Procédé de compression à chaud et dispositif pour la mise en aeuvre du procédé La présente invention est relative à un procédé de compression à chaud de pièces métalliques, et à un dis positif pour la mise en oeuvre du procédé. Les pièces peuvent être de même composition ou de compositions différentes.
Il existe plusieurs processus c#tnus de compression à chaud de pièces métalliques en vue d'assurer leur jonction.
Dans une première classe de tels processus il est fait usage d'une presse. Cela introduit déjà un certain nom bre d'inconvénients: une presse est un engin coûteux, encombrant et dont les possibilités sont limitées: on ne peut pas comprimer des pièces de grande surface sans que les dimensions de la presse deviennent prohi bitives. Parmi ces techniques connues basées sur l'em ploi d'une presse citons celles qui suivent que nous en visagerons surtout sous l'angle de leurs applications au placage de plaques métalliques l'une sur l'autre.
Les plaques métalliques à joindre sont chauffées dans un four puis portées sous la presse assez rapide ment pour que leur température ne s'abaisse pas trop. La pression est ensuite exercée rapidement pour les pla quer l'une sur l'autre. Cette méthode a reçu divers per fectionnements en vue de protéger les métaux à plaquer contre l'oxydation qui empêche leur jonction. On peut, par exemple, enfermer les plaques métalliques dans une boîte où l'on entretient une atmosphère neutre ou réduc trice.
La boîte comporte un couvercle et un joint cons titué le plus souvent par une substance pulvérulente per mettant l'enfoncement du couvercle. Une tubulure per met d'introduire le gaz protecteur qui s'échappe soit par une seconde tubulure, soit à travers la matière pulvé rulente du joint. Les plaques à joindre sont empilées dans la boîte avec, au besoin, des couches intercalaires de corps tels que l'amiante, le graphite, la magnésie, ...
pour éviter la soudure de certaines surfaces lorsqu'on désire effectuer plusieurs placages en une seule opéra- tion. La boîte et son contenu sont chauffés dans un four, puis poussés rapidement sous une presse où l'on applique la pression voulue.
Dans une autre version, le piston et la semelle de la presse sont enfermés dans une chambre de placage qui comporte une section en dehors de la presse, où les pla ques à unir sont chauffées par exemple par induction grâce à une self. La chambre de placage est étanche et on peut y entretenir une atmosphère neutre ou réduc trice ou même y faire le vide.
Là aussi les pièces à joindre sont poussées sur la presse par un poussoir lorsqu'elles ont atteint la tempé rature convenable.
Ces techniques connues ont pour trait commun d'ap pliquer la pression après que les pièces à joindre ont été chauffées. Elles présentent de ce fait un grave man que à gagner. On sait en effet qu'un métal peut se pré senter sous deux états à la température ambiante: l'état stable, cristallisé, appelé encore état recuit, et l'état écroui, état métastable où le réseau cristallin a été per turbé par des déformations mécaniques. Le passage de l'état métastable à un état de plus grande stabilité ther modynamique s'effectue par chauffage au-dessus d'une certaine température appelée température de restaura tion, qui précède la température de recristallisation pro prement dite.
Au cours de ces transitions les atomes jouissent d'une mobilité accrue qui permet aux liaisons interatomiques de s'établir entre atomes voisins. Ces circonstances sont donc très favorables. au soudage de pièces métalliques dont les atomes superficiels ont été rapprochés par pression. Presser d'abord deux métaux écrouis ou, à la rigueur, un métal écroui et un métal recuit l'un contre l'autre et les chauffer ensuite au moins jusqu'à la température de restauration permet donc de les souder à température plus basse et/ou sous une pression moins élevée que lorsqu'on les a d'abord chauffés donc restaurés et pressés ensuite. L'opération est ainsi plus facile, plus économique et entraîne moins de déformations par fluage.
On peut dire que l'écrouis- sage active la jonction des métaux - on dirait le frittage dans le cas ou ces métaux se présentent sous forme de poudres.
Un autre moyen connu auquel on a recours pour activer la jonction ou le frittage est d'employer une phase liquide. Par exemple on peut interposer une feuille d'un alliage fusible, une brasure, entre deux pla ques à joindre, chauffer jusqu'à ce que cette brasure fonde et appliquer la pression en utilisant l'une ou l'au tre des techniques décrites.
Dans bien des cas, on préfère éviter l'usage de bra sures, en particulier lorsque les métaux, après leur pla cage, doivent être laminés, étirés ou emboutis avec trai tements thermiques intermédiaires. La brasure peut avoir des propriétés mécaniques indésirables, elle peut aussi par la diffusion de certains de ses éléments ou par sa fusion gêner considérablement les traitements thermi ques.
Pour bénéficier des avantages de la restauration les pièces à plaquer à l'état écroui sont donc empilées sous la presse et on ne commence à les chauffer qu'après leur avoir appliqué la pression.
La presse doit donc être équipée avec un four où l'on peut d'ailleurs entretenir une atmosphère neutre ou réductrice, au sein d'une enceinte. L'opération pré sente l'inconvénient d'être assez lente car le flux thermi que émis par le four n'atteint les pièces à chauffer que par leur périphérie et la transmission de la chaleur à cceur. par conductibilité, n'est pas rapide. Il est diffi cile en outre d'éviter des pertes de chaleur importantes, par conductibilité, dans la presse. Avec cette presse, on applique la pression à toute la surface à comprimer, en un seul temps.
Dans la deuxième classe de techniques connues, la pression est appliquée à des portions successives de la surface. Cela permet, en particulier. d'obtenir des dou blés de grandes dimensions par laminage à chaud. Par exemple les plaques à joindre sont assemblées de ma nière à former, par soudure des bords, une sorte de sac où l'on petit faire le vide ou envoyer un gaz neutre ou réducteur par une tubulure. Après chauffage de ce sand wich on le lamine à chaud.
Le but de l'invention est de substituer aux procédés connus décrits ci-dessus un procédé plus simple par le matériel et la technique qu'il met en oeuvre et présen tant en outre des possibilités nouvelles.
En particulier elle vise à permettre l'application de pressions développées par dilatation à des pièces de for mes quelconques, planes par exemple, en évitant la né cessité des presses ou des laminoirs à chaud, de sorte que les dimensions des pièces à traiter ne sont limitées que par celles des enceintes de chauffage qui peuvent être des fours classiques dans lesquels la chaleur est transmise aux pièces à traiter par toute leur surface.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on dispose les pièces à comprimer entre des mors à coefficient de dilatation relativement élevé, on serre l'en semble dans une enveloppe en un métal de coefficient de dilatation relativement bas et on développe des forces de pression, par chauffage de l'ensemble.
Le dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux mors à coefficient de dilatation relative ment élevé mais peu sensibles au fluage entre lesquels les pièces seront comprimées, de forme adaptée à la forme desdites pièces et à la répartition désirée des pres sions sur ces pièces, et une enveloppe en un métal éga lement peu sensible au fluage et de coefficient de dila tation relativement bas, dans laquelle lesdits mors sont serrés, le dispositif étant muni de moyens de chauffage.
L'invention sera mieux comprise à l'aide du com plément de description ci-après et des dessins ci-annexés. La fig. 1 est une vue en perspective avec coupe par tielle d'un dispositif selon l'invention ; la fi-. 2 est une vue en coupe transversale du dis positif de la fig. 1 dans lequel les mors comportent des cavités ; la fig. 3 est une vue en coupe transversale du dispo sitif de la fig. 1 comportant seulement deux plaques à solidariser ; la fi,-. 4 est une vue en perspective cavalière d'un dispositif d'enroulement de l'enveloppe; la fia. 5 est une vue en perspective cavalière d'un mode de mise en oeuvre du dispositif de la fig. 1 ;
la fig. 6 est une vue en coupe transversale d'un dis positif selon l'invention à quatre mors pour le placage de contacts électriques ; la fi-. 7 est une vue en coupe transversale d'un dis positif conforme à l'invention pour l'incrustation d'une bande de métal dans un support, et la fig. 8 est une vue en coupe transversale d'un dis positif conforme à l'invention pour le soudage de pièces de formes diverses.
Dans le dispositif qui va être décrit maintenant, on ne fait plus usage de presse ni de laminoir, mais on a seulement recours à des forces de pression développées par dilatation thermique.
Si l'on assujettit étroitement une pièce cylindrique dans un tube fait d'un métal moins dilatable, lorsqu'on chauffe, des pressions qui peuvent être très élevées s'exercent entre les deux pièces et le placage peut avoir lieu.
Lorsque le noyau est moins dilatable que le tube, on recourt à l'artifice qui consiste à user d'une enveloppe d'un troisième métal moins dilatable que les deux autres. L'enveloppe peut être un tube serti ou fretté sur l'as semblage du noyau et du tube.
La fig. 1 concerne le cas du placage de deux pla ques métalliques l'une sur l'autre. On a représenté le cas de l'assemblage de deux couples de plaques: 23 avec 24, 25 avec 26. Bien entendu, il pourrait n'y avoir qu'un couple de plaques ou plus de deux; les métaux ou allia ges qui constituent les pièces à assembler peuvent être identiques ou ne pas l'être. Ainsi le métal 23 et le métal 24 d'une part, le métal 25 et le métal 26 d'autre part, peuvent être de même nature ou différents, le métal 23 et le métal 25 d'une part, le métal 24 et le métal 26 d'au tre part peuvent être identiques ou différents, etc. ; en outre, les coefficients de dilatation des divers métaux à assembler peuvent être quelconques.
La fig. 1 représente donc schématiquement : 23 et 24, 25 et 26 les plaques à assembler, 27 une couche d'une matière telle que l'amiante, le graphite, la magnésie, l'alumine, etc., ou une simple feuille de papier qui lais sera un dépôt de carbone par pyrogénation. Cette cou che est destinée à empêcher la jonction entre les plaques 24 et 26. Les pièces 28 sont deux pièces, métalliques ou non, de forme appropriée. Elles seront désignées sous le nom de mors, 29 désigne une enveloppe métallique qui serre l'ensemble. Ce peut être une pièce tubulaire conti- nue, mais il est souvent plus commode que ce soit un fil ou une bande métallique, enroulée à spires, jointives ou non, et fixée aux extrémités.
Il est souvent souhaitable, bien que ce ne soit pas représenté sur la fig. 6, qu'il y ait entre les pièces 28 et 29 une couche d'une matière telle que 27 ainsi qu'entre les mors et les pièces à pla quer. Le métal de l'enveloppe 29 doit avoir un coeffi cient de dilatation inférieur à celui de la matière des mors 28. Ainsi, lorsque l'ensemble sera chauffé, une pression sera-t-elle engendrée et transmise aux pièces à plaquer.
Les mors 28 ,peuvent être évidés ainsi que le repré sente la fig. 8. Cela permet de transmettre plus rapide ment et plus uniformément la chaleur. On peut d'ailleurs loger dans ces évidements 30 des sources de chaleur telles que des résistances chauffantes et créer des gra dients de température dont les effets sur la dilatation peuvent se composer avec ceux qui résultent des diffé rences entre les coefficients de dilatation.
La fig. 4 montre d'une manière un peu moins sché matique que la fig. 1, comment effectuer un montage dans le cas où l'enveloppe 29 est constituée par un fil qu'on enroule au moyen d'un tour d'axe 31 avec une tension 32 déterminée et constante appliquée sur la pou lie 33. Il s'agit là d'un simple exemple. On peut imagi ner bien d'autres dispositifs. Le chauffage exercera ce double effet de développer la pression nécessaire au placage et d'atteindre la température où ce placage peut avoir lieu.
La grandeur de la pression appliquée peut être ré glée, compte tenu de la dilatation propre des pièces à plaquer, par les dilatations de l'enveloppe et des mors, par leurs dimensions, par des éléments interposés tels que des plaques d'amiante, par le serrage initial de l'en veloppe 29, serrage très facile à mesurer et à maintenir constant lorsque l'enveloppe est constituée par un fil ou une bande enroulée sous tension.
Le calcul précis de la pression exercée est difficile car il devrait faire intervenir des données que l'on con- nait mal telles que le fluage des divers composants de l'ensemble, le glissement du cerclage métallique sur les mors, la microgéométrie des surfaces à joindre. Quels que soient les soins apportés au dressage de ces der nières en effet, elles ne sont en contact les unes avec les autres que par points, en l'absence d'une phase liquide. C'est en ces points que s'effectue d'abord la jonction lorsque la température s'élève puis ces points deviennent des surfaces de jonction qui s'étendent grâce au fluage qu'entraîne la pression et grâce aux phénomènes de dif fusion qui sont à l'origine du frittage.
En première approximation et d'une manière très élémentaire on peut effectuer un calcul simple ne serait- ce que pour mieux dessiner le profil des mors.
Considérons par exemple (fig. 3) une section 34 très étroite, perpendiculaire aux plaques 35 et 36 à joindre, correspondant à une aire ds sur la surface de jonction de deux plaques. Soient el l'épaisseur du cerclage et al son coefficient de di latation moyen dans l'intervalle de température consi déré. Soient L et u. les valeurs correspondantes pour les mors.
13 et a3 les valeurs correspondantes pour la plaque 35. 14 et a. les valeurs correspondantes pour la plaque 36. Soient A T l'augmentation de température entre la température où a été effectué le cerclage et T la tempé rature où l'on opère la jonction. La force appliquée sur la section ds est fonction de la dilatation différentielle (2 1, a#, -t- 13 a3 -f- 14 al -2 11 al) 0 T des modules d'élasticité et des fluages de chacun des constituants de l'ensemble.
On a intérêt à ce que la pression ne soit pas trop mal répartie sur la surface de jonction, autrement dit à ce que la pression sur l'aire ds soit la même quel que soit l'emplacement de cette aire dans la surface de jonction.
Pour cela, si l'on considère la surface de jonction comme divisée en tranches d'aires ds, chacune de ces tranches peut être considérée comme indépendante des autres tranches et on pourrait ainsi calculer des mors compo sites formés de divers éléments dont les formes, les coef ficients de dilatation, les modules d'élasticité et les carac téristiques de fluage seraient tels que la pression soit la même sur chaque aire ds. Sans aller jusqu'e-là disons qu'il est préférable d'éviter qu'il y ait des parties trop amincies des mors où le placage risquerait d'être défec tueux, sur les bords par exemple, d'où l'utilité des tron- catures telles que 37.
Voici, à titre d'exemple, comment peut être effectué le montage représenté aux fig. 1 à 4.
Comme on le voit sur la fig. 5, chacun des mors 4 est prolongé à chaque extrémité par un goujon 38. On empile d'abord les plaques 35 et 36 à plaquer, en duites au besoin d'une couche isolante sur les faces que l'on ne veut pas souder, et les mors 28. Le paquet ainsi constitué, que nous appellerons une presse, est serré dans un étau 39 afin de pouvoir mettre en place à chaque ex trémité des pièces 40 qui l'immobiliseront grâce aux écrous 41, quand il ne sera plus serré. On peut alors le monter sur un tour et enrouler le fil ou le ruban métal lique avec la tension désirée.
Pour effectuer le placage, il y a plusieurs possibili tés : si on dispose d'un four à vide ou d'un four à atmo sphère convenable, les presses y sont introduites pour y être portées à la température voulue, pendant le temps voulu, comme n'importe quelle pièce à traiter. L'emploi d'un four à passage, lorsqu'on a de grandes séries de pla cages à effectuer, convient particulièrement bien.
Si on ne dispose pas de four à atmosphère, et si les métaux à plaquer sont oxydables, chaque paquet pressé peut tout simplement être enfermé dans un tube étanche où l'on crée l'atmosphère désirée par introduction d'un gaz ou d'un corps capable de fixer l'oxygène et que l'on met: ensuite dans le four.
L'invention peut s'appliquer aux diverses techniques de placage: placage en phase solide de faces écrouies oa non, placage aussi avec l'intermédiaire d'une phase li quide créée par une soudure ou par une brasure inter posée entre les faces à joindre.
Les indications qui suivent constituent quelques cas d'application de l'invention A Placage d'un alliage d'or 15 carats rose sur cu- pronickel à 55 0/o de cuivre.
L'alliage d'or a pour composition Or 625 %ao en poids Argent 10 %o en poids Cuivre 300 %o en poids Nickel 10 %o en poids Zinc 55 %o en poids Les plaques d'or ont pour épaisseur<B>:</B> 2,16 mm et les plaques de cupronickel : 7 mm. Au départ, elles sont écrouies par laminage. Les faces à joindre sont soigneu sement dressées puis nettoyées. Le montage est celui des fig. 7 à 10 avec deux couples de plaques à joindre. Sur la fi-. 7, 23 et 25 désigneraient les plaques de cupro- nickel, 24 et 26 désigneraient les plaques d'or; 27 dési gnerait une plaque d'amiante.
Les mors 28 sont en alliage cuivre-aluminium. L'en veloppe 29 est réalisée avec un fil d'alliage fer-nickel- chrome de 1,5 mm de diamètre enroulé sous une tension d'environ 5 kg. Les coefficients de dilatation ont pour valeur Cupro-aluminium des mors: 21 X 10-0 Or rose 15 carats: 19,4 X 10-0 Cupronickel : 14,9 X 10-0 Fer-nickel-chrome: 17 X 10-0 Une série de presses ainsi réalisées est placée dans un four à vide où l'on atteint progressivement la tempé rature de 800 C. Après avoir maintenu cette tempéra ture pendant une 1/s h on laisse refroidir et on retire les paquets de plaqués métalliques.
Les fils de fer-nickel- chrome sont coupés ou déroulés. On obtient ainsi des couples de plaques d'or et de cupronickel parfaitement unies les unes aux autres, que l'on peut laminer, embou tir, etc.. sans qu'elles se séparent.
B Préparation de triplé<B> </B> or sur bronze. L'alliage d'or est un or 14 carats jaune sur un bronze appelé chrysocale dont voici la composition Or: 580 % en poids A-: 53 % en poids Cu : 272 % en poids Ni: 2 % en poids Zn : 93 % en poids Le montage est le même que celui de l'exemple pré cédent. On opère dans un four à atmosphère d'azote contenant une faible proportion d'hydrogène. La tempé rature atteinte est de 7'70 C.
C Placage d'une feuille d'or 12 carats sur acier inoxydable ferritique à 17 0/o de chrome. L'alliage d'or a pour composition Or: 500 0,ôo en poids Ag : 35 %o en poids Cu: 420 %o en poids Zn : 30 0,ôo en poids Cd : 15 %o en poids La face de la plaque d'acier à recouvrir d'or à 12 carats est d'abord revêtue, par électrolyse, d'une cou che d'argent de 20#t d'épaisseur.
Le montage est le même que celui des exemples pré cédents. Le placage est effectué dans un four à vide à 800p C.
D Préparation de doublé, dit edge lay , pour con tacts électriques.
La<U>fi-.</U> 12 montre schématiquement le montage réa lisé.
Il s'agit de plaquer de l'argent 42 en bout de plaques de bronze phosphoreux 43. On utilise quatre mors dont deux, 44 servent à main tenir l'empilement, et les deux autres 45 à assurer le pla cage. Celui-ci a lieu à 750 C sous vide ou sous atmo sphère protectrice. Après laminage, on obtient des ban des minces, élastiques, dans lesquelles or. peut découper à la presse des contacts dont le corps est constitué par le bronze et les faces de contact par l'argent.
E Préparation de doublé, dit on lay , pour con tacts électriques.
Il s'agit d'incruster une bande d'argent dans une plaque de bronze pour obtenir après laminage, comme dans l'exemple précédent, des bandes où l'on puisse dé couper des ressorts de contacts.
La fig. 13 montre schématiquement comment opérer. La bande d'argent 46 est posée sur une plaque de bronze 47 entre deux autres plaques de bronze 48. Les surfaces de bronze à joindre peuvent être argentées ou bien on peut interposer entre elles une mince feuille d'argent ou d'alliage cuivre-argent. Les petits mors latéraux 49 ser vent à maintenir l'ensemble et les mors principaux 50 à assurer le placage. Celui-ci a lieu à 750 C sous vide ou sous atmosphère protectrice.
F Soudage de contacts argent 60 0/0 - carbure de tungstène 40 0/o sur des supports en cuivre obtenus par métallurgie des poudres.
Les supports en cuivre sont posés les uns à côté des autres sur le mors inférieur avec interposition de matière isolante, ainsi que le montre la fig. 14. Les contacts 51 dont la densification peut ne pas être complète sont mis en place grâce à un logement ménagé dans les supports en cuivre 52. Les mors 53 ont un profil adapté à la forme des pièces à joindre. La soudure est effectuée à 7500 C dans une atmosphère d'ammoniac craqué. En même temps les contacts se trouvent densifiés par compression à chaud.
Il convient en outre de remarquer que dans la re cherche de métaux à coefficient de dilatation élevé, pour constituer les mors, on se heurte à une difficulté dès que l'on désire opérer le placage sous pression élevée au- dessus de<B>6000</B> C.
En effet, les coefficients de dilatation des métaux et leur tendance au fluage sont très souvent liés à leurs points de fusion. Malheureusement, à un bas point de fusion est associé un coefficient de dilatation élevé et un fluage élevé; les métaux dilatables recherchés présen tent donc un fluage excessif qui les fait écarter. On voit donc tout l'intérêt que présentent les métaux mis au point pour usages à haute température:
ceux qui sont durcissables par précipitation et, mieux encore, ceux qui sont renforcés par dispersion d'une phase réfractaire tels que l'aluminium S.A.P. , le nickel T.D. de Dupont de Nemours , le cuivre renforcé par de l'alumine, etc.
Le procédé conforme à l'invention est bien adapté au chauffage par induction. La presse à chauffer peut être placée dans un tube étanche, en silice par exemple, où règne l'atmosphère désirée, la self étant enroulée sur ce tube. Il faut utiliser des courants à basse fréquence pour éviter que, par effet pelliculaire, le cerclage en fil métallique ne soit chauffé préférentiellement.
On peut enfin donner le tableau suivant des maté riaux utilisables pour les mors et les enveloppes
EMI0005.0000
Coefficient <SEP> Charge <SEP> de <SEP> rupture
<tb> Métal <SEP> Composition <SEP> de <SEP> dilatation <SEP> X <SEP> 106 <SEP> à <SEP> 800 <SEP> C <SEP> en <SEP> kg/mm=
<tb> Acier <SEP> doux <SEP> C <SEP> :
<SEP> 0,06 <SEP> à <SEP> 0,15 <SEP> 0/0 <SEP> 13,6 <SEP> 4
<tb> <SEP> Monel <SEP> <SEP> Ni <SEP> 67 <SEP> 0/0, <SEP> Cu <SEP> 30 <SEP> Fe <SEP> 3 <SEP> 0/0 <SEP> 16,6 <SEP> 10,2
<tb> Nickel <SEP> Ni <SEP> 99,5 <SEP> 0/o <SEP> 15,6 <SEP> 15.4
<tb> <SEP> Inconel <SEP> Ni <SEP> 76 <SEP> 0/0, <SEP> Cr <SEP> 15 <SEP> 0/0, <SEP> Fe <SEP> 9 <SEP> 0/0 <SEP> 16,1 <SEP> 18,3
<tb> <SEP> Nichrome <SEP> <SEP> Ni <SEP> 80 <SEP> 0/0, <SEP> Cr <SEP> 20 <SEP> 0/0 <SEP> 17 <SEP> 29
<tb> Cuivre <SEP> 21
<tb> Ni <SEP> renforcé <SEP> Ni <SEP> -I- <SEP> 5,58 <SEP> 0/o <SEP> (Volume) <SEP> AL,O.; <SEP> 15 <SEP> 26 L'utilisation des pressions développées par dilatation pour des pièces de formes quelconques par exemple planes et non pas seulement cylindriques, entraîne de grands avantages :
les presses ou les laminoirs à chaud ne sont plus nécessaires et les dimensions des pièces plaquées ne sont limitées que par celles des enceintes de chauffage. Celles-ci peuvent être des fours classiques, bien calorifugés, où la chaleur est transmise aux pièces à traiter par toute leur surface.
Hot Compression Process and Device for Implementing the Process The present invention relates to a hot compression process for metal parts, and to a positive device for implementing the process. The parts can be of the same composition or of different compositions.
There are several c # tnus hot pressing processes of metal parts to ensure their junction.
In a first class of such processes use is made of a press. This already introduces a certain number of drawbacks: a press is an expensive, bulky machine, the possibilities of which are limited: it is not possible to compress large surface parts without the dimensions of the press becoming prohi bitive. Among these known techniques based on the use of a press, let us cite those which follow, which we will consider above all from the angle of their applications to the plating of metal plates one on the other.
The metal plates to be joined are heated in an oven and then brought to the press quickly enough so that their temperature does not drop too much. Pressure is then exerted quickly to press them onto each other. This method has received various improvements in order to protect the metals to be plated against oxidation which prevents their joining. It is possible, for example, to enclose the metal plates in a box in which a neutral or reducing atmosphere is maintained.
The box has a cover and a gasket most often made up of a powdery substance allowing the cover to be pushed in. A tubing allows the introduction of the protective gas which escapes either through a second tubing or through the loose material of the seal. The plates to be joined are stacked in the box with, if necessary, intermediate layers of bodies such as asbestos, graphite, magnesia, ...
to avoid the welding of certain surfaces when it is desired to perform several veneers in a single operation. The can and its contents are heated in an oven, then quickly pushed under a press where the desired pressure is applied.
In another version, the piston and the sole of the press are enclosed in a plating chamber which has a section outside the press, where the plates to be joined are heated for example by induction using a choke. The plating chamber is sealed and it is possible to maintain a neutral or reducing atmosphere therein or even to evacuate it.
Here too the parts to be joined are pushed onto the press by a pusher when they have reached the suitable temperature.
A common feature of these known techniques is that they apply pressure after the parts to be joined have been heated. They therefore present a serious drawback. We know in fact that a metal can present itself in two states at ambient temperature: the stable, crystallized state, also called the annealed state, and the hardened state, a metastable state where the crystal lattice has been disturbed by mechanical deformations. The transition from the metastable state to a state of greater thermodynamic stability is effected by heating above a certain temperature called the restoration temperature, which precedes the actual recrystallization temperature.
During these transitions the atoms enjoy increased mobility which allows interatomic bonds to be established between neighboring atoms. These circumstances are therefore very favorable. welding of metal parts whose surface atoms have been brought together by pressure. Pressing first two hardened metals or, in a pinch, a hardened metal and an annealed metal against each other and then heating them at least to the restoration temperature therefore allows them to be welded at a lower temperature and / or under a lower pressure than when they were first heated and therefore restored and then pressed. The operation is thus easier, more economical and results in less deformation by creep.
It can be said that hardening activates the joining of metals - one would say sintering in the case where these metals are in the form of powders.
Another known means which is used to activate the junction or the sintering is to use a liquid phase. For example, it is possible to interpose a sheet of a fusible alloy, a solder, between two plates to be joined, heat until this solder melts and apply pressure using one or the other of the techniques described.
In many cases, it is preferred to avoid the use of brakes, in particular when the metals, after their plating, must be rolled, drawn or stamped with intermediate heat treatments. The solder can have undesirable mechanical properties, it can also by the diffusion of some of its elements or by its fusion considerably hamper the heat treatments.
To benefit from the advantages of restoration, the parts to be plated in the hardened state are therefore stacked under the press and they are not heated until after applying pressure to them.
The press must therefore be equipped with an oven where one can also maintain a neutral or reducing atmosphere, within an enclosure. The operation has the drawback of being fairly slow because the heat flow emitted by the oven only reaches the parts to be heated through their periphery and the transmission of heat to the core. by conductivity, is not fast. It is also diffi cult to avoid significant heat losses, by conductivity, in the press. With this press, the pressure is applied to the entire surface to be compressed, in one step.
In the second class of known techniques, pressure is applied to successive portions of the surface. This helps, in particular. to obtain large dimension doubles by hot rolling. For example, the plates to be joined are assembled in such a way as to form, by welding the edges, a sort of bag where one can create a vacuum or send a neutral or reducing gas through a pipe. After heating this sand wich it is hot rolled.
The aim of the invention is to replace the known methods described above with a simpler method by means of the equipment and the technique which it implements and also presents new possibilities.
In particular, it aims to allow the application of pressures developed by expansion to parts of any shape, flat for example, avoiding the need for presses or hot rolling mills, so that the dimensions of the parts to be treated are not limited only by those of the heating enclosures which may be conventional ovens in which the heat is transmitted to the parts to be treated over their entire surface.
The method according to the invention is characterized in that the parts to be compressed are placed between jaws with a relatively high coefficient of expansion, the assembly is clamped in a casing made of a metal with a relatively low coefficient of expansion and one develops pressure forces, by heating the assembly.
The device is characterized in that it comprises at least two jaws with a relatively high coefficient of expansion but not very sensitive to creep between which the parts will be compressed, of shape adapted to the shape of said parts and to the desired distribution of the pressures on these parts, and a casing made of a metal which is also insensitive to creep and has a relatively low coefficient of expansion, in which said jaws are clamped, the device being provided with heating means.
The invention will be better understood with the aid of the additional description below and the accompanying drawings. Fig. 1 is a perspective view with partial section of a device according to the invention; the fi-. 2 is a cross-sectional view of the positive device of FIG. 1 in which the jaws have cavities; fig. 3 is a cross-sectional view of the device of FIG. 1 comprising only two plates to be joined; the fi, -. 4 is an isometric perspective view of a device for winding the envelope; the fia. 5 is an isometric perspective view of an embodiment of the device of FIG. 1;
fig. 6 is a cross-sectional view of a positive device according to the invention with four jaws for plating electrical contacts; the fi-. 7 is a cross-sectional view of a positive device according to the invention for embedding a metal strip in a support, and FIG. 8 is a cross-sectional view of a positive device according to the invention for welding parts of various shapes.
In the device which will be described now, use is no longer made of a press or of a rolling mill, but only recourse is had to pressure forces developed by thermal expansion.
If a cylindrical part is tightly secured in a tube made of a less expandable metal, upon heating, pressures which can be very high are exerted between the two parts and plating can take place.
When the core is less expandable than the tube, resort is made to the trick which consists in using a casing of a third metal which is less expandable than the other two. The casing may be a tube crimped or wrapped over the core and tube assembly.
Fig. 1 relates to the case of the plating of two metal plates one on the other. The case of the assembly of two pairs of plates has been shown: 23 with 24, 25 with 26. Of course, there could be only one pair of plates or more than two; the metals or alloys which constitute the parts to be assembled may or may not be identical. Thus the metal 23 and the metal 24 on the one hand, the metal 25 and the metal 26 on the other hand, can be of the same nature or different, the metal 23 and the metal 25 on the one hand, the metal 24 and the metal 26 on the other hand may be identical or different, and so on. ; furthermore, the expansion coefficients of the various metals to be joined can be any.
Fig. 1 therefore represents schematically: 23 and 24, 25 and 26 the plates to be assembled, 27 a layer of a material such as asbestos, graphite, magnesia, alumina, etc., or a simple sheet of paper which lais will be a deposit of carbon by pyrogenation. This layer is intended to prevent the junction between the plates 24 and 26. The parts 28 are two parts, metallic or not, of suitable shape. They will be designated under the name of jaws, 29 designates a metal envelope which clamps the assembly. It can be a continuous tubular part, but it is often more convenient for it to be a wire or a metal strip, wound in turns, contiguous or not, and fixed at the ends.
It is often desirable, although not shown in fig. 6, that there is between the parts 28 and 29 a layer of a material such as 27 as well as between the jaws and the parts to be plated. The metal of the casing 29 must have an expansion coefficient lower than that of the material of the jaws 28. Thus, when the assembly is heated, a pressure will be generated and transmitted to the parts to be plated.
The jaws 28 can be hollowed out as shown in fig. 8. This allows heat to be transmitted faster and more evenly. It is moreover possible to accommodate in these recesses 30 heat sources such as heating resistances and to create temperature gradients whose effects on the expansion can be combined with those which result from the differences between the coefficients of expansion.
Fig. 4 shows in a slightly less dry manner than in FIG. 1, how to perform an assembly in the case where the casing 29 is formed by a wire which is wound by means of a turn of the axis 31 with a determined and constant tension 32 applied to the pulley 33. It s' this is just an example. One can imagine many other devices. The heating will have the double effect of developing the pressure necessary for the plating and reaching the temperature where this plating can take place.
The magnitude of the applied pressure can be adjusted, taking into account the specific expansion of the parts to be plated, by the expansion of the casing and of the jaws, by their dimensions, by interposed elements such as asbestos plates, by the initial tightening of the envelope 29, tightening very easy to measure and to maintain constant when the envelope is constituted by a wire or a strip wound under tension.
The precise calculation of the exerted pressure is difficult because it would have to involve data which one does not know well such as the creep of the various components of the assembly, the sliding of the metal strapping on the jaws, the microgeometry of the surfaces to join. Whatever care is taken in training the latter in fact, they are in contact with each other only at points, in the absence of a liquid phase. It is at these points that the junction takes place first when the temperature rises and then these points become junction surfaces which extend thanks to the creep caused by the pressure and thanks to the diffusion phenomena which are at the origin of sintering.
As a first approximation and in a very elementary way, a simple calculation can be carried out if only to better draw the profile of the jaws.
Consider for example (fig. 3) a very narrow section 34, perpendicular to the plates 35 and 36 to be joined, corresponding to an area ds on the junction surface of two plates. Let el be the thickness of the strapping and al its mean coefficient of expansion over the temperature interval considered. Let L and u. the corresponding values for the jaws.
13 and a3 the corresponding values for plate 35. 14 and a. the corresponding values for plate 36. Let A T be the temperature increase between the temperature where the strapping was performed and T the temperature where the junction is made. The force applied to the section ds is a function of the differential expansion (2 1, a #, -t- 13 a3 -f- 14 al -2 11 al) 0 T of the elastic moduli and creeps of each of the constituents of l 'together.
It is advantageous that the pressure is not too badly distributed over the junction surface, in other words so that the pressure on the area ds is the same regardless of the location of this area in the junction surface.
For this, if we consider the junction surface as divided into slices of areas ds, each of these slices can be considered as independent of the other slices and we could thus calculate composite jaws formed of various elements whose shapes, the coefficients of expansion, the moduli of elasticity and the creep characteristics would be such that the pressure is the same over each area ds. Without going that far, let's say that it is preferable to avoid having too thinned parts of the jaws where the veneer could be defective, on the edges for example, hence the usefulness of the jaws. truncations such as 37.
Here is, by way of example, how the assembly shown in FIGS. 1 to 4.
As seen in fig. 5, each of the jaws 4 is extended at each end by a pin 38. The plates 35 and 36 to be pressed are first stacked, in picks if necessary with an insulating layer on the faces that one does not want to weld, and the jaws 28. The package thus formed, which we will call a press, is clamped in a vice 39 in order to be able to put in place at each end parts 40 which will immobilize it thanks to the nuts 41, when it is no longer tight. . It can then be mounted on a lathe and wound the wire or the metal tape with the desired tension.
To carry out the plating, there are several possibilities: if there is a vacuum furnace or a suitable atmospheric furnace, the presses are introduced there to be brought to the desired temperature, for the required time, like any room to be treated. The use of a pass-through furnace, when there are large series of cages to be made, is particularly suitable.
If there is no atmosphere furnace, and if the metals to be plated are oxidizable, each squeezed package can simply be enclosed in a sealed tube where the desired atmosphere is created by the introduction of a gas or a body capable of fixing oxygen and which is then placed in the oven.
The invention can be applied to various plating techniques: solid phase plating of cold-hardened faces, also plating with the intermediary of a liquid phase created by a weld or by a solder interposed between the faces to be joined. .
The indications which follow constitute some cases of application of the invention. Plating of a 15 carat rose gold alloy on cupronickel containing 55 0 / o copper.
The gold alloy has the composition Gold 625% ao by weight Silver 10% o by weight Copper 300% o by weight Nickel 10% o by weight Zinc 55% o by weight The gold plates have a thickness of <B> : </B> 2.16 mm and the cupronickel plates: 7 mm. At the start, they are hardened by rolling. The faces to be joined are carefully prepared and then cleaned. The assembly is that of fig. 7 to 10 with two pairs of plates to join. On the fi-. 7, 23 and 25 would designate the cupro-nickel plates, 24 and 26 would designate the gold plates; 27 would designate an asbestos slab.
The jaws 28 are made of a copper-aluminum alloy. The envelope 29 is made with an iron-nickel-chromium alloy wire 1.5 mm in diameter wound under a tension of about 5 kg. The expansion coefficients have the Cupro-aluminum value of the jaws: 21 X 10-0 15-carat pink gold: 19.4 X 10-0 Cupronickel: 14.9 X 10-0 Iron-nickel-chromium: 17 X 10-0 A series of presses thus produced is placed in a vacuum oven where the temperature of 800 ° C. is gradually reached. After having maintained this temperature for 1 / sh, the packages are allowed to cool and the packages of metal cladding are removed.
The iron-nickel-chromium wires are cut or unwound. We thus obtain pairs of gold and cupronickel plates perfectly united to each other, which can be rolled, embou tir, etc. without separating them.
B <B> </B> gold on bronze triplet preparation. The gold alloy is a 14 karat yellow gold on a bronze called chrysocale, the composition of which is here Gold: 580% by weight A-: 53% by weight Cu: 272% by weight Ni: 2% by weight Zn: 93% by weight The assembly is the same as that of the previous example. The operation is carried out in a furnace with a nitrogen atmosphere containing a small proportion of hydrogen. The temperature reached is 7'70 C.
C Plating of 12 karat gold leaf on ferritic stainless steel with 17 0 / o chromium. The gold alloy has the composition of Gold: 500 0, 0 by weight Ag: 35% by weight Cu: 420% by weight Zn: 30 0, 0 by weight Cd: 15% by weight The face of the The steel plate to be coated with 12 karat gold is first electrolytically coated with a 20 # t thick layer of silver.
The assembly is the same as that of the preceding examples. The plating is carried out in a vacuum oven at 800p C.
D Preparation of doubled, called edge lay, for electrical contacts.
The <U> fi-. </U> 12 shows schematically the assembly carried out.
This involves plating silver 42 at the end of phosphor bronze plates 43. Four jaws are used, two of which, 44 are used to hold the stack, and the other two 45 to ensure the pla cage. This takes place at 750 C under vacuum or under a protective atmosphere. After rolling, thin, elastic bands are obtained, in which gold. can cut with the press contacts of which the body is constituted by bronze and the contact faces by silver.
E Preparation of doubled, said on lay, for electrical contacts.
This involves embedding a strip of silver in a bronze plate to obtain, after rolling, as in the previous example, strips where it is possible to cut contact springs.
Fig. 13 shows schematically how to operate. The silver strip 46 is placed on a bronze plate 47 between two other bronze plates 48. The bronze surfaces to be joined can be silvered or else a thin sheet of silver or copper alloy can be interposed between them. silver. The small lateral jaws 49 serve to hold the assembly and the main jaws 50 to ensure the plating. This takes place at 750 C under vacuum or under a protective atmosphere.
F Welding of silver 60 0/0 - tungsten carbide 40 0 / o contacts on copper supports obtained by powder metallurgy.
The copper supports are placed next to each other on the lower jaw with the interposition of insulating material, as shown in fig. 14. The contacts 51, the densification of which may not be complete, are put in place by means of a housing provided in the copper supports 52. The jaws 53 have a profile adapted to the shape of the parts to be joined. The welding is carried out at 7500 C in an atmosphere of cracked ammonia. At the same time, the contacts are densified by hot compression.
It should also be noted that in the search for metals with a high coefficient of expansion, to constitute the jaws, one comes up against a difficulty as soon as one wishes to operate the plating under high pressure above <B> 6000 </B> C.
Indeed, the expansion coefficients of metals and their tendency to creep are very often linked to their melting points. Unfortunately, a low melting point is associated with a high coefficient of expansion and high creep; the desired expandable metals therefore present an excessive creep which causes them to spread. We can therefore see the value of metals developed for high temperature uses:
those which are hardenable by precipitation and, better still, those which are reinforced by dispersion of a refractory phase such as S.A.P.aluminum. , nickel T.D. from Dupont de Nemours, copper reinforced with alumina, etc.
The method according to the invention is well suited to induction heating. The heating press can be placed in a sealed tube, made of silica for example, where the desired atmosphere prevails, the coil being wound on this tube. Low-frequency currents must be used to prevent, by skin effect, the wire strapping is preferentially heated.
Finally, we can give the following table of materials that can be used for the jaws and the shells
EMI0005.0000
Coefficient <SEP> Load <SEP> of <SEP> rupture
<tb> Metal <SEP> Composition <SEP> of <SEP> expansion <SEP> X <SEP> 106 <SEP> to <SEP> 800 <SEP> C <SEP> in <SEP> kg / mm =
<tb> <SEP> mild steel <SEP> C <SEP>:
<SEP> 0.06 <SEP> to <SEP> 0.15 <SEP> 0/0 <SEP> 13.6 <SEP> 4
<tb> <SEP> Monel <SEP> <SEP> Ni <SEP> 67 <SEP> 0/0, <SEP> Cu <SEP> 30 <SEP> Fe <SEP> 3 <SEP> 0/0 <SEP> 16.6 <SEP> 10.2
<tb> Nickel <SEP> Ni <SEP> 99.5 <SEP> 0 / o <SEP> 15.6 <SEP> 15.4
<tb> <SEP> Inconel <SEP> Ni <SEP> 76 <SEP> 0/0, <SEP> Cr <SEP> 15 <SEP> 0/0, <SEP> Fe <SEP> 9 <SEP> 0 / 0 <SEP> 16.1 <SEP> 18.3
<tb> <SEP> Nichrome <SEP> <SEP> Ni <SEP> 80 <SEP> 0/0, <SEP> Cr <SEP> 20 <SEP> 0/0 <SEP> 17 <SEP> 29
<tb> Copper <SEP> 21
<tb> Ni <SEP> reinforced <SEP> Ni <SEP> -I- <SEP> 5.58 <SEP> 0 / o <SEP> (Volume) <SEP> AL, O .; <SEP> 15 <SEP> 26 The use of the pressures developed by expansion for parts of any shape, for example plane and not just cylindrical, results in great advantages:
hot presses or rolling mills are no longer necessary and the dimensions of the plated parts are limited only by those of the heating chambers. These can be conventional furnaces, well insulated, where the heat is transmitted to the parts to be treated over their entire surface.