EP0729162A1 - Procédé de fabrication d'un matériau de contact électrique composite - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a process for manufacturing a composite electrical contact material, in particular suitable for circuit breakers, this material being based on powder of a metal which is a good electrical conductor such as silver, copper or their compounds, and comprising carbon fibers distributed in the metallic matrix. It also relates to the material obtained by this process.
- Such materials are commonly used to make contact pads in electromechanical devices such as circuit breakers or switches.
- the primary function of carbon or graphite present in the metal matrix is to reduce the risk of contact soldering.
- the presence of graphite leads to increased mechanical and / or electrical erosion of the material.
- the resistance to erosion is certainly improved, but this improvement is acquired at the cost of an alteration in the behavior of the contact at welding.
- the carbon fibers are mixed with the metal powder with the addition of wetting agents, lubricants and solvents by the wet method, then drying, compression and sintering are carried out.
- the disadvantage of such a process is that it involves complications inherent in a wet process.
- the object of the invention is therefore to avoid the drawbacks described and to make it possible to produce in a simple manner a metalcarbon composite contact material with a fine, homogeneous and isotropic structure suitable for application in circuit breakers, this material showing good resistance to erosion both under nominal current and under short-circuit current, as well as satisfactory anti-welding behavior and low and stable contact resistance.
- the carbon is therefore exclusively present in the form of residues of short carbon fibers, the statistical distribution of length of which is centered on the abovementioned final average value, and which are distributed homogeneously in the metal matrix.
- the material shows good anti-welding behavior and a low and stable contact resistance, at the same time as, thanks to the semi-crystalline structure specific to all of the carbon elements inserted in the metallic matrix, low erosion under nominal current or under short circuit current.
- the compromise between these qualities is determined inter alia by the choice of the final average length of the fiber residues, preferably between 5 ⁇ m and 20 ⁇ m.
- commercially available carbon fibers are chosen, with an average length L1 of between approximately 100 ⁇ m and 800 ⁇ m, and delivered with a small standard deviation, and diameter between 4 and 20 ⁇ m.
- These fibers are subjected to a cold and dry mechanical treatment in a ball mill, a planetary mill or an opposing air jet mill; the conditions of intensity and duration of the grinding make it possible to obtain fibers the length of which is statistically distributed around an average value much lower than the initial average value and with a standard deviation greater than the initial standard deviation, then are added in a weight proportion of about 2 to 5% by weight to the metal powder.
- This powder is essentially a powder of silver, or of copper, or of their alloys, of usual particle size, with optionally addition elements such as nickel, tungsten, titanium nitride, tungsten carbide or other similar elements. .
- the metal powder is mixed with the crushed carbon fibers in the dry process in a mechanical paddle mixer in step 20 until a homogeneous mixture is obtained, which then undergoes unitary compression 30, then sintering. 40, so as to obtain an isotropic material structure.
- the commercial carbon fibers are mixed directly cold and dry with the metal powder in a mechanosynthesis step 21, for example in a ball mill or a planetary mill, such as grinding above fibers is carried out concomitantly with mixing with the metal powder.
- the homogeneous mixture then undergoes, as previously, a unit compression 30 and a sintering 40.
- Gaussian distributions of fiber residues of different lengths are thus obtained from fibers whose initial length L1 is from 100 ⁇ m to 800 ⁇ m (see FIG. 3), according to a unimodal distribution of average value L2 less than 20 ⁇ m.
- Example graphite fibers, with an initial average length of 300 ⁇ m, undergo attrition in a ball mill until fiber residues with an average length of less than 20 ⁇ m are obtained and are mixed in a weight proportion of 2 to 5% with silver powder.
- the weldability of the final material obtained is excellent and its erosion in electrical endurance is very low.
- FIG. 4 shows on a 280 scale a micrograph of the surface of the material after a 12 kA breaking test at 250 V; it can be seen that the contact surface retains after breaking under short-circuit current its fine, homogeneous and isotropic structure of fiber residues 50 of variable length and any orientation in the silver matrix 51.
- the material described is particularly suitable for use in circuit breakers.
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Abstract
Procédé de fabrication d'un matériau de contact électrique composite comprenant des fibres de carbone distribuées dans une matrice métallique. Les fibres de carbone, de longueur moyenne initiale L1, sont soumise à un traitement mécanique de broyage (10) qui engendre des éléments de fibres broyées de longueur finale variable dont la valeur moyenne L2 est sensiblement inférieure à L1. <IMAGE>
Description
- La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau de contact électrique composite, notamment approprié à des disjoncteurs, ce matériau étant à base de poudre d'un métal bon conducteur électrique tel que l'argent, le cuivre ou leurs composés, et comprenant des fibres de carbone réparties dans la matrice métallique. Elle concerne également le matériau obtenu par ce procédé.
- De tels matériaux sont couramment utilisés pour réaliser des pastilles de contact dans des appareils électromécaniques tels que disjoncteurs ou interrupteurs. Le carbone ou graphite présent dans la matrice métallique a pour fonction première de réduire le risque de soudure des contacts. Toutefois, la présence du graphite entraîne une érosion mécanique et/ou électrique accrue du matériau.
- Lorsque le carbone est apporté sous forme de fibres - voir par exemple le document US-4 699 763 - la résistance à l'érosion est certes améliorée, mais cette amélioration est acquise au prix d'une altération du comportement du contact à la soudure. Les fibres de carbone sont mélangées à la poudre métallique avec apport d'agents mouillant, lubrifiant et solvant par voie humide, puis on effectue un séchage, une compression et un frittage. L'inconvénient d'un tel procédé est qu'il implique des complications inhérentes à un processus conduit en voie humide.
- Pour trouver un compromis acceptable entre le comportement du matériau à l'érosion et son comportement antisoudure, il est proposé d'après le document DE-41 11 683 de mélanger des particules de graphite à des fibres de carbone, ce mélange étant incorporé à la poudre métallique. Par l'apport hybride ainsi réalisé dans la matrice métallique, on peut obtenir des comportements du matériau à l'érosion et à la soudure intermédiaires entre ceux qu'il aurait montrés avec apport de particules de graphite seules ou apport de fibres de carbone seules. Mais il s'avère que, sous de fortes sollicitations et en particulier sous courant de court-circuit, les particules de graphite, de par leur parfaite structure cristalline, montrent une tendance à être expulsées de la surface du matériau ; cette expulsion détériore la surface du matériau d'une manière telle que les fibres de carbone en sont également expulsées à leur tour. Il en résulte un enrichissement de la surface en argent et donc une altération des qualités initialement recherchées par l'apport de graphite.
- Dans le document EP-171 339 est décrit un procédé de fabrication de contacts électriques par imprégnation d'un substrat de fibres de carbone par un métal liquide sous pression, puis par filage à chaud du mélange ainsi obtenu. Les fibres de carbone sont sectionnées au cours du filage en filament orientés dans la direction de filage et ayant l'inconvénient de présenter une longueur comprise entre 15 µm et 150 µm, c'est-à-dire une longueur moyenne nettement supérieure à 50 µm. On constate que les contacts résultants montrent une trop forte propension au soudage.
- L'invention a donc pour but d'éviter les inconvénients décrits et de permettre de réaliser de manière simple un matériau de contact composite métalcarbone à structure fine, homogène et isotrope appropriée à l'application dans des disjoncteurs, ce matériau montrant une bonne résistance à l'érosion à la fois sous courant nominal et sous courant de court-circuit, ainsi qu'un comportement antisoudure satisfaisant et une résistance de contact faible et stable.
- Selon l'invention, dans le procédé décrit en préambule,
- les fibres de carbone, dont la longueur initiale a une valeur moyenne prédéterminée, subissent un traitement mécanique d'attrition ou de broyage,
- les conditions de broyage sont déterminées de manière à engendrer des résidus de fibres de carbone broyées dont la longueur finale est répartie statistiquement de manière prédéterminée autour d'une valeur moyenne significativement inférieure à la valeur moyenne initiale,
- le mélange des résidus de fibres broyées à la poudre métallique est tel qu'ils sont distribués de manière isotrope dans le matériau.
- Dans le matériau ainsi obtenu, le carbone est donc exclusivement présent sous forme de résidus de fibres de carbone courtes, dont la répartition statistique de longueur est centrée sur la valeur moyenne finale précitée, et qui sont distribués de manière homogène dans la matrice métallique. Le matériau montre un bon comportement antisoudure et une résistance de contact faible et stable, en même temps que, grâce à la structure semi-cristalline propre à l'ensemble des éléments carbonés insérés dans la matrice métallique, une faible érosion sous courant nominal ou sous courant de court-circuit. Le compromis entre ces qualités est déterminé entre autres par le choix de la longueur moyenne finale des résidus de fibres, de préférence entre 5 µm et 20 µm.
- Les avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui suit d'exemples de réalisation, en regard des dessins annexés.
- La figure 1 est un diagramme illustrant les différentes étapes du procédé selon l'invention.
- La figure 2 en illustre une variante.
- La figure 3 montre la répartition statistique des longueurs de fibres de carbone avant et après broyage.
- La figure 4 est une micrographie de la surface du matériau après coupure sous courant de court-circuit.
- Dans le mode de réalisation du procédé qui est illustré sur la figure 1, on choisit des fibres de carbone disponibles dans le commerce, de longueur moyenne L1 comprise entre environ 100 µm et 800 µm, et livrées avec un faible écart-type, et de diamètre compris entre 4 et 20 µm. Ces fibres subissent un traitement mécanique à froid et à sec 10 dans un broyeur à boulets, un broyeur planétaire ou un broyeur à jets d'air opposés ; les conditions d'intensité et de durée du broyage permettent d'obtenir des fibres dont la longueur est répartie statistiquement autour d'une valeur moyenne très inférieure à la valeur moyenne initiale et avec un écart-type supérieur à l'écart-type initial, puis sont ajoutées en proportion pondérale d'environ 2 à 5% en poids à la poudre métallique. Cette poudre est essentiellement une poudre d'argent, ou de cuivre, ou de leurs alliages, de granulométrie usuelle, avec éventuellement des éléments d'addition tels que du nickel, tungstène, nitrure de titane, carbure de tungstène ou d'autres éléments analogues. Le mélange de la poudre de métal aux fibres de carbone broyées s'effectue en voie sèche dans un mélangeur mécanique à pales dans l'étape 20 jusqu'à obtention d'un mélange homogène, qui subit ensuite une compression unitaire 30, puis un frittage 40, de manière à obtenir une structure de matériau isotrope.
- Dans le mode de réalisation illustré figure 2, les fibres de carbone du commerce sont mélangées directement à froid et à sec à la poudre métallique dans une étape de mécanosynthèse 21, par exemple dans un broyeur à boulets ou un broyeur planétaire, telle que le broyage précité des fibres s'effectue de manière concomitante au mélange avec la poudre métallique. Le mélange homogène subit alors comme précédemment une compression unitaire 30 et un frittage 40.
- On obtient ainsi à partir de fibres dont la longueur initiale L1 est de 100 µm à 800 µm (voir figure 3) des répartitions gaussiennes de résidus de fibres de longueurs différentes, selon une répartition unimodale de valeur moyenne L2 inférieure à 20 µm.
- Exemple : les fibres de graphite, de longueur moyenne initiale 300 µm, subissent une attrition dans un broyeur à boulets jusqu'à obtention de résidus de fibres d'une longueur moyenne inférieure à 20 µm et sont mélangées en proportion pondérale de 2 à 5% avec de la poudre d'argent. La soudabilité du matériau final obtenu est excellente et son érosion en endurance électrique est très faible. La figure 4 montre à l'échelle 280 une micrographie de la surface du matériau après un essai de coupure de 12 kA sous 250 V ; on constate que la surface de contact garde après coupure sous courant de court-circuit sa structure fine, homogène et isotrope de résidus de fibres 50 de longueur variable et d'orientation quelconque dans la matrice d'argent 51.
- Par son comportement en court-circuit, le matériau décrit est particulièrement approprié à être utilisé dans des disjoncteurs.
Claims (6)
- Procédé de fabrication d'un matériau de contact électrique à base d'une poudre de métal bon conducteur électrique tel que l'argent, le cuivre ou leurs composés, par mélange de fibres de carbone à la poudre métallique, puis compression du mélange et frittage,
caractérisé par le fait que :- les fibres de carbone, dont la longueur initiale a une valeur moyenne prédéterminée (L1), sont soumises à un traitement mécanique de broyage dans un broyeur,- les conditions de broyage sont déterminées de manière à engendrer des résidus de fibres broyées dont la longueur finale est répartie autour d'une valeur moyenne (L2) significativement inférieure à la valeur moyenne initiale (L1),- le mélange des résidus de fibres broyées à la poudre métallique est tel qu'ils sont distribués de manière isotrope dans le matériau. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la longueur initiale moyenne (L1) des fibres de carbone est comprise entre environ 100 µm et environ 800 µm et que la longueur moyenne finale (L2) des résidus de fibres de carbone broyées est inférieure à environ 20 µm.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le mélange des fibres de carbone avec la poudre métallique est effectué à sec.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le broyage des fibres de carbone est effectué avant leur mélange à la poudre métallique.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le broyage des fibres de carbone est effectué de manière concomitante au mélange avec la poudre métallique par mécanosynthèse.
- Matériau de contact obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend des résidus de fibres carbone de structure semi-cristalline broyées, distribuées de manière homogène dans la matrice métallique.
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