Brevet FR2668729A1 — publié le 19920507

Brasage de pièces en matériaux présentant des coefficients différents de dilatation thermique La présente invention concerne un brasage de pièces en matériaux présentant des coefficients différents de dilatation thermique, notam- ment en céramique ou métal dur d'une part et en métal d'autre part, les pièces étant indirectement assemblées l'une à l'autre avec inter- calation d'une couche intermédiaire brasée s'étendant sur toute la surface du joint de brasage; on connaît un brasage de ce type, par exemple, par la demande de brevet allemand DE-A 35 14 320. De tels brasages sont très problématiques car, lors de l'échauffement de la zone de joint qui est provoqué par l'utilisation, les pièces limitrophes se dilatent différemment et des forces très élevées agissent en cet endroit et provoquent l'éclatement de frag- ments des pièces et/ou le déchirement du joint brasé Il arrive fré- quemment qu'une telle zone de joint ne résiste même pas à son premier refroidissement à partir de la température de brasage Le document précité propose de maîtriser les tensions d'origine thermique entre les pièces limitrophes de la zone de joint en intercalant une couche intermédiaire brasée, en matériau céramique fritté et d'une épaisseur d'environ 1,5 à 20 % de l'étendue longitudinale maximale de la surface du joint de brasage Selon cette proposition connue, les tensions in- ternes d'origine thermique devraient être ainsi progressivement maî- trisées sur les deux surfaces du joint de brasage Toutefois, cette proposition n'arrive pas à convaincre qu'elle apportera une maîtrise efficace des tensions; en effet, pour des dimensions données des pièces et des variations données de température, les valeurs absolues des dilatations relatives des pièces l'une par rapport à l'autre ne sont pas moindres en présence d'une couche en céramique brasée entre ces pièces qu'en l'absence d'une telle couche intermédiaire, notamment lorsqu'on propose pour cette couche intermédiaire céramique le même matériau que celui de la pièce principale en céramique. Le document DE-C 33 45 219 présente une feuille d'apport à plu- sieurs couches pour le brasage de pièces en céramique avec des pièces métalliques, la feuille d'apport contenant une couche intermédiaire métallique d'environ 50 à 30 lim en cuivre, fer, nickel ou en alliage cuivre-béryllium ou nickel-fer, la couche intermédiaire ne participant pas directement au brasage, mais devant seulement maîtriser les ten- sions internes entre les pièces brasées Mais cela ne permet de maî- triser que d'une manière limitée les tensions internes, de sorte qu'on ne peut obtenir que des brasages de petite surface. La présente invention a pour but d'améliorer le brasage du type mentionné en introduction en permettant de maîtriser efficacement les tensions internes d'origine thermique dans la région du joint de bra- sage, et donc d'autoriser également de grandes surfaces de joint de brasage Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la couche intermédiaire métallique est constituée d'un alliage à mémoire de forme et présente une épaisseur d'environ 0,1 à 0,6 m-, l'épaisseur de couche devant être choisie d'autant plus grande que la surface du joint de brasage est grande Grâce à l'utilisation d'une couche inter- médiaire métallique en alliage à mémoire de forme, cette couche inter- médiaire peut absorber des dilatations relatives élevées sans que des tensions mécaniques trop importantes apparaissent à l'endroit du joint Les alliages à mémoire de forme connus peuvent absorber jusqu'à 8 % de dilatation Par un dimensionnement correspondant de l'épaisseur de la couche intermédiaire, on peut donc réaliser des brasages de ma- tériaux présentant des dilatations thermiques différentes qui soient pratiquement exempts de tensions internes, sur une zone de joint de grande surface. Selon un mode de réalisation de l'invention, une des deux pièces est un culbuteur pour des soupapes de commande des gaz de moteurs à pistons alternatifs, et l'autre un élément de glissement en céra- mique ou métal dur, qui coopère avec une came de l'arbre à cames ac- tionnant les soupapes de commande des gaz Selon un autre mode de réalisation de l'invention, une des deux pièces est un poussoir à cou- pelle pour des soupapes de commande des gaz de moteurs à pistons alternatifs, et l'autre une rondelle de pression en céramique ou métal dur, qui se trouve du côté extérieur sur le fond du poussoir à cou- pelle et coopère avec une came de l'arbre à cames actionnant les sou- papes de commande des gaz Selon une caractéristique supplémen- taire du brasage selon l'invention, la couche intermédiaire en alliage à mémoire de forme est pourvue, vers la brasure, d'une couche de bar- rage métallique appliquée de préférence galvaniquement, en niobium, argent ou autres métaux précieux, et d'une épaisseur d'au moins 5 à 10 um Enfin, selon une dernière caractéristique supplémentaire, la pièce en céramique ou métal dur est assemblée par brasage à la couche inter- médiaire en alliage à mémoire de forme par une première brasure de température de fusion supérieure à 800 'C, et la pièce métallique est assemblée par brasage à la couche intermédiaire en alliage à mémoire de forme par une seconde brasure de température de fusion inférieure à 500 e C. L'exposé qui suit explicite l'invention à l'aide de deux exemples de réalisation représentés sur les dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente un culbuteur pour une soupape de com- mande des gaz d'un moteur à pistons alternatifs, avec un élément de glissement en céramique brasé sur ce culbuteur, la figure 2 est une vue de côté d'un poussoir à coupelle avec une rondelle de pression brasée sur ce poussoir, et la figure 3 est une représentation agrandie, en coupe transver- sale, du détail III qui est repéré par un cercle sur les figures 1 et 2. Le culbuteur 1 d'un moteur à pistons alternatifs qui est repré- senté sur la figure 1 s'appuie par l'une de ses extrémités, l'extrémité de gauche sur la figure 1, sur la tête sphérique d'une vis d'appui 3; l'autre extrémité du culbuteur 1 repose sur l'extrémité su- périeure émoussée de la tige de soupape 2 d'une soupape de commande des gaz non autrement représentée Le culbuteur 1 est habituellement réalisé en acier, amené par forgeage à la forme spéciale du culbuteur; sur les endroits sollicités en glissement, dans la région d'appui contre la vis 3 et dans la région de portée sur la tige de soupape 2, les faces de glissement sont en outre trempées Sur le côté opposé, le dos du culbuteur, un élément de glissement 6 en céramique est fixé là o le culbuteur coopère avec la came 4 d'un arbre à cames 5 Cet élé- ment de glissement 6 a approximativement la taille d'un ongle de pouce Jusqu'à présent, de telles pièces en céramique, relativement petites, ne pouvaient pas être durablement brasées sur des pièces en acier, car les dilatations thermiques apparaissant en utilisation pro- duisaient une dégradation de l'élément de glissement et/ou de la bra- sure D'autres propositions, consistant à vulcaniser les éléments de glissement sur les culbuteurs en acier avec intercalation d'élastomères (cf brevet allemand DE-C 34 29 169), ne sont pas suffi- samment durables en présence des mouvements oscillants à haute f ré- quence des culbuteurs et des forces massiques qui apparaissent ainsi. Afin de réaliser entre l'élément de glissement 6 et le culbuteur 1 un assemblage durable et présentant peu de tensions internes, il est prévu un brasage fort et, conformément à l'invention, on insère une couche intermédiaire 10 en alliage à mémoire de forme, de sorte qu'on obtient au total deux brasures 11, à savoir une brasure entre la couche intermédiaire 10 et l'élément de glissement 6, et une autre brasure entre la couche intermédiaire 10 et le culbuteur 1. L'épaisseur de la couche intermédiaire devrait être d'au moins environ 0, lmm, ce qui est suffisant pour la taille de l'élément de glissement, qui mesure environ 1,5 à 2 cm En présence d'une plus grande surface de la zone de brasage, par exemple pour une dimension maximale des diagonales de la surface d'environ 5 cm, il faudrait prévoir une plus grande épaisseur a pour la couche intermédiaire 10, par exemple de l'ordre de 0, 4 mm Plus la couche intermédiaire 10 est épaisse, plus on peut maîtriser aisément les tensions internes, même pour des bra- sures de grande taille L'épaisseur de couche a nécessaire dépend non seulement de la taille des pièces à assembler par brasage, mais aussi des valeurs caractéristiques des matériaux, à savoir leurs coeffi- cients de dilatation thermique Plus précisément, il s'agit de la dif- férence des coefficients de dilatation thermique des deux matériaux à assembler par brasage Pour la paire de matériaux acier/céramique, cette valeur différentielle des coefficients de dilatation thermique est d'environ 7 à 9,5 ppm par degré Kelvin, la valeur exacte dépendant entre autres du type de matériau céramique utilisé Pour la paire de matériaux aluminium/céramique, la valeur différentielle correspondante serait d'environ 17 à 22 ppm par degré Kelvin; ici, non seulement le type de matériau céramique, mais aussi l'alliage d'aluminium ont une influence sur la valeur du coefficient de dilatation thermique Bien évidemment, l'invention peut aussi être utilement appliquée pour l'assemblage par brasage d'acier et d'aluminium, qui présentent égale- ment des différences considérables dans leur comportement de dilata- tion thermique Toutefois, le problème n'est pas aussi important pour cette paire de matériaux ductiles, car ces matériaux peuvent compenser jusqu'à un certain degré les tensions internes par déformation plas- tique, ce qui n'est pas possible pour des matériaux céramiques, qui se brisent lorsqu'apparaissent des tensions internes de traction. Les alliages à mémoire de forme qui sont revendiqués ici pour la couche intermédiaire 10 sont également connus sous la désignation de "ShapeMemory-Alloy" (SMA) Il s'agit d'alliages spéciaux particuliè- rement purs, avec des composants combinés dans des proportions pré- cises pour que se révèlent les propriétés spéciales de ces alliages. Les alliages techniquement utilisables sont ceux de nickel-titane, de cuivre-zinc-aluminium et de cuivre-aluminium-nickel; on connaît égale- ment des alliages de ce type à base de fer, dont l'intérêt augmente pour des raisons économiques Les alliages à mémoire de forme modi- fient leur structure cristalline en fonction de la température et des tensions En dessous d'une température critique, le matériau est à l'état martensitique; au-dessus d'une autre température critique, il est à l'état austénitique La transformation se déroule dans une étroite plage de température, dont la position et la largeur sont spé- cifiques de l'alliage Une propriété de ces types d'alliages qui est intéressante ici, la superélasticité, est un phénomène qui n'apparaît qu'à l'état austénitique, donc au-dessus de la température de trans- formation Il s'agit d'une capacité d'extension élastique, similaire à celle du caoutchouc, de plusieurs pourcents, les tensions apparaissant alors étant élevées, mais fonction de l'extension Une autre propriété des alliages à mémoire de forme qui est également intéressante ici est la pseudo-plasticité, qui peut être observée à l'état martensitique, et selon laquelle le matériau peut être déformé de manière apparemment permanente à un degré élevé sous l'action de faibles tensions, les tensions nécessaires pour une déformation étant pratiquement indépen- dantes de l'extension. Lors du refroidissement du brasage à partir des températures très élevées de brasage, l'alliage à mémoire de forme se trouve d'abord dans un état o il n'est ni superélastique ni pseudo-plas- tique, mais se comporte similairement à un acier conventionnel à des températures élevées Ce n'est qu'une fois le brasage refroidi nette- ment en dessous de la température de solidification de la brasure que l'alliage à mémoire de forme présente tout d'abord son caractère superélastique Les tensions internes d'origine thermique qui s'étaient jusque-là établies dans la zone de joint par suite du re- froidissement peuvent maintenant être maîtrisées à l'aide du comporte- ment superélastique; toutefois, plus la dilatation thermique relative des pièces, fonction du refroidissement, augmente dans la zone de joint, plus les tensions augmentent, quoique certes à un faible ni- veau A un moment quelconque, tandis que le refroidissement se pour- suit, on traverse la plage de température de transformation cristal- line, et le matériau se transforme de plus en plus à l'état martensi- tique, de sorte que le caractère pseudo-plastique prend de plus en plus d'importance Le matériau peut se déformer de manière permanente en présence de tensions relativement faibles et restant constantes, et maîtriser les tensions internes à ce faible niveau. Les alliages nickel-titane autorisent une superélasticité de 8 % d'extension, ce qui est énorme pour des métaux; au reste, ce type d'alliage est très coûteux Les deux autres types d'alliage mentionnés plus haut sont certes moins coûteux, mais ils n'autorisent qu'une superélasticité de 2 %, ce qui est aussi déjà beaucoup En utilisant avec parcimonie la couche intermédiaire 10, le type d'alliage le plus coûteux peut dans certains cas rester tout-à-fait raisonnable en ma- nière de coût, d'autant que, toutes autres conditions restant compa- rables, l'épaisseur de couche pour des alliages de nickel-titane ne doit être égale qu'à environ un quart des épaisseurs de couche des autres alliages à mémoire de forme. Il faut souligner que les brasures peuvent être réalisées en une seule opération et sans traitement préalable particulier, comme simples brasures actives La brasure est introduite sous forme de feuille à l'endroit du joint, et les différents éléments sont super- posés et introduits dans le four à braser sous vide dans cet ordre: culbuteur 1, feuille pour la brasure 11 ' côté acier, couche intermé- diaire 10 en alliage à mémoire de forme, autre feuille pour la brasure 11 côté céramique, et élément de glissement 6 en céramique On notera ici que, par suite du brasage, en l'absence de traitement préalable, la couche intermédiaire 10 voit sa composition d'alliage légèrement modifiée dans une zone marginale donnée par suite d'une diffusion de brasure dans le matériau de la couche intermédiaire, ce qui peut déjà perturber d'une manière sensible les propriétés de mémoire de forme. Cette zone marginale serait alors perdue pour les propriétés utili- sables de superélasticité et de pseudo-plasticité, ce qui serait in- opportun Il faudrait tenir compte de cette perte par le choix d'une épaisseur de paroi accrue en conséquence du matériau de départ Il se- rait encore plus opportun d'empêcher une telle diffusion de brasure dans l'alliage à mémoire de forme en appliquant galvaniquement une couche de barrage métallique A cet effet, on pourrait par exemple utiliser de l'argent en une épaisseur de couche d'environ 5 à 10 Pm; on pourrait aussi utiliser ici du niobium, de l'or ou du platine On notera encore que, comme c'est aujourd'hui possible, il faut choisir un type d'alliage à mémoire de forme qui résiste globalement aux tem- pératures de brasage sans perdre la propriété de mémoire de forme du matériau La propriété de mémoire de forme de la couche métallique 10 reste tout-à-fait conservée sous l'influence d'une température de 900 C, du moins si cette influence est de courte durée, de l'ordre d'environ 2 minutes A cet effet, il faudrait réaliser un échauffement très rapide, au moins à partir de 600-C et, à la suite de la réaction de la brasure avec le matériau céramique, réaliser également un re- froidissement très rapide A titre d'exemple, lors du brasage d'une couche d'alliage à mémoire de forme de nickel-titane sur de la céra- mique, on a eu besoin d'environ 90 minutes pour l'échauffement jusqu'à 600 'C à partir de la température ambiante, tandis que l'échauffement terminal à 850-C s'est effectué en 12 minutes, avec une vitesse d'échauffement plus de trois fois plus rapide ( 20 degrés par minute). Après un court temps d'arrêt d'environ 10 secondes, on a effectué un refroidissement à l'atmosphère ambiante, et on a constaté une vitesse de refroidissement moyenne supérieure à 60 degrés par minute entre 850 et 400-C; même en dessous de cette plage de température, la vitesse de refroidissement ne s'est ralentie que progressivement Les vitesses d'échauffement mentionnées ci-dessus ne peuvent être obtenues que dif- ficilement lorsque la pièce est échauffée à la température de brasage dans un four à vide, avec une transmission de chaleur ayant uniquement lieu par rayonnement C'est pourquoi il est opportun de réaliser l'échauffement par voie inductive à l'aide d'un inducteur profilé; les vitesses d'échauffement exigées ne posent alors aucune difficulté. Etant donné que le matériau céramique assemblé par brasage n'est pas conjointement échauffé lors de l'échauffement inductif, et reste donc sensiblement à la température ambiante, ce gradient de température peut être utilisé, à la suite de la réaction de la brasure avec le ma- tériau céramique, pour le refroidissement par conduction thermique. Lors d'un échauffement inductif, le matériau céramique n'est échauffé qu'à proximité de sa surface, tandis que les couches plus profondes du matériau sont encore froides Le refroidissement peut également être accéléré par insufflation d'un gaz protecteur froid, gaz de formage par exemple; dans une phase progressive de refroidissement, on peut aussi utiliser de l'eau. Etant donné qu'on utilise dans certains cas un acier allié d'amélioration comme matériau pour le culbuteur 1, il faudrait alors que la température de brasage de cet acier ne soit pas supérieure à 500 'C, afin qu'il ne perde pas sa dureté Par ailleurs, lors du bra- sage de la couche de céramique, il faut respecter au moins temporaire- ment une température supérieure à 800 'C, afin que se réalise la ré- action nécessaire avec le matériau céramique pour une brasure C'est pourquoi, d'une manière avantageuse, l'élément de glissement 6 en cé- ramique est d'abord, au cours d'une première étape de brasage, assem- blé à la couche intermédiaire 10 en alliage à mémoire de forme par un métal d'apport de brasage fort 11, par exemple une brasure en argent/titane, qui fond à 850-C, tandis que le culbuteur 1 en tôle d'acier d'amélioration est ensuite, lors d'un second brasage, assemblé à la couche intermédiaire 10 en alliage à mémoire de forme par un mé- tal d'apport de brasage tendre 11 ' à point de fusion élevé Des bra- sures convenant à cet effet sont par exemple: brasure en étain/antimoine ( 95/5), température de fusion 240-C, brasure en étain/argent ( 90/10), plage de fusion 220 à 3000 C, brasure en plomb/argent ( 97/3), température de fusion 305-C, ou brasure en plomb/indium ( 96/4), température de fusion 325 C. Si l'on arrivait à mettre au point de nouveaux métaux d'apport de brasage tendre, présentant des points de fusion encore plus élevés, on pourrait aussi utiliser ces brasures; d'une manière similaire, il serait également envisageable d'utiliser des métaux d'apport de bra- sage fort présentant des points de fusion extrêmement bas, si de telles brasures devaient un jour être découvertes; leur température de brasage devrait être inférieure à 500 C, afin de permettre le brasage d'aciers d'amélioration sans dégrader la résistance de ces derniers. Un acier non amélioré peut bien évidemment être brasé à des tempéra- tures supérieures; au reste, la résistance d'un tel acier est infé- rieure à celle d'acier d'amélioration. Pour l'élément de glissement, on utilise de préférence un maté- riau céramique résistant aux chocs, et tout particulièrement un maté- riau céramique en nitrure de silicium, qui s'est avéré particulière- ment résistant aux chocs et tenace, mais présente un coefficient de dilatation thermique particulièrement bas de seulement 3 x 10-6 par de- gré et donc, lors de modifications de température, ne se dilate que d'environ 27 % de la dilatation thermique de l'acier, qui présente un coefficient de dilatation thermique de llxl O-6 par degré. Afin de démontrer la stabilité du brasage selon l'invention, on a réalisé une plaque carrée de 20 "m de côté, présentant la structure stratifiée suivante: plaque céramique de 4 mm d'épaisseur en nitrure de silicium, feuille de brasure active (argent-titane), 0,2 ma d'épaisseur, alliage à mémoire de forme nickel/titane (pourcentages atomiques /50), 0,3 mm d'épaisseur, feuille de brasure active (argent- titane), 0,2 mm d'épaisseur, et couche de tôle d'acier, 2 ma d'épaisseur, acier de construction à faible teneur en carbone. Cette plaquette composite assemblée par brasage a été trempée dans de l'azote liquide en partant de la température ambiante, puis ramenée à la température ambiante en la laissant reposer Grâce à la couche intermédiaire 10 en alliage à mémoire de forme, elle a résisté sans dommage à cette trempe Un échantillon comparatif de même type, mais sans la couche intermédiaire en alliage à mémoire de forme, était totalement dégradé à la suite de l'essai de trempe; la couche en céra- mique avait totalement éclaté On a pu observer des éclatements du ma- tériau de la plaque céramique en forme de coquilles, s'étendant paral- lèlement au joint de brasage Grâce à la couche intermédiaire brasée , l'élément de glissement 6 peut donc être brasé, certes indirecte- ment mais d'une manière efficace, avec un culbuteur en acier 1, et on obtient un assemblage présentant peu de tensions internes et durable, à haute résistance. La figure 2 représente, sur l'exemple d'un poussoir à coupelle 7, une autre possibilité d'application d'un brasage selon l'invention. Une rondelle de pression 8, qui peut être par exemple réalisée en mé- tal dur, est ici brasée sur le fond 9 d'un poussoir à coupelle, une couche intermédiaire 10 en alliage superélastique étant à nouveau intermédiairement brasée entre les deux pièces On sait qu'en matière de dilatation thermique et de rupture de fragilité, les métaux durs se5 comportent d'une manière très similaire aux matériaux céramiques. il BEVENDICATIONS 1 Brasage de pièces en matériaux présentant des coefficients différents de dilatation thermique, notamment en céramique ou métal dur d'une part et en métal d'autre part, les pièces étant indirecte- ment assemblées l'une à l'autre avec intercalation d'une couche intermédiaire brasée s'étendant sur toue la surface du joint de brasage, c a r a c t é r i S é en ce que la couche intermédiaire métallique ( 10) est constituée d'un alliage à mémoire de forme et présente une épaisseur (a) d'environ 0,1 à 0,6 mm, l'épaisseur de couche devant être choisie d'autant plus grande que la surface du joint de brasage est grande. 2 Brasage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une des deux pièces est un culbuteur ( 1) pour des soupapes de commande des gaz de moteurs à pistons alternatifs, et l'autre un élément de glissement ( 6) en céramique ou métal dur, qui coopère avec une came ( 4) de l'arbre à cames ( 5) actionnant les soupapes de commande des gaz. 3 Brasage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une des deux pièces est un poussoir à coupelle ( 7) pour des soupapes de commande des gaz de moteurs à pistons alternatifs, et l'autre une rondelle de pression ( 8) en céramique ou métal dur, qui se trouve du côté extérieur sur le fond ( 9) du poussoir à coupelle ( 7) et coopère avec une came ( 4 ') de l'arbre à cames ( 5 ') actionnant les soupapes de commande des gaz. 4 Brasage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, ca- ractérisé en ce que la couche intermédiaire ( 10) en alliage à mémoire de forme est pourvue, vers la brasure ( 11,11 '), d'une couche de bar- rage métallique appliquée de préférence galvaniquement, en niobium, argent ou autres métaux précieux, d'une épaisseur d'au moins 5 à l Opm. 5 Brasage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, ca- ractérisé en ce que la pièce en céramique ou métal dur ( 6,8) est as- semblée par brasage à la couche intermédiaire ( 10) en alliage à mé- moire de forme par une première brasure ( 11) de température de fusion supérieure à 800 'C, et en ce que la pièce métallique ( 1,7) est assez- blée par brasage à la couche intermédiaire ( 10) en alliage à mémoire de forme par une seconde brasure ( 11 ') de température de fusion infé- rieure à 500 'C.