FR2665433A1 - Composition of acoustic materials intended in particular for producing sonotrode components - Google Patents
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Abstract
Description
COMPOSITION DE MATERIAUXACOUSTIQUES DESTINES NOTAMMENTALA
REALISATION DE PIECES DE SONOTRODES
La présente invention a pour objet une nouvelle composition pour des matériaux du type des cermets ainsi que leur application où ils sont destinés à être utilisés en masse ou en revêtement, dans les matériels et équipements ayant à transmettre des ondes sonores, plus particulièrement ultrasonores. Elle porte donc également sur toutes sortes de pièces, réalisées au moins en partie à partir d'une telle composition, qui peuvent servir par exemple d'organes de montage ou de transmission, notamment dans des sonotrodes Enfin, I'inventíon concerne aussi un procédé de fabrication de ces matériaux.COMPOSITION OF ACOUSTIC MATERIALS ESPECIALLY
PRODUCTION OF SONOTRODES PARTS
The subject of the present invention is a new composition for materials of the cermet type as well as their application where they are intended to be used in bulk or as a coating, in materials and equipment having to transmit sound waves, more particularly ultrasonic waves. It therefore also relates to all kinds of parts, produced at least in part from such a composition, which can be used for example as mounting or transmission members, in particular in sonotrodes Finally, the invention also relates to a process manufacturing these materials.
Les matériaux présentant la composition de l'invention se combinent avantageusement aux matériaux que l'on utilise déià de manière courante dans la réalisation de telles pièces. On sait que les pièces mécaniques exposées à des ultrasons sont soumises à des sollicitations mécaniques spécifiques, qui posent des problèmes de résistance et stabilité de fonctionnement dans les appareils exploitant les phénomènes de vibration ultrasonores, alors qu'il n'est pas besoin de rappeler leurs très nombreuses applications dans l'industrie. En général cependant, les matériels utilisés sont équipés de générateurs d'ultrasons et de sonotrodes, qui transmettent les vibrations ultrasonores produites jusqu'à ltendroit de lueur application.On peut penser par exemple aux appareils de découpage ou usinage par ultrasons, aux systèmes d'examen non destructifs, aux appareils de seanning par ultrasons, etc... The materials having the composition of the invention advantageously combine with the materials which are already used commonly in the production of such parts. We know that mechanical parts exposed to ultrasound are subjected to specific mechanical stresses, which pose problems of resistance and operating stability in devices exploiting ultrasonic vibration phenomena, while there is no need to recall their many applications in the industry. In general, however, the materials used are equipped with ultrasound generators and sonotrodes, which transmit the ultrasonic vibrations produced up to the place of their application. We can think for example of cutting or ultrasonic machining devices, non-destructive examination, to ultrasonic seanning devices, etc.
Le développement des applications des ultrasons a été extrêmement rapide au cours des dernières décennies grâce aux progrès considérables réalisés dans le domaine des générateurs et aux définitions bien meilleures des systèmes vibrants. La limitation qui subsiste encore réside dans les matériaux constitutifs de ces systèmes, et plus particulièrement des interfaces entre les sonotrodes et les matières en contact avec elles. The development of ultrasound applications has been extremely rapid in recent decades thanks to the considerable progress made in the field of generators and much better definitions of vibrating systems. The limitation which still remains lies in the materials constituting these systems, and more particularly in the interfaces between the sonotrodes and the materials in contact with them.
En effet, bien que les possibilités d'application des ultrasons soient quasiment infinies, les limitations apparaissent vite. Les densités d'énergie très élevées localement et les fonctions mécaniques (accélération, vitesse, amplitude...) des systèmes vibrants atteignent des valeurs considérables et elles détruisent rapidement les matériaux dont ils sont constitués. Indeed, although the possibilities of application of ultrasound are almost endless, the limitations quickly appear. The very high energy densities locally and the mechanical functions (acceleration, speed, amplitude ...) of the vibrating systems reach considerable values and they quickly destroy the materials of which they are made.
Les spécialistes des ultrasons ont conçu et réalisé leurs matériels en prenant en compte, comme il se doit, d'abord les paramètres relatifs à la transmission du son (module d'élasticité, densité), et ils ont été amenés naturellement à choisir des matériaux transmettant bien les ondes sonores comme la titane ou l'aluminium. Ils ont aussi protégé les pièces les plus exposées aux dégradations par des revêtements durs ou par des plaquettes brasées en mélanges de carbure de tungstène et de cobalt, telles qu'elles sont couramment utilisées pour la réalisation des outillages de perçage et de forage. Des dépôts en couches minces réalisés par vaporisation sous vide ont également été essayés mais leur durée de vie n'est pas suffisante. The ultrasound specialists designed and produced their equipment, taking into account, as it should, first the parameters relating to the transmission of sound (elasticity modulus, density), and they were naturally led to choose materials transmitting sound waves well like titanium or aluminum. They also protected the parts most exposed to degradation by hard coatings or by brazed plates in mixtures of tungsten carbide and cobalt, as they are commonly used for the production of drilling and drilling tools. Thin layer deposits produced by vacuum vaporization have also been tried but their lifespan is not sufficient.
La présente invention consiste dans la formulation d'une gamme de matériaux à base de céramiques non oxydes légers, capables de résister aux sollicitations mécaniques des ultrasons tout en présentant une excellente inertie chimique. D'autres propriétés utiles de ces matériaux du style cermet sont notamment une densité voisine de celles des métaux constitutifs des sonotrodes, et une dureté égale ou supérieure à celle des plaquettes de carbure de tungstène et cobalt couramment utilisés dans l'état de l'art actuel
Ces qualités sont atteintes, conformément à l'invention, grâce à une composition de matériaux acoustiques caractérisée en ce qu'elle est essentiellement constituée par une composition de cermet à base de nickel et de carbure de titane.The present invention consists in the formulation of a range of materials based on light non-oxide ceramics, capable of withstanding the mechanical stresses of ultrasound while exhibiting excellent chemical inertness. Other useful properties of these materials of the cermet style are notably a density close to that of the constituent metals of the sonotrodes, and a hardness equal to or greater than that of the tungsten carbide and cobalt platelets commonly used in the state of the art. current
These qualities are achieved, in accordance with the invention, thanks to a composition of acoustic materials characterized in that it is essentially constituted by a composition of cermet based on nickel and titanium carbide.
En d'autres termes, un objet de l'invention consiste en une nouvelle utilisation des matériaux composites du type des cermets, à base de nickel et de carbure de titane, dans le domaine des matériaux acoustiques. In other words, an object of the invention consists in a new use of composite materials of the cermet type, based on nickel and titanium carbide, in the field of acoustic materials.
Les matériaux suivant l'invention sont avantageusement fabriqués à partir de poudres microniques de nickel et de carbure de titane, qui sont mises en oeuvre par frittage pour obtenir une pièce de cermet à la forme désirée
Suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, de telles pièces présentent la forme de plaquettes à contour circulaire, en général des disques plans et pleins, qui dans une application privilégiée, sont montées en bout de sonotrodes. The materials according to the invention are advantageously made from micron powders of nickel and titanium carbide, which are used by sintering to obtain a piece of cermet in the desired shape
According to a preferred embodiment of the invention, such parts have the form of plates with circular outline, in general flat and solid discs, which in a preferred application, are mounted at the end of sonotrodes.
De préférence, et notamment pour cette application, des matériaux suivant l'invention présentent une densité comprise entre 4,95 et 5,3 et une dureté
VICKERS comprise entre 1200 et 3200 HV.Preferably, and in particular for this application, materials according to the invention have a density between 4.95 and 5.3 and a hardness
VICKERS between 1200 and 3200 HV.
Des matériaux composites de type cermet, convenant en particulier comme matériaux acoustiques pour être utilisés dans cette application, peuvent être obtenus par frittage d'un mélange de poudres microniques comprenant de 5 à 40 parties en poids de nickel et 95 à 60 parties en poids de carbure de titane. Composite materials of the cermet type, suitable in particular as acoustic materials for use in this application, can be obtained by sintering a mixture of micron powders comprising from 5 to 40 parts by weight of nickel and 95 to 60 parts by weight of titanium carbide.
Des proportions préférées dans le cadre d'une telle composition comportent de 10 à 30 parties en poids de nickel pour 90 à 70 parties en poids de carbure de titane
La poudre de carbure de titane présente avantageusement une granulométrie comprise entre 0,1 et 5 microns, et de préférence comprise entre 0,2 et 4 microns et la poudre de nickel présente avantageusement une granulométrie comprise entre 1 et 5 microns et, de préférence, de l'ordre de 2 à 3 microns.Preferred proportions in the context of such a composition comprise from 10 to 30 parts by weight of nickel for 90 to 70 parts by weight of titanium carbide
The titanium carbide powder advantageously has a particle size between 0.1 and 5 microns, and preferably between 0.2 and 4 microns and the nickel powder advantageously has a particle size between 1 and 5 microns and, preferably, on the order of 2 to 3 microns.
Les exemples ci-après illustrent la mise en oeuvre de l'invention dans le cadre de la fabrication de matériaux acoustiques destinés à être utilisés pour constituer des organes de transmission des ondes ultra-sonores. The examples below illustrate the implementation of the invention in the context of the manufacture of acoustic materials intended to be used to constitute organs for transmitting ultrasonic waves.
Les matériaux obtenus sont en particulier mis en forme de plaquettes de dimensions appropriées pour être montées en bout des sonotrodes d'appareils à ultrasons en remplacement des plaquettes classiques à base de carbure de tungstène et cobalt. The materials obtained are in particular formed into wafers of suitable dimensions to be mounted at the end of the sonotrodes of ultrasonic devices in replacement of the conventional wafers based on tungsten carbide and cobalt.
On rappellera à ce sujet que dans les transducteurs ultrasoniques, on distingue généralement une partie émetteur et une partie amplificateur. On this subject, it will be recalled that in ultrasonic transducers, a transmitter part and an amplifier part are generally distinguished.
L'émetteur comporte des éléments piézo-électriques qui produisent des vibrations mécaniques quand ils sont soumis à des variations de champ électrique appliquées par un générateur extérieur La fréquence d'excitation est choisie pour faire vibrer en résonance des masses métalliques dimensionnées en fonction de la longueur d'onde à produire.The transmitter includes piezoelectric elements which produce mechanical vibrations when they are subjected to variations in the electric field applied by an external generator. The excitation frequency is chosen to vibrate in resonance metallic masses dimensioned according to the length. wave to produce.
L'amplificateur est en général constitué par un barreau métallique d'une demi- longueur d'onde, prolongé par la sonotrode sur une longueur d'un nombre entier de longueurs d'onde. The amplifier is generally made up of a metal bar of half a wavelength, extended by the sonotrode over a length of an integer number of wavelengths.
Le métal de la sonotrode est le plus souvent un alliage de titane que l'on protège du milieu extérieur au transducteur par une plaquette en céramique brasée sur la face extrême du barreau. The metal of the sonotrode is most often a titanium alloy which is protected from the environment outside the transducer by a ceramic plate brazed on the end face of the bar.
Pour constituer de telles plaquettes, les mélanges de poudres de nickel et carbure de titane répondant à la composition suivant l'invention, peuvent être frittées, conformément aux exemples, à une température de l'ordre de 1400 à 1 5000C sous une pression de l'ordre de 2 à 20 ticm2 (soit 20 à 200 mégapascals). To form such plates, the mixtures of nickel powders and titanium carbide corresponding to the composition according to the invention can be sintered, in accordance with the examples, at a temperature of the order of 1400 to 1500 ° C. under a pressure of 1 '' from 2 to 20 ticm2 (i.e. 20 to 200 megapascals).
Les matériaux obtenus ont notamment l'avantage d'être mieux aptes à transmettre les ondes ultrasonores que ceux des plaquettes antérieures. The materials obtained have the particular advantage of being better able to transmit ultrasonic waves than those of the previous plates.
Contrairement au couple carbure de tungstène et cobalt, ils présentent une densité très proche de celle des alliages de titane, pour une dureté au moins équivalente.Unlike the tungsten carbide and cobalt couple, they have a density very close to that of titanium alloys, for a hardness at least equivalent.
Exemple 1:
Dans un flacon d'un litre en chlorure de polyvinyle, on introduit 250 g de poudre de carbure de titane (TiC) et 62,5 g de nickel en poudre. La poudre de carbure de titane est une poudre atomisée du type produit commercialement par la Société CEREX et présente une granulométrie HORIBA de 0,25 microns (diamètre moyen à 50 % de particules). La poudre de nickel est du type désigné commercialement par la nuance Mond et issue de Nickel-Carbonyle. Sa granulométrie est comprise entre 2,2 et 2,8 microns. On ajoute du camphre et de l'éther de pétrole en vue de l'opération de mélange qui est effectuée dans un broyeur à boulets de carbure de tungstène. Le mélange dure 24 h.Example 1:
250 g of titanium carbide (TiC) powder and 62.5 g of nickel powder are introduced into a one-liter polyvinyl chloride bottle. The titanium carbide powder is an atomized powder of the type produced commercially by the company CEREX and has a HORIBA particle size of 0.25 microns (average diameter at 50% of particles). The nickel powder is of the type commercially designated by the grade Mond and derived from Nickel-Carbonyl. Its particle size is between 2.2 and 2.8 microns. Camphor and petroleum ether are added for the mixing operation which is carried out in a tungsten carbide ball mill. The mixing lasts 24 h.
La poudre est récupérée puis séchée pour évaporer toute trace de camphre. The powder is collected and then dried to evaporate all traces of camphor.
On remplit avec cette poudre un moule en résine organique puis on soumet l'ensemble à une pression isostatique de 20 Mégapascals. Le solide obtenu est introduit dans un creuset en graphite pour être soumis à un traitement thermique de frittage pendant 1 h à 1400 C.An organic resin mold is filled with this powder and then the assembly is subjected to an isostatic pressure of 20 megapascals. The solid obtained is introduced into a graphite crucible to be subjected to a thermal sintering treatment for 1 h at 1400 C.
La plaquette (Tic-Ni) obtenue présente les caractéristiques suivantes:
Dureté Vickers sous charge de 50kg/cm2: Hv 50 = 1200
Facteur d'intensité de contrainte: KIC = 6,6 MPa.m112
Densité :98% de la densité théorique. The plate (Tic-Ni) obtained has the following characteristics:
Vickers hardness under load of 50kg / cm2: Hv 50 = 1200
Stress intensity factor: KIC = 6.6 MPa.m112
Density: 98% of the theoretical density.
Cette plaquette est ajustée dans une sonotrode en TA6V. La sonotrode est ensuite soumise à 20 kHz pendant 60 heures dans de l'eau. Alors qu'une pastille de même dimension en carbure de tungstène ne résiste que quelques heures, la plaquette en TiC-Ni ne subit aucune altération.This plate is adjusted in a TA6V sonotrode. The sonotrode is then subjected to 20 kHz for 60 hours in water. While a pellet of the same size in tungsten carbide only resists for a few hours, the TiC-Ni wafer does not undergo any alteration.
Exemple 2
On introduit 90 g de TiC (type CEREX granulométrie HORIBA d50 = 0,25 microns) avec 10 g de Ni (type mond 255 à 2,2 à 2,8 microns) dans un flacon en résine de chlorme de vinyle d'une contenance de 250 cm3. Cette poudre est mélangée, pressée et frittée dans les mêmes conditions que l'exemple 1.Example 2
90 g of TiC (CEREX type HORIBA particle size d50 = 0.25 microns) are introduced with 10 g of Ni (mond type 255 to 2.2 to 2.8 microns) into a bottle of vinyl chlorine resin with a capacity of 250 cm3. This powder is mixed, pressed and sintered under the same conditions as in Example 1.
La plaquette (TiC-Ni) obtenue présente les caractéristiques suivantes:
Dureté Vickers sous charge de 50 kg/m2: Hv 50 = 1545
Densité : 97,5 % de la densité théorique
Plutôt que d'être brasée comme dans l'exemple 1, cette plaquette est montée en force dans une sonotrode en AU4G1. La sonotrode ainsi équipée offre une excellente vibration avec une variation de fréquence de 60 Hz pour une fréquence nominale d'ensemble de 20 kHz.The plate (TiC-Ni) obtained has the following characteristics:
Vickers hardness under load of 50 kg / m2: Hv 50 = 1545
Density: 97.5% of theoretical density
Rather than being brazed as in Example 1, this plate is mounted by force in an AU4G1 sonotrode. The sonotrode thus equipped offers an excellent vibration with a frequency variation of 60 Hz for an overall nominal frequency of 20 kHz.
Exemple 3:
On mélange 144,54 g de poudre de TiC commercialisée par Starck et présentant un diamètre Fischer de 3,6 microns avec 55,46 g de poudre de nickel additionnée d'acétone dans un micromélangeur contenant des billes de carbure de tungstène. L'opération de mélange dure 5 heures. La poudre est récupérée puis séchée dans un ballon maintenu à 75-80 "C par un bain d'huile, puis une dernière opération de séchage sous vide est réalisée. Cette poudre est pressée sous 200 MPa et frittée à 1430 "C pendant 1 heure.Example 3:
144.54 g of TiC powder sold by Starck and having a Fischer diameter of 3.6 microns are mixed with 55.46 g of nickel powder added with acetone in a micromixer containing tungsten carbide beads. The mixing operation lasts 5 hours. The powder is collected and then dried in a flask maintained at 75-80 "C by an oil bath, then a last drying operation under vacuum is carried out. This powder is pressed under 200 MPa and sintered at 1430" C for 1 hour .
La plaquette du cermet TiC-Ni obtenue présente les caractéristiques suivants:
Dureté Vickers sous charge de 50 kg/cm2: Hv 50 = 1172
Densité : 5,66. The TiC-Ni cermet plate obtained has the following characteristics:
Vickers hardness under load of 50 kg / cm2: Hv 50 = 1172
Density: 5.66.
Cette plaquette soumise aux conditions d'ultrasons de l'exemple 1 résiste également plus de 60 heures. This wafer subjected to the ultrasound conditions of Example 1 also withstands more than 60 hours.
Naturellement, I'invention n'est pas limitée à ces exemples particuliers et elle s'étend à toutes variantes des conditions de fabrication et de mise en oeuvre. Naturally, the invention is not limited to these particular examples and it extends to all variants of the manufacturing and implementation conditions.
Claims (9)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR9010042A FR2665433A1 (en) | 1990-08-06 | 1990-08-06 | Composition of acoustic materials intended in particular for producing sonotrode components |
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| FR9010042A FR2665433A1 (en) | 1990-08-06 | 1990-08-06 | Composition of acoustic materials intended in particular for producing sonotrode components |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2665433A1 true FR2665433A1 (en) | 1992-02-07 |
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Family Applications (1)
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| FR9010042A Withdrawn FR2665433A1 (en) | 1990-08-06 | 1990-08-06 | Composition of acoustic materials intended in particular for producing sonotrode components |
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| FR (1) | FR2665433A1 (en) |
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