EP0171339B1 - Procédé de fabrication de contacts électriques - Google Patents
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- H01H1/02—Contacts characterised by the material thereof
- H01H1/021—Composite material
- H01H1/027—Composite material containing carbon particles or fibres
Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing electrical contacts made of metal or metal alloy and carbon fibers.
- This process has the major drawback of being difficult to implement.
- the duration of the soaking must be well defined so as not to transform all the carbon into carbide, and one cannot obtain contacts consisting solely of the chosen metal and of carbon wires.
- the carbon wires are aligned in a preferential direction, that is to say in general perpendicular to the contact surface, so as to reduce the wear by the arc which forms during switching operations.
- Another drawback is that it requires an expensive and bulky device for compression.
- One of the aims of the invention is to overcome the drawbacks which the methods described present.
- This process also makes it possible to use carbon fibers of relatively large length at the start of the order of 30 to 50 mm.
- the metal or metal alloy is chosen from those which are good conductors of electricity and which do not react with carbon at the melting temperature of the metal.
- metal or alloy can be dictated by reasons of economy and / or abundance of the metal.
- copper and its alloys can be used which, for good contact performance, have the advantage of being more economical and more abundant than silver.
- the carbon fiber substrate can consist of loose fibers or preferably a felt.
- carbon fibers are also understood to mean graphite fibers.
- the percentage of carbon in the final product is obtained by varying the density of the fiber substrate. This density can vary from 0.05 to 1, the rate of metal or alloy therefore varies from 97.5% to 45% by volume.
- 80 g of carbonized viscose fibers with a diameter of 10 ⁇ m and a length of 50 mm are compacted in the form of a felt with a diameter of 80 mm and a thickness of 80 mm.
- This felt is impregnated with molten copper, at 1100 ° C. under a pressure of (5 bars) 5.10 + 5 Pa.
- the billet obtained contains 87% by volume of copper and its examination shows that the carbon fibers have retained their length (approximately 50 mm) and their random orientation after impregnation.
- This billet is then hot-spun at 850 ° C through a circular section of 12 mm diameter.
- the bar is finally cut perpendicular to the axis of the spinning in discs of thickness 1 mm.
- the discs obtained were used as covering contacts. It has been found that their performance relative to their cost price is such that they can advantageously replace the silver-cadmium oxide contacts despite a shorter lifespan.
- Example 2 This example is a variant of Example 1: copper is replaced by one of its alloys with chromium and zirconium. The percentages by weight are as follows:
- the fiber substrate used is the same as in Example 1.
- the felt is impregnated with the Cu-Cr-Zrfondu alloy, at 1050 ° C., under a pressure of (5 bar) 5.10 + 5 Pa.
- the billet obtained contains 84.5% by volume of Cu-Cr-Zr alloy.
- This billet is then hot-spun at 820 ° through a die of square section 12 x 12 mm.
- the bar obtained consists of a rectangular section 12 x 12 mm and a length of 2.8 m which is cut into slices 1 mm thick which are used as opening contacts.
- Example 2 All the observations indicated in Example 1 are applicable to Example 2.
- This example is a variant of Example 2.
- the Cu-Cr-Zr alloy after quenching and tempering, sees its mechanical properties markedly increased.
- the bar obtained is heated to 1000 ° C, then quenched with water and annealed at 475 ° C.
- Example 2 This example is a variant of Example 1: copper is replaced by silver.
- the fiber substrate used is the same as in Example 1.
- the felt is impregnated with molten silver, at 1000 ° C., under a pressure of (5 bars) 5.10 + 5 Pa.
- the billet obtained contains 83% by volume of silver.
- the billet is then hot-spun at 780 ° C in the same die.
- the bar obtained consists of a cylinder with a diameter of 12 mm and a length of 3 m which is cut into discs 1 mm thick which are used as contacts.
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Description
- La présente invention est relative à un procédé de fabrication de contacts électriques constitués de métal ou d'alliage métallique et de fibres de carbone.
- Il est connu, par le brevet français FR-A 2115865, de réaliser des contacts électriques à base de métal et de carbone en trempant des fils de carbone sous un gaz de protection ou sous une atmosphère réductrice ou encore sous un vide poussé de moins de 5.10-3 Pa (5.10-5 torrs), dans un métal liquide bon conducteur, notamment du cuivre et/ou de l'argent, auquel on ajoute 0,5 à 5% d'un métal susceptible de former un carbure afin de rendre le carbone mouillable par le métal.
- Ce procédé présente l'inconvénient majeur d'être de mise en oeuvre délicate. En particulier, la durée du trempage doit être bien définie de manière à ne pas transformer tout le carbone en carbure, et l'on ne peut obtenir de contacts constitués uniquement du métal choisi et de fils de carbone.
- Par ailleurs, il est souvent souhaité que les fils de carbone soient alignés suivant une direction préférentielle, c'est-à-dire en général perpendiculairement à la surface de contact, de manière à réduire l'usure par l'arc qui se forme lors des opérations de commutation.
- Cet alignement, dans le cadre du brevet cité, ne peut être obtenu qu'en réalisant un substrat carboné adéquat avant trempage.
- Il est également connu par la demande de brevet japonais publiée 5754236 de réaliser un contact électrique en mélangeant de la poudre métallique avec des fibres de carbone préalablement revêtues d'un métal ou d'un alliage magnétique, puis en comprimant ce mélange en présence d'un champ magnétique.
- Un des inconvénients de ce procédé est l'obligation de revêtir les fibres de carbone. Cette opération est onéreuse et délicate, et introduit dans le contact des substances magnétiques pas toujours souhaitées selon son utilisation.
- Un autre inconvénient est de nécessiter pour la compression un dispositif coûteux et encombrant.
- Un des buts de l'invention est de pallier les inconvénients que présentent les procédés décrits.
- Un autre but de l'invention est de pouvoir réaliser des contacts électriques constitués de métal ou d'alliage métallique et de fibres de carbone, de faible diamètre, de l'ordre de 2 à 50 ILm, contacts, dans lesquels.
- - Les fibres de carbone soient très courtes (de l'ordre de 15 um à 150 µm), très bien orientées et très bien dispersées,
- - la densité de carbone puisse être facilement ajustée.
- Ces buts sont atteints suivant l'invention par le procédé objet de la revendication 1.
- Un procédé de fabrication de contact électrique constitué de métal ou d'alliage métallique et de fibres de carbone de faible diamètre de l'ordre de 2 à 50 Rm et alignées selon une direction préférentielle, est caractérisé en ce qu'il combine les deux opérations suivantes:
- a) l'imprégnation d'un substrat de fibres de carbone de faible diamètre avec le métal ou l'alliage fondu, sous pression,
- b) le filage à chaud du matériau ainsi obtenu.
- Les deux opérations de ce procédé sont en elles-mêmes connues, la première par le brevet français FR-A 1 368129, la seconde étant couramment utilisée en métallurgie par exemple.
- Leur combinaison pour l'application visée, non encore connue à ce jour, permet d'obtenir de manière simple et économique des contacts:
- - ne contenant que les éléments constitutifs de départ puisque le mode d'imprégnation choisie ne nécessite aucune adjonction et que l'orientation des fibres est obtenue par le filage,
- - dont les fibres sont alignées quasiment selon une seule direction, et très bien dispersées.
- Ce procédé permet en outre d'utiliser au départ des fibres de carbone de longueur relativement grande de l'ordre de 30 à 50 mm.
- Au cours du filage, elles sont sectionnées en fragments de longueur de l'ordre de 15 à 500 ILm.
- Le métal ou l'alliage métallique est choisi parmi ceux qui sont bons conducteurs de l'électricité et qui ne réagissent pas avec le carbone à la température de fusion du métal.
- A titre indicatif, on peut citer le cuivre et ses alliages, l'argent et ses alliages, le cadmium,..
- Le choix du métal ou de l'alliage peut être dicté par des raisons d'économie et/ou d'abondance du métal. Ainsi, on peut utiliser le cuivre et ses alliages qui, pour de bonnes performances de contact, ont l'avantage d'être plus économiques et plus abondants que l'argent.
- Le substrat de fibres de carbone peut être constitué par des fibres en vrac ou de préférence par un feutre.
- Bien entendu par fibres de carbone, on entend également les fibres de graphite.
- Le pourcentage de carbone dans le produit final est obtenu en faisant varier la densité du substrat de fibres. Cette densité peut varier de 0,05 à 1, le taux de métal ou d'alliage varie donc de 97,5% à 45% en volume.
- Les exemples suivants donnés à titre indicatif et non limitatif, illustrent l'invention.
- 80 g de fibres de viscose carbonisée de diamètre 10 µm et de longueur 50 mm sont compactées sous la forme d'un feutre de diamètre 80 mm et d'épaisseur 80 mm.
- Ce feutre est imprégné par du cuivre fondu, à 1100°C sous une pression de (5 bars) 5.10+5 Pa.
- La billette obtenue contient 87% en volume de cuivre et son examen montre que les fibres de carbone ont conservé leur longueur (environ 50 mm) et leur orientation aléatoire après imprégnation.
- Cette billette est alors filée à chaud à 850°C à travers une filière de section circulaire de 12 mm de diamètre.
- La barre obtenue est constituée d'un cylindre de 12 mm de diamètre et de 3 m de longueur dans lequel:
- - les fibres de carbone ont été sectionnées par filage en fragments de 15 à 150 ILm de longueur,
- - tous ces fragments ont été alignés selon l'axe du filage,
- Sur ces figures où les fibres apparaissent en noir, on constate que:
- 1) Les fibres sont toutes alignées suivant une seule direction qui est l'axe du filage. En effet, sur la figure 1, on ne voit en noir que des petits «tirets», bien parallèles, leur longueur étant celle des fibres; sur la figure 2, on ne voit en noir que des «points», leur diamètre étant celui des fibres.
- 2) Les fibres sont très bien dispersées puisque sur la figure 1, il n'y a pas d'amalgames de «tirets», et sur la figure 2, il n'y a pas d'amalgames de «points».
- La barre est enfin tronçonnée perpendiculairement à l'axe du filage en disques d'épaisseur 1 mm.
- Les disques obtenus ont été utilisés comme contacts couvrants. Il a été constaté que leurs performances par rapport à leur prix de revient sont telles qu'ils peuvent avantageusement remplacer les contacts argent-oxyde de cadmium malgré une durée de vie plus courte.
- Cet exemple est une variante de l'exemple 1: le cuivre est remplacé par un de ses alliages avec du chrome et du zirconium. Les pourcentages en poids sont les suivants:
- Le substrat de fibres utilisé est le même que dans l'exemple 1. Le feutre est imprégné par l'alliage Cu-Cr-Zrfondu, à 1050°C, sous une pression de (5 bars) 5.10+5 Pa.
- La billette obtenue contient 84,5% en volume d'alliage Cu-Cr-Zr.
- Cette billette est alors filée à chaud à 820° à travers une filière de section carrée 12 x 12 mm.
- La barre obtenue est constituée d'un parallélépipède de section carrée 12 x 12 mm et de longueur 2,8 m que l'on tronçonne en tranches de 1 mm d'épaisseur qui sont utilisées comme contacts ouvrants.
- Toutes les constatations indiquées dans l'exemple 1 sont applicables à l'exemple 2.
- Cet exemple est une variante de l'exemple 2.
- L'alliage Cu-Cr-Zr, après trempe et revenu, voit ses propriétés mécaniques nettement augmentées.
- De ce fait, après le filage, la barre obtenue est chauffée à 1000°C, puis trempée à l'eau et recuite à 475°C.
- On constate que les contacts obtenus par tronçonnage de cette barre ont une durée de vie sensiblement améliorée comparée à celle des contacts obtenus suivant l'exemple 2.
- Cet exemple est une variante de l'exemple 1: le cuivre est remplacé par de l'argent. Le substrat de fibres utilisé est le même que dans l'exemple 1. Le feutre est imprégné par de l'argent fondu, à 1000°C, sous une pression de (5 bars) 5.10+5 Pa.
- La billette obtenue contient 83% en volume d'argent.
- Cette billette est alors filée à chaud à 780°C dans la même filière. La barre obtenue est constituée d'un cylindre de diamètre de 12 mm et de 3 m longueur que l'on tronçonne en disques de 1 mm d'épaisseur qui sont utilisés comme contacts.
- On constate que ces contacts ont des performances sensiblement améliorées par rapport à celles des contacts argent-carbone traidition- nels.
- Les exemples ci-dessus n'illustrent que l'utilisation de quelques métaux ou alliages. Il est clair que d'autres métaux et alliages peuvent être utilisés sans sortir pour autant du cadre de l'invention: il suffit alors d'adapter les conditions d'imprégnation et de filage à leurs caractéristiques physiques.
comme le montrent les figures 1 et 2 représentant des micrographies au grossissement de 130, respectivement d'une coupe du cylindre selon son axe et d'une coupe perpendiculaire à son axe.
Claims (4)
1. Procédé de fabrication d'un contact électrique constitué d'un substrat de fibres de carbone de faible diamètre alignées selon une direction préférentielle, imprégnées d'un métal ou alliage métallique bon conducteur du courant électrique, caractérisée en ce que les fibres de carbone constituant le substrat ont un diamètre compris entre 2 et 50 ILm et en ce que, après imprégnation sous pression avec un métal ou alliage ne réagissant pas avec le carbone, on procède à un filage à chaud du matériau ainsi obtenu.
2. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal ou alliage métallique est choisi parmi le cuivre et ses alliages, l'argent et ses alliages et le cadmium.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le substrat de fibres de carbone est constitué par des fibres en vrac ou par un feutre de fibres.
4. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les fibres de carbone du substrat ont une longueur initiale de quelques millimètres à quelques centimètres et sont sectionnées par le filage en fragments de 15 à 150 pm.
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