Brevet FR2754933A1 — publié le 19980424

RELAIS DE DÉCLENCHEMENT ÉLECTROMAGNÉTIQUE À REVETEMENT DE CARBONE AMORPHE, ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATION. L'invention est relative à un procédé de fabrication d'un relais de déclenchement électromagnétique à haute sensibilité, notamment pour un interrupteur ou disjoncteur de protection différentielle, ayant un circuit magnétique, polarisé par un aimant permanent et portant une bobine de commande, ledit circuit magnétique en alliage de fer-nickel, comprenant une armature fixe et une palette mobile ayant chacune une surface polaire venant en accolement en position d'attraction de la palette par l'armature, procédé selon lequel: - la surface polaire de l'armature et la surface polaire de la palette sont soumises de la même manière à une finition de surface pour obtenir un coefficient de rugosité Ra supérieur ou égal à 0,03 micron, et inférieur à 0,5 micron, Ra étant la hauteur moyenne du profil au-dessus et au-dessous de la ligne moyenne, pour assurer un contact ponctuel par l'intermédiaire des pics entre les deux surfaces. - on revêt lesdites surfaces polaires d'une couche protectrice à base de carbone amorphe d'une épaisseur inférieure ou égale à 1 micron. Les déclencheurs du genre mentionné doivent être fiables et fonctionner à des seuils indépendants des conditions ambiantes, notamment d'une chaleur humide, qui peut être à l'origine d'une corrosion entre le fer et le nickel formant des oxydes et des hydroxydes de fer conduisant, soit au déclenchement intempestif, soit au collage de la palette. Les déclencheurs à haute sensibilité sont généralement incorporés à des interrupteurs ou disjoncteurs différentiels de protection des personnes, et tout mauvais fonctionnement est intolérable. Il a déjà été proposé de revêtir les surfaces polaires d'une couche protectrice, notamment en matière synthétique ou en des matériaux nobles, mais ces couches sont, soit trop épaisses et réduisent la sensibilité du déclencheur, soit trop minces, et en présence d'humidité, un couple est créé soit entre le substrat et le revêtement, soit entre le fer et le nickel du substrat. On utilise généralement des surfaces polaires polies pour réduire au maximum l'entrefer entre les surfaces parfaitement lisses, mais la tenue à la chaleur humide n'est pas améliorée. Lorsque l'entrefer est faible, les surfaces polaires sont en contact à certains endroits par l'intermédiaire de surfaces ou zones, ces zones sont mal aérées, aussi lorsque la vapeur d'eau se condense, l'eau stagne dans ces zones, et favorise la formation de corrosion. Cette corrosion se généralise sur toute la zone, entraînant le collage du relais. Le document FR-A-2.412.159 a fait connaitre un procédé de réalisation d'un déclencheur à haute sensibilité, dans lequel au moins l'une des surfaces polaires est revêtue d'une couche d'une épaisseur inférieure ou égale à 1 micron, produisant un effet de graissage et évitant toute usure par frottement. Cette couche enrobe les faibles aspérités qui ne peuvent plus se rompre, mais elle n'assure pas une protection contre la corrosion. Le document FR-A-2618 941 se rapporte à un procédé, dans lequel la couche protectrice peut être un nitrure, notamment un nitrure de titane, un carbure, un borure, du carbone amorphe ou un métal des groupes IB, IVB, VIB et VIII de la classification périodique des éléments, notamment le chrome et le titane. Des ambiances chimiques agressives comme le brouillard salin, la chaleur humide ou des environnements contenant des agents oxydants ou corrosifs peuvent néanmoins affecter la tenue à la corrosion du relais. L'objet de l'invention consiste à élaborer un procédé de fabrication d'un relais de déclenchement électromagnétique à haute sensibilité permettant d'obtenir un fonctionnement fiable et une bonne tenue à la corrosion, indépendamment de l'environnement. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que toutes les faces du circuit magnétique de l'armature et de la palette sont recouvertes par un revêtement homogène de carbone type diamant DLC comprenant un mélange d'atomes de carbone en hybridation sp3 et sp2, ledit revêtement ayant une dureté Vickers comprise entre 30 et 70 GPa. Le revêtement homogène de carbone type diamant DLC sur toutes les faces du relais constitue en combinaison avec la rugosité des surfaces polaires, une barrière efficace contre la corrosion, indépendamment de la nature des agents oxydants ou corrosifs de l'environnement dans lequel se trouve le relais. Selon une caractéristique de l'invention, le revêtement de carbone type diamant possède un coefficient de frottement réduit, de l'ordre de 0,10 sous une charge ta3 2754933 de 5N, et est susceptible d'être enrichi sélectivement dans son épaisseur par des éléments chimiques spécifiques, notamment du fluor, du bore, du silicium ou de l'azote. L'invention s'applique également pour un interrupteur ou disjoncteur de protection différentielle, ayant un circuit magnétique, polarisé par un aimant permanent et portant une bobine de commande, ledit circuit magnétique en alliage de fer-nickel, comprenant: - une armature fixe et une palette mobile, ayant chacune une surface polaire venant en accolement en position d'attraction de la palette par l'armature, - un revêtement à base de carbone amorphe d'une épaisseur inférieure ou égale à 1 micron, pour la protection contre la corrosion, - les surfaces polaires de l'armature et de la palette présentant un coefficient de rugosité Ra supérieur ou égal à 0,03 micron et inférieur à 0,5 micron. caractérisé en ce que le revêtement protecteur est localisé sur toutes les faces du circuit magnétique de l'armature et de la palette, et est constitué par une couche homogène de carbone type diamant DLC formé par un mélange d'atomes de carbone en hybridation sp3 et sp2. L'usage de carbone type diamant permet de conférer des propriétés optimum de dureté et d'inertie chimique au revêtement de protection, ainsi qu'un très faible coefficient de frottement. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté aux dessins annexés, dans lesquels: - les figures 1 et 2 sont des vues schématiques d'un déclencheur différentiel selon l'invention représenté en position d'attraction et en position de déclenchement. L'invention est décrite par la suite comme étant appliquée à un relais de déclenchement différentiel faisant l'objet du brevet européen EP-A- 301 935, mais il est clair qu'elle est applicable à des déclencheurs de structure différente, notamment du genre décrit dans les brevets français 2261614 et 2520164. Sur les figures 1 et 2, un déclencheur électromagnétique polarisé comprend une armature magnétique 1 en forme d'U, faite d'un alliage fer- nickel, et un aimant permanent 2 en forme de barreau parallélépipédique, placé entre les branches 3,4 de l'armature 1. L'un des pôles 5 de l'aimant 2 est accolé à la base 7 du U de l'armature 1, et l'autre pôle 6 est placé en regard de la palette 8 mobile. La palette mobile 8, également en un alliage fer-nickel, est située en regard des surfaces polaires 9,10 de l'armature 1 et du pôle 6 de l'aimant 2, et est montée à pivotement autour de l'arête 11 de la branche 3 de l'armature 1. Un ressort de rappel 12 sollicite la palette 8 en position pivotée de séparation de l'armature 1 dans laquelle la surface polaire 14 de la palette 8 est séparée de la surface polaire 10 de l'armature 1. La palette 8 est susceptible de prendre deux positions d'équilibre stable. Dans l'une, représentée à la figure 1, la surface polaire 14 est collée sur la surface polaire 10 de l'armature 1, par le flux magnétique engendré par l'aimant permanent 2. Dans l'autre position représenté à la figure 2, la surface polaire 14 est écartée de la surface 10 par la force antagoniste du ressort 12. Une bobine 16 de commande est enroulée sur la branche 4 de l'armature 1 pour engendrer un flux magnétique 15 opposé au flux 13 de l'aimant permanent 2 dans la branche 4 lorsqu'elle est parcourue par un courant d'excitation. Lorsque le flux 13 de l'aimant 2 est réduit ou annulé par le flux 15 de la bobine 16, la palette 8 décolle de l'extrémité 10 de la branche 4 sous l'action du ressort 12 de rappel. La surface polaire 14 de la palette 8 et la surface 10 de l'armature 1, subissent un traitement pour obtenir une surface rugueuse ayant une succession de vallées, le contact entre les deux surfaces 10,14 s'effectuant au niveau des pics. La surface polaire 9 de l'armature et la surface polaire associée de la palette 8 subissent avantageusement le même traitement. Le coefficient de rugosité Ra, qui est la hauteur moyenne du profil au-dessus et au dessous de la ligne moyenne, selon la norme NF E05-015, est supérieur ou égal à 0,03 micron et inférieur à 0,5 micron. Cette rugosité est obtenue par une opération de polissage mécanique des surfaces polaires 10,14. La structure du déclencheur différentiel et son fonctionnement sont bien connus par l'homme de métier. Selon l'invention, un revêtement protecteur à base de carbone est apposé sur toutes les faces du circuit magnétique de l'armature 1 et de la palette 8. Le revêtement protecteur de carbone type diamant est constitué par une couche homogène de faible épaisseur, notamment inférieure à 1 micron, ayant à la fois des bonnes propriétés de dureté et d'inertie chimique, et un faible coefficient de frottement. Le carbone type diamant DLC fait partie de la famille des carbones amorphes, faisant usage d'un mélange en proportions variables d'atomes de carbone en hybridation sp3 et sp2, ayant une structure constituée de formes amorphes pouvant passer de manière continue de 100% de sp3 à 100% de sp2. La dureté Vickers du revêtement protecteur de carbone type diamant DLC peut atteindre 30 à 70 GPa, et le coefficient de frottement est de l'ordre de 0,10 sous une charge de 5N. La résistance à l'usure du revêtement de DLC, évaluée dans les conditions de mesure du coefficient de frottement est de l'ordre de 1,8.10 -9 1 5 mm3/Nm. La présence d'un tel matériau de carbone type diamant DLC sur les surfaces polaires 9, 10, 14 de l'armature 1 et de la palette 8 évite tout effet de corrosion à l'intérieur ou au voisinage des entrefers. Le revêtement du même matériau sur les pièces mécaniques de butée et d'articulation de l'armature 8 évite tout effet d'usure par frottement de la palette 1 dans le cas de fonctionnement répété du relais. La forte inertie chimique du matériau DLC face aux agents oxydants ou corrosifs permet une protection efficace du relais contre les effets de la corrosion ou de l'oxydation dans des ambiances chimiques agressives, notamment le brouillard salin, la chaleur humide, ou des environnements contenant, par exemple, du chlore, du chlorure d'hydrogène, du dioxyde de soufre, des oxydes d'azote, du sulfure d'hydrogène. Le revêtement de carbone type diamant DLC peut être sélectivement enrichi dans son épaisseur par des éléments chimiques spécifiques notamment du fluor, du bore, du silicium ou de l'azote, afin de lui conférer des propriétés prédéterminées en frottement, dureté et mouillabilité. L'incorporation sélective de ces éléments chimiques permet d'obtenir une adhérence optimum du revêtement de carbone DLC sur le fer nickel, suite à une réduction des contraintes mécaniques à l'interface entre le substrat et le carbone DLC. La dureté est également augmentée en surface. Le revêtement de carbone DLC sur le substrat fer nickel est effectué par de procédés physiques ou chimiques sous vide bien connus des spécialistes. Il en résulte un recouvrement homogène sans effet de pointe sur les arêtes ou les pics de rugosité des pièces ferromagnétiques du relais. La présence du revêtement homogène de carbone type diamant DLC sur toutes les faces du relais constitue en combinaison avec la rugosité des surfaces polaires, une barrière efficace contre la corrosion. 17 2754933 REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'un relais de déclenchement électromagnétique à haute sensibilité, notamment pour un interrupteur ou disjoncteur de protection différentielle, ayant un circuit magnétique, polarisé par un aimant permanent (2) et portant une bobine de commande (16), ledit circuit magnétique en alliage de fer-nickel comprenant une armature fixe (1) et une palette mobile (8), ayant chacune une surface polaire (10,14) venant en accolement en position d'attraction de la palette par l'armature, procédé selon lequel: - la surface polaire (10) de l'armature (1) et la surface polaire (14) de la palette (8) sont soumises de la même manière à une finition de surface pour obtenir un coefficient de rugosité Ra supérieur ou égal à 0,03 micron, et inférieur à 0,5 micron, Ra étant la hauteur moyenne du profil au-dessus et au- dessous de la ligne moyenne, pour assurer un contact ponctuel par l'intermédiaire des pics entre les deux surfaces, - on revêt lesdites surfaces polaires (10,14) d'une couche protectrice à base de carbone amorphe d'une épaisseur inférieure ou égale à lmicron, caractérisé en ce que toutes les faces du circuit magnétique de l'armature (1) et de la palette (8) sont recouvertes par un revêtement homogène de carbone type diamant DLC, comprenant un mélange d'atomes de carbone en hybridation sp3 et sp2, ledit revêtement ayant une dureté Vickers comprise entre 30 et 70 GPa. 2.- Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement de carbone type diamant possède un coefficient de frottement réduit, de l'ordre de 0,10 sous une charge de 5N. 3.- Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le revêtement de carbone type diamant DLC est susceptible d'être enrichi sélectivement dans son épaisseur par des éléments chimiques spécifiques, notamment du fluor, du bore, du silicium ou de l'azote. 4.- Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le revêtement homogène de carbone type diamant sur le substrat fer nickel est effectué par des voies physiques ou chimiques de dépôts sous vide. 8 2754933 5.- Relais de déclenchement électromagnétique à haute sensibilité, notamment pour un interrupteur ou disjoncteur de protection différentielle, ayant un circuit magnétique, polarisé par un aimant permanent (2) et portant une bobine de commande (16), ledit circuit magnétique en alliage de fer-nickel, comprenant: - une armature fixe (1) et une palette mobile (8), ayant chacune une surface polaire (1,14) venant en accolement en position d'attraction de la palette par l'armature, - un revêtement à base de carbone amorphe d'une épaisseur inférieure ou égale à 1 micron, pour la protection contre la corrosion, - les surfaces polaires (10,14) de l'armature (1) et de la palette (8) présentant un coefficient de rugosité Ra supérieur ou égal à 0,03 micron et inférieur à 0,5 micron. caractérisé en ce que le revêtement protecteur est localisé sur toutes les faces du circuit magnétique de l'armature (1) et de la palette (8), et est constitué par une couche homogène de carbone type diamant DLC formé par un mélange d'atomes de carbone en hybridation sp3 et sp2. 6.- Relais de déclenchement électromagnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le revêtement de carbone type diamant DLC présente une dureté Vickers comprise entre 30 et 70 G Pa. 7.- Relais de déclenchement électromagnétique selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le revêtement de carbone type diamant DLC possède un coefficient de frottement de l'ordre de 0,10 sous une charge de 5N. 8.- Relais de déclenchement électromagnétique selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le revêtement de carbone type diamant DLC renferme de plus des éléments chimiques à base de fluor, de bore, de silicium ou d'azote.