FR2498503A1 - - Google Patents
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Abstract
PROCEDE POUR REUNIR DES PIECES EN CARBURE DE SILICIUM OBTENUES PAR FRITTAGE-REACTION ET DES PIECES METALLIQUES; LA PIECE EN CARBURE DE SILICIUM 1 EST FIXEE SUR LA PIECE METALLIQUE 2 A L'AIDE D'UN LIANT 3 CONSTITUE PAR DU SILICIUM ET UN METAL, LA LIAISON ETANT ENSUITE CHAUFFEE.PROCESS FOR COMBINING SILICON CARBIDE PARTS OBTAINED BY REACTION-FRITTING AND METAL PARTS; THE SILICON CARBIDE PART 1 IS FIXED ON THE METAL PART 2 USING A BINDER 3 CONSTITUTED BY SILICON AND A METAL, THE JOINT BEING THEN HEATED.
Description
Procédé Pour réunir des pièces en carbure de silicium obtenues parProcess To join pieces of silicon carbide obtained by
frittaae-réaction et des pièces en fer ou autre métal, ainsi qu'une électrode d'ionisation fabriquée suivant ce procédé. frittaae-reaction and pieces of iron or other metal, as well as an ionization electrode manufactured according to this process.
L'invention concerne un procédé pour réunir des piè- The invention relates to a method for joining parts
ces en carbure de silicium obtenues par frittage-réaction these silicon carbide obtained by sintering-reaction
et des pièces en fer ou autre métal. and pieces of iron or other metal.
La réunion par contact d'éléments semiconducteurs céramiques du type en carbure de silicium a toujours été The contact meeting of ceramic semiconductor elements of the silicon carbide type has always been
problématique. Parmi les procédés connus pour la réalisa- problematic. Among the processes known for carrying out
tion de transitions électriques et mécaniques on peut tion of electrical and mechanical transitions we can
citer des liaisons métal sur métal par projection de mé- cite metal-to-metal bonds by projection of mete
taux fondus dans une flamme ou par retrait. Lors de l'u- rates melted in a flame or by withdrawal. During the u
tilisation de hautes températures, par exemple de tempé- use of high temperatures, for example
ratures comprises entre 600-700OC, le métal fondu projeté à la flamme peut être éliminé en brûlant, et d'autres liaisons, telles que les liaisons métal sur métal par retrait, sont instables du point de vue mécanique par erasures between 600-700OC, the molten metal projected by the flame can be eliminated by burning, and other bonds, such as metal bonds on metal by shrinkage, are unstable mechanically by
suite des effets thermiques importants. following significant thermal effects.
L'invention se propose de fournir un procédé pour établir une liaison sûre et résistante à la chaleur entre des parties métalliques et des pièces en carbure de silicium. Suivant l'invention, la pièce en carbure de silicium est fixée sur la pièce en fer ou autre métal à l'aide d'un The invention proposes to provide a method for establishing a secure and heat-resistant connection between metal parts and silicon carbide parts. According to the invention, the piece of silicon carbide is fixed to the piece of iron or other metal using a
liant constitué par du silicium et un métal, puis en chauf- binder consisting of silicon and a metal, then in heating
fant la liaison.fant the bond.
De préférence, le liant est un mélange eutectique de silicium et du métal utilisé, par exemple du fer. De ce fait on obtient une liaison électrique et mécanique stable du point de vue thermique entre la pièce en carbure de Preferably, the binder is a eutectic mixture of silicon and the metal used, for example iron. As a result, a thermally stable electrical and mechanical connection is obtained between the carbide part of
silicium et la pièce en fer.silicon and the iron part.
L'utilisation d'une électrode d'ionisation est connue pour le contrôle de la flamme de brûleurs à mazout ou I gaz. De telles électrodes reposent sur le principe connu que l'électrode, par exemple une électrode en fer, est amenée dans la région de la flamTre, ce qui a pour effet que la flamme ionise le trajet entre l'arrivée de -2- combustible du brûleur et l'électrode de sorte qu'il The use of an ionization electrode is known for controlling the flame of oil or gas burners. Such electrodes are based on the known principle that the electrode, for example an iron electrode, is brought into the flame region, which has the effect that the flame ionizes the path between the arrival of -2- fuel from the burner and the electrode so it
peut circuler un courant électrique. Dans le cas de brû- can circulate an electric current. In the case of burn-
leurs à flamme bleue qui n'émettent aucune lumière visi- their blue flame emitting no visible light
ble, on a utilisé un détecteur d'ultraviolets. Cependant, un tel détecteur n'est pas souvent utilisable, par exemple lorsque le brûleur est entouré par une chambre de recirculation. Dans de tels brûleurs on prévoit par ble, an ultraviolet detector was used. However, such a detector is not often usable, for example when the burner is surrounded by a recirculation chamber. In such burners,
conséquent une électrode d'ionisation qui présente cepen- therefore an ionization electrode which however
dant l'inconvénient que le matériau se dégrade, c'est 1o pourquoi elle possède une durée de vie relativement courte en raison de la température très élevée de la flamme, qui de façon typique dans les brûleurs à flamme bleue est given the disadvantage that the material degrades, this is why it has a relatively short lifespan due to the very high temperature of the flame, which typically in blue flame burners is
dans la gamme allant de 1400 à 15000C. in the range from 1400 to 15000C.
L'invention se propose donc en outre de fournir une The invention therefore further proposes to provide a
électrode plus résistante. Ceci est obtenu suivant l'in- more resistant electrode. This is obtained according to the in-
vention grâce au fait que l'électrode a la forme d'une tige et qu'au moins la partie de la tige qui pénètre dans la flamme est constituée par un matériau semiconducteur en carbure de vention thanks to the fact that the electrode has the shape of a rod and that at least the part of the rod which penetrates into the flame is constituted by a semiconductor material of carbide of
silicium obtenu par frittage-réaction. silicon obtained by reaction-sintering.
De façon avantageuse, le matériau semiconducteur s'étend sur une longueur telle que la liaison avec la partie métallique se trouve sensiblement à l'extérieur Advantageously, the semiconductor material extends over a length such that the connection with the metal part is substantially outside
de la région de la flamme. En tenant compte de la fragili- of the flame region. Taking into account the fragile-
té du bloc d'électrode, il convient que l'électrode soit aussi courte que possible. D'autre part, la température élevée pose des problèmes en ce qui concerne la fixation sur la partie métallique de l'électrode. Même à l'extérieur de la flamme la liaison est soumise à une température the electrode block, the electrode should be as short as possible. On the other hand, the high temperature poses problems with regard to the attachment to the metal part of the electrode. Even outside the flame the bond is subjected to a temperature
élevée d'environ 600-7000C. Dans le cas de telles tempé- high of about 600-7000C. In the case of such temperatures
ratures, on peut utiliser en particulier le procédé sui- erasures, the following method can be used in particular
vant l'invention pour réunir la partie métallique de vant the invention to join the metal part of
l'électrode d'ionisation et la tige en carbure de sili- the ionization electrode and the carbide rod
cium. En fixant l'extrémité de l'électrode sur la partie métallique suivant l'invention, c'est-à-dire à l'aide cium. By fixing the end of the electrode to the metal part according to the invention, that is to say using
d'un liant constitué par du silicium et du fer, de pré- a binder consisting of silicon and iron, pre-
férence un mélange eutectique de silicium et de fer, on obtient une électrode résistante. Le système eutectique -3- se lie aussi bien à la tige en carbure de silicium qu'à ferect a eutectic mixture of silicon and iron, a resistant electrode is obtained. The eutectic system -3- binds to the silicon carbide rod as well as
la pièce en fer.the iron piece.
La liaison en tant que telle peut être obtenue The link as such can be obtained
grâce au fait que la tige en carbure de silicium est pla- thanks to the fact that the silicon carbide rod is placed
cée dans un évidement d'une tige en fer, qu'un mélange de poudre de silicium et de poudre de fer est placé dans created in an iron rod recess, that a mixture of silicon powder and iron powder is placed in
l'espace intermédiaire entre la tige en carbure de sili- the space between the carbide rod
cium et la tige en fer, et que la pièce est ensuite chauffée à plus de 12000C. On peut utiliser par exemple un rapport 1/1 pour le mélange. De ce fait la poudre de cium and the iron rod, and that the part is then heated to more than 12000C. One can use for example a 1/1 ratio for the mixture. Thereby the powder of
silicium et la poudre de fer forment un mélange eutecti,- silicon and iron powder form a eutecti mixture, -
que qui se lie avec la tige en carbure de silicium et la that that binds with the silicon carbide rod and the
pièce en fer.iron piece.
Le cas échéant la pièce métallique agglomérée par frittage peut entourer complètement la tige au carbure de silicium. On obtient de ce fait une pièce stable du point de vue mécanique qui est facilement maniable du fait que l'enveloppe frittée protège la tige céramique en carbure de silicium un peu fragile. La partie de la pièce métallique frittée qui est soumise à l'action de la flamme est naturellement dégradée, mais il reste If necessary, the metal part agglomerated by sintering can completely surround the rod with silicon carbide. As a result, a mechanically stable part is obtained which is easy to handle because the sintered envelope protects the somewhat fragile silicon carbide ceramic rod. The part of the sintered metal part which is subjected to the action of the flame is naturally degraded, but it remains
cependant une partie qui entoure la tige stable en car- however a part which surrounds the stable rod in car-
bure de silicium dans la région un peu éloignée de la flamme o la température n'est que de 700-8000C. Par conséquent, seule la partie qui se trouve directement dans la partie à haute température de la flamme est attaquée silicon bure in the region a little far from the flame where the temperature is only 700-8000C. Therefore, only the part which is directly in the high temperature part of the flame is attacked
par la corrosion.by corrosion.
En outre, l'électrode métallique peut comporter In addition, the metal electrode may include
une zone affaiblie à l'extérieur de la partie frittée. a weakened area outside the sintered part.
Ceci permet de donner à l'extrémité fragile,située le plus à l'extérieur de l'électrode,une inclinaison par This makes it possible to give the fragile end, located furthest to the outside of the electrode, an inclination by
rapport au reste de l'électrode, dans une position sou- relative to the rest of the electrode, in a position
haitée, sans endommager cette partie. hated, without damaging this part.
Suivant un autre mode de réalisation, un corps métal- According to another embodiment, a metal body
lique est enfilé sur au moins l'extrémité de la tige en carbure de silicium et les deux parties sont réunies par frittage en les portant à une température de 11000C. Le -4- frittage provoque un certain retrait, tandis qu'on obtient simultanément dans la région de transition une liaison mécanique et électrique intime qui résiste également dans le cas de températures élevées. Si dans ce cas également la température est portée au-delà de 1200WC, on obtient un système eutectique qui donne une transition encore lique is threaded on at least the end of the silicon carbide rod and the two parts are joined by sintering by bringing them to a temperature of 11000C. The sintering causes a certain shrinkage, while in the transition region an intimate mechanical and electrical connection is obtained which also resists in the case of high temperatures. If in this case also the temperature is brought above 1200WC, we obtain a eutectic system which gives a further transition
plus stable et un bon contact électrique. more stable and good electrical contact.
La pièce ainsi fabriquée est brasée, soudée ou fixée The part thus produced is brazed, welded or fixed
d'une autre manière sur les parties de l'électrode s'éloi- in another way the parts of the electrode move away
gnant de la zone de la flamme.gaining from the flame area.
De préférence, l'agglomération par frittage de la Preferably, the agglomeration by sintering of the
pièce métallique est effectuée avec un compactage simulta- metal part is carried out with simultaneous compaction
né, éventuellement un compactage isostatique. On obtient de ce fait une surface de transition très compacte et born, possibly isostatic compaction. This gives a very compact transition surface and
solide de la pièce métallique agglomérée par frittage. solid of the metal part agglomerated by sintering.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide The present invention will be better understood using
de la description suivante de plusieurs modes de réali- of the following description of several embodiments
sation préférés mais non limitatifs représentés aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente une électrode d'ionisation comportant une tige en carbure de silicium, logée dans une monture en fer; preferred but nonlimiting sation shown in the accompanying drawings in which Figure 1 shows an ionization electrode comprising a rod of silicon carbide, housed in an iron mount;
la figure 2 représente l'électrode terminée fabri- FIG. 2 represents the finished electrode manufactured
quée suivant le procédé illustré sur la figure 1; la figure 3 représente un palpeur d'ionisation dans lequel la tige en carbure de silicium est complètement entourée par un matériau métallique aggloméré par frittage; les figures 4 et 5 représentent le palpeur de la figure 3 après une certaine utilisation; et la figure 6 représente deux exemples a et b d'une tige en carbure de silicium munie d'une pièce métallique quée following the process illustrated in Figure 1; FIG. 3 represents an ionization probe in which the silicon carbide rod is completely surrounded by a metallic material agglomerated by sintering; Figures 4 and 5 show the probe of Figure 3 after some use; and FIG. 6 represents two examples a and b of a rod of silicon carbide provided with a metal part
agglomérée par frittage et ayant subi un retrait. agglomerated by sintering and having undergone a shrinkage.
Une tige céramique en carbure de silicium est fa- A silicon carbide ceramic rod is made
briquée de façon connue, de préférence par frittage- briquetted in a known manner, preferably by sintering-
réaction d'un mélange de carbure de silicium (SiC) et de graphite avec du silicium (Si) liquide à température élevée, le graphite libre réagissant avec le silicium -5- pour donner du carbure de silicium. La figure 1 illustre la façon dont une telle pièce en carbure de silicium 1 reaction of a mixture of silicon carbide (SiC) and graphite with silicon (Si) liquid at high temperature, the free graphite reacting with silicon -5- to give silicon carbide. Figure 1 illustrates how such a piece of silicon carbide 1
suivant l'invention peut être réunie à une partie d'élec- according to the invention can be combined with an electrical part
trode métallique 2 en fer. La tige en carbure de silicium est placée dans un perçage 7 ménagé dans la tige en fer. L'espace intermédiaire entre le perçage et la tige est rempli par un mélange 3 de poudre de silicium et de fer, par exemple dans un rapport 1/1. Au lieu de cela, on peut placer dans l'espace intermédiaire une poudre d'un mélange déjà préparé de silicium et de fer, par exemple d'un mélange eutectique. Toute la pièce avec la tige céramique est maintenant chauffée au-delà de 1200WC o le mélange de poudre forme un système eutectique et se lie aussi bien à la tige en carbure de silicium qu'au fer. Comme liant on peut également utiliser d'autres composés métalliques, par exemple un mélange de silicium metal trode 2 made of iron. The silicon carbide rod is placed in a bore 7 made in the iron rod. The intermediate space between the bore and the rod is filled with a mixture 3 of silicon powder and iron, for example in a 1/1 ratio. Instead, a powder of an already prepared mixture of silicon and iron, for example a eutectic mixture, can be placed in the intermediate space. The whole part with the ceramic rod is now heated above 1200WC where the powder mixture forms a eutectic system and binds both to the silicon carbide rod and to the iron. As a binder, other metallic compounds can also be used, for example a mixture of silicon
et de nickel.and nickel.
La figure 2 représente l'électrode 1, 2 terminée, fabriquée suivant le procédé de la figure 1. La partie en fer 2 solidaire de la tige en carbure de silicium est une pièce de liaison qui peut maintenant être fixée de FIG. 2 represents the completed electrode 1, 2, manufactured according to the method of FIG. 1. The iron part 2 integral with the silicon carbide rod is a connecting piece which can now be fixed from
façon souhaitée sur le reste 4 de la tige d'électrode 5. desired way on the rest 4 of the electrode rod 5.
La figure 3illustre un procédé dans lequel de la poudre de fer est compactée autour d'une tige en carbure de silicium, par exemple par compactage isostatique, c'est-à-dire par compactage avec une pression identique de tous les côtés. Ensuite toute la pièce est portée à environ 12000C, de préférence au-delà de 1200-12201C, à FIG. 3 illustrates a process in which iron powder is compacted around a rod of silicon carbide, for example by isostatic compacting, that is to say by compacting with an identical pressure on all sides. Then the whole part is brought to around 12000C, preferably beyond 1200-12201C, to
la suite de quoi la poudre de fer est frittée et simul- after which the iron powder is sintered and simulated
tanément le silicium de la tige en carbure de silicium se diffuse dans la poudre de fer, et il se forme une masse fondue (système eutectique) qui forme une liaison mécanique et électrique stable du point de vue thermique the silicon in the silicon carbide rod diffuses into the iron powder and a molten mass is formed (eutectic system) which forms a thermally stable mechanical and electrical connection
entre la tige en carbure de silicium et la poudre de fer. between the silicon carbide rod and the iron powder.
Une telle électrode est plus robuste et supporte mieux le transport et la manipulation que la tige suivant les Such an electrode is more robust and better supports transport and handling than the rod following the
figures 1 ou 2.Figures 1 or 2.
-6- Comme on le voit sur les figures 4 et 5, la partie -6- As seen in Figures 4 and 5, the part
du manchon métallique qui pénètre dans la flamme dispa- of the metal sleeve which penetrates into the dispa-
rait lentement par corrosion et il ne reste que la tige rait slowly by corrosion and only the rod remains
stable en carbure de silicium.stable in silicon carbide.
Sur la figure 4 on voit en outre comment la tige 4 peut être munie, derrière la pièce de liaison 2 de la In FIG. 4 we can also see how the rod 4 can be fitted behind the connecting piece 2 of the
tige céramique en carbure de silicium 1, de zones affai- ceramic rod in silicon carbide 1, of weakened zones
- blies 6 qui peuvent par exemple s'étendre au choix soit sur toute la périphérie de la tige soit seulement sur - blies 6 which can for example extend as desired either over the entire periphery of the rod or only over
une partie du périmètre. Il devient ainsi possible d'adap- part of the perimeter. It thus becomes possible to adapt-
ter l'inclinaison de la tige en carbure de silicium par rapport au reste de l'électrode, par simple flexion manuelle au niveau de la zone affaiblie, aux conditions existantes, sans endommager la partie céramique extérieure ter the inclination of the silicon carbide rod relative to the rest of the electrode, by simple manual bending at the weakened zone, under existing conditions, without damaging the outer ceramic part
fragile. D'autres modes de réalisation de l'électrode peu- brittle. Other embodiments of the electrode may
vent également être munis d'une telle zone affaiblie. They may also have such a weakened area.
La figure 6 représente, dans deux modes de réalisa- FIG. 6 represents, in two embodiments,
tion a et b, comment une pièce métallique 8, ici une pièce annulaire, peut subir un retrait sur la tige en tion a and b, how a metal part 8, here an annular part, can undergo a withdrawal on the rod in
carbure de silicium et être frittée. silicon carbide and be sintered.
De nombreux autres modes de réalisation et procédés Many other embodiments and methods
pour le compactage et le frittage des pièces sont envi- for compaction and sintering of parts are approxi-
sageables et applicables suivant la présente invention. sageable and applicable according to the present invention.
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