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La présente invention concerne une matière .composite, et en particu- lier une matière composite dont un composant est un métal noble.
Les métaux nobles, comprenant les métaux des groupes, du platine, 1' or, l'argent et leurs alliages sont essentiellement résistants à l'oxydation et à la corrosion sous des températures élevées, par exemple des températures dépas- sant environ 900 C.
Cependant, pour beauooup d'applications, spécialement pour des appli- cations à haute température où les métaux nobles sont très souhaitables, parti- culièrement les métaux du groupe du platine, l'utilisation de ces métaux est très coûteuse et on les remplace souvent par les métaux communs ouppar leurs alliages plus économiques mais sensiblement inférieurs. Dans certaines applications, le- remplacement'des métaux nobles par des métaux communs n'est pas possible et aucun compromis ne peut être réalisé par économie.
Pour des applications à des températures moins élevées, par exemple des températures inférieures à 900 C, les métaux nobles peuvent être pourvus d'un support en métaux communs ou en un'alliage de métaux communs, mats ces matières composites ne se prêtent pas d'elles-mêmes à des applications à haute température parce que, lorsque des.métaux communs'sont.doublas de métaux nobles et utilisés sous des températures élevées, une interdiffusion des métaux se produit qui af- fecte les métaux nobles et leur est préjudiciable.
Par exemple, dans le cas de creusets, de dispositifs d'alimentation de verre 'en fusion, notamment des buse- lures pour traiter du verre, des conduites destinées à des agents très corrosifs à haute température, etc., il n'est pas souhaitable d'utiliser des métaux nobles doublant des métaux communs parce que l'interdiffusion des métaux amène une dé- terioration substantielle des métaux nobles qui soumet l'agent en contact avec les métaux composites à une contamination, par exemple la contamination de verre en fusion par un métal commun qui diffuse à travers la couche de métal noble; de même, la vie utile de la couche de métal noble est sensiblement limitée.
S'il n'y avait pas les'inconvénients précités, la stratification d'un métal noble sur un métal commun, par exemple du platine sur du.{..nickel, permet une économie consi- dérable du fait que le support en nickel permet d'utiliser du platine en une épaisseur qui n'est qu'une fraction de celle habituellement utilisée. L'utilisa- tion de platine seul,en dessous d'une épaisseur critique, ne donne pas une ri- gidité suffisante pour empêcher une déformation dans certaines applications.
Cette particularité s'applique aux métaux nobles en général.
La présente invention a pour but de procurer : une matière composite dont un composant soit un métal noble; une matière composite comprenant plusieurs couches métalliques dont une au moins soit une Couche de métal noble; une matière composite qui permette une utilisation économique des métaux nobles spécialement pour une application à haute température.
D'autres buts et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après avec référence aux dessinsannexés, dans lesquels: la Fige 1 est une vue en perspective d'une matière composite suivant la présente invention; la Fige 2 est une coupe d'un creuset suivant l'invention; la Fige 3 est une coupe d'un récipient destiné à une substance en fusion à haute température; la Fig. 4 est une vue fragmentaire à plus grande échelle de la Fig.
3; et, la Fige 5 est uevue en perspective d'une 'conduite pour des matières fluides à haute température.
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La présente invention concerne une matière composite comprenant une couche de métal noble et une couche de métal commun entre lesquelles est placée une couche d'arrêt, ou plusieurs couches de métaux nobles séparées par une couche d'arrêt ce qui réduit fortement ou élimine l'interdiffusion des couches de métaux grâce à la couche d'arrêt et permet de prévoir le métal noble en une couche plus mince qu'il n'était possible jusqu'à présent tout en conservant une rigidité suffi- sante grâce à la couche de support en métal commun ou en un autre métal.
Sur la Fig. 1, la matière composite comprend une couche 1 de métal noble tel qu'un métal du groupe du platine,par exemple le platine, l'or ou l'argent, y compris les alliages de ces métaux nobles, et une couche de métal commun 2 telle qu'une couche de nickel, laiton, acier inoxydable, inconel, etc., une couche d'ar- rêt 3 étant prévue entre ces couches. De façon spécifique, la couche d'arrêt se com- pose d'un oxyde réfractaire à l'état fondu, cet oxyde réfractaire étant de préfé- rence choisi dans le groupe composé d'alumine et de zircone fondus, et en substan- ce exempt de composés de silicium.
Par l'expression "en substance exempt de composé de silicium",on entend que l'oxyde réfractaire appliqué à l'état fondu contient moins d'1% de composés de silicium, par exemple de silice, l'oxyde préféré cons- tituant au moins 99% en poids de la composition d'oxyde totale. Par exemple, les oxydes efficaces sont entre autres les oxydes réfractaires fusibles d'aluminium et de zirconium avec ou sans un mélange d'oxydes supplémentaires tels que du CaO et du SiO2 en une quantité inférieure à 1% en poids de l'oxyde composite.
D' autres oxydes réfractaires fusibles ayant les propriétés réfractaires de l'alumi- ne et du zircone peuvent également être utilisés spécialement dans le cas d'une matière composite comprenant une couche d'or ou d'argent ou des alliages de ces métaux, et ces oxydes peuvent contenir une quantité de composés de silicium dépas- sant 1%, mais dans le cas des métaux du groupe du platine, l'oxyde réfractaire contient moins de 1 % de composés de silicium par suite de l'affinité par exemple, du platine pour le siliéium. Les oxydes de silicium se réduisent au moins partiellement en présence de platine à des températures élevées ce qui a pour effet que le silicium s'allie au platine et abaisse le point de fusion de ce dernier.
Lorsqu'on applique la couche d'oxyde d'arrêt, on rend de préférence rugueuse une surface d'une des couches 1 et 2 avant de les assembler par'exemple en la sablant et on pulvérise de l'oxyde en fusion sous un gaz sous pression sur la surface rugueuseo Par exemple, on fait passer de l'oxyde pulvérulent tel que l'alumine pulvérulente'dans une flamme d'oxyacétylène ou d'oxyhydrogène qui la fait fondre et on dépose l'oxyde en fusion par pulvérisation sur la surface ru- gueuse du métal.
La pulvérisation se fait de préférence sous une pression suffi- sante pour produire un choc substantiel de l'oxyde en fusion contre le métal pendant l'application., En l'abscence d'une surface métallique rugueuse, le revête- ment adhère moins au métal et n'assure pas l'obtention d'un revêtement solide sou- haitable ou d'une fixation mécanique suffisante de l'oxyde solidifié à la-surface métallique pour donner un joint solide.
Dans une matière suivant la Fig. 1, la couche en métal noble 1, sup- portée par la couche 2, peut être fabriquée sous forme d'une mince couche de mé- tal noble dont l'épaisseur peut être de l'ordre d'une t8le et qui est efficacement protégée contre une interdiffusion avec la couche 2 par la couche d'oxyde réfrac- taire 3. Cependant, on peut utiliser des couches de métaux nobles et des couches de métaux communs de n'importe quelle épaisseur voulue.
Par exemple, les couches de métaux peuvent avoir une épaisseur comprise entre 0,01 et 0,5 pouce (0,25 et 12,7 mm) De façon plus spécifique, la matière composite peut comprendre une couche de métal noble de 0,02 pouce d'épaisseur (0,5 mm), une couche d'oxyde 0,01 pou- ce d'épaisseur (0,25 mm) et une couche de métal commun de 0,02 pouce d'épaisseur (0,5 mm) .
La Fig. 2 est une coupe d'un creuset en matière composite de la pré- sente invention. Le creuset 4 est avantageusement fabriqué en façonnant en forme
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de cuvette 5 une garniture mince en un métal noble ainsi qu'un autre élément-de foi me semblable en un métal commun 6 dimensionné de façon à recevoir la garniture 5 en ne lui laissant que très peu de jeu.
Après avoir façonné les deux cuvettes 5 et 6. on sable par exemple la surface extérieure de la cuvette intérieure 5 ou la surface intérieure de la cuvette extérieure 6 ou les deux de façon à la ou les rendre rugueuses, et on enduit une ou les deux cuvettes de l'oxyde fondu de la façon décrite avec référence à la Fig. 1. Après cette opération, on emboîte étroitement les deux cuvettes l'une dans l'autre.
Les Figs. 3 et 4 représentent la matière de l'invention sous forme d'un récipient destiné à des substances à haute température, comme du verre en fu- sion. Le récipient comprend de préférence un pot 7 placé dans une masse réfractai- re 89 par exemple une masse de céramique,façonnée de façon à recevoir le pot 7. Le pot 7 est en matière conforme à l'invention, et comprend de préférence une garniture mince 9 en platine emboîtée dans un organe de support de forme sembla- ble 10 en nickel, une couche d'arrêt en oxyde fondu 11 étant placée entre ces deux éléments et une couche 12 d'oxyde fondu étant prévue sur le support en nickel 10 entre la masse de céramique 8 et ce support 10.
Les couches d'oxyde fondu 11 et 12 sont rapportées de la façon décri- te avec référence à la Fig. 3.
La Fige 5 représente une variante de l'invention dans laquelle la matière composite se présente sous forme d'un tuyau ou d'un tube composé de plu- sieurs tubes ou tuyaux concentriques séparés par une couche d'oxyde réfractaire 15. La surface extérieure de la garniture en métal noble 14. par exemple une garniture composée d'or ou d'argent ou d'alliages de ces métaux est d'abord rendue rugueuse et cette surface est pourvue d'un revêtement d'oxyde de la façon décrite avec,référence aux Figs. 2 et 3.
Ensuite, le tube en métal commun 13 est placé sur le tube revêtu 14 par -télescopage ou autrement de façon à former un tuyau ou tube composite. @
L'invention a été décrite en particulier comme une combinaison en mé- taux nobles et en métaux communs séparés par la couche d'oxyde, mais elle couvre cependant le montage de plusieurs couches de métaux nobles sous forme de cuvettes, tubes, etc., séparées par la couche fondue. Par exemple, les couches 2, 6 et 10 peuvent être des couches de métaux nobles ou de métaux communset les couches de métaux nobles constituant la matière composite peuvent être soit de composi- tion identique, soit une combinaison de différents métaux nobles ou d'alliages de ces métaux.
Quoique l'invention ait été décrite de façon détaillée, il est clair qu'elle n'est pas limitée à cette description mais que de nombreux changements et modifications peuvent y être apportés sans sortir de son cadre.
R E V E N D I C A T I 0 N S.
1. Matière composite, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs couches de métaux séparées par une couche d'arrêt, la couche d'arrêt étant une couche d'oxyde réfraotaire fondu.
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The present invention relates to a composite material, and in particular to a composite material one component of which is a noble metal.
The noble metals, including the group metals, platinum, gold, silver and their alloys are essentially resistant to oxidation and corrosion at elevated temperatures, for example temperatures in excess of about 900 C.
However, for many applications, especially for high temperature applications where noble metals are very desirable, especially platinum group metals, the use of these metals is very expensive and they are often replaced by. base metals or their more economical but significantly inferior alloys. In some applications the replacement of noble metals by base metals is not possible and no compromise can be made for economy.
For applications at lower temperatures, for example temperatures below 900 ° C, the noble metals can be provided with a support of base metals or a base metal alloy, but these composite materials are not suitable for use. themselves in high temperature applications because, when base metals are double noble metals and used under high temperatures, metal interdiffusion occurs which affects and is detrimental to the noble metals.
For example, in the case of crucibles, devices for supplying molten glass, especially nozzles for treating glass, pipes for very corrosive agents at high temperatures, etc., it is not. desirable to use noble metals doubling base metals because the interdiffusion of metals causes a substantial deterioration of the noble metals which subjects the agent in contact with the composite metals to contamination, for example contamination of molten glass by a base metal which diffuses through the noble metal layer; likewise, the useful life of the noble metal layer is appreciably limited.
If it were not for the aforementioned drawbacks, the lamination of a noble metal on a base metal, for example platinum on nickel, allows a considerable saving because the nickel support allows the use of platinum in a thickness which is only a fraction of that usually used. The use of platinum alone, below a critical thickness, does not provide sufficient stiffness to prevent warping in some applications.
This particularity applies to noble metals in general.
The object of the present invention is to provide: a composite material, one component of which is a noble metal; a composite material comprising several metal layers, at least one of which is a noble metal layer; a composite material which allows economical use of noble metals especially for high temperature application.
Other objects and advantages of the present invention will emerge from the description given below with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1 is a perspective view of a composite material according to the present invention; Fig. 2 is a section of a crucible according to the invention; Fig. 3 is a section of a container for a high temperature molten substance; Fig. 4 is a fragmentary view on a larger scale of FIG.
3; and, Fig. 5 is viewed from the perspective of a conduit for high temperature fluid materials.
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The present invention relates to a composite material comprising a layer of noble metal and a layer of base metal between which is placed a barrier layer, or several layers of noble metals separated by a barrier layer which greatly reduces or eliminates the interdiffusion of the metal layers thanks to the barrier layer and makes it possible to provide the noble metal in a layer thinner than was previously possible while maintaining sufficient rigidity thanks to the support layer in common metal or another metal.
In Fig. 1, the composite material comprises a layer 1 of noble metal such as a platinum group metal, for example platinum, gold or silver, including alloys of these noble metals, and a layer of common metal 2 such as a layer of nickel, brass, stainless steel, inconel, etc., a barrier layer 3 being provided between these layers. Specifically, the barrier layer is comprised of a refractory molten oxide, this refractory oxide preferably being selected from the group consisting of molten alumina and zirconia, and substantially free of silicon compounds.
By the expression "substantially free of silicon compound" is meant that the refractory oxide applied in the molten state contains less than 1% of silicon compounds, for example silica, the preferred oxide being at least 99% by weight of the total oxide composition. For example, effective oxides are inter alia the refractory fusible oxides of aluminum and zirconium with or without a mixture of additional oxides such as CaO and SiO2 in an amount less than 1% by weight of the composite oxide.
Other fusible refractory oxides having the refractory properties of aluminum and zirconia can also be used especially in the case of a composite material comprising a layer of gold or silver or alloys of these metals, and these oxides may contain an amount of silicon compounds exceeding 1%, but in the case of platinum group metals the refractory oxide contains less than 1% silicon compounds due to affinity, for example, platinum for siliéium. The silicon oxides are at least partially reduced in the presence of platinum at high temperatures, which causes the silicon to alloy with the platinum and lowers the melting point of the latter.
When the barrier oxide layer is applied, a surface of one of the layers 1 and 2 is preferably roughened before they are assembled, for example by sandblasting it and the molten oxide is sprayed under a gas. under pressure on the rough surface o For example, powdery oxide such as powdery alumina is passed through an oxyacetylene or oxyhydrogen flame which melts it and the molten oxide is sprayed onto the surface. rough surface of the metal.
The spraying is preferably done under a pressure sufficient to produce a substantial impact of the molten oxide against the metal during application. In the absence of a rough metallic surface, the coating adheres less to the metal. metal and does not provide a desirable solid coating or sufficient mechanical attachment of the solidified oxide to the metal surface to provide a strong seal.
In a material according to FIG. 1, the noble metal layer 1, supported by the layer 2, can be fabricated as a thin layer of noble metal, the thickness of which can be on the order of one t8le and which is effectively protected against interdiffusion with layer 2 by refractory oxide layer 3. However, noble metal layers and base metal layers of any desired thickness can be used.
For example, the metal layers can have a thickness between 0.01 and 0.5 inch (0.25 and 12.7 mm) More specifically, the composite material can include a noble metal layer of 0.02 inch thick (0.5 mm), an oxide layer 0.01 inch thick (0.25 mm) and a base metal layer 0.02 inch thick (0.5 mm ).
Fig. 2 is a section through a composite material crucible of the present invention. The crucible 4 is advantageously manufactured by shaping into a shape
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of cup 5 a thin lining in a noble metal as well as another element similar to me in a base metal 6 dimensioned so as to receive the lining 5 leaving it very little play.
After having shaped the two bowls 5 and 6, for example the outer surface of the inner bowl 5 or the inside surface of the outer bowl 6 or both are sanded so as to roughen them, and one or both are coated. cuvettes of molten oxide as described with reference to FIG. 1. After this operation, the two cuvettes are fitted together tightly.
Figs. 3 and 4 show the material of the invention in the form of a container for high temperature substances, such as molten glass. The container preferably comprises a pot 7 placed in a refractory mass 89, for example a ceramic mass, shaped so as to receive the pot 7. The pot 7 is made of a material according to the invention, and preferably comprises a lining. thin platinum 9 nested in a support member of similar shape 10 made of nickel, a stopper layer of molten oxide 11 being placed between these two elements and a layer 12 of molten oxide being provided on the nickel support 10 between the ceramic mass 8 and this support 10.
The molten oxide layers 11 and 12 are shown as described with reference to FIG. 3.
Fig. 5 represents a variant of the invention in which the composite material is in the form of a pipe or of a tube composed of several tubes or concentric pipes separated by a layer of refractory oxide 15. The outer surface noble metal lining 14. For example a lining composed of gold or silver or alloys of these metals is first roughened and this surface is provided with an oxide coating as described with , reference to Figs. 2 and 3.
Then, the base metal tube 13 is placed over the coated tube 14 by telescoping or otherwise so as to form a composite pipe or tube. @
The invention has been described in particular as a combination of noble metals and common metals separated by the oxide layer, but it nevertheless covers the mounting of several layers of noble metals in the form of cuvettes, tubes, etc., separated by the molten layer. For example, layers 2, 6 and 10 can be layers of noble metals or base metals and the layers of noble metals constituting the composite material can be either of identical composition or a combination of different noble metals or alloys. of these metals.
Although the invention has been described in detail, it is clear that it is not limited to this description but that numerous changes and modifications can be made to it without departing from its scope.
R E V E N D I C A T I 0 N S.
1. Composite material, characterized in that it comprises several layers of metals separated by a barrier layer, the barrier layer being a layer of molten refraotaire oxide.