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.