Matériau métallique composite La présente invention a pour objet un matériau métallique composite destiné à être mis en contact avec des substances fondues à haute température, notamment verres, sels ou oxydes.
On sait que le platine, les platinoïdes, ainsi que leurs alliages entre eux ou avec des métaux com muns présentent de nombreux avantages sur les ma tériaux céramiques pour la réalisation d'appareils ou de parties d'appareils destinés au traitement desdits matériaux fondus. Ils résistent beaucoup mieux que les céramiques à la dissolution, à la désagrégation et à l'érosion à température élevée. De ce fait, ils altèrent beaucoup moins les propriétés des matériaux traités : pureté, indice de réfraction, couleur, homo généité, teneurs en bulles gazeuses, etc.
Aussi sont- ils très utilisés par exemple dans la fabrication des creusets pour l'élaboration de monocristaux de sels doués de propriétés optiques ou électriques parti culières, des creusets de fusion de verres d'optique, des filières pour la fabrication des fibres de verre, des tubulures, chambres d'affinage, drains de purge, chicanes, plaques de protection, etc., utilisés pour l'élaboration de verres ou d'objets en verre. G pen- dant malgré leur supériorité sur les céramiques ré fractaires, le platine et les alliages de platinoïdes finissent, à la longue, par se détériorer. Or, ce sont des matériaux coûteux quoique récupérables.
Le rem placement d'un élément d'un four à verre est aussi une opération coûteuse par les perturbations qu'elle introduit dans la fabrication.
L'invention vise à remédier à ces inconvénients en créant un matériau métallique composite répon dant mieux que jusqu'à ce jour aux diverses exi gences de la pratique, et permettant notamment de prolonger la durée de service des pièces ou appareils métalliques, et d'éviter l'altération du verre par le métal, surtout dans le cas des verres au plomb, qui a pour effet de donner aux verres une teinte qui oblitère leurs qualités optiques.
On a constaté que la durée de vie des appareils métalliques en contact à haute température avec des matériaux fondus est limitée par trois actions prin cipales 1. Une action mécanique, le fluage. A tempéra ture élevée sous l'action prolongée de forces même faibles, telles que le propre poids de l'appareil mé tallique et celui de son contenu, il se produit une déformation progressive et enfin des criques. L'ap pareil ou la pièce cesse alors d'être étanche et doit être remplacé ou réparé.
2. Une action chimique exercée par le matériau fondu. Un verre contient des combinaisons oxygénées de métaux - oxydes, silicates, aluminates, silico- aluminates, borates, silicoborates, etc., qu'on peut représenter symboliquement par Me0. Me peut être un élément tel que Al, Si, Mg, Ca, Pb, ..., O sym bolise le radical oxygéné qui peut d'ailleurs se réduire à l'oxygène seul.
Les combinaisons MeO sont plus ou moins dissociées suivant un équilibre thermodyna- mique du type
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Ceci signifie qu'à l'interface métal/verre, la com binaison MeO en solution dans le verre, se dissocie en partie en un élément Me qui se dissout dans le platine ou l'alliage de platinoïdes et en une combi naison O qui reste dans le verre.
L'équilibre précé dent est réci par la loi d'action de masses
EMI0001.0026
AMe (Pt) signifie activité de Me dans le platine ou l'alliage de platinoïdes, Ao (verre) signifie activité de O dans le verre, AMeO (verre) signifie activité de MeO dans le verre, K est uune constante, à une température donnée.
En général, le constante K est très petite, c'est- à-dire que les composés MeO sont très peu dissociés. Lorsque le verre fondu entre en contact avec le platine ou l'alliage de platinoïdes, il apparaît donc par dissociation une très petite quantité d'élément Me qui se dissout à la surface du métal. La disso ciation cesse dès que l'activité AMe (Pt) de l'élément à la surface de l'appareil ou de la pièce en contact avec le verre fondu atteint la valeur d'équilibre. Il ne peut se former une nouvelle quantité de l'élé ment Me que lorsque celle qui s'était déjà formée a diffusé dans le métal.
La diffusion est un phénomène lent qui impose sa vitesse à l'ensemble du phé nomène.
La solution de l'élément Me dans le platine ou l'alliage de platinoïdes est parfois très différente d'une solution idéale au sens thermodynamique du terme par suite de l'existence de fortes liaisons entre les divers atomes. Il peut se former des phases nou velles fusibles ou fragiles qui cheminent peu à peu, souvent entre les joints des grains du métal dont elles provoquent finalement la décohésion. Ce chemine ment peut être fortement accéléré par les tensions mé caniques. Les combinaisons oxygénées du plomb qui constituent une partie importante de certains verres, celles de l'arsenic, de l'antimoine, qui ne sont ajou tées qu'en faibles quantités, sont à la fois les plus dissociables et les plus miscibles à certains platinoïdes.
3. Une action chimique exercée par l'atmosphère. L'oxygène de l'air forme à haute température, avec les platinoïdes, des oxydes gazeux. L'épaisseur de l'appareil ou de la pièce diminue donc progres sivement, surtout lorsque l'atmosphère se renouvelle rapidement ; l'attaque est plus prononcée aux points de grains, ce qui contribue avec les deux autres phé nomènes décrits à entraîner la perforation du métal par formation de criques intergranulaires.
En résumé, pour prolonger la durée de vie des appareils ou des pièces en platine ou alliages de pla- tinoïdes utilisés à haute température en contact avec des matériaux fondus et pour éviter en outre d'obli térer les qualités optiques de ces derniers, il faut améliorer la tenue du métal en face de quatre actions principales I - Le fluage, II - .La corrosion par les éléments constitutifs du matériau fondu.
<B>111</B> - La corrosion par l'oxygène de l'air, IV - La coloration du verre fondu.
Or, il se trouve que les divers platinoïdes ou alliages de platinoïdes ne se classent pas dans le même ordre de résistance à ces diverses actions.
Pour le fluage, ce sont les alliages de platine avec au moins 10'0/0 de rhodium ou d'iridium qui résistent le mieux. Le rhodium, l'iridium, le ruthé- nium, l'osmium purs ou alliés entre eux ont une résistance mécanique supérieure, mais leur élabora tion est plus difficile que celle des alliages de platine.
Pour la corrosion par le plomb, l'antimoine ou l'arsenic, ce sont l'osmium, le ruthénium et l'iridium qui présentent les meilleures qualités de résistance.
Pour la corrosion par l'oxygène de l'air, c'est le rhodium, puis le platine qui se comportent le mieux. Enfin, c'est le platine pur qui colore le moins les verres.
Pour atteindre le but fixé, le matériau selon l'in vention est caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux couches de compositions différentes unies entre elles, à savoir: au moins une couche en platine pur et une couche d'au moins 1/io de mm en alliage de platine et de rhodium.
Le matériau métallique composite peut compor ter, outre la couche interne en platine pur et la couche externe en alliage de platine et de rhodium, une troisième couche centrale faite d'un alliage qui résiste à la pénétration par les agents issus des ma tériaux fondus qui corrodent le platine et/ou d'un alliage à haute résistance mécanique à température élevée. Ladite couche centrale peut être en alliage de platine avec au moins l'un des corps suivants : iri dium, ruthénium, rhodium, osmium.
Diverses formes d'exécution du matériau selon l'invention sont décrites dans les exemples 1 à 6 ci- dessous. <I>Exemple 1</I> Creuset pour la fusion des verres d'optique.
Le creuset est fait avec un doublé formé d'une couche interne de platine pur et d'une couche ex- terne d'alliage de platine avec 10'% en poids de rhodium.
<I>Exemple 2:</I> Creuset pour la fusion des verres d'optique dif férant du précédent par la composition de la couche externe qui est un alliage de platine avec 20 % de rhodium.
<I>Exemple 3:</I> Matériau destiné à être utilisé à haute tempéra ture en présence de verre fondu.
La couche intérieure en contact avec le verre fondu, est en platine pur. La couche centrale est en alliage de platine avec 15 '% d'iridium. Elle assure la résistance au fluage et constitue un obstacle à la pénétration du plomb, de l'antimoine, ou de l'ar senic.
La couche externe est un alliage de platine à 20 % de rhodium qui contribue à la résistance au fluage et qui assure la résistance à l'oxygène de l'air. <I>Exemple 4:</I> Creuset pour la fusion de verres d'optique.
La couche interne en contact avec le verre est en platine pur. La couche centrale est en alliage de platine à 13 % de ruthénium pour assurer la résistance à la corrosion par le plomb.
La couche externe, en contact avec l'atmosphère, est en platine à 20'% de rhodium. Elle assure, avec l'alliage de ruthéninum, la résistance au fluage. <I>Exemple 5:</I> Creuset pour la fusion de verres d'optique.
La couche interne, en contact avec le verre, est en platine pur.
La couche centrale est en platine à 209/o d'iri dium.
La couche externe, en contact avec l'atmosphère, est en platine à 30'% de rhodium.
La couche centrale arrête la pénétration éven tuelle du plomb, de l'arsenic ou de l'antimoine.
La couche externe assure la résistance à l'oxy gène de l'air et, avec la couche centrale, au fluage. <I>Exemple 6:</I> Chicane de four à verre.
Cette pièce, entièrement plongée dans le verre, comporte une âme centrale en platine à 13% de ruthénium recouverte, sur ses deux faces, de platine pur.
Ces exemples ne sont pas limitatifs ; on peut utiliser tous les alliages de platine et de rhodium, la résistance du platine rhodié au fluage et à l'action du plomb étant d'autant plus élevée que la teneur en rhodium est elle-même plus élevée. Par contre les difficultés de façonnage croissent, elles aussi, avec la teneur en rhodium.