FR2622189A1 - Procede et dispositif pour le frittage et la densification d'ebauches ceramiques - Google Patents

Abstract

L'ébauche 23, constituée par une barre, traverse en translation longitudinale un dispositif de chauffage 9 dans lequel l'ébauche est portée à une température supérieure à sa température de frittage dans la zone soumise au chauffage, dans laquelle elle est alors densifiée pour former un corps fritté, par l'élimination presque totale des cavités et avec diminution du volume. Pour maintenir l'axe de la barre dans une attitude rectiligne, le corps fritté 23 est soumis pendant le processus de refusion à une force de tension constante dirigée vers le haut, appliquée à son extrémité supérieure.

Description

L'invention se rapporte à un procèdé de traite-

ment thermique d'ébauches qui se présentent sous la for-

me de barres et sont transportées à travers un disposi-

tif de chauffage, avec un mouvement de rotation et un mouvement longitudinal, et dans lequel a) il se forme dans l'ébauche une zone limitée

de haute température dans laquelle l'ébauche est chauf-

fée à un niveau supérieur à sa température de frittaQe, b) pendant le processus de refusion, le corps

fritté est soumis, à son extrémité supérieure, à l'ac-

tion d'une force de traction constante, dirigée vers le haut, et c) la zone de haute termprature se déplace de haut en bas sur la longueur de l'ébauche, cette dernière

étant appuyée sur un support tournant.

Un procédé de ce type est déjà connu du fait du

DE-A-25 55 551. Il sert à produire, à partir d'une ébau-

che tubulaire pré-frittée un tube transparent, limpide,

qui possède un diamètre intérieur et un diamètre exté-

rieur prédéterminés, c'est-à-dire qui possède une épais-

seur de paroi définie. Ce résultat est obtenu par le fait que l'on relie les deux extrémités du tube à des barres porteuses dont les vitesses de déplacement sont entre elles dans un rapport défini qui fixe la variation de section prédéterminée. Ce mode opératoire ne peut

être adopté que dans le cas de pièces extrêmement peti-

tes, dont le diamètre est de l'ordre de quelques millimè-

tres ou de quelques centimètres. En outre, la force d'en-

trainement à appliquer à la barre porteuse supérieure ne

dépend pas du poids de la partie de la pièce qui se trou-

ve au-dessus de la zone plastifiée de cette pièce.

Dans le cas de pièces de plus grandes dimen-

sions, c'est-à-dire dans le cas de ce qu'on appelle les "ébauches vertes", en dioxyde de silicium préformé,

d'une longueur d'environ 200 cm avec un diamètre d'envi-

ron 20 cm, et dans le cas de la transformation de ces

ébauches en corps frittés presque limpides et à haute ré-

sistance, on procédait jusqu'à présent en déplaçant la

zone de frittage sur la longueur de l'ébauche non.soute-

nue, de sorte que la zone de frittage subissait l'action de la totalité du poids de la partie de l'ébauche qui la surmontait. Sous l'effet du frittage, il se produit une

diminution notable du volume due à un phénomène de flua-

ge, et qui a pour conséquence une instabilité mécanique

du processus de frittage. Il en résultait très fréquem-

ment que, dans le cas d'ébauches possédant les dimen-

sions indiquées, les barres frittées s'incurvaient et/ou devenaient irrégulières en diamètre, ce qui rendait plus

difficile ou, du moins, moins rentable, la transforma-

tion ultérieure de ces pièces. Ici, il convient de tenir compte du fait que l'ébauche préformée est relativement

tendre et difficile à manipuler tandis que le corps frit-

té fini est presque limpide et possède une haute résis-

tance. L'invention se donne donc pour but d'éliminer

les effets que les instabilités mécaniques des opéra-

tions de frittage de ce genre, peuvent exercer sur le produit final, et de crier un procédé de fabrication du genre décrit au début X l'aide duquel on puisse obtenir sans obstacle des corps frittés de grandes dimensions et

d'un poids élevé, en maintenant l'axe de la barre recti-

ligne. Selon l'invention, la solution du problème posé consiste en ce que l'on densifie l'ébauche en supprimant

ses cavités dans une large mesure et en réduisant son vo-

lume pour la transformer en un corps fritté et en ce qu'en méme temps, on augmente la force de traction au fur et à mesure de la progression de la zone de haute température dans l'ébauche, de l'extrémité supérieure de la barre vers l'extrémité inférieure de la barre, en fonction du poids de la partie du corps fritté qui se

trouve au-dessus de la zone de haute température.

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Il est essentiel que la force de traction soit, autant que possible, d'une valeur propre à compenser exactement le poids de la partie de l'ébauche qui se

trouve au-dessus de la zone de frittage.

Pour bien faire comprendre ce processus, on don-

nera l'explication suivante: la zone de haute températu-

re, qui est limitée dans la direction de l'axe longitudi-

nal mais qui s'étend sur toute la section transversale

de l'ébauche, et que l'on fait circuler dans la direc-

tion axiale sur pratiquement toute la longueur de l'ébau-

che, produit une zone qui est dans une certaine mesure fluide, bien que très visqueuse, et qui, naturellement, ne possède qu'une résistance limitée à la charge. Vers

la fin du processus de frittage, cette zone, que l'on ap-

pelle la "zone de frittage" a à supporter la totalité du poids de la partie déjà frittée de l'ébauche, ce qu'on appelle le corps fritté, qui la surmonte, de sorte que l'on peut facilement calculer la contrainte statique de

la zone à haute température.

Le procédé selon l'invention assure dans une

certaine mesure une compensation partielle du poids pré-

cité, ou même une compensation totale dans le cas idéal, de sorte que i'homogénéité et la rectitude du corps

fritté sont ainsi garanties dans une très grande mesu-

re.

Il s'agit ici d'un processus entièrement diffé-

rent de celui selon le DE-A-25 55 551, dans lequel l'ef-

fet prédominant est une variation définie de la section, et ceci même lorsque la contrainte mécanique de la zone

de haute température ou plastifiée varie dans le temps.

Dans l'objet de l'invention, on vise à décharger la zone

de frittage plastifiée dans une très large mesure, de ma-

nière que le processus de réduction du volume s'effectue exclusivement sous l'action de la force de gravité de la

matière plastifiée et non pas sous l'action d'autres for-

ces variables exercées de l'extérieur.

On obtient le cas idéal lorsque la force de traction est pratiquement exactement éqale à la fraction de poids de l'ébauche initiale qui se trouve au-dessus

de la zone de haute température.

Cet état peut être obtenu d'une façon particu- librement simple et fiable qrâce au fait que la force de traction est mesurée, au moins par intervalles, et que

la valeur mesurée est transmise à un dispositif de réqla-

ge sous l'action duquel le couple d'entraînement d'un mo-

teur d'entraînement qui développe la force de traction

est agrandi proportionnellement au résultat de la mesu-

re. L'indication "au moins par intervalles" inclut

la mesure continue, qui est naturellement particulière-

ment avantaqeuse.

On entend par les "cavités" contenues dans l'ébauche, non seulement les cavités macroscopiques mais

aussi les interstices entre les particules dont l'ébau-

che est composée. En répartition statistique, ces cavi-

tés représentent une fraction non négligeable du volume et, au cours du processus de frittage, elles conduisent

à une diminution de volume correspondante.

L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé décrit. Un dispositif

de ce genre comprend, de même que dans l'état de la tech-

nique, une enveloppe de four, un support inférieur tour-

nant et mobile en élévation, sur laquelle l'ébauche, ou le corps fritté, doit être posé debout, un dispositif de chauffage entourant l'ébauche, un dispositif élévateur destiné à déterminer le mouvement relatif vertical entre

l'ébauche et le dispositif de chauffage, ainsi qu'un dis-

positif de traction qui aqit sur l'extrémité supérieure

de l'ébauche, dans la direction verticale.

Selon l'invention, pour résoudre sensiblement le même problème, ce dispositif est caractérisé en ce que le dispositif de traction comprend un câble, un treuil et un élément de guidage du cable, sous l'action duquel le câble est introduit dans l'enveloppe du four coaxialement à l'ébauche ou au corps fritté, en ce qu'un élément dynamométrique, destiné à mesurer la force de traction qui agit sur le câble, est intercalé dans le

trajet du câble, et en ce que la sortie de l'élément dy-

namométrique est transmise à un dispositif de réglage

sous l'action duquel le couple d'entraînement d'un mo-

teur d'entraînement qui développe la force de traction

peut être auqmenté oroportionnellement & la valeur mesu-

rée. Le fait que le dispositif de traction comprend un câble, permet de limiter considérablement 1a hauteur d'encombrement de l'ensemble du dispositif. Ceci est

d'une grande importance du fait que les ébauches présen-

tent dans tous les cas une hauteur considérable, attei-

gnant plusieurs mètres, de sorte que la hauteur totale d'encombrement du dispositif devrait être la somme de la longueur de l'ébauche et d'une barre de traction ou

d'une vis si l'on utilisait des éléments mrcaniques rigi-

des pour le dispositif de traction. Ceci empêcherait, dans de nombreux cas, d'installer le dispositif dans des

ateliers déjà existants.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention seront mieux compris à la lecture de la descrip-

tion qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels, la figure 1 est une coupe axiale verticale de la partie supérieure d'un four de frittaqe équipé d'un in Aigprn:±if do chauúfgo y la rfigure z est une coupe verticale axiale de la partie inférieure du four de frittage selon la figure 1; la fiqure 3 est une coupe axiale verticale d'un raccord tournant pour la suspension de l'ébauche ou corps fritté; la figure 4 est une coupe horizontale partielle d'un carter de treuil monté sur la partie supérieure du

four de frittage, avec le treuil & cible et l'élément dy-

namométrique; la fiqure 5 est une vue de côté en partie en coupe de l'objet de la Ligure 4, prise dans le sens de la flèche V.

Sur les figures 1 et 2, on a représenté une en-

veloppe de four 1 qui est composée d'une partie supérieu-

re 2 et d'une partie inférieure 3, lesquelles sont tou-

tes deug, formées de cylindres creux et sont réunies

l'une à l'autre coaxialeTrent, au moyen de brides 4 et 5.

Sur la bride supérieure 4, qui s'étend radialement vers

l'intérieur, repose, par l'intermédiaire d'appuis por-

teurs 6, un anneau de chauffage ("susceptor") 7 qui est

entouré d'une bobine d'induction 8 placée sur la face ex-

térieure de l'enveloppe du four, et raccordé à un qénéra-

teur de moyenne fréquence, non représenté. L'anneau de

chauffage 7 et la bobine d'induction 8 forment un dispo-

sitif de chauffage 9 qui s'étend concentriquement à l'axe A-A du four. A l'extrémité supérieure de la partie supérieure 2, se trouve une bride 10 qui est fermée en position frontale par un couvercle 11, sur lequel est à son tour fixée, au moyen d'une bride 12, une tubulure de

raccordement 13 qui mène à un carter de treuil 14 repré-

senté en détail sur les fiqures 4 et 5. On montre en par-

ticulier sur la fiqure 5 que la tubulure de raccordement 13 possède une bride 15 qui est assemblée à une bride 16, laquelle est de son c5té assemblée au carter 14 du

treuil par l'intermédiaire d'une tubulure 17.

La partie inférieure 3 est assemblée par l'in-

termédiaire d'une bride 18 à une plaque de plancher 19 qui repose sur une fondation 20. Au-dessous de la plaque de plancher 19, se trouve, dans la fondation 1, un puits 21 dans lequel est disposé un dispositif élévateur 22 servant à déterminer un mouvement relatif vertical entre

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une ébauche 23 et le dispositif de chauffage 9. Ce dispo-

sitif élévateur 22 est composé d'une plate-forme 24 qui

est assemblée à la plaque de plancher 19 par l'intermé-

diaire d'une entretoise 25 et présente deux vis 26 pen-

dantes sur lesquelles sont montés deux écrous 27. Les écrous 27 sont à leur tour reliés l'un à l'autre par une traverse 28 dont le mouvement vertical est déterminé par un moteur d'entraînement 29 et une transmission à chaîne 30. Sur la traverse 28, repose une colonne porteuse 31 qui est guidée dans un manchon de guidage 32 fixé à la plate-forme 34. A l'extrémité supérieure de la colonne porteuse 31, se trouve un support 33 présentant la forme d'un disque circulaire et sur lequel l'ébauche 23 Drend appui, en plaçant en position verticale son axe qui est confondu avec l'axe A-A du four. La colonne porteuse 31 et, avec elle, le support 33 peuvent être entraînés en

un mouvement de rotation lente'au moyen d'un moteur d'en-

trainement 29, d'un réducteur 34 et d'une autre transmis-

sion à chaîne 35, l'ébauche 23 devant naturellement ac-

compagner cette rotation. Au moyen du dispositif éléva-

teur 22, on peut faire monter l'ébauche 23 verticalement à partir de la position représentée sur les figures 1 et 2, de sorte que, petit à petit, l'ensemble de i'ébauche passe à travers le dispositif de chauffage 9. Dans cette action, on produit dans l'ébauche 23 une zone de haute

température dont la dimension axiale correspond approxi-

mativement à la dimension axiale du dispositif de chauf-

fage 9. Le corps fritté 23a qui sort du dispositif de chauffage vers le haut est le produit de transformation de l'ébauche 23 initiale. Le poids du corps fritté 23a, c'est-à-dire de la partie de l'ébauche initiale 23 qui a quitté le dispositif de chauffage 9, est déterminant

pour la contrainte mécanique de la zone de haute tempéra-

ture. A la partie supérieure de l'ébauche 23 (et de ce qui sera ultérieurement le corps fritté 23a) est fixé

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un embout 36 qui est progressivement amené dans la posi-

tion haute 36a représentée en traits interrompus au

cours du processus de frittage. Cet embout 36 est repré-

senté sur la figure 3.

L'embout 36 est composé de graphite et il est encastré à son extrémité supérieure 37 dans un raccord tournant 38 qui, de son côté, est relié à un dispositif

de traction 40 par l'intermédiaire d'un câble 39 (figu-

res 4 et 5).

Le raccord tournant 38 possède un manchon de serrage 41 fait de graphite et qui présente un percage inférieur 42 et un perçage supérieur 43. L'extrémité 37 de l'embout 36 est engagée dans le perçage inférieur 42

tandis qu'un tourillon porteur 44 est fixé dans le perca-

ge supérieur 43 par une liaison opérant par obstacle, ce tourillon porteur prenant appui sur un palier axial 46 au moyen d'une partie épaulée 45. Ce palier axial repose à son tour sur la collerette inférieure 47 d'un manchon

porteur 48 qui est relié au câble 39 par une pièce inter-

médiaire 49. Le manchon porteur 48 est entouré d'un

corps de refroidissement 50 présentant un profil superfi-

ciel approprié. Avec la construction représentée, il est

possible d'imprimer à l'ébauche 23, pendant son mouve-

ment d'élévation, un mouvement de rotation qui s'y super-

pose sans que ceci ne doive entraîner un vrillage du cà-

ble 39.

Le cible 39 est passé coaxialement à travers la tubulure de raccordement 13 (ceci n'est pas représenté sur la fiqure 1) et, en passant par la tubulure 17, il

pénètre dans le carter de treuil 14 muni de son disposi-

tif de traction 40.

Comme le montrent les figures 4 et 5, le câble

39 passe tout d'abord sur un élément 51 de quidage du câ-

ble composé d'une poulie à gorge 52 qui est elle-même montée au moyen d'un axe de poulie 53 dans un levier 54 présentant la forme d'une fourche et qui est de son côté fixé solidairement en rotation sur un axe de rotation 55. En raison de l'orientation sensiblement horizontale

du levier 54, l'axe 53 de la poulie se trouve à une dis-

tance, mesurée dans la direction horizontale, qui corres-

pond au rayon "R" du levier. De cette façon, le premier levier 54 agit, par l'intermédiaire de l'axe 55, sur un

deuxième levier 56, lui aussi calé solidairement en rota-

tion sur cet axe et qui, de son côté, est en liaison avec un élément dynamométrique 57 par l'intermédiaire

d'une biellette 58, laquelle attaque, d'un cbté le le-

vier 56 et, de l'autre, l'élément dynamométrique 57.

L'élément dynamométrique 57 comprend une plaque de fixa-

tion 59 qui est fixée sur un support fixe 60. De cette façon, la force de traction agissant sur le câble 39 se transmet à l'élément dynamométrique 57 avec un certain

rapport de transmission.

De l'élément de guidage du câble 51, le câble

39 s'étend jusqu'à un treuil 61 qui est composé d'un tam-

bour 62 et d'un moteur d'entraînement 63, lequel est en liaison' avec le tambour de câble 62 par l'intermédiaire d'un arbre 64. Le c&ble 39 est maintenu appliqué sur le tambour de câble 62 par un rouleau de pression 65 qui est tourillonné à l'extrémité d'un levier 67 présentant la forme d'une fourche et précontraint par un ressort 66. De cette façon, le câble 39 est guidé positivement

sur le tambour de câble 62, même lorsque le câble est dé-

charqé. L'arbre 64 est tourillonné dans le carter de treuil 14 au moyen de roulements non référencés et il

traverse le carter 14 du treuil à travers un joint étan-

che aux gaz. A l'extrémité de l'arbre 64 qui est la plus éloignée du moteur d'entraînement 63, se trouve une roue dentée 68 qui est reliée par une courroie crantée 69 et une roue dentée 70 à un interrupteur de fin de course 71 qui met l'entraînement du tambour de câble 62 à l'arrêt

lorsque l'ébauche 23 atteint sa position extreme corres-

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pondante. On peut encore voir sur la figure 4 que l'axe servant à transmettre la force de traction du cable à

l'élément dynamométrique 57 est tourillonné à joint étan-

che aux gaz dans un carter de palier tubulaire 72 qui, à

son tour, traverse une plaque de bride 73 à joint étan-

che aux qaz et est fixé dans cette plaque. La plaque de bride 73 forme la fermeture latérale d'une tubulure 14a

qui fait partie du carter 14 du treuil.

Le signal de sortie (électrique) de l'élément

dynamométrique 57 est transmis à un dispositif de réqla-

qe, non représenté ici, qui, de son côté règle le cou-

rant absorbé par le moteur d'entrainement 63. Le couple fourni par le moteur d'entrainement 63 est à son tour

proportionnel au courant absorbé, dont la valeur de dé-

part peut être commandée par un potentiomètre de réqla-

ge, de sorte que la proportion entre la fraction du poids qui doit être supporté et la force de traction à

développer peut être modifiée en fonction des besoins.

- 11l va de soi qu'en raison de l'utilisation d'un chauffage inductif pour l'ébauche 23 et d'une bobine d'induction 8 placée à l'extérieur, l'enveloppe 1 du four doit être transparente aux champs à haute fréquence gui se forment. L'enveloppe 1 du four est donc formée, d'une façon connue, d'un tube de quartz, du moins dans

ses parties qui sont essentielles du point de vue fonc-

tionnel, Etant donné que, de même, une ébauche en dioxy-

de de silicium ne se couplerait pas à la haute fréquen-

ce, on chauffe tout d'abord l'anneau de chauffage 7 à une température suffisamment élevée, qui se transmet à

son tour à l'ébauche 23 par rayonnement. Les éléments es-

sentiels du raccord tournant qui subissent une haute con-

trainte thermique sont de prétérence réalisés en graphi-

te. Bien entendu, diverses modifications pourront

être apportées par l'homme de l'art au procédé et au dis-

1l positif qui viennent d'être décrits uniquement à titre

d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'in-

vention. REVr N D I C AT I ON S 1 - Procédé de traitement thermique d'ébauches

qui se présentent sous la forme de barres et sont trans-

portées & travers un dispositif de chauffage, avec un mouvement de rotation et un mouvement longitudinal, et dans lequel a) il se forme dans l'ébauche une zone limitée

de haute température dans laquelle l'ébauche est chauf-

fée à un niveau supérieur à sa température de frittaqe, b) pendant le processus de refusion, le corps

fritté est soumis, à son extrémité supérieure, à l'ac-

tion d'une force de traction constante, dirigée vers le haut, et c) la zone de haute température se déplace de haut en bas sur la longueur de l'ébauche, cette dernière étant appuyée sur un support tournant, caractérisé en ce que l'on densifie l'ébauche en supprimant ses cavités dans une large mesure et en réduisant son volume pour la transformer en un corps fritté et en ce qu'en même

temps, on auqmente la force de traction au fur et à mesu-

re de la progression de la zone de haute température dans l'ébauche, de l'extrémité supérieure de la barre vers l'extrémité inférieure de la barre, en fonction du

poids de la partie du corps fritté qui se trouve au-des-

sus de la zone de haute température.

2 - Procédé selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce que la force de traction est mesurée, au moins par intervalles, et la valeur mesurée est transmise A un dispositif de réglage sous l'action duquel le couple d'entraînement d'un moteur d'entraînement qui produit la force de traction est augmenté proportionnellement à la

valeur mesurée.

3 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procé-

dé selon la revendication 1, comprenant une enveloppe de four (1), un support inférieur (33) tournant et mobile en élévation, sur lequel l'ébauche (23), ou le corps

fritté, doit être posé debout, un dispositif de chauffa-

qe (9) entourant l'ébauche, un dispositif élévateur (22) destiné à déterminer le mouvement relatif vertical entre l'ébauche (23) et le dispositif de chauffage (9), ainsi

qu'un dispositif de traction (40) qui agit sur l'extrémi-

té supérieure de l'ébauche (23), dans la direction verti-

cale, caractérisé en ce que le dispositif de traction

(40) comprend un câble (39), un treuil (61) et un é1-

ment (51) de guidage du câble, sous l'action duquel le câble (39) est introduit dans l'enveloppe (1) du four coaxialement à l'ébauche (23) ou au corps fritté, en ce qu'un élément dynamométrique (57), destiné à mesurer la force de traction qui agit sur le câble, est intercalé dans le trajet du câble (39), et en ce que la sortie de

l'élément dynamomrtrique (57) est transmise à un disposi-

tif de réglage, sous l'action duquel le couple d'entrai-

nement d'un moteur d'entraînement qui développe la force de traction peut être augmenté proportionnellement à la

valeur mesurée.

4 - Dispositif selon la revendication 3, carac-

* térisé en ce que l'élément (51) de guidaqe du câble est

une poulie à câble (52) qui est tourillonnée sur un pre-

mier levier horizontal (54) et en ce que ce levier est tourillonn6 au moyen d'un axe de rotation (55) qui se trouve à une distance horizontale de l'axe (53) de la poulie égale à un rayon de pivotement (R), et qui agit sur un élément dynamométrique (57) par l'intermédiaire

d'un deuxième levier (56).

5 - Dispositif selon la revendication 4, carac-

térisé en ce que la poulie à câble (52) et le treuil à

câble (61) sont logés dans un carter de treuil (14) mon-

té sur l'enveloppe (1) du four, qui est en communication avec l'enveloppe (20) du four par une ouverture, en ce que le premier levier (54) et le deuxiqme levier (56) sont en liaison entre eux par l'intermédiaire de l'axe de rotation (55) qui traverse le carter de treuil (14) au moyen d'un joint étanche aux gaz et en ce que le deuxième levier (56) et l'élément dynamométrique (57)

sont agencés à l'extérieur du carter (14) du treuil.

6 - Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce qu'un raccord tournant (38) est interposé

entre le câble (39) et l'ébauche (23) ou le corps frit-

té.