Brevet FR2568417A1 — publié le 19860131

PROCEDE DE FABRICATION DE CONTACTS ELECTRIQUES ET CONTACTS OBTENUS La présente invention est relative à un procédé de faErication de contacts électriques constitués de métal ou d'alliage métallique et de fibres de car- bone, et aux contacts obtenus. Il est connu,par le brevet français 2 115 865, de réaliser des contacts électriques à base de métal et de carbone en trempant des fils de carbone sous un gaz de protection ou sous une atmosphère réductrice ou encore sous un vide poussé de moins de 5.10-5 torrs, dans un métal liquide bon conduc- teur, notamment du cuivre et/ou de l'argent, auquel on ajoute 0,5 à 5 % d'un 1Q fLtal susceptible de former un carbure afin de rendre le carbone mouillable par le métal. Ce procéde préseâte l'inconvénient majeur d'être de mise en oeuvre délica- te. En particulier, la durée du trempage doit être bien définie de manière à ne pas transformer tout le carbone en carbure, et l'on ne peut obtenir de contacts constitués uniquement du métal choisi et de fils de carbone. Par ailleurs, il est souvent souhaité que les fils de carbone soient ali- gnés suivant une direction préférentielle, c'est-à-dire en général perpen- diculairement à la surface de contact, de manière à réduire l'usure par l'arc qui se forme lors des opérations de commutation_ Cet alignement, dans le cadre du brevet cité, ne peut être obtenu qu'en réalisant un substrat carboné adéquat avant trempage. Il est également connu par la demande de brevet japonais publiée 57.54236 de réaliser un contact électrique en mélangeant de la poudre métallique avec des fibres de carbone préalablement revêtues d'un métal ou d'un alliage magnétique, puis en comprimant ce mélange en présence d'un champ magnéti- 30. quee :Uà des inconvénients de ce procédé est l'obligation de revêtir les fibres de carbone. Cette opération est onéreuse et délicate, et introduit dand le contact des substances magnétiques pas toujours souhaitées selon son utili- sation. -2 - Un autre inconvénient est de nécessiter pour la compression un dispositif couteux et encombrant, Un des Buts- de 1' invention est de pallier les inconvénients que présen- tent les procédés décrits- Un autre but de l'invention est de pouvoir réaliser des contacts électri- ques constitués de métal ou d'alliage métallique et de fibres de carbone, de faiEle diamètre, de l'ordre de 2 à 50 pm, contacts, dans lesquels 1 les fibres de carbone soient très courtes (de l'ordre de 15 pm à 150 pm), très bien orientées et très Bien dispersées, - la densité de carbone puisse être facilement ajustée. Ces buts sont atteints suivant l'invention qui consiste en un procédé de fabrication de contact électrique constitué de métal ou d'alliage métal- lique et de fibres de carbone de faible diamètre de l'ordre de 2 à 50 pm et alignées selon une direction préférentielle, procédé caractérisé en ce qu'il combine les deux opérations suivantes a) l'imprégnation d'un substrat de fibres de carbone de faible diamètre avec le métal ou l'alliage fondu, sous pression, 20. E) le filage à chaud du matériau ainsi obtenu. Les aeux opérations de ue procédé sont en elles-mâmes connues, la. pre- mière par le brevet français 1 368 129, la seconde- étant couramment uti- lisée ern métallurgie par exemple- Leur combinaison pour l'application visée, non encore connue à ce jour, permet d'obtenir de manière simple et économique des contacts: - ne contenant que les éléments constitutifs de départ puisque le mode- d'imprégnation choisie ne nécessite aucune adjonction et que l'orienta- tion des fibres est obtenue par le filage, - dont les fibres sont alignées quasiment selon une seule direction, et très bien dispersées. Ce procédé permet en outre d'utiliser au départ des fibres de carbone de longueur relativement grande de l'ordre de 30 à 50 mm.. -'3- Au cours du filage, elles sont sectionnées en fragments de longueur de l'ordre de 15 à 500 pmin. Le métal ou l'alliage métallique est choisi parmi ceux qui sont bons conducteurs de l'électricité et;jqui ne réagissent pas avec le carbone à la température de fusion du métal A titre indicatif, on peut citer le cuivre et ses alliages, l'argent et ses alliages, le cadmium, - 1a Le choix du métal ou de l'alliage peut être dicté par des raisons d'écono- mie etbou d'abondance du métal. Ainsi, on peut utiliser le cuivre et ses alliages qui, pour de Bonnes performances de contact, ont l'avantage d'ê- tre plus économiques et plus abondants que l'argent. Le substrat de fibres de carbone peut être constitué par des fibres en vrac ou de préférence par un feutre. B:ien entendu par fibres de carbone, on entend également les fibres de Z2 graphite- Le pourcentage de carhone dans le produit final esL obtenu en faieant va- rier la densité du substrat de fibres. Cette densité peut varier de 0,05 à 1, le taux de métal ou d'alliage varie donc de 97,5 % à 45% en volume. Les exemples suivants donnés à titre indicatif et non limitatif, illus- trent l'invention.. Exemple 1 3Q 80 g de fibres de viscose carbonisée de diamètre 10 pm et de longueur mm sont compactées sous la forme d'un feutre de diamètre 80 mm et d'é-. paisseur 80 ini. Ce feutre est imprégné par du cuivre fondu,à 11000 C sous une pression de 5 bars.. La billette obtenue contient 87 % en volume de cuivre et son examen mon- tre que les fibres de carbone ont conservé leur longueur(environ 50 mm)et leur orientation aléatoire après imprégnations Cette billette est alors filée à chaud à 850 C à travers une filière de section circulaire de 12 mm de diamètre. La barre obtenue est constituée d'un cylindre de 12 mm de diamètre et de 3 m de longueur dans lequel r - les fibres de carbone ont été sectionnées par filage en fragments de 1Q 15 à 150 pm de longueur, - tous ces fragments ont été alignés selon' l'axe du filage. comme le montrent les figures 1 et 2 représentant des micrographies au grossissement de 130, respectivement d'une coupe du cylindre selon son axe et d'une coupe perpendiculaire à son axe. Sur ces figures o les fibres apparaissent en noir, on constate que: 1) les fibres sont toutes alignées suivant une seule direction qui est l'axe du filage. En effet, sur la figure 1, on ne voit en noir que des petits "tirets", bien parallèles, leur longueur étant celle des fibres; ZQ sur la figure 2, on ne voit en noir que des "points", leur diamètre étant celui des fibres. 2) les fibres sont très bien dispersées puisque.sur la figure 1, il n'y a pas d'amalgames de "tirets", et sur la figure 2, il n'y a pas dtamal- games de "points". La barre est enfin tronçonnée perpendiculairement à l'axe du filage en disques d'épaisseur 1 mm_. Les disques ohtenus ont été utilisés comme contacts -ouvrants Il a été constaté que leurs performances par rapport à leur prix de re- vient sont telles qu'ils peuvent avantageusement remplacer les contacts argent-oxyde de cadmium malgré une durée de vie plus courtes Exemple 2 Cet exemple est une-variante de l'exemple 1 - le cuivre est remplacé par un de ses alliages avec du chrome et du zirconium. Les pourcentages en poids sont les suivants:: Cuivre 98,5 % Chrome 1 % Zirconium 0,5 % Le substrat de fibres utilisé est le même que dans l'exemple 1. Le feutre est imprégné par l'alliage Cu-Cr-Zr fondu, à 1050 C, sous une pression de 5 bars. La Billette obtenue contient 84,5 % en volume d'alliage Cu-Cr-Zr. 1 Cette billette est alors filée à chaud à 820 à travers une filière de section carrée 12 X 12 mm. La barre obtenue est constituée d'un parallélépipède de section carrée 12 X 12 mm et de longueur 2,8 m que l'on tronçonne en tranches de 1 mm d'épaisseur qui sont utilisées comme contacts ouvrants. Toutes les constatations indiquées dans l'exemple 1 sont applicables à l'exemple 2.. ZO Exemple 3 Cet exemple est une variante de l'exemple 2.. * L'alliage Cu-Cr-Zr, après trempe et revenu, voit ses propriétés mécaniques nettement augmentées-. De ce fait, après le filage, la Barre obtenue est chauffée à 1000 C, puis trempée à l'eau et recuite à 475 C. On constate que les contacts obtenus par tronçonnage de cette barre ont une durée de vie sensiblement améliorée comparée à celle des contacts obtenus suivant l'exemple 2. 3Q Exemple 4 Cet exemple est une variante de l'exemple 1: le cuivre est remplacé par de l'argent. Le substrat de fibres utilisé est le même que dans l'exemple 1. Le feutre est imprégné par de l'argent fondu, à 1000 C, sous une pression de 5 bars.. La billette oEtenue contient 83 % en volume d'argent. Cette Eillette est alors filée à chaud à 780 C dans la mime filière.. La Barre obtenue est constituée d'un cylindre de diamètre de 12 mm et de longueur 3 m que l'on tronçonne en disques de 1 mm d'épaisseur qui sont utilisés comme contacts. On constate que ces contact s ont des performances sensiblement améliorées par rapport à celles des contacts argent-carbone traditionnels. Les exemples ci-dessus n'illustrent que l'utilisation de quelques métaux ou alliages. 1l est clair que d'autres métaux et alliages peuvent être utilisés sans sortir pour autant du cadre de l'invention: il suffit alors d'adapter les conditions d'imprégnation et de filage à leurs caractéristi- ques piysiques. 2 568417 -7 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de contact électrique constitué de métal ou d'alliage métallique et de fibres de carbone de faible dfamètre de l'ordre de 2 à 50 m et alignées selon une direction préférentielle, procédé ca- ractérisé en ce qu'il comporte les deux opérations successives suivantes: a) on imprègne un substrat de fibres de carbone de faible diamètre avec le métal ou l'alliage fondu, sous pression, b) on file à chaud re matériau ainsi obtenu. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal ou l'al- liage métallique est choisi parmi le cuivre et ses alliages, l'argent et ses alliages, le cadmium. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat de fibres de carbone est constitué par des fibres en vrac ou par un feutre. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les fibres de carbone du substrat ont une longueur initiale de quel- ques mm à quelques dizaines de mm et sont sectionnées par le filage en fragments de 15 à 5001m de longueur. 5. Contact électrique caractérisé-en ce qu'il est obtenu par le procédé revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6. Contact électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est constitué par un matériau composite constitué uniquement de métal ou d'al- liage métallique et de fibres de carbone de diamètre de l'ordre de 2 à 50 m, de longueur comprise-entre 15 et 150 m, très bien alignées selon une seule direction et très bien dispersées. 7. Contact électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le métal ou l'alliage métallique est choisi parmi le cuivre et ses alliages, l'argent et ses alliages, le cadmium.,