Procédé pour obtenir une jonction soudée entre du carbone et un métal L'invention concerne un procédé pour ob tenir une jonction soudée entre du carbone et un métal.
Par carbone<B> ,</B> il faut comprendre le graphite, des carbones agglomérés non cristal lins et des mélanges de ces matières telles qu'elles sont offertes communément sous les désignations générales électro-graphite et carbone .
Selon l'invention, on lie le carbone et le métal à l'aide d'une couche intermédiaire d'un carbure et d'un traitement thermique. Le car bure peut être formé pendant le traitement thermique par une combinaison chimique entre le carbone et le métal ou entre le carbone et une couche de métal interposée entre les surfaces à joindre. Le carbure peut aussi être introduit entre les surfaces à joindre avant le traitement thermique ; il peut, par exemple, être sous forme de poudre.
Une couche de carbure peut être soudée au carbone pendant un traitement thermique préliminaire et le carbone ainsi traité est joint au métal par un traitement complémentaire. Ce traitement complémentaire peut consister en une soudure par point, une soudure usuelle ou une brasure. Le carbure peut être formé à partir d'une couche de métal sur la surface du carbone. De préférence, cette couche est sous la forme d'une poudre. Cette poudre peut comprendre, par exemple, un mélange de nickel et de molybdène, de fer et de molyb dène ou de cobalt et de molybdène.
Des compositions convenables de ces mélanges sont constituées par 50 % de nickel et 50 % de molybdène,
40 0/ô de fer et 60'% de molyb- dène ou 37 % de cobalt et 63'0/0 de molyb- dène, en poids.
La jonction soudée peut être effectuée -par un traitement thermique, soit sous vide; soit en atmosphère réductrice, soit en atmosphère inerte.
Onpeut empêcher une combinaison exces sive du carbone et du métal à joindre au car bone, en revêtant la surface de ce métal d'un autre métal qui absorbe moins de carbone. Ainsi, par exemple, quand on désire établir une bonne jonction conductrice de l'électricité entre un élément d'acier et un élément de car bone, on peut d'abord revêtir l'élément d'acier électrolytiquement d'un certain métal, par exemple de nickel, et effectuer ensuite une jonction soudée entre ce revêtement de nickel et le carbone par un moyen déjà exposé.
On décrira ci-après des exécutions parti- culières de l'invention en référence au dessin annexé, dans lequel la fig. 1 représente une microphotographie d'une jonction entre du nickel et du graphite ; et la fig. 2 représente une jonction au cuivre entre un élément d'acier et un élément de gra phite revêtu de carbure.
Le carbure utilisé dans les exemples repré sentés aux figures était formé à partir d'un mélange de nickel et de molybdène par combi naison chimique avec l'élément de graphite.
Un. besoin typique d'un procédé de jonc tion, comme on le décrit ici, se rencontre dans la technique des tubes à vapeur de mercure pour forts courants. Dans ce cas,- on éprouve de la difficulté à obtenir une jonction complète entre les électrodes de graphite et leurs bras supports d'acier. La vibration pendant le fonc tionnement et l'abrasion dans le montage pro voquent l'usure du graphite qui conduit à un contact électrique ne présentant pas une sécu rité complète.
Bien qu'on puisse résoudre par tiellement le problème au moyen d'une immo- bilisation mécanique par des écrous de blocage ou par des broches, ce moyen repose encore sur un joint à frottement entre graphite et métal qui est lui-même sujet à usure. Il est préférable d'avoir une jonction soudée entre le support de métal et le graphite.
Le traitement thermique particulier néces saire pour former un joint robuste entre une surface de graphite et une surface de métal par l'utilisation d'une jonction de carbure dé pend de la nature de-l'atmosphère, de la nature du métal et de la nature du carbure et varie selon que la couche de carbure est formée au préalable - ou est formée pendant l'opération assurant la jonction des éléments.
Une température plus élevée est nécessaire quand le carbure est formé à, partir d'une poudre de métal pendant l'opération de jonc tion, et cela favorise ainsi la diffusion du car bone. Les propriétés de l'élément de métal, en ce qui concerne son point de fusion et son taux d'absorption de carbone ainsi-que l'interdépen- dance de ces facteurs déterminent aussi la température. Le choix du traitement thermique, en ce qui concerne la température et la durée, est déterminé au mieux par l'expérience.
Le traitement thermique peut être effectué sous vide ou en atmosphère inerte ou réductrice, qui peut être une atmosphère d'hydrogène, de méthane, d'oxyde de carbone, etc. ; l'atmo sphère peut être un mélange de gaz inertes ou de gaz réducteurs, par exemple de l'ammo niac dissocié.
On peut souder de façon satisfaisante un disque ou -une anode de graphite à des pièces de nickel en utilisant un mélange en poudre contenant 50 % de nickel et 50'% de molyb- dène. La poudre de métal utilisée doit avoir une dimension de grain qui passe au tamis No 300 et pour son application doit être en suspension dans une quantité<U>minim</U>um de
liants organiques tels qu'une solution de nitrate de cellulose. Le disque ou l'anode de graphite pourrait, par exemple, présenter un diamètre de 19 mm et une longueur de 25 mm et être percé d'un trou borgne droit, conique ou fileté pour recevoir la pièce de nickel. Les surfaces de contact du graphite et du nickel doivent être revêtués de la suspension avant d'être réu nies et le tout doit être chauffé sous vide et maintenu à une température de 12609 C pen dant dix minutes. La jonction soudée est assu rée par la formation de carbure par l'absorp tion, par la poudre de métal, de carbone provenant du graphite.
Ce carbure forme entre le graphite et le nickel une jonction solide qui dans la plupart des cas peut être plus robuste que le graphite lui-même.
A la fig. 1, on a représenté une jonction entre le nickel et le graphite. La figure montre trois zones : la zone dense A est le graphite, la zone intermédiaire B est une zone de diffu sion de nickel-molybdène-carbone et la zone restante C est le nickel. Le carbone provenant du graphite se diffuse dans le mélange nickel molybdène pendant le traitement thermique pour former un carbure qui se soude à la fois au graphite et au nickel.
On , remarquera que le carbure pourrait avoir été formé au préalable et, après avoir été moulu en poudre, appliqué directement comme revêtement. En variante, on pourrait former le carbure sur la surface à joindre, sur chacun des deux éléments séparément ou sur le graphité seul, et assembler ensuite le tout; puis faire le traitement thermique pour effec tuer la jonction soudée. On a trouvé que des poudres de métaux purs sont des agents de jonction moins effi caces que les mélanges. Le nickel pur, le fer pur ou le molybdène pur forme un revêtement beaucoup moins uniforme que celui formé par des mélanges de fer, de molybdène et de nickel et présente une tendance à la , formation de globules.
Le choix d'un élément de métal à joindre directement au graphite par la formation d'une couche de carbure est limité par la facilité avec laquelle le métal dissout le carbone. Un mode de jonction qui a donné de bons résultats con siste. à revêtir la surface d'acier à joindre par du -nickel jusqu'à une épaisseur de 0;25 mm avant de faire la jonction, Un revêtement un peu plus mince de molybdène assure une pro tection semblable.
La fig. 2 représente une jonction entre une pièce d'acier et une pièce de carbone. Elle montre quatre zones distinctes : la zone dense <I>A</I> est le graphite, la zone<I>B</I> est la zone de dif fusion nickel-molybdène-carbone, la zone C est le cuivre, et la zone D, l'acier. Pour former cette jonction, on répand une poudre de nickel et de molybdène sur la surface du graphite et on chauffe ensuite le graphite pour provoquer la diffusion entre le carbone du graphite et la poudre de nickel-molybdène, avec la forma tion de carbure. Le graphite ainsi traité est ensuite réuni à l'acier par une brasure au cuivre.
On peut obtenir des jonctions satisfaisantes entre le molybdène et le graphite en utilisant une suspension de 50,% de nickel et de 50 0/0 de molybdène et en chauffant à 12800 C en atmosphère d'hydrogène ou sous vide pendant dix minutes. On peut faire des jonctions à des températures supérieures telles que 1340 C, mais la température inférieure est préférée, car il y a moins attaque, de la solution.
Un mélange en poudre de 60 % de molyb= dène et de 40 % de fer et une température de 13400 C permettent une formation satis- faisante dé carbure avec le graphite ;
il en est de même avec un agent de jonction composé de 63'% de molybdène et de 37 % de cobalt à une température d'environ 1310c) C.
On peut ajouter du carbone à l'un quel conque des mélanges en poudre pour favoriser une formation rapide du carbure en répartissant le carbone à travers le mélange en poudre.
Method for obtaining a welded junction between carbon and a metal The invention relates to a method for obtaining a welded junction between carbon and a metal.
By carbon <B>, </B> is meant graphite, agglomerated non-crystalline carbons and mixtures of such materials as are commonly offered under the general designations of electro-graphite and carbon.
According to the invention, the carbon and the metal are bonded using an intermediate layer of a carbide and a heat treatment. The carbide can be formed during the heat treatment by a chemical combination between the carbon and the metal or between the carbon and a layer of metal interposed between the surfaces to be joined. The carbide can also be introduced between the surfaces to be joined before the heat treatment; it can, for example, be in powder form.
A layer of carbide can be welded to carbon during a preliminary heat treatment and the carbon thus treated is joined to the metal by a further treatment. This additional treatment may consist of a spot weld, a usual weld or a solder. Carbide can be formed from a layer of metal on the surface of the carbon. Preferably, this layer is in the form of a powder. This powder can comprise, for example, a mixture of nickel and molybdenum, iron and molybdenum or cobalt and molybdenum.
Suitable compositions of these mixtures consist of 50% nickel and 50% molybdenum,
40% iron and 60% molybdenum or 37% cobalt and 63% molybdenum, by weight.
The welded junction can be carried out by heat treatment, or under vacuum; either in a reducing atmosphere or in an inert atmosphere.
An excessive combination of carbon and metal to be joined to carbon can be prevented by coating the surface of this metal with another metal which absorbs less carbon. Thus, for example, when one wishes to establish a good electrically conductive junction between a steel element and a carbon element, one can first electrolytically coat the steel element with a certain metal, for example. example of nickel, and then perform a welded junction between this nickel coating and the carbon by means already described.
Specific embodiments of the invention will be described below with reference to the accompanying drawing, in which FIG. 1 is a photomicrograph of a junction between nickel and graphite; and fig. 2 shows a copper junction between a steel member and a carbide coated graphite member.
The carbide used in the examples shown in the figures was formed from a mixture of nickel and molybdenum by chemical combination with the element of graphite.
A typical need for a splicing process, as described herein, is encountered in the high flow mercury vapor tube art. In this case, it is difficult to obtain a complete junction between the graphite electrodes and their steel support arms. Vibration during operation and abrasion in the assembly cause wear of the graphite which leads to an electrical contact which is not completely safe.
Although the problem can be solved partially by means of mechanical immobilization by locking nuts or pins, this means still relies on a friction seal between graphite and metal which is itself subject to wear. . It is better to have a welded junction between the metal backing and the graphite.
The particular heat treatment required to form a strong seal between a graphite surface and a metal surface through the use of a carbide junction depends on the nature of the atmosphere, the nature of the metal and the nature of the metal. nature of the carbide and varies depending on whether the carbide layer is formed beforehand - or is formed during the operation ensuring the junction of the elements.
A higher temperature is required when the carbide is formed from a metal powder during the joining operation, and thus promotes the diffusion of the carbon. The properties of the metal element, with respect to its melting point and rate of carbon uptake, and the interdependence of these factors also determine temperature. The choice of heat treatment, with respect to temperature and time, is best determined by experience.
The heat treatment can be carried out under vacuum or in an inert or reducing atmosphere, which can be an atmosphere of hydrogen, methane, carbon monoxide, etc. ; the atomosphere may be a mixture of inert gases or of reducing gases, for example dissociated ammonia.
A graphite disc or anode can be welded satisfactorily to pieces of nickel using a powder mixture containing 50% nickel and 50% molybdenum. The metal powder used must have a grain size that passes through a No. 300 sieve and for its application must be in suspension in a <U> minimum </U> um quantity of
organic binders such as a solution of cellulose nitrate. The graphite disc or anode could, for example, have a diameter of 19 mm and a length of 25 mm and be drilled with a straight, conical or threaded blind hole to receive the nickel piece. The contact surfaces of the graphite and the nickel must be coated with the slurry before being joined together and the whole must be heated under vacuum and maintained at a temperature of 12609 C for ten minutes. The welded junction is ensured by the formation of carbide by the absorption, by the metal powder, of carbon originating from the graphite.
This carbide forms a strong junction between graphite and nickel which in most cases can be stronger than graphite itself.
In fig. 1, there is shown a junction between the nickel and the graphite. The figure shows three zones: the dense zone A is the graphite, the intermediate zone B is a nickel-molybdenum-carbon diffusion zone and the remaining zone C is the nickel. The carbon from the graphite diffuses into the nickel molybdenum mixture during the heat treatment to form a carbide which welds to both graphite and nickel.
It will be appreciated that the carbide could have been formed beforehand and, after having been ground into a powder, applied directly as a coating. As a variant, one could form the carbide on the surface to be joined, on each of the two elements separately or on the graphite alone, and then assemble the whole; then do the heat treatment to effect the welded junction. Pure metal powders have been found to be less effective joining agents than mixtures. Pure nickel, pure iron or pure molybdenum forms a much less uniform coating than that formed by mixtures of iron, molybdenum and nickel and exhibits a tendency towards the formation of globules.
The choice of a metal element to be joined directly to the graphite by forming a layer of carbide is limited by the ease with which the metal dissolves carbon. A junction mode which has given good results is. to coat the steel surface to be joined with -nickel up to a thickness of 0.25 mm before making the junction. A slightly thinner coating of molybdenum provides similar protection.
Fig. 2 represents a junction between a piece of steel and a piece of carbon. It shows four distinct zones: the dense zone <I> A </I> is the graphite, the zone <I> B </I> is the nickel-molybdenum-carbon diffusion zone, the zone C is the copper, and zone D, steel. To form this junction, a nickel-molybdenum powder is spread over the surface of the graphite and the graphite is then heated to cause diffusion between the carbon of the graphite and the nickel-molybdenum powder, with the formation of carbide. The graphite thus treated is then joined to the steel by copper brazing.
Satisfactory junctions between molybdenum and graphite can be obtained by using a suspension of 50% nickel and 50% molybdenum and heating at 12800 ° C. in a hydrogen atmosphere or under vacuum for ten minutes. Junctions can be made at higher temperatures such as 1340 C, but the lower temperature is preferred, as there is less etching of the solution.
A powder mixture of 60% molyb = dene and 40% iron and a temperature of 13,400 C allow satisfactory formation of carbide with graphite;
it is the same with a joining agent composed of 63% molybdenum and 37% cobalt at a temperature of about 1310c) C.
Carbon can be added to any of the powder mixtures to aid rapid formation of the carbide by distributing the carbon throughout the powder mixture.