique, telle qu'une matière céramique, avec une matière métal- lique Elle concerne plus particulièrement un dispositif de fixation pour fixer ou serrer ensemble un élément métallique et un élément céramique, tout en protégeant l'élément céramique de contraintes physiques et thermi- ques qui l'endommageraient. Un procédé courant pour la fixation ou le serrage d'un élément métallique à un élément céramique consiste à percer et à tarauder l'élément céramique et à fixer l'élément métallique à l'élément céramique avec des vis ou des boulons Cependant, l'utilisation de ce procédé soulève souvent des difficultés, parce que les éléments céramiques se cassent très aisément lorsqu'ils sont soumis à des forces illimitées du fait de l'utilisation de vis, et que les éléments céramiques ne conservent pas très bien les filetages Ces problè- mes se compliquent lorsque l'assemblage de métal et de céramique doit être chauffé à température élevée, ce qui provoque une dilatation des éléments de métal et de céramique à des taux différents Les contraintes thermiques ainsi engendrées dans l'élément céramique provoquent souvent sa rupture Une application particu- Lière dans laquelle ces problèmes se sont posés est une source d'ionisation de champ de spectromètre qui com- prend un élément céramique maintenue entre une plaque de base et une plaque de champ constituée d'un métal. Pour certaines applications, un tel spectromètre doit être capable de résister à des températures atteignant 400 C. Un des buts de l'invention est de fournir des moyens pour fixer un élément métallique à un élément céramique tout en protégeant l'élément céramique d'une rupture due à des contraintes mécaniques ou thermiques. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif de fixation pour assujettir une plaque ou un autre élément métallique à un éLément céramique sans endommager physiquement l'éLément céramique, et tout en évitant l'endommagement de l'élément céramique dû à la dilatation et à la contraction thermique diffé- rentielles. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif de fixation céramique-sur-métal qui convienne pour des applications dans lesquelles tes variations de température atteignent 400 C. Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, la présente invention fournit de préférence un disposi- tif de fixation pour fixer l'un à l'autre les éléments métallique et céramique, comprenant un élément métalli- que et un élément céramique ayant des surfaces opposées respectives faites pour être serrées ensemble, cet élé- ment métallique étant percé d'un trou pour un boulon, cet élément céramique comportant une ouverture alignée avec ce trou de boulon, un boulon fileté s'étendant à travers le trou de boulon et dans cette ouverture, un écrou traversant l'ouverture, l'élément de céramique ayant une formation recevant cet écrou et maintenant l'écrou à une distance des surfaces opposées déterminée à l'avance, ce boulon étant reçu dans l'écrou au moyen d'un filetage, et un élément de limitation de la pres- sion reçu dans l'ouverture le long du boulon et entre l'écrou et la surface opposée de l'élément métallique, cet élément de limitation de la pression ayant une dimension limitatrice limitant le mouvement de l'élément métallique en direction de l'écrou et limitant ainsi la pression appliquée par l'écrou à l'élément céramique pour éviter d'endommager l'élément céramique. L'élément de limitation de la pression revêt de préférence la forme d'une rondelle reçue autour du boulon entre l'écrou et la surface opposée de l'élément métallique La rondelle a une épaisseur correspondant à la dimension Limitatrice. On préfère que la dimension Limitatrice ne soit que légèrement inférieure à la distance déterminée à l'avance Par exemple, la dimension limitatrice peut être de l'ordre de 25 microns inférieure à la distance déterminée à l'avance. L'écrou est de préférence un écrou-tige en forme de tige ayant une ouverture transversale filetée pour y recevoir le boulon par filetage La formation dans l'éLément céramique revêt de préférence la forme d'une ouverture s'étendant latéralement dans l'élément céramique pour l'insertion latérale de l'écrou-tige. L'ouverture s'étendant latéralement a de préférence un diamètre légèrement supérieur à celui de l'écrou-tige pour tenir compte de la dilatation thermique de l'écrou- tige Par exemple, l'ouverture s'étendant latéralement peut avoir un diamètre dépassant celui de l'écrou-tige d'environ 75 microns - La rondelle limitant la pression est de préfé- rence creusée d'une dépression en forme de cuvette peu profonde faisant face à l'écrou et permettant une légère flexion résiliente de l'écrou pour dissiper les contraintes dûes à des variations de température La profondeur de la dépression peut être de l'ordre de microns. Par un autre de ses aspects, l'invention four- nit de préférence un dispositif de fixation comprenant un boulon fileté conçu pour s'étendre à travers un trou de boulon d'un élément métallique et dans une ouverture alignée d'un élément céramique, un écrou-tige conçu pour traverser l'ouverture de l'élément céramique, cet écrou-tige revêtant la forme d'une tige ayant une ouver- ture filetée pour recevoir le boulon au moyen d'un filetage, et une rondelle de limitation de la pression reçue autour du boulon et venant au contact de l'écrou pour limiter le mouvement de l'écrou-tige en direction de l'élément métallique et limitant ainsi la pression appliquée par l'écrou-tige à l'élément céramique pour éviter d'endommager l'élément céramique. La rondelle de limitation de la pression est de préférence creusée d'une dépression en forme de cuvette peu profonde faisant face à l'écrou-tige pour permettre une légère flexion résiliente de l'écrou-tige, pour réduire les contraintes dûes aux-variations de température. D'autres buts, avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description ci-après, se référant aux dessins annexés, dans les- quels: la figure 1 est une coupe schématique fragmentaire montrant un dispositif de fixation métal-sur-céramique qui sera décrit comme un exemple de mode de réalisa- tion de la présente invention; la figure 2 est une section schématique fragmentaire effectuée généralement selon la ligne 2-2 de la figure 1. Les dessins représentent un dispositif de fixation 10 pour fixer ou serrer ensemble un élément de métal 12 et un élément céramique 14 L'élément métal- lique 12 est représenté sous la forme d'une plaque, tandis que l'élément céramique 14 peut servir d'isolant. Les éléments 12 et 14 ont des surfaces respectives op- posées 16 et 18 qui sont solidement serrées l'une sur l'autre. Le dispositif de fixation 10 comprend un boulon ou une vis 20 ayant une tête 22 et une tige file- tée 24 Le boulon 20 s'étend à travers un trou de boulon 26 de l'élément métallique 12 et dans une ouverture alignée 28 de l'élément céramique 14 Comme Le montre le dessin, L'ouverture 28 est plus grande que le trou de boulon 26. La tige filetée 24 du boulon 20 est reçue au moyen d'un filetage par un écrou 30 qui traverse l'ou- verture 28 de l'élément céramique 14 L'écrou 30 est de préférence un écrou-tige sous la forme d'une tige qui est munie d'une ouverture transversale filetée 32 pour recevoir au moyen d'un filetage la tige filetée 24 du boulon 20 L'écrou-tige 30 a de préférence une section transversale circulaire, comme le montre la figure 2. L'élément céramique 14 a une formation qui reçoit et maintient l'écrou 30 Cette formation a de préférence la forme d'une ouverture ou trou s'étendant transversalement, à travers lequel l'écrou-tige 30 peut être inséré latéralement L'ouverture 34 s'étendant latéralement est suffisamment profonde pour avoir des parties sur des côtés diamètralement opposés de l'ouver- ture 28 de l'élément céramique 14, de sorte que l'écrou- tige 30 traverse l'ouverture 28 lorsque l'écrou-tige est complètement inséré L'ouverture 34 a de préférence un diamètre légèrement supérieur à celui de L'écrou- tige 30 pour donner du jeu pour la dilatation thermique de l'écrou-tige 30 Ainsi, par exemple, le diamètre de l'ouverture 34 peut être de l'ordre de 75 p plus grand que le diamètre de l'écrou-tige 30. Une rondelle-guide en forme de coupe 36 est prévue facultativement entre la tête 22 du boulon 20 et l'élément de métal 12 Si on le désire, la tête 22 et la rondelle-guide 36 sont encastrées dans un évide- ment fraisé 38 formé dans l'élément métallique 12. Lorsque le boulon 20 est serré, le boulon 20 et l'écrou 30 tirent les éléments métallique et cérami- que 12 et 14 ensemble de sorte que les surfaces oppo- sées 16 et 18 sont serrées ou pressées l'une contre l'autre Cependant, la pression de serrage exercée par le boulon 20 et l'écrou 30 est limitée par un élément de Limitation de la pression 40 logé dans l'ouver- ture 28 le long du boulon 20 et entre l'écrou 30 et la surface opposée 16 de l'élément métallique 12 L'éLé- ment de Limitation de La pression 40 revêt de préférence la forme d'une rondelle munie d'une ouverture, qui est reçue autour de la tige 24 du boulon 20. La rondelle ou l'éLément de limitation de La pression 40 a une épaisseur ou une dimension limitatrice qui n'est que Légèrement inférieure à la distance prédé- terminée entre l'écrou 30 et La surface opposée 16 de l'élément métallique 12 Dans les dessins, la différence entre cette épaisseur et cette distance prédéterminée est désignée par A Ce jeu ou distance différentiel inital A est l'intervalle de mouvement permis entre l'écrou 30 et la surface opposée 16 de l'élément métal- lique 12 On a trouvé que cette distance différentielle A devait être très faible, de l'ordre de 25 microns, par exemple, pour éviter d'endommager l'éLément cérami- que 14 lorsque le boulon 20 est serré Cette valeur de la distance différentielle A s'est révélée hautement appropriée lorsque l'élément métallique 12 est en acier inoxydable et l'élément céramique 14 en Mykroy ou en nitrure de bore. L'élément de limitation de la pression 40 limite le mouvement qui peut être provoqué entre l'élé- ment métallique 12 et L'écrou 30 par le serrage du boulon 20 Ce mouvement est limité à la distance diffé- rentielle A En limitant ce mouvement, l'élément de limitation de la pression 40 limite la pression qui est appliquée à la matière céramique 14 par l'écrou 30. On peut faire varier la distance différentielle A en changeant l'épaisseur ou la dimension limitatrice de la rondelle Limitatrice de La pression 40 La distance dif- férentie Lle A peut être modifiée pour s'adapter à La résistance de diverses matières céramiques C'est ainsi que pour une matière céramique plus résistante, la dis- tance différentielle A peut être fixée à une valeur peus élevée Pour une matière céramique moins résistante, la distance différentielle A doit être plus faible de façon à limiter l'effet d-e serrage du boulon 20, et évi- ter ainsi l'endommagement de la matière céramique. La rondelle ou l'élément de limitation de la pression 40 comporte de préférence un relief ou une dépression 40 dont la forme générale est celle d'une coupelle, faisant face à l'écrou 30 La profondeur de cette dépression 42 doit être très faible, par exemple de l'ordre de 75 microns Cette dépression ou ce relief 42 permet une légère flexion résiliente de L'écrou-tige pour réduire les contraintes thermiques dûes aux variations de température Ces contraintes thermiques sont produites par la dilatation et la contraction dif- férentielles des constituants métallique et céramique dues aux variations de température La dépression 42 représentée a la forme d'un cône interne peu profond. L'élément de limitation de la pression 40 représenté comporte une partie collier 44 dépassant vers le haut qui s'étend vers le haut dans le trou de bou- lon 26 de l'élément métallique 12 et il aide à centrer la tige 24 du boulon 20 dans Le trou de boulon 26 tout en alignant le boulon dans une position perpendiculaire par rapport aux surfaces opposées 16 et 18 et à l'élé- ment de limitation de la pression 40. Dans le processus de vissage du boulon 20, il y a initialement un intervalle correspondant à la distance différentielle A entre l'élément de limitation de la pression 40 et la surface opposée 16 de l'élément métallique 12 Cependant, cet intervalle est très faible, comme il a été indiqué précédemment Lorsque le boulon est serré, l'interval Le A est rattrapé par La pres- sion exercée par Le boulon, de sorte que la surface 16 vient au contact de l'extrémité supérieure de L'élément de limitation de La pression 40 L'extrémité inférieure de L'élément de Limitation de la pression 40 vient au contact de L'écrou 30 Ainsi, l'éLément de limitation de la pression 40 limite le degré auquel le boulon 20 peut être serré De cette façon, l'élément de limita- tion de La pression 40 limite la pression exercée par l'écrou 30 sur l'éLément céramique 14, de façon à em- pêcher L'endommagement de l'élément céramique Dans la conception et la construction du dispositif de fixation , on peut faire varier la distance différentielle ou intervalle A pour l'adapter à la résistance de La matière céramique utilisée dans l'élément céramique 14. Si La matière céramique est relativement résistante, la distance différentielle A peut être prévue plus grande que si la matière céramique est relativement peu résistante mécaniquement. En limitant et en contrôlant la contrainte imposée à l'éLément céramique 14, l'élément de limita- tion de la pression protège aussi L'élément céramique contre la rupture dûe aux contraintes thermiques prove- nant de la dilatation et de la contraction différen- tielles des constituants métallique et céramique Ainsi, il est possible de maintenir une pression d'étanchéité entre les surfaces de métal et de céramique 16 et 18 d'un bout à L'autre de cycles de chauffage et de refroi- dissement allant jusqu'à 400 C, tout en protégeant l'éLément céramique contre l'endommagement dû aux con- traintes thermiques La capacité du dispositif de fixation 10 de s'adapter aux contraintes thermiques est augmentée par la dépression 42 en forme de cuvette peu profonde dans l'extrémité de l'élément de limitation de la pression 40 qui vient au contact de L'écrou-tige 30. Cette dépression permet une légère flexion résiliente de l'écrou-tige 30 dûe à la dilatation et à la contrac- tion différentielles En outre, la dépression garantit que l'élément de limitation de la pression 40 s'appli- que bien d'équerre sur l'écrou-tige 30. Dans des essais réels, un dispositif de fixation métal-sur-céramique conforme à l'invention a été utilisé avec succès pour fixer une plaque de champ en acier inoxydable et une plaque de base en acier inoxydable sur un isolateur céramique en Mykroy ou en nitrure de bore dans une source d'ionisation de champ pour un spectromètre de masse Dans cette application, le dispositif de fixation a été essayé et s'est révélé fonctionner parfaitement et être complètement satisfai- sant pour fixer les constituants métalliques au consti- tuant céramique tout en supprimant tout endommagement du constituant céramique, malgré des cycles de chauf- fage et de refroidissement allant jusqu'à 400 C. REVENDICATIONS 1 Dispositif de fixation ( 10) pour fixer des éléments métal Liques et céramiques les uns aux autres, caractérisé en ce qu'il comprend: un élément métallique ( 12) et un élément céra- mique ( 14) ayant des surfaces opposées respectives pou- vant être serrées l'une sur l'autre, cet élément métallique étant percé d'un trou de boulon ( 26), cet élément céramique étant percé d'une ouver- ture alignée ( 28) avec ce trou de boulon, un boulon fileté s'étendant à travers ce trou de boulon et dans cette ouverture, un écrou ( 30) traversant cette ouverture ( 28), cet éLément céramique comportant une formation recevant cet écrou et maintenant cet écrou à une dis- tance prédéterminée de ces surfaces opposées, ce boulon étant reçu au moyen d'un filetage dans cet écrou, et un élément de limitation de la pression ( 40) reçu dans cette ouverture le long de ce boulon et entre cet écrou et cette surface opposée sur cet élément métallique, cet élément de limitation de la pression ayant une dimension limitatrice limitant le mouvement de cet élément de métal en direction de cet écrou et limitant de ce fait la pression appliquée par cet écrou à cet élément céramique pour éviter d'endommager cet élément céramique. 2 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que cet élément de limitation de la pression revêt la forme d'une rondelle reçue autour de ce boulon entre cet écrou et cette surface opposée sur cet élément métallique, cette rondelle ayant une épais- seur correspondant à cette dimension limitatrice. 3 Dispositif suivant La revendication 2, caractérisé en ce que cette dimension Imitatrice n'est que Légèrement inférieure à cette distance pré- déterminée. 4 Dispositif suivant La revendication 2, caractérisé en ce que cette dimension limitatrice est de L'ordre de 25 microns inférieure à cette distance prédéterminée. Dispositif suivant La revendication 1, caractérisé en ce que cette dimension Imitatrice est Légèrement inférieure à cette dimension prédéterminée d'une quantité de L'ordre de 25 microns. 6 Dispositif suivant La revendication 1, caractérisé en ce que cet écrou est un écrou-tige qui a La forme d'une tige percée d'une ouverture filetée pour recevoir ce boulon au moyen d'un filetage. 7 Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que cette formation revêt La forme d'une ouverture s'étendant Latéralement dans cet été- ment céramique pour l'insertion Latéra Le de cet écrou- tige dans cet élément céramique. 8 Dispositif suivant La revendication 6, caractérisé en ce que cet élément de Limitation de La pression revêt La formation d'une ronde Lle reçue autour de ce boulon entre cet écrou-tige et cette surface opposée de cet élément métallique. 9 Dispositif suivant La revendication 8, caractérisé en ce que cette rondelle est creusée d'une dépression en forme de cuvette peu profonde faisant face à cet écrou-tige et permettant une Légère flexion rési Liente de cet écrou-tige pour dissiper les contrain- tes dûes aux variations de température. Dispositif suivant La revendication 9, caractérisé en ce que cette dépression a une profondeur de L'ordre de 75 microns. 11 Dispositif suivant La revendication 7, caractérisé en ce que cette ouverture s'étendant laté- ralement est un peu plus large que cet écrou-tige pour laisser du jeu pour La dilatation thermique de cet écrou-tige. 12 Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que cette ouverture s'étendant laté- ralement a un diamètre plus grand que celui de cet écrou-tige d'une quantité de l'ordre de 75 microns pour laisser un jeu pour la dilatation thermique de cet écrou-tige. 13 Dispositif suivant là revendication 1, caractérisé en ce que cet éLément de limitation de La pression revêt la forme d'une rondelle reçue autour de ce boulon entre cet écrou et cette surface opposée de cet élément métallique, cette rondelle étant creusée d'une dépression en forme de cuvette peu profonde fai- sant face à cet écrou pour réduire les contraintes dues aux variations de température. 14 Dispositif suivant la revendication 13, caractérisé en ce que cette dépression a une profondeur de l'ordre de 75 microns Dispositif de fixation pour lier ensemble un élément métallique et un élément céramique avec Leurs surfaces opposées respectives serrées L'une contre l'autre, ce dispositif de fixation comprend: un boulon fileté destiné à s'étendre à tra- vers un trou de boulon dans L'élément métallique et dans une ouverture alignée dans l'élément céramique, un écrou-tige conçu pour traverser l'ouver- ture dans l'élément céramique, cet écrou-tige revêtant la forme d'une tige ayant une ouverture filetée pour recevoir ce bouton au moyen d'un filetage, et une rondelle de limitation de la pression reçue autour de ce boulon et venant au contact de cet écrou pour limiter Le mouvement de cet écrou-tige vers l'élément métallique et limiter ainsi la pression ap- pliquée par cet écrou-tige à l'élément céramique pour éviter d'endommager l'élément céramique. 16 Dispositif de fixation suivant la reven- dication 15, caractérisé en ce que cette rondelle de limitation de la pression est creusée d'une dépression ayant la forme générale d'une coupelle faisant face à cet écrou-tige et permettant une légère flexion rési- liente de cet écrou-tige pour réduire Les contraintes does aux changements de température. 17 Dispositif de fixation suivant la reven- dication 15, caractérisé en ce que cette rondelle de limitation de la pression est creusée d'une dépression peu profonde ayant la forme générale d'une coupelle faisant face à cet écrou-tige et ayant une profondeur de l'ordre de 75 microns pour permettre une légère flexion résiliente de cet écrou-tige pour réduire les contraintes does aux variations de température. 18 Dispositif de fixation pour fixer l'un à l'autre un élément métallique et un élément céramique avec leurs surfaces opposées respectives serrées l'une contre l'autre, ce dispositif de fixation comprenant: un boulon ayant une tête et une tige filetée pouvant s'étendre à travers un trou de boulon de l'élé- ment métallique et dans une ouverture alignée de l'élé- ment céramique, un écrou-tige revêtant La forme d'une tige ayant une ouverture transversale fitetée pour recevoir la tige filetée de ce boulon au moyen d'un filetage, cet écrou-tige étant conçu pour traverser l'ouverture de l'élément céramique, et une rondelle de limitation de la pression reçue autour de cette tige de ce boulon et venant au 2542 '394 contact de cet écrou-tige pour limiter le mouvement de cet écrou-tige en direction de l'élément métallique et Limitant ainsi La pression appliquée à l'éLément céramique par cet écrou pour éviter d'endommager L'élé- ment céramique. 19 Dispositif de fixation suivant la reven- dication 18, caractérisé en ce que cette rondelle de limitation de La pression est creusée d'une dépression peu profonde ayant La forme générale d'une cuvette fai- sant face à cet écrou-tige et permettant une légère flexion rési Liente de cet écrou-tige pour réduire Les contraintes dûes aux variations de température.