FR2568177A1 - Materiau composite pour applications decoratives comprenant une matrice metallique dans laquelle sont dispersees des fibrilles - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN MATERIAU COMPOSITE DE FAIBLE POIDS, PRESENTANT UNE GRANDE RESISTANCE MECANIQUE ET A LA CORROSION ET UNE BONNE ELASTICITE. LE MATERIAU COMPREND UNE MATRICE METALLIQUE A BASE DE TITANE OU D'ALUMINIUM, DANS LAQUELLE SONT INCORPOREES DES FIBRILLES A GRANDE RESISTANCE, CONSTITUANT ENTRE 5 A 30 DU VOLUME DE LA MATRICE. L'INVENTION CONCERNE EGALEMENT UN ELEMENT COMPOSITE COMPORTANT UN NOYAU FAIT DE CE MATERIAU COMPOSITE ET UNE GAINE METALLIQUE RECOUVRANT CE NOYAU POUR AMELIORER SON APTITUDE A ETRE TRAVAILLE. L'INVENTION EST PREVUE POUR DES APPLICATIONS DECORATIVES TELLES QUE DES MONTRES ET DES MONTURES DE LUNETTES.
Description
-1-
La présente invention concerne un matériau composite pour applications déco-
ratives, et en particulier des perfectionnements dans la composition d'un ma-
tériau composite utilisé pour des éléments décoratifs dans des articles de
mode tels que des montres et des montures de lunettes.
Dans ce genre d'applications décoratives, on utilise divers matériaux compo-
sites à base de titane et on recouvre d'une gaine métallique un noyau de ti-
tane qui présente une grande résistance mécanique et à la corrosion, ainsi qu'un faible poids. On applique, par exemple, une gaine en nickel, en alliage nickel-chrome ou en alliage de cuivre sur un noyau en titane ou en alliage à base de titane. Dans d'autres cas, on utilise des fibres de carbure de silicium
dans une matrice.
D'une manière générale, un matériau utilisé pour les applications décoratives
susmentionnées doit présenter un faible poids, en particulier pour des montu-
res de lunettes. Les alliages utilisés pour réaliser une gaine sur les matériaux composites habituels ont une masse spécifique relativement grande et une
faible résistance mécanique. Afin d'obtenir une bonne aptitude à être travail-
lé, brasé et plaqué d'un élément en matériau composite, il est préférable de le munir d'une gaine aussi épaisse que possible. Toutefois, du point de vue de
la légèreté, il faudrait éviter une utilisation excessive d'une telle gaine rela-
tivement lourde. On peut obtenir un faible poids et une grande résistance en donnant à l'élément un noyau relativement gros en titane ou à base de titane,
mais ceci a pour résultat une faible aptitude du produit à être travaillé, le-
quel ne se prête pas du tout aux importantes déformations nécessaires pour la fabrication de montures de lunettes. Dans le cas des matériaux composites renfermant des fibres de carbure de silicium, il est nécessaire d'utiliser des
fibres longues pour profiter au maximum de la grande résistance et des pro-
priétés élastiques des fibres. Cependant, des ruptures des fibres sont suscep-
tibles de survenir pendant la fabrication de ces fibres longues de carbure de silicium et, par conséquent, il est presque impossible d'obtenir une fabrication
uniforme et à grand rendement de fibres longues de carbure de silicium.
La présente invention a donc pour objet de fournir un matériau composite pour
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-2 - des applications décoratives, présentant une grande résistance mécanique, une grande élasticité et de bonnes aptitudes au brasage et au placage, tout en
permettant une production de masse.
Selon un premier aspect de l'invention, ledit matériau composite comprend
une matrice faite d'une des matières du groupe comprenant le titane, les al-
liages à base de titane, l'aluminium et les alliages à base d'aluminium, et de à 30 % en volume de fibrilles dispersées dans ladite matrice et présentant un facteur d'allongement compris entre 10 et 5'000. Par fibrilles, on désigne ici un type bien connu de fibres microscopiques appelées communément "whiskers". De préférence, lesdites fibrilles font partie du groupe comprenant les fibrilles de carbure de silicium, les fibrilles d'alumine, les fibrilles d'oxyde de zirconium, les fibrilles de sialonoC, les fibrilles de sialon e et les fibrilles de silice. Rappelons
que le terme sialon désigne des solutions solides de composés de type SiAI-O-N.
Selon un second aspect de la présente invention, celle-ci concerne un élément composite pour applications décoratives, caractérisé en ce qu'il comporte
a) un noyau en matériau composite constitué selon le premier aspect de l'in-
vention, b) une gaine en nickel, en alliage à base de nickel, en cuivre ou en alliage à base de cuivre, qui recouvre ledit noyau et dont la section transversale
est comprise en 3 et 30 % de la section du noyau.
Selon un troisième aspect de la présente invention, celle-ci concerne un élément composite pour applications décoratives, caractérisé en ce qu'il comporte
a) un noyau en matériau composite constitué selon le premier aspect de l'in-
vention, b) une gaine en or ou en alliage à base d'or, qui recouvre ledit noyau et dont
la section transversale est comprise entre 2 et 15 % de la section du noyau.
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- 3 - La présente invention et ses avantages seront mieux compris en référence à
la description, donnée ci-dessous, d'une forme de réalisation préférée et de
divers exemples.
Comme mentionné ci-dessus, selon le premier aspect de la présente invention,
le matériau composite comprend 5 à 30 96 en volume de fibrilles qui présen-
tent un facteur d'allongement compris entre 10 et 5'000 et qui sont disper-
sées dans une matrice en titane, en aliiage à base de titane, en aluminium ou
en alliage à base d'aluminium.
En ce qui concerne lesdites fibrilles dispersées dans la matrice, on utilise de
préférence des fibrilles de carbure de silicium, dialumine, d'oxyde de zirco-
nium, de sialon C<. pu /3 ou de silice.
Si le facteur d'allongement tombe en dessous de 10, il n'y a plus de transmis-
sion suffisante des efforts entre les fibrilles et la matrice, donc le renforce-
ment résultant de l'addition des fibrilles est réduit. Si le facteur d'allonge-
ment dépasse 5'000, leur structure trop longue ne permet pas aux fibrilles de suivre les déformations plastiques, c'est-à-dire qu'il y a rupture de composants
fibreux et, par conséquent, perte de résistance mécanique.
L'utilisation des métaux mentionnés ci-dessus pour réaliser la matrice assu-
re le faible poids et la bonne résistance à la corrosion qui sont nécessaires
pour les applications décoratives.
Une inclusion de fibrilles à un taux inférieur à 5 % en volume ne peut pas
assurer un renforcement suffisant par les fibrilles. A l'oppose, un taux supé-
rieur à 30 % en volume a pour résultat une augmentation importante de la résistance rmécanique, qui diminue l'aptitude du matériau composite à être
travaillé.
L'addition de fibrilles à la matrice permet la production d'un matériau com-
posite de faible poids et très résistant à la corrosion, présentant en outre la
grande résistance mécanique et les propriétés élastiques nécessaires aux ap-
plications décoratives. Par exemple, si on utilise le matériau composite selon
l'invention pour réaliser une monture de lunettes présentant la même résis-
-4 -
tance qu'une monture faite d'un matériau traditionnel, on peut réduire con-
sidérablement le poids du produit. Par conséquent, on jouit d'une plus grande
liberté de conception du produit. En outre, en choisissant de manière appro-
priée la proportion des fibrilles, on peut régler à volonté la résistance et/ou les propriétés élastiques du produit sans influencer les qualités de légèreté. De la sorte, l'utilisation du matériau composite selon la présente invention
peut répondre à la demande d'une grande variété de résistances mécaniques.
Les inclusions de fibrilles dispersées dans la matrice ne gênent nullement le
pressage, l'étampage et l'étirage du matériau composite.
Selon le second aspect de l'invention, un élément composite comprend un noyau en matériau composite tel que décrit ci-dessus, revêtu d'une gaine en nickel,
en alliage à base de nickel, en cuivre ou en alliage à base de cuivre, la sec-
tion transversale de cette gaine étant comprise entre 3 et 30 % de la section
du noyau.
La présence de cette gaine assure, en plus des avantages susmentionnés du
matériau composite, d'excellentes aptitudes au brasage et au placage, aptitu-
des particulièrement utiles pour les applications décoratives. La gaine recou-
vrant la matrice est tendre et ductile, et elle permet très bien les déforma-
tions plastiques.
Un élément composite selon le troisième aspect de la présente invention com-
porte un noyau tel que décrit ci-dessus et une gaine en or ou en alliage à
base d'or, dont la section transverale est comprise entre 2 et 15 % de la sec-
tion du noyau. L'utilisation d'or ou d'un alliage à base d'or pour la gaine ré-
sulte particulièrement de considérations décoratives. L'épaisseur de la gaine est trop faible quand sa section tombe en dessous de 2 % de la section du noyau. Un rapport des sections dépassant 15 % serait nuisible à la légèreté
du produit.
Dans les exemples indiqués ci-dessous, on a utilisé des fibrilles (whiskers) de carbure de silicium présentant un diamètre compris entre 0, 01 et 1,0 um, une longueur comprise entre 10 et 100 um et une résistance comprise entre
4'000 et 7'000 N/mm2. Les fibrilles ont été mélangées à de la poudre de ti-
tane, selon les taux volumétriques indiqués dans le Tableau 1, puis chaque
- 5 -81
mélange a été enfermé dans un récipient de caoutchouc pour être soumis à une extrusion hydrostatique sous une pression de 5'000 bars, afin d'en faire
une baguette de 35 mm de diamètre et 300 mm de longueur. On a ensuite ré-
duit le diamètre à 30 mm et la longueur à 100 mm par découpage. La baguette a alors été insérée dans un tube de nickel de 3 mm d'épaisseur, dont on a
fermé les extrémités par soudage par faisceau d'électrons. Cet élément com-
biné a été soumis à une extrusion à chaud à une température de 750 à 800 C pour former un fil de 5 mm de diamètre. Ce fil a été recuit à 700 C pendant une heure dans une atmosphère d'hydrogène, puis soumis à des étirages avec un taux de déformation de 8 % par passage jusqu'à former un fil de 2,6 mm de diamètre, lequel a été recuit à son tour à 700 C pendant une heure dans
une atmosphère d'hydrogène pour constituer une pièce d'essai. Les pièces d'es-
sai No. 11 à 18 du Tableau I ont été préparées de cette manière. La propor-
tion du nickel en section transversale était de 3 %.
Dans le mode de préparation décrit ci-dessous, on a omis l'insertion dans un tube de nickel et la fermeture des extrémités du tube lors de la préparation des pièces d'essai Nos. 1 à 10 du Tableau 1. Les pièces d'essai Nos. 1 à 18 ont toutes été comprimées à la presse jusqu'à présenter une hauteur de 1,0 mm
et on a observé l'apparition de fissures, comme l'indique le Tableau 1.
-6 -
Tableau 1
-' ' Caractéristiques Echan- ' ue Echan-mecaniques Taux de Masse Force de Largeur Remarques tillon Résistance Allongement SiC volumique pressage No. (N/m2) MM(% en (g/cm3) (kN) (mm) volume)
I 500 23 0 4.51 785 4.9
2 579 -21 3 4.46 804 4.9
3 696 18 7 4.42 981 4.9
Apte à 4 785 12 10 4.38 1177 5.0 être 5 883 10 15 4.31 1285 4.9 travaillé
6 1236 3 20 4.24 1687 4.7
7 1314 I 25 4.17 2030 4.7
8 1481 0,8 30 4.10 2187 4.6
9 1775 0.3 35 4.03 2520 f i nssuresinapte fines inapte 1883 0.1 40 3.96 2873 fissures
11 481 28 0 4.64 765 5.0
-12 569 24 3 4.60 785 50
13 637 20 7 4.55 961 4.9
14 716 14 10 4.51 1089 4.9 Apte être 814 12 15 4.44 1245 4.9 travaillé
16 1128 5 20 4.37 1657 4.7
17 1363 1.0 30 4.23 2157 4.7
18 1667 0.6 35 4.16 - 2500 4.6
Les résultats figurant dans le Tableau 1 montrent clairement que, dans le cas
des pièces d'essai Nos. I à 10, qui sont dépourvues de gaine de nickel, l'appa-
rition de fissures empêche une bonne aptitude à être travaillé lorsque le taux de fibrilles de carbure de silicium est égal ou supérieur à 35 %. Dans le cas des pièces d'essai Nos. 11 à 18, qui comportent des gaines en nickel,
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- 7 - aucune fissure n'est apparue, même pour un taux de fibrilles de carbure de silicium égal ou supérieur à 35 %. Ceci montre que la présence de la gaine
en nickel améliore considérablement l'aptitude des pièces d'essai à être tra-
vaillées. Si le taux de fibrilles de carbure de silicium est accru, la résistance augmente et la masse volumique diminue. Les résultats montrent clairement
qu'on peut ajuster librement la résistance et l'élasticité du produit sans per-
dre sa légèreté, en modifiant le taux de fibrilles de carbure de silicium.
En utilisant des pièces d'essai qui figurent dans le Tableau 1, on a fabriqué des échantillons de montures de lunettes mentionnés dans le Tableau 2, en
respectant les exigences de résistance requises dans la pratique. Les charniè-
res ont été faites en maillechort.
Tableau 2 Echantil- Poids Taux d'allégement Remarques Ion No. (g) (%)
I 12.1 -41 Ti uniquement.
3 12.1 41 Renforcement par fibrilles de SiC
__ _ _ _ __ _ _ _ _
10.9 47
6 10.7 48
8 10.3 50
11 12.3 40.6 Gaine de Ni
12 12.1 41
14 12.0 42
11.9 43
18 10.1 51
20. Exemple comparatif L 20.7 = alliage Ni-Cr Dans le Tableau 2, le terme de "taux d'allégement" se rapporte au pourcentage de réduction de poids par rapport au poids de l'exemple comparatif. Si on - 8 - compare la pièce d'essai No. 3 à la pièce d'essai No. 15 qui a presque la même masse volumique, le taux d'allégement est plus grand pour cette dernière. Cela
est dû à une meilleure aptitude à être travaillé et brasé, résultant de la pré-
sence de la gaine. Ceci s'applique également à la comparaison entre les piè-
ces d'essai Nos. 1 et 14, ainsi qu'entre les pièces Nos. 8 et 18. Les données du Tableau 2 indiquent clairement que l'utilisation du matériau composite selon la présente invention assure une réduction de poids de 40 à % par rapport à une monture de lunettes en alliage Ni-Cr, donnée à titre
d'exemple comparatif.
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9 -
Claims (4)
1. Matériau composite pour applications décoratives, comprenant une ma-
trice faite d'une des matières du groupe comprenant le titane, les alliages à base de titane, l'aluminium et les alliages à base d'aluminium, et de 5 à % en volume de fibrilles dispersées dans ladite matrice et présentant un facteur d'allongement compris entre 10 et 5'000.
2. Matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que les-
dites fibrilles font partie du groupe comprenant les fibrilles de carbure de si-
licium, les fibrilles d'alumine, les fibrilles d'oxyde de zirconium, les fibrilles
de sialon tC, les fibrilles de sialon 8 et les fibrilles de silice.
3. Elément composite pour applications décoratives, caractérisé en ce qu'il comporte: a) un noyau en matériau composite selon la revendication 1, - b) une gaine en nickel, en alliage à base de nickel, en cuivre ou en alliage à base de cuivre, qui recouvre ledit noyau et dont la section transversale
est comprise entre 3 et 30 % de la section du noyau.
4. Elément composite pour applications décoratives, caractérisé en ce qu'il comporte: a) un noyau en matériau composite selon la revendication 1, b) une gaine en or ou en alliage à base d'or, qui recouvre ledit noyau et dont
la section transversale est comprise entre 2 et 15 % de la section du noyau.
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