Brevet FR2731106A1 — publié le 19960830

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau de contact électrique composite, notamment approprié à des disjoncteurs, ce matériau étant à base de poudre d'un métal bon conducteur électrique tel que l'argent, le cuivre ou leurs composés, et comprenant des fibres de carbone réparties dans la matrice métallique. Elle concerne également le matériau obtenu par ce procédé. De tels matériaux sont couramment utilisés pour réaliser des pastilles de contact dans des appareils électromécaniques tels que disjoncteurs ou interrupteurs. Le carbone ou graphite présent dans la matrice métallique a pour fonction première de réduire le risque de soudure des contacts. Toutefois, la présence du graphite entraîne une érosion mécanique et/ou électrique accrue du matériau. Lorsque le graphite est apporté sous forme de fibres - voir par exemple le document US-4 699 763 - la résistance à l'érosion est certes améliorée, mais cette amélioration est acquise au prix d'une altération du comportement du contact à la soudure. Les fibres de carbone sont mélangées à la poudre métallique avec apport d'agents mouillant, lubrifiant et solvant par voie humide, puis on effectue un séchage, une compression et un frittage. Pour trouver un compromis acceptable entre le comportement du matériau à l'érosion et son comportement antisoudure, il est proposé d'après le document DE-41 11 683 de mélanger de la poudre de carbone à des fibres de carbone, ce mélange étant incorporé à la poudre métallique. Par l'apport hybride ainsi réalisé dans la matrice métallique, on peut obtenir des comportements du matériau à l'érosion et à la soudure intermédiaires entre ceux qu'il aurait montrés avec apport de poudre de carbone seule ou apport de fibres de carbone seules. Mais il s'avère que, sous de fortes sollicitations et en particulier sous courant de court- circuit, la poudre de carbone, de par sa structure cristalline, montre une tendance à être expulsée de la surface du matériau et ce faisant à détériorer cette surface d'une manière telle que les fibres de carbone en sont également expulsées. Il en résulte un enrichissement de la surface en argent et donc une altération des qualités initialement recherchées par l'apport de carbone. L'invention a donc pour but de permettre de réaliser un matériau de contact composite métal-carbone à structure homogène appropriée à l'application dans des disjoncteurs, ce matériau montrant une bonne résistance à l'érosion à la fois sous courant nominal et sous courant de court-circuit, ainsi qu'un comportement antisoudure satisfaisant et une résistance de contact faible et stable. Selon l'invention, - les fibres de carbone, dont la longueur initiale a une valeur moyenne prédéterminée, subissent un traitemennt mécanique d'attrition ou de broyage, - les conditions de broyage sont déterminées de manière à engendrer des fibres broyées de longueur finale répartie statistiquement de manière prédéterminée et appropriée autour d'une valeur moyenne sensiblement inférieure à la valeur moyenne initiale. Dans le matériau ainsi obtenu, le carbone est donc exclusivement présent sous forme d'éléments de fibres à longueur variable, dont la répartition statistique de longueur est centrée sur la valeur moyenne finale précitée, et qui sont distribués de manière homogène dans la matrice métallique. Le matériau montre un bon comportement antisoudure et une résistance de contact faible et stable, en même temps que, grâce à la structure semi-cristalline propre à l'ensemble des éléments carbonés insérés dans la matrice métallique, une faible érosion sous courant nominal ou sous courant de court-circuit, le compromis entre ces qualités étant déterminé entre autres par le choix de la valeur moyenne finale précitée. Les avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui suit d'exemples de réalisation, en regard des dessins annexés. - La figure 1 est un diagramme illustrant les différentes étapes du procédé selon l'invention. - La figure 2 en illustre une variante. - La figure 3 montre la répartition statistique des longueurs de fibres de carbone avant et après broyage. - La figure 4 est une micrographie de la surface du matériau après coupure sous courant de court-circuit. Dans le mode de réalisation du procédé qui est illustré sur la figure 1, on choisit des fibres de carbone disponibles dans le commerce, de longueur moyenne L1 comprise entre environ 100 lim et 800 im, et livrées avec un faible écart-type, et de diamètre compris entre 4 et 30 lim. Ces fibres subissent dans un broyeur un broyage dans des conditions d'intensité et de durée permettant d'obtenir des fibres dont la longueur est répartie statistiquement autour d'une valeur moyenne très inférieure à la valeur moyenne initiale et avec un écart-type supérieur à l'écart-type initial, puis sont ajoutées en proportion pondérale d'environ 2 à 5% en poids à la poudre métallique. Cette poudre est essentiellement une poudre d'argent, ou de cuivre, ou de leurs alliages, de granulométrie usuelle, avec éventuellement des éléments d'addition tels que du nickel, du tungstène ou d'autres éléments analogues. Le mélange de la poudre de métal aux fibres de carbone broyées s'effectue en voie sèche dans l'étape jusqu'à obtention d'un mélange homogène, qui subit ensuite une compression unitaire 30, puis un frittage 40. Dans le mode de réalisation illustré figure 2, les fibres de carbone du commerce sont mélangées directement à la poudre métallique dans une étape de mécanosynthèse 21, par exemple dans un broyeur à boulets, telle que le broyage précité des fibres s'effectue de manière concomitante au mélange avec la poudre métallique. Le mélange homogène subit alors comme précédemment une compression unitaire 30 et un frittage 40. La coexistence de fibres longues de longueur répartie confère au matériau des propriétés très différentes de celles obtenues habituellement avec des matériaux du type argent-poudre de carbone ou du type argent et apport hybride de poudre de carbone et de fibres de graphite. On obtient ainsi à partir de fibres dont la longueur initiale L1 est de 100 pm à 800 im (voir figure 3) des répartitions gaussiennes d'éléments de fibres de longueurs différentes de valeur moyenne L2a inférieure à L1, soit selon une répartition unimodale de valeur moyenne L2a, soit selon une répartition bimodale présentant des pics de valeurs L2b et L2c. Exemple 1: dans une première application, les fibres de graphite, de longueur moyenne initiale 300.lm, sont broyées dans un broyeur jusqu'à obtention d'une longueur moyenne supérieure à 50 p.m et mélangées en proportion pondérale de 2 à 5% avec de la poudre d'argent. Le matériau composite argent-carbone résultant montre une résistance de contact faible et ne subissant qu'une faible augmentation après coupure sous courant de court-circuit. L'érosion est faible par rapport aux matériaux argent-graphite usuels. Exemple 2: dans une deuxième application, les fibres de graphite, de longueur moyenne initiale 300.lm, subissent une attrition dans un broyeur jusqu'à obtention d'une longueur moyenne inférieure à 25 p.m et sont mélangées en proportion pondérale de 2 à 5% avec de la poudre d'argent. La soudabilité du matériau final obtenu est excellente et son érosion en endurance électrique est très faible. La figure 4 montre à l'échelle 280 une micrographie de la surface du matériau après un essai de coupure de 12 kA sous 250 V; on constate que la surface de contact garde après coupure sous courant de court-circuit sa structure homogène de fibres de longueur variable 50 dans la matrice d'argent 51. Par son comportement en court-circuit, le matériau décrit est particulièrement approprié à être utilisé dans des disjoncteurs. 4 2731106 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un matériau de contact électrique à base d'une poudre de métal bon conducteur électrique tel que l'argent, le cuivre ou leurs composés, par mélange de fibres de carbone à la poudre métallique, puis compression du mélange et frittage, caractérisé par le fait que: les fibres de carbone, dont la longueur initiale a une valeur moyenne prédéterminée (L1), sont soumises à un traitement mécanique de broyage, les conditions de broyage sont déterminées de manière à engendrer des éléments de fibres broyées dont la longueur finale est variable, la répartition statistique des longueurs d'éléments de fibres broyées étant prédéterminée autour d'une valeur moyenne (L2) inférieure à la valeur moyenne initiale (L1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la longueur moyenne initiale (L1) des fibres de carbone est comprise entre environ 100 l.m et environ 800 p.m et que la longueur moyenne finale (L2) des fibres de carbone broyées est supérieure à environ 50 p.m. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la longueur initiale moyenne (L1) des fibres de carbone est comprise entre environ 100 pum et environ 800 lim et que la longueur moyenne finale (L2) des fibres de carbone broyées est inférieure à environ 25 pm. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'écart-type final des fibres de carbone broyées est supérieur à l'écart-type initial. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le broyage des fibres de carbone est effectué avant leur mélange à la poudre métallique. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le broyage des fibres de carbone est effectué de manière concomitante au mélange avec la poudre métallique par mécanosynthèse. 7. Matériau de contact obtenu par le procédé selon l'une des revendications là 6, caractérisé par le fait qu'il comprend des éléments de fibres de structure semi-cristalline à longueur variable distribués de manière homogène dans la matrice métallique.