FR2668729A1 - BRAZING OF PARTS OF MATERIALS HAVING DIFFERENT COEFFICIENTS OF THERMAL EXPANSION. - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un brasage de pièces en matériaux présentant des coefficients différents de dilatation thermique, notamment en céramique ou métal dur d'une part et en métal d'autre part. Les pièces (1,7; 6,8) sont indirectement assemblées l'une à l'autre avec intercalation d'un couche intermédiaire brasée (10) en alliage à mémoire de forme; la couche intermédiaire (10) s'étend sur toute la surface du joint de brasage et présente une épaisseur (a) d'environ 0,1 à 0,6 mm. Cette couche intermédiaire en alliage à mémoire de forme permet de maîtriser efficacement les tensions internes qui apparaissent à l'endroit du joint de brasage, de sorte que le brasage est durable et présente peu de tensions et une grande fiabilité.The invention relates to brazing parts made of materials having different coefficients of thermal expansion, in particular ceramic or hard metal on the one hand and metal on the other hand. The parts (1,7; 6,8) are indirectly assembled to each other with the insertion of a brazed intermediate layer (10) of shape memory alloy; the intermediate layer (10) extends over the entire surface of the brazing joint and has a thickness (a) of approximately 0.1 to 0.6 mm. This intermediate layer of shape memory alloy makes it possible to effectively control the internal tensions which appear at the location of the brazing joint, so that the brazing is durable and has little tension and great reliability.

Description

Brasage de pièces en matériaux présentant des coefficients différents deBrazing of parts made of materials with different coefficients from

dilatation thermique La présente invention concerne un brasage de pièces en matériaux  thermal expansion The present invention relates to brazing of parts made of materials

présentant des coefficients différents de dilatation thermique, notam-  with different coefficients of thermal expansion, notably

ment en céramique ou métal dur d'une part et en métal d'autre part,  ceramic or hard metal on the one hand and metal on the other,

les pièces étant indirectement assemblées l'une à l'autre avec inter-  the parts being indirectly assembled to each other with inter-

calation d'une couche intermédiaire brasée s'étendant sur toute la surface du joint de brasage; on connaît un brasage de ce type, par  wedging of a brazed intermediate layer extending over the entire surface of the brazing joint; we know of a brazing of this type, by

exemple, par la demande de brevet allemand DE-A 35 14 320.  example, by German patent application DE-A 35 14 320.

De tels brasages sont très problématiques car, lors de l'échauffement de la zone de joint qui est provoqué par l'utilisation, les pièces limitrophes se dilatent différemment et des forces très  Such brazing is very problematic because, during the heating of the joint zone which is caused by the use, the adjacent parts expand differently and forces very

élevées agissent en cet endroit et provoquent l'éclatement de frag-  high act in this place and cause the frag-

ments des pièces et/ou le déchirement du joint brasé Il arrive fré-  parts and / or the tearing of the brazed joint.

quemment qu'une telle zone de joint ne résiste même pas à son premier refroidissement à partir de la température de brasage Le document précité propose de maîtriser les tensions d'origine thermique entre les pièces limitrophes de la zone de joint en intercalant une couche intermédiaire brasée, en matériau céramique fritté et d'une épaisseur d'environ 1,5 à 20 % de l'étendue longitudinale maximale de la surface  that such a joint zone does not even resist its first cooling from the soldering temperature. The above-mentioned document proposes to control the tensions of thermal origin between the parts bordering the joint zone by inserting a brazed intermediate layer. , made of sintered ceramic material and with a thickness of approximately 1.5 to 20% of the maximum longitudinal extent of the surface

du joint de brasage Selon cette proposition connue, les tensions in-  of the brazing joint According to this known proposition, the voltages

ternes d'origine thermique devraient être ainsi progressivement maî-  dull of thermal origin should thus be gradually mastered

trisées sur les deux surfaces du joint de brasage Toutefois, cette proposition n'arrive pas à convaincre qu'elle apportera une maîtrise efficace des tensions; en effet, pour des dimensions données des pièces et des variations données de température, les valeurs absolues des dilatations relatives des pièces l'une par rapport à l'autre ne sont pas moindres en présence d'une couche en céramique brasée entre ces pièces qu'en l'absence d'une telle couche intermédiaire, notamment lorsqu'on propose pour cette couche intermédiaire céramique le même  cut on the two surfaces of the brazing joint However, this proposal does not manage to convince that it will bring an effective control of the tensions; indeed, for given dimensions of the parts and given variations in temperature, the absolute values of the relative expansions of the parts with respect to each other are not less in the presence of a ceramic layer brazed between these parts than '' in the absence of such an intermediate layer, in particular when the same ceramic intermediate layer is proposed for the same

matériau que celui de la pièce principale en céramique.  material than that of the main ceramic part.

Le document DE-C 33 45 219 présente une feuille d'apport à plu-  Document DE-C 33 45 219 presents a contribution sheet of more

sieurs couches pour le brasage de pièces en céramique avec des pièces métalliques, la feuille d'apport contenant une couche intermédiaire métallique d'environ 50 à 30 lim en cuivre, fer, nickel ou en alliage cuivre-béryllium ou nickel-fer, la couche intermédiaire ne participant  several layers for brazing ceramic parts with metal parts, the filler sheet containing a metallic intermediate layer of approximately 50 to 30 lim in copper, iron, nickel or a copper-beryllium or nickel-iron alloy, the layer participating intermediary

pas directement au brasage, mais devant seulement maîtriser les ten-  not directly to soldering, but only to master the

sions internes entre les pièces brasées Mais cela ne permet de maî-  internal connections between the brazed parts But this does not allow

triser que d'une manière limitée les tensions internes, de sorte qu'on  sort out that in a limited way the internal tensions, so that

ne peut obtenir que des brasages de petite surface.  can only obtain small area soldering.

La présente invention a pour but d'améliorer le brasage du type mentionné en introduction en permettant de maîtriser efficacement les  The object of the present invention is to improve the brazing of the type mentioned in the introduction by making it possible to effectively control the

tensions internes d'origine thermique dans la région du joint de bra-  internal tensions of thermal origin in the region of the bra seal

sage, et donc d'autoriser également de grandes surfaces de joint de brasage Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la couche intermédiaire métallique est constituée d'un alliage à mémoire de forme et présente une épaisseur d'environ 0,1 à 0,6 m-, l'épaisseur de couche devant être choisie d'autant plus grande que la surface du  wise, and therefore also to authorize large areas of brazing joint According to the invention, this object is achieved by the fact that the metallic intermediate layer consists of a shape memory alloy and has a thickness of approximately 0 , 1 to 0.6 m-, the layer thickness to be chosen the greater the surface of the

joint de brasage est grande Grâce à l'utilisation d'une couche inter-  soldering joint is great Thanks to the use of an inter-

médiaire métallique en alliage à mémoire de forme, cette couche inter-  metal medial in shape memory alloy, this inter-

médiaire peut absorber des dilatations relatives élevées sans que des tensions mécaniques trop importantes apparaissent à l'endroit du joint Les alliages à mémoire de forme connus peuvent absorber jusqu'à 8 % de dilatation Par un dimensionnement correspondant de l'épaisseur  medium can absorb high relative expansions without excessive mechanical tensions appearing at the joint The known shape memory alloys can absorb up to 8% of expansion By a corresponding dimensioning of the thickness

de la couche intermédiaire, on peut donc réaliser des brasages de ma-  of the intermediate layer, it is therefore possible to perform soldering

tériaux présentant des dilatations thermiques différentes qui soient pratiquement exempts de tensions internes, sur une zone de joint de  materials with different thermal expansions which are practically free from internal stresses, on a joint area of

grande surface.big surface.

Selon un mode de réalisation de l'invention, une des deux pièces est un culbuteur pour des soupapes de commande des gaz de moteurs  According to one embodiment of the invention, one of the two parts is a rocker for engine gas control valves

à pistons alternatifs, et l'autre un élément de glissement en céra-  with reciprocating pistons, and the other with a ceramic sliding element

mique ou métal dur, qui coopère avec une came de l'arbre à cames ac-  mique or hard metal, which cooperates with a cam of the camshaft ac-

tionnant les soupapes de commande des gaz Selon un autre mode de  operating the gas control valves According to another mode of

réalisation de l'invention, une des deux pièces est un poussoir à cou-  embodiment of the invention, one of the two parts is a push-button

pelle pour des soupapes de commande des gaz de moteurs à pistons alternatifs, et l'autre une rondelle de pression en céramique ou métal  shovel for gas control valves of reciprocating piston engines, and the other a ceramic or metal pressure washer

dur, qui se trouve du côté extérieur sur le fond du poussoir à cou-  hard, which is on the outside on the bottom of the neck plunger

pelle et coopère avec une came de l'arbre à cames actionnant les sou-  shovel and cooperates with a cam of the camshaft actuating the

papes de commande des gaz Selon une caractéristique supplémen-  throttle valves according to an additional characteristic

taire du brasage selon l'invention, la couche intermédiaire en alliage  shut off the brazing according to the invention, the intermediate layer of alloy

à mémoire de forme est pourvue, vers la brasure, d'une couche de bar-  with shape memory is provided, towards the solder, with a layer of bar-

rage métallique appliquée de préférence galvaniquement, en niobium, argent ou autres métaux précieux, et d'une épaisseur d'au moins 5 à 10 um Enfin, selon une dernière caractéristique supplémentaire, la pièce  metal rage preferably applied galvanically, in niobium, silver or other precious metals, and with a thickness of at least 5 to 10 μm Finally, according to a final additional characteristic, the part

en céramique ou métal dur est assemblée par brasage à la couche inter-  made of ceramic or hard metal, is brazed to the inter-

médiaire en alliage à mémoire de forme par une première brasure de température de fusion supérieure à 800 'C, et la pièce métallique est assemblée par brasage à la couche intermédiaire en alliage à mémoire de forme par une seconde brasure de température de fusion inférieure à 500 e C. L'exposé qui suit explicite l'invention à l'aide de deux exemples de réalisation représentés sur les dessins annexés, dans lesquels:  medium in shape memory alloy by a first solder with a melting temperature above 800 ° C., and the metal part is joined by brazing to the intermediate layer in shape memory alloy by a second solder with a melting temperature below 500 e C. The following description explains the invention with the aid of two embodiments shown in the appended drawings, in which:

la figure 1 représente un culbuteur pour une soupape de com-  FIG. 1 shows a rocker arm for a control valve

mande des gaz d'un moteur à pistons alternatifs, avec un élément de glissement en céramique brasé sur ce culbuteur, la figure 2 est une vue de côté d'un poussoir à coupelle avec une rondelle de pression brasée sur ce poussoir, et  throttle of a reciprocating piston engine, with a ceramic sliding element brazed on this rocker arm, FIG. 2 is a side view of a cup lifter with a pressure washer brazed on this lifter, and

la figure 3 est une représentation agrandie, en coupe transver-  FIG. 3 is an enlarged representation, in cross section

sale, du détail III qui est repéré par un cercle sur les figures 1 et 2.  dirty, detail III which is marked by a circle in Figures 1 and 2.

Le culbuteur 1 d'un moteur à pistons alternatifs qui est repré-  The rocker arm 1 of a reciprocating piston engine which is shown

senté sur la figure 1 s'appuie par l'une de ses extrémités, l'extrémité de gauche sur la figure 1, sur la tête sphérique d'une vis  felt in Figure 1 is supported by one of its ends, the left end in Figure 1, on the spherical head of a screw

d'appui 3; l'autre extrémité du culbuteur 1 repose sur l'extrémité su-  support 3; the other end of the rocker arm 1 rests on the upper end

périeure émoussée de la tige de soupape 2 d'une soupape de commande des gaz non autrement représentée Le culbuteur 1 est habituellement réalisé en acier, amené par forgeage à la forme spéciale du culbuteur; sur les endroits sollicités en glissement, dans la région d'appui contre la vis 3 et dans la région de portée sur la tige de soupape 2, les faces de glissement sont en outre trempées Sur le côté opposé, le dos du culbuteur, un élément de glissement 6 en céramique est fixé là  blunt side of the valve stem 2 of a gas control valve not otherwise shown The rocker arm 1 is usually made of steel, brought by forging to the special shape of the rocker arm; on the sliding places, in the bearing region against the screw 3 and in the bearing region on the valve stem 2, the sliding faces are also hardened On the opposite side, the back of the rocker arm, an element sliding ceramic 6 is fixed there

o le culbuteur coopère avec la came 4 d'un arbre à cames 5 Cet élé-  o the rocker arm cooperates with the cam 4 of a camshaft 5 This element

ment de glissement 6 a approximativement la taille d'un ongle de pouce Jusqu'à présent, de telles pièces en céramique, relativement petites, ne pouvaient pas être durablement brasées sur des pièces en  Sliding ment 6 is approximately the size of a thumbnail Until now, such relatively small ceramic pieces could not be durably brazed on pieces

acier, car les dilatations thermiques apparaissant en utilisation pro-  steel, because the thermal expansions appearing in professional use

duisaient une dégradation de l'élément de glissement et/ou de la bra-  caused degradation of the sliding element and / or the bra-

sure D'autres propositions, consistant à vulcaniser les éléments de glissement sur les culbuteurs en acier avec intercalation  Other proposals, consisting in vulcanizing the sliding elements on steel rocker arms with intercalation

d'élastomères (cf brevet allemand DE-C 34 29 169), ne sont pas suffi-  elastomers (see German patent DE-C 34 29 169), are not sufficient

samment durables en présence des mouvements oscillants à haute f ré-  particularly durable in the presence of high-f oscillating movements

quence des culbuteurs et des forces massiques qui apparaissent ainsi.  quence of rockers and mass forces which appear thus.

Afin de réaliser entre l'élément de glissement 6 et le culbuteur 1 un assemblage durable et présentant peu de tensions internes, il est prévu un brasage fort et, conformément à l'invention, on insère une couche intermédiaire 10 en alliage à mémoire de forme, de sorte qu'on obtient au total deux brasures 11, à savoir une brasure entre la couche intermédiaire 10 et l'élément de glissement 6, et une autre  In order to achieve between the sliding element 6 and the rocker arm 1 a durable assembly with little internal stress, strong brazing is provided and, in accordance with the invention, an intermediate layer 10 of shape memory alloy is inserted. , so that a total of two brazings 11 are obtained, namely a brazing between the intermediate layer 10 and the sliding element 6, and another

brasure entre la couche intermédiaire 10 et le culbuteur 1.  brazing between the intermediate layer 10 and the rocker arm 1.

L'épaisseur de la couche intermédiaire devrait être d'au moins environ 0, lmm, ce qui est suffisant pour la taille de l'élément de glissement, qui mesure environ 1,5 à 2 cm En présence d'une plus grande surface de la zone de brasage, par exemple pour une dimension maximale des diagonales de la surface d'environ 5 cm, il faudrait prévoir une plus grande épaisseur a pour la couche intermédiaire 10, par exemple de l'ordre de 0, 4 mm Plus la couche intermédiaire 10 est épaisse, plus  The thickness of the intermediate layer should be at least about 0.1 mm, which is sufficient for the size of the sliding element, which measures about 1.5 to 2 cm. In the presence of a larger surface the brazing area, for example for a maximum dimension of the diagonals of the surface of approximately 5 cm, it would be necessary to provide a greater thickness a for the intermediate layer 10, for example of the order of 0.4 mm The more the layer intermediate 10 is thick plus

on peut maîtriser aisément les tensions internes, même pour des bra-  internal tensions can be easily mastered, even for bra-

sures de grande taille L'épaisseur de couche a nécessaire dépend non seulement de la taille des pièces à assembler par brasage, mais aussi  large sizes The layer thickness required depends not only on the size of the parts to be brazed, but also

des valeurs caractéristiques des matériaux, à savoir leurs coeffi-  characteristic values of the materials, namely their coefficients

cients de dilatation thermique Plus précisément, il s'agit de la dif-  cients of thermal expansion More specifically, it is the diff-

férence des coefficients de dilatation thermique des deux matériaux à assembler par brasage Pour la paire de matériaux acier/céramique, cette valeur différentielle des coefficients de dilatation thermique est d'environ 7 à 9,5 ppm par degré Kelvin, la valeur exacte dépendant entre autres du type de matériau céramique utilisé Pour la paire de matériaux aluminium/céramique, la valeur différentielle correspondante serait d'environ 17 à 22 ppm par degré Kelvin; ici, non seulement le type de matériau céramique, mais aussi l'alliage d'aluminium ont une influence sur la valeur du coefficient de dilatation thermique Bien évidemment, l'invention peut aussi être utilement appliquée pour  ference of the coefficients of thermal expansion of the two materials to be joined by brazing For the pair of steel / ceramic materials, this differential value of the coefficients of thermal expansion is approximately 7 to 9.5 ppm per degree Kelvin, the exact value depending among others the type of ceramic material used For the pair of aluminum / ceramic materials, the corresponding differential value would be around 17 to 22 ppm per degree Kelvin; here, not only the type of ceramic material, but also the aluminum alloy have an influence on the value of the coefficient of thermal expansion Obviously, the invention can also be usefully applied for

l'assemblage par brasage d'acier et d'aluminium, qui présentent égale-  the assembly by brazing of steel and aluminum, which also

ment des différences considérables dans leur comportement de dilata-  considerable differences in their dilatational behavior.

tion thermique Toutefois, le problème n'est pas aussi important pour cette paire de matériaux ductiles, car ces matériaux peuvent compenser  However, the problem is not as important for this pair of ductile materials, as these materials can compensate

jusqu'à un certain degré les tensions internes par déformation plas-  to a certain degree the internal tensions by plas-

tique, ce qui n'est pas possible pour des matériaux céramiques, qui se  tick, which is not possible for ceramic materials, which

brisent lorsqu'apparaissent des tensions internes de traction.  break when internal tensile stresses appear.

Les alliages à mémoire de forme qui sont revendiqués ici pour la couche intermédiaire 10 sont également connus sous la désignation de "ShapeMemory-Alloy" (SMA) Il s'agit d'alliages spéciaux particuliè-  The shape memory alloys which are claimed here for the intermediate layer 10 are also known by the designation "ShapeMemory-Alloy" (SMA). These are special special alloys.

rement purs, avec des composants combinés dans des proportions pré-  completely pure, with components combined in pre-

cises pour que se révèlent les propriétés spéciales de ces alliages.  so that the special properties of these alloys are revealed.

Les alliages techniquement utilisables sont ceux de nickel-titane, de  The technically usable alloys are those of nickel-titanium,

cuivre-zinc-aluminium et de cuivre-aluminium-nickel; on connaît égale-  copper-zinc-aluminum and copper-aluminum-nickel; we also know

ment des alliages de ce type à base de fer, dont l'intérêt augmente  iron alloys of this type, the interest of which is increasing

pour des raisons économiques Les alliages à mémoire de forme modi-  for economic reasons Modified shape memory alloys

fient leur structure cristalline en fonction de la température et des tensions En dessous d'une température critique, le matériau est à l'état martensitique; au-dessus d'une autre température critique, il est à l'état austénitique La transformation se déroule dans une  trust their crystal structure as a function of temperature and voltages Below a critical temperature, the material is in the martensitic state; above another critical temperature, it is in the austenitic state The transformation takes place in a

étroite plage de température, dont la position et la largeur sont spé-  narrow temperature range, the position and width of which are specific

cifiques de l'alliage Une propriété de ces types d'alliages qui est intéressante ici, la superélasticité, est un phénomène qui n'apparaît  Alloy specifics A property of these types of alloys which is interesting here, superelasticity, is a phenomenon which does not appear

qu'à l'état austénitique, donc au-dessus de la température de trans-  than in an austenitic state, therefore above the trans-

formation Il s'agit d'une capacité d'extension élastique, similaire à celle du caoutchouc, de plusieurs pourcents, les tensions apparaissant alors étant élevées, mais fonction de l'extension Une autre propriété des alliages à mémoire de forme qui est également intéressante ici est la pseudo-plasticité, qui peut être observée à l'état martensitique, et selon laquelle le matériau peut être déformé de manière apparemment permanente à un degré élevé sous l'action de faibles tensions, les  formation It is a capacity of elastic extension, similar to that of rubber, of several percent, the tensions appearing then being high, but function of the extension Another property of the alloys with shape memory which is also interesting here is pseudo-plasticity, which can be observed in the martensitic state, and according to which the material can be deformed in an apparently permanent way to a high degree under the action of low tensions, the

tensions nécessaires pour une déformation étant pratiquement indépen-  tensions necessary for a deformation being practically independent

dantes de l'extension.dantes of the extension.

Lors du refroidissement du brasage à partir des températures très élevées de brasage, l'alliage à mémoire de forme se trouve  When cooling the brazing from very high brazing temperatures, the shape memory alloy is found

d'abord dans un état o il n'est ni superélastique ni pseudo-plas-  first in a state where it is neither superelastic nor pseudo-plas-

tique, mais se comporte similairement à un acier conventionnel à des  tick, but behaves similarly to conventional steel at

températures élevées Ce n'est qu'une fois le brasage refroidi nette-  high temperatures Only after the soldering has cooled down

ment en dessous de la température de solidification de la brasure que l'alliage à mémoire de forme présente tout d'abord son caractère superélastique Les tensions internes d'origine thermique qui  ment below the solidification temperature of the solder that the shape memory alloy firstly has its superelastic character The internal tensions of thermal origin which

s'étaient jusque-là établies dans la zone de joint par suite du re-  had previously settled in the joint area as a result of the re-

froidissement peuvent maintenant être maîtrisées à l'aide du comporte-  can now be controlled with the help of the

ment superélastique; toutefois, plus la dilatation thermique relative des pièces, fonction du refroidissement, augmente dans la zone de  superelastic; however, the more the relative thermal expansion of the parts, as a function of cooling, increases in the area of

joint, plus les tensions augmentent, quoique certes à un faible ni-  joint, the more the tensions increase, although certainly at a low level.

veau A un moment quelconque, tandis que le refroidissement se pour-  calf At any time, while cooling continues

suit, on traverse la plage de température de transformation cristal-  follows, we cross the crystal transformation temperature range

line, et le matériau se transforme de plus en plus à l'état martensi-  line, and the material becomes more and more martensi-

tique, de sorte que le caractère pseudo-plastique prend de plus en plus d'importance Le matériau peut se déformer de manière permanente en présence de tensions relativement faibles et restant constantes, et  tick, so that the pseudo-plastic character becomes more and more important The material can be permanently deformed in the presence of relatively low tensions and remaining constant, and

maîtriser les tensions internes à ce faible niveau.  control internal tensions at this low level.

Les alliages nickel-titane autorisent une superélasticité de 8 % d'extension, ce qui est énorme pour des métaux; au reste, ce type d'alliage est très coûteux Les deux autres types d'alliage mentionnés plus haut sont certes moins coûteux, mais ils n'autorisent qu'une superélasticité de 2 %, ce qui est aussi déjà beaucoup En utilisant avec parcimonie la couche intermédiaire 10, le type d'alliage le plus  Nickel-titanium alloys allow a superelasticity of 8% of extension, which is enormous for metals; moreover, this type of alloy is very expensive The two other types of alloy mentioned above are certainly less expensive, but they only allow a superelasticity of 2%, which is also already a lot Using sparingly the intermediate layer 10, the most common type of alloy

coûteux peut dans certains cas rester tout-à-fait raisonnable en ma-  expensive can in certain cases remain entirely reasonable in

nière de coût, d'autant que, toutes autres conditions restant compa-  cost, especially since all other conditions remain comparable

rables, l'épaisseur de couche pour des alliages de nickel-titane ne doit être égale qu'à environ un quart des épaisseurs de couche des  layers, the layer thickness for nickel-titanium alloys should only be about a quarter of the layer thicknesses of the

autres alliages à mémoire de forme.  other shape memory alloys.

Il faut souligner que les brasures peuvent être réalisées en une seule opération et sans traitement préalable particulier, comme simples brasures actives La brasure est introduite sous forme de  It should be emphasized that the solders can be produced in a single operation and without any specific prior treatment, as simple active solders The solders are introduced in the form of

feuille à l'endroit du joint, et les différents éléments sont super-  sheet at the joint, and the different elements are super

posés et introduits dans le four à braser sous vide dans cet ordre:  placed and introduced into the vacuum brazing oven in this order:

culbuteur 1, feuille pour la brasure 11 ' côté acier, couche intermé-  rocker arm 1, sheet for brazing 11 'steel side, intermediate layer

diaire 10 en alliage à mémoire de forme, autre feuille pour la brasure 11 côté céramique, et élément de glissement 6 en céramique On notera ici que, par suite du brasage, en l'absence de traitement préalable, la couche intermédiaire 10 voit sa composition d'alliage légèrement modifiée dans une zone marginale donnée par suite d'une diffusion de brasure dans le matériau de la couche intermédiaire, ce qui peut déjà  diary 10 in shape memory alloy, other sheet for solder 11 on the ceramic side, and sliding element 6 in ceramic It will be noted here that, as a result of brazing, in the absence of prior treatment, the intermediate layer 10 sees its composition alloy slightly modified in a given marginal zone as a result of a diffusion of solder in the material of the intermediate layer, which can already

perturber d'une manière sensible les propriétés de mémoire de forme.  significantly disturb the shape memory properties.

Cette zone marginale serait alors perdue pour les propriétés utili-  This marginal area would then be lost for the useful properties.

sables de superélasticité et de pseudo-plasticité, ce qui serait in-  sands of superelasticity and pseudo-plasticity, which would be in-

opportun Il faudrait tenir compte de cette perte par le choix d'une  This loss should be taken into account when choosing a

épaisseur de paroi accrue en conséquence du matériau de départ Il se-  increased wall thickness as a result of the starting material It is

rait encore plus opportun d'empêcher une telle diffusion de brasure dans l'alliage à mémoire de forme en appliquant galvaniquement une couche de barrage métallique A cet effet, on pourrait par exemple utiliser de l'argent en une épaisseur de couche d'environ 5 à 10 Pm; on pourrait aussi utiliser ici du niobium, de l'or ou du platine On notera encore que, comme c'est aujourd'hui possible, il faut choisir  It would be even more appropriate to prevent such diffusion of solder in the shape memory alloy by galvanically applying a layer of metallic barrier. For this purpose, silver could for example be used in a layer thickness of approximately 5 at 10 μm; we could also use niobium, gold or platinum here We will also note that, as is possible today, we must choose

un type d'alliage à mémoire de forme qui résiste globalement aux tem-  a type of shape memory alloy which generally withstands weathering

pératures de brasage sans perdre la propriété de mémoire de forme du matériau La propriété de mémoire de forme de la couche métallique 10 reste tout-à-fait conservée sous l'influence d'une température de 900 C, du moins si cette influence est de courte durée, de l'ordre d'environ 2 minutes A cet effet, il faudrait réaliser un échauffement très rapide, au moins à partir de 600-C et, à la suite de la réaction  brazing peratures without losing the shape memory property of the material The shape memory property of the metal layer 10 remains completely preserved under the influence of a temperature of 900 ° C., at least if this influence is short duration, of the order of approximately 2 minutes For this purpose, very rapid heating should be carried out, at least from 600 ° C. and, following the reaction

de la brasure avec le matériau céramique, réaliser également un re-  of the solder with the ceramic material, also make a re-

froidissement très rapide A titre d'exemple, lors du brasage d'une  very rapid cooling As an example, when brazing a

couche d'alliage à mémoire de forme de nickel-titane sur de la céra-  layer of nickel-titanium shape memory alloy on ceramic

mique, on a eu besoin d'environ 90 minutes pour l'échauffement jusqu'à 600 'C à partir de la température ambiante, tandis que l'échauffement terminal à 850-C s'est effectué en 12 minutes, avec une vitesse  mique, we needed about 90 minutes to warm up to 600 ° C from room temperature, while the final warming up to 850-C was done in 12 minutes, with a speed

d'échauffement plus de trois fois plus rapide ( 20 degrés par minute).  warm up more than three times faster (20 degrees per minute).

Après un court temps d'arrêt d'environ 10 secondes, on a effectué un refroidissement à l'atmosphère ambiante, et on a constaté une vitesse de refroidissement moyenne supérieure à 60 degrés par minute entre 850 et 400-C; même en dessous de cette plage de température, la vitesse de refroidissement ne s'est ralentie que progressivement Les vitesses  After a short stop time of about 10 seconds, cooling was carried out in the ambient atmosphere, and an average cooling rate greater than 60 degrees per minute was observed between 850 and 400-C; even below this temperature range, the cooling rate only gradually slowed down.

d'échauffement mentionnées ci-dessus ne peuvent être obtenues que dif-  above mentioned temperatures can only be obtained

ficilement lorsque la pièce est échauffée à la température de brasage dans un four à vide, avec une transmission de chaleur ayant uniquement lieu par rayonnement C'est pourquoi il est opportun de réaliser l'échauffement par voie inductive à l'aide d'un inducteur profilé; les  when the part is heated to brazing temperature in a vacuum furnace, with heat transmission only taking place by radiation This is why it is advisable to carry out the heating by inductive means using an inductor profiled; the

vitesses d'échauffement exigées ne posent alors aucune difficulté.  required heating rates then pose no difficulty.

Etant donné que le matériau céramique assemblé par brasage n'est pas conjointement échauffé lors de l'échauffement inductif, et reste donc sensiblement à la température ambiante, ce gradient de température  Since the ceramic material assembled by brazing is not jointly heated during the inductive heating, and therefore remains substantially at room temperature, this temperature gradient

peut être utilisé, à la suite de la réaction de la brasure avec le ma-  can be used, following the reaction of the solder with the material

tériau céramique, pour le refroidissement par conduction thermique.  ceramic material, for cooling by thermal conduction.

Lors d'un échauffement inductif, le matériau céramique n'est échauffé qu'à proximité de sa surface, tandis que les couches plus profondes du matériau sont encore froides Le refroidissement peut également être accéléré par insufflation d'un gaz protecteur froid, gaz de formage par exemple; dans une phase progressive de refroidissement, on peut  During inductive heating, the ceramic material is only heated near its surface, while the deeper layers of the material are still cold. Cooling can also be accelerated by blowing a cold protective gas, forming for example; in a progressive cooling phase, we can

aussi utiliser de l'eau.also use water.

Etant donné qu'on utilise dans certains cas un acier allié d'amélioration comme matériau pour le culbuteur 1, il faudrait alors que la température de brasage de cet acier ne soit pas supérieure à  Since alloyed improvement steel is used in certain cases as material for the rocker arm 1, the brazing temperature of this steel should not be higher than

500 'C, afin qu'il ne perde pas sa dureté Par ailleurs, lors du bra-  500 'C, so that it does not lose its hardness Furthermore, during bra-

sage de la couche de céramique, il faut respecter au moins temporaire-  wise of the ceramic layer, it is necessary to respect at least temporary-

ment une température supérieure à 800 'C, afin que se réalise la ré-  a temperature above 800 ° C, so that the re-

action nécessaire avec le matériau céramique pour une brasure C'est  action required with the ceramic material for a solder It is

pourquoi, d'une manière avantageuse, l'élément de glissement 6 en cé-  why, advantageously, the sliding element 6 in this

ramique est d'abord, au cours d'une première étape de brasage, assem-  ramique is first, during a first soldering step, assem-

blé à la couche intermédiaire 10 en alliage à mémoire de forme par un métal d'apport de brasage fort 11, par exemple une brasure en argent/titane, qui fond à 850-C, tandis que le culbuteur 1 en tôle d'acier d'amélioration est ensuite, lors d'un second brasage, assemblé  wheat at the intermediate layer 10 in shape memory alloy by a strong brazing filler metal 11, for example a brazing in silver / titanium, which melts at 850-C, while the rocker arm 1 in sheet steel d improvement is then, during a second brazing, assembled

à la couche intermédiaire 10 en alliage à mémoire de forme par un mé-  to the intermediate layer 10 of shape memory alloy by a metal

tal d'apport de brasage tendre 11 ' à point de fusion élevé Des bra-  11 'soft soldering point with high melting point Bra-

sures convenant à cet effet sont par exemple: brasure en étain/antimoine ( 95/5), température de fusion 240-C, brasure en étain/argent ( 90/10), plage de fusion 220 à 3000 C, brasure en plomb/argent ( 97/3), température de fusion 305-C, ou brasure en plomb/indium ( 96/4), température de fusion 325 C. Si l'on arrivait à mettre au point de nouveaux métaux d'apport de brasage tendre, présentant des points de fusion encore plus élevés, on pourrait aussi utiliser ces brasures; d'une manière similaire, il  Examples of suitable for this purpose are: tin / antimony solder (95/5), melting temperature 240-C, tin / silver solder (90/10), melting range 220 to 3000 C, lead solder / silver (97/3), melting temperature 305-C, or lead / indium solder (96/4), melting temperature 325 C. If it were possible to develop new soft soldering filler metals , having even higher melting points, these solderings could also be used; in a similar way he

serait également envisageable d'utiliser des métaux d'apport de bra-  it would also be possible to use brazing filler metals

sage fort présentant des points de fusion extrêmement bas, si de telles brasures devaient un jour être découvertes; leur température de brasage devrait être inférieure à 500 C, afin de permettre le brasage  strong sage with extremely low melting points, if such solderings were ever to be discovered; their soldering temperature should be less than 500 C, to allow soldering

d'aciers d'amélioration sans dégrader la résistance de ces derniers.  improvement steels without degrading their resistance.

Un acier non amélioré peut bien évidemment être brasé à des tempéra-  Unimproved steel can of course be brazed at temperatures

tures supérieures; au reste, la résistance d'un tel acier est infé-  higher tures; moreover, the resistance of such a steel is inferior

rieure à celle d'acier d'amélioration.  better than that of steel improvement.

Pour l'élément de glissement, on utilise de préférence un maté-  For the sliding element, preferably a material is used.

riau céramique résistant aux chocs, et tout particulièrement un maté-  impact resistant ceramic, especially a material

riau céramique en nitrure de silicium, qui s'est avéré particulière- ment résistant aux chocs et tenace, mais présente un coefficient de  ceramic silicon nitride, which has proven to be particularly impact-resistant and tough, but has a coefficient of

dilatation thermique particulièrement bas de seulement 3 x 10-6 par de-  particularly low thermal expansion of only 3 x 10-6 per de-

gré et donc, lors de modifications de température, ne se dilate que d'environ 27 % de la dilatation thermique de l'acier, qui présente un  and therefore, when the temperature changes, only expands by about 27% of the thermal expansion of the steel, which has a

coefficient de dilatation thermique de llxl O-6 par degré.  coefficient of thermal expansion of llxl O-6 per degree.

Afin de démontrer la stabilité du brasage selon l'invention, on a réalisé une plaque carrée de 20 "m de côté, présentant la structure stratifiée suivante: plaque céramique de 4 mm d'épaisseur en nitrure de silicium, feuille de brasure active (argent-titane), 0,2 ma d'épaisseur, alliage à mémoire de forme nickel/titane (pourcentages atomiques /50), 0,3 mm d'épaisseur, feuille de brasure active (argent- titane), 0,2 mm d'épaisseur, et couche de tôle d'acier, 2 ma d'épaisseur, acier de construction à  In order to demonstrate the stability of the brazing according to the invention, a square plate 20 "m wide was produced, having the following laminated structure: ceramic plate 4 mm thick in silicon nitride, active brazing sheet (silver -titanium), 0.2 ma thick, nickel / titanium shape memory alloy (atomic percentages / 50), 0.3 mm thick, active solder sheet (silver-titanium), 0.2 mm d thickness, and layer of sheet steel, 2 m thick, structural steel

faible teneur en carbone.low carbon content.

Cette plaquette composite assemblée par brasage a été trempée dans de l'azote liquide en partant de la température ambiante, puis ramenée à la température ambiante en la laissant reposer Grâce à la couche intermédiaire 10 en alliage à mémoire de forme, elle a résisté sans dommage à cette trempe Un échantillon comparatif de même type, mais sans la couche intermédiaire en alliage à mémoire de forme, était  This composite plate assembled by brazing was soaked in liquid nitrogen starting from room temperature, then brought back to room temperature by leaving it to rest Thanks to the intermediate layer 10 made of shape memory alloy, it resisted without damage at this hardening A comparative sample of the same type, but without the intermediate layer of shape memory alloy, was

totalement dégradé à la suite de l'essai de trempe; la couche en céra-  totally degraded following the quenching test; the ceramic layer

mique avait totalement éclaté On a pu observer des éclatements du ma-  mique had totally exploded We could observe bursts of the ma-

tériau de la plaque céramique en forme de coquilles, s'étendant paral-  material of the ceramic plate in the form of shells, extending paral-

lèlement au joint de brasage Grâce à la couche intermédiaire brasée  along with the solder joint Thanks to the brazed intermediate layer

, l'élément de glissement 6 peut donc être brasé, certes indirecte-  , the sliding element 6 can therefore be brazed, certainly indirect-

ment mais d'une manière efficace, avec un culbuteur en acier 1, et on obtient un assemblage présentant peu de tensions internes et durable,  ment but in an efficient manner, with a steel rocker arm 1, and an assembly is obtained which presents little internal and lasting tension,

à haute résistance.high resistance.

La figure 2 représente, sur l'exemple d'un poussoir à coupelle  Figure 2 shows, on the example of a cup pusher

7, une autre possibilité d'application d'un brasage selon l'invention.  7, another possibility of applying brazing according to the invention.

Une rondelle de pression 8, qui peut être par exemple réalisée en mé-  A pressure washer 8, which can for example be made of metal

tal dur, est ici brasée sur le fond 9 d'un poussoir à coupelle, une  tal tal, is here brazed on the bottom 9 of a cup pusher, a

couche intermédiaire 10 en alliage superélastique étant à nouveau intermédiairement brasée entre les deux pièces On sait qu'en matière de dilatation thermique et de rupture de fragilité, les métaux durs se5 comportent d'une manière très similaire aux matériaux céramiques.  Intermediate layer 10 of superelastic alloy being once again brazed between the two parts. It is known that in terms of thermal expansion and brittleness rupture, hard metals behave in a very similar manner to ceramic materials.

ilhe

Claims (5)

BEVENDICATIONSBEVENDICATIONS 1 Brasage de pièces en matériaux présentant des coefficients différents de dilatation thermique, notamment en céramique ou métal  1 Brazing of parts made of materials with different coefficients of thermal expansion, in particular ceramic or metal dur d'une part et en métal d'autre part, les pièces étant indirecte-  hard on the one hand and metal on the other hand, the parts being indirect- ment assemblées l'une à l'autre avec intercalation d'une couche intermédiaire brasée s'étendant sur toue la surface du joint de brasage, c a r a c t é r i S é en ce que la couche intermédiaire métallique ( 10) est constituée d'un alliage à mémoire de forme et présente une épaisseur (a) d'environ 0,1 à 0,6 mm, l'épaisseur de couche devant être choisie d'autant plus grande que la surface du joint de brasage  ment assembled to each other with the interposition of a brazed intermediate layer extending over all the surface of the brazing joint, characterized in that the metallic intermediate layer (10) consists of an alloy with shape memory and a thickness (a) of approximately 0.1 to 0.6 mm, the thickness of the layer to be chosen being greater the greater the area of the brazing joint est grande.is tall. 2 Brasage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une des deux pièces est un culbuteur ( 1) pour des soupapes de commande des gaz de moteurs à pistons alternatifs, et l'autre un élément de glissement ( 6) en céramique ou métal dur, qui coopère avec une came ( 4) de l'arbre à cames ( 5) actionnant les soupapes de commande des gaz.  2 Brazing according to claim 1, characterized in that one of the two parts is a rocker (1) for gas control valves of reciprocating piston engines, and the other a sliding element (6) in ceramic or metal hard, which cooperates with a cam (4) of the camshaft (5) actuating the gas control valves. 3 Brasage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une des deux pièces est un poussoir à coupelle ( 7) pour des soupapes de commande des gaz de moteurs à pistons alternatifs, et l'autre une rondelle de pression ( 8) en céramique ou métal dur, qui se trouve du côté extérieur sur le fond ( 9) du poussoir à coupelle ( 7) et coopère avec une came ( 4 ') de l'arbre à cames ( 5 ') actionnant les soupapes de3 Brazing according to claim 1, characterized in that one of the two parts is a cup pusher (7) for gas control valves of reciprocating piston engines, and the other a ceramic pressure washer (8) or hard metal, which is on the outside on the bottom (9) of the cup lifter (7) and cooperates with a cam (4 ') of the camshaft (5') actuating the valves commande des gaz.throttle control. 4 Brasage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, ca-  4 Brazing according to any one of claims 1 to 3, ca- ractérisé en ce que la couche intermédiaire ( 10) en alliage à mémoire  characterized in that the intermediate layer (10) of memory alloy de forme est pourvue, vers la brasure ( 11,11 '), d'une couche de bar-  form is provided, towards the solder (11,11 '), with a layer of bar- rage métallique appliquée de préférence galvaniquement, en niobium,  metallic rabies preferably applied galvanically, in niobium, argent ou autres métaux précieux, d'une épaisseur d'au moins 5 à l Opm.  silver or other precious metals, at least 5 to Opm thick. 5 Brasage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, ca-  5 Brazing according to any one of claims 1 to 4, ca- ractérisé en ce que la pièce en céramique ou métal dur ( 6,8) est as-  characterized in that the ceramic or hard metal part (6.8) is as- semblée par brasage à la couche intermédiaire ( 10) en alliage à mé-  seemingly by brazing to the intermediate layer (10) of metal alloy moire de forme par une première brasure ( 11) de température de fusion  shape moire by a first soldering point (11) of melting temperature supérieure à 800 'C, et en ce que la pièce métallique ( 1,7) est assez-  higher than 800 ° C, and in that the metal part (1,7) is quite blée par brasage à la couche intermédiaire ( 10) en alliage à mémoire  bonded by brazing to the intermediate layer (10) of memory alloy de forme par une seconde brasure ( 11 ') de température de fusion infé-  shaped by a second solder (11 ') of lower melting temperature rieure à 500 'C.less than 500 'C.
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Also Published As

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GB9120702D0 (en) 1991-11-13
GB2248418B (en) 1994-06-01
JPH04317475A (en) 1992-11-09
GB2248418A (en) 1992-04-08
DE4031549C1 (en) 1991-09-19

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