Procédé de fabrication d'un article façonné au carbone et article obtenu par ce procédé La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un article façonné au carbone par chauffage sous pression d'une matière de départ car bonée dans un moule. L'invention comprend égale ment l'article obtenu par ce procédé.
Ce procédé permet de prédéterminer avec une grande latitude les propriétés physiques que doivent présenter les objets façonnés, et de réaliser des, com binaisons désirables et inhabituelles de propriétés physiques. Il peut servir à fabriquer toutes sortes d'articles carbonés tels que des anodes électrolytiques, des électrodes thermiques, des éléments d'échange de chaleur, des bagues d'étanchéité, des balais et con tacts électriques, des coussinets, des matières réfrac taires pour fours industriels, etc.
Ce procédé permet en outre d'obtenir des objets façonnés en peu de temps, en réduisant par consé quent au minimum les besoins d'énergie et en portant au maximum l'utilisation des appareils nécessaires, et de supprimer l'opération usuelle d'ébauchage.
Le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que la matière de départ est un mélange compre nant, en proportion notable, une première matière carbonée apte à dégager, sous l'effet d'un traitement thermique, une quantité appréciable de matière com bustible volatile et à laisser au moins un peu de carbone fixe résiduel, et en proportion plus élevée, une seconde matière carbonée ayant une faible teneur en matière volatile, le mélange étant, dans le moule, soumis à une haute pression mécanique pour le com primer, et chauffé, tandis que la pression est main tenue, en faisant passer un courant électrique de forte densité à travers le mélange comprimé,
ce chauffage étant poursuivi au moins jusqu'à dégagement sensi blement complet de la matière combustible volatile et étant rapide au moins pendant la période de con- traction du mélange. On peut utiliser un seul appareil pour façonner et cuire l'objet, et, si on le désire, pour graphitiser l'objet en une seule opération. La matière de départ est de préférence constituée par des substances qui sont des poudres sèches à la tem pérature ambiante, bien que le procédé puisse être exécuté avec un mélange comprenant une substance molle ou liquide, telle que le brai mou ou le fuel-oil.
Quand on utilise une matière de départ sèche, elle est de préférence finement divisée. Si la vitesse d'élé vation de la température est suffisamment grande pour produire un dégagement rapide de la matière combustible rotative et si la pression appliquée est suffisamment élevée, relativement à la vitesse d'élé vation de la température, pour que le mélange com primé remplisse continuellement la cavité du moule à mesure que la décomposition progresse,
une pro portion maximum de la teneur en carbone de la matière primitive se convertit en carbone fixe et les particules se lient ensemble en une masse solide exempte de failles et de fissures, de sorte qu'on obtient un objet de densité apparente et de solidité mécanique relativement grandes, et présentant les caractéristiques désirées de dureté, de faibles perméa bilité aux gaz et de résistivité électrique.
L'article ainsi obtenu aura alors une perméabilité notablement plus faible que les objets façonnés, à partir de matières carbonées similaires; par des pro cédés de la technique antérieure, c'est-à-dire, pour une densité du même ordre, une perméabilité aux gaz égale à 1/5 seulement, et même à 1/4o seulement, de celle de l'objet fabriqué par les procédés de la technique antérieure.
On décrira maintenant l'invention plus en détail en se référant au dessin ci-joint, sur lequel la fig. 1 est une représentation schématique de l'emplacement d'éprouvettes prélevées dans de gros blocs façonnés ; la fig. 2 est une famille de courbes pour des produits à forte densité, montrant une variation typi que de la densité apparente en fonction du pourcen tage de matière combustible volatile dans l'un des constituants du mélange ;
la fig. 3 est une famille de courbes similaire, montrant les variations de la densité apparente en fonction de la pression de cuisson, et la fig. 4 est une famille de courbes similaire montrant les variations de la densité apparente en fonction de la composition centésimale de l'un des constituants du mélange.
Des matières qui conviennent à la réalisation de l'invention sont la houille bitumineuse et le graphite de four électrique, en proportions de 20 à 30% de houille et 70 à 80'% de graphite. Avec cette combi- naison de
matières, le processus se déroule bien et il y a une latitude considérable dans le choix des con ditions de traitement voulues pour obtenir des pro duits qui sont bien liés et qui ont les caractéristiques désirées de densité, de dureté, de perméabilité, et autres caractéristiques physiques, ainsi qu'une con ductivité élevée. Toutefois, les différents facteurs qui entrent en jeu sont liés entre eux jusqu'à un certain point, de sorte que si l'on modifie l'un de ces fac teurs, il faut modifier de façon correspondante un ou plusieurs des autres pour obtenir le résultat voulu. De façon générale, on obtient un accroissement des caractéristiques de solidité et de la conductivité élec trique en augmentant les vitesses de cuisson.
Pour une vitesse de cuisson donnée et un choix donné de matières premières, il existe une pression minimum en dessous de laquelle le processus s'exécute mal, et le produit n'est pas exempt de pores ni de fissures. En outre, quand on augmente la pression, cela tend à augmenter la densité, la conductivité et la solidité, et à diminuer la perméabilité aux gaz, au moins jusqu'à une certaine limite. Quand on diminue la grosseur de particules de l'un ou de l'autre consti tuant, cela tend à augmenter la solidité et la dureté, mais l'effet sur la densité et la conductivité électri que dépend des autres facteurs.
De façon générale aussi, toute modification qui augmente le pouvoir glissant du mélange sans aug menter la teneur totale en matière combustible vola tile, tend à améliorer le déroulement du processus aux faibles pressions., et en particulier elle tend à donner des objets plus denses aux faibles pressions. Ainsi, quand on remplace le graphite de four élec trique par un graphite naturel lubrifiant de type flo conneux, cela donne une densité apparente plus éle vée, et la pression nécessaire pour obtenir la densité maximum est plus faible.
Les caractéristiques de forme des particules for mant le mélange, qui dépendent non seulement du type de matière mais du processus de broyage, in fluencent aussi le déroulement du processus aussi bien que les propriétés du produit. Par exemple, les particules broyées de la façon voulue pour leur donner des surfaces vives et rugueuses, auront moins de pouvoir glissant et auront aussi des caractéristiques de tassement moins bonnes que les particules broyées de façon à les rendre lisses. La composition optima d'un mélange est donc fonction, non seulement du type de matière et de la grosseur de particules, mais aussi de la forme de particules. Si l'on remplace le graphite de four électrique par le coke de pétrole calciné, l'effet est opposé à celui obtenu quand on a recours à un graphite flo conneux lubrifiant.
Avec le coke de pétrole calciné, le mélange est médiocrement lubrifié. Le coke de pétrole a un coefficient de dilatation thermique plus élevé et une résistivité électrique plus élevée que le graphite. Il est généralement désirable d'utiliser des pressions plus élevées quand on remplace le graphite de four électrique par le coke de pétrole calciné. On peut avoir recours à une quantité accrue de houille bitumineuse pour mieux lubrifier le mélange durant la première partie du cycle de cuisson, mais cela entraîne un plus grand retrait à la cuisson, ce qui nécessite l'application d'une plus forte pression, afin que la pression puisse maintenir le mélange à l'état entièrement tassé à tous moments.
Quand on utilise le coke de pétrole -calciné, l'uniformité du chauffage de la masse de produit est aussi un point plus critique que dans le cas du graphite, à cause du plus fort coefficient de dilatation du coke de pétrole et du produit fait avec celui-ci. Quand on conduit le chauffage dans le four électrique du type à résis tance dans lequel la masse de produit comprimée forme elle-même l'élément chauffant, les caractéris tiques électriques du four sont aussi plus critiques dans le cas du coke de pétrole calciné que dans le cas du graphite.
La résistance électrique plus élevée du coke nécessite une plus haute tension, et par suite on a plus de chance de voir jaillir des arcs à l'inté rieur des parois du four ou entre des portions des parois, ce qui entraîne un chauffage localisé, et l'effet de ce surchauffage est renforcé par le coeffi cient relativement élevé de dilatation thermique et la sensibilité plus grande des cokes de pétrole au choc thermique. On ne rencontre pourtant pas de dif ficultés en conduisant le procédé avec des mélanges qui contiennent du coke de pétrole calciné, si le four est approprié, et si l'on conduit le processus en ajus tant convenablement les conditions opératoires.
Les objets faits à l'aide de coke de pétrole calciné sont plus durs et ont une conductivité électrique plus fai ble, et ils ont généralement une résistance à la com pression plus élevée que ceux faits à l'aide de gra phite.
Il est possible de chauffer les produits à des températures de graphitisation lors de l'exécution du procédé selon l'invention, mais toutefois il peut être désirable de conduire la graphitisation, lorsqu'elle est nécessaire, en une opération séparée. La proportion de houille utilisée dans le mélange dépend des caractéristiques désirées dans le produit final, mais il faut aussi la choisir selon le type et la grosseur de particules. de l'autre constituant du mé lange, la pression appliquée durant la cuisson, et la vitesse d'élévation de température durant la cuisson. Il est évident que la proportion de houille, dans une certaine mesure, dépend aussi de la composition de la houille.
La houille peut être remplacée par d'autres matiè res carbonées fusibles qui contiennent ou engendrent une quantité appréciable de matière combustible volatile, et qui subissent une décomposition thermi que en laissant un résidu de charbon fixé. Des exem ples de ces matières sont notamment le bois, le sucre, le brai dur, le coke de pétrole brut, et aussi le brai mou et les résidus liquides de distillation du pétrole connus d'ans le commerce sous la désignation de fuel- oil Bunker C (No 6). Les propriétés des produits, toutefois, dépendent du type de la matière qui dégage des corps combustibles volatils.
De façon générale, les caractéristiques de solidité physique obtenues quand on utilise des matières telles que le sucre ou le brai mou ou le fuel-oil, sont inférieures à celles obtenues avec des matières telles que la houille bitu- mineuse ou le coke de pétrole brut. Quand on utilise la houille, il ne faut pas la calciner. Le coke de pétrole doit aussi être utilisé brut, et non calciné, et en fait, les cokes de pétrole contenant une plus grande quantité de matière combustible volatile que les cokes de pétrole bruts courants du commerce, sont supé rieurs. dans la plupart des cas.
La calcination de la houille ou du coke de pétrole brut tend à influencer nuisiblement toutes les propriétés du produit final, à l'exception peut-être de la dureté. Plus la tempéra ture de calcination est élevée, plus l'effet nuisible est prononcé.
Bien que l'on ait seulement mentionné, ci-dessus, des mélanges à deux constituants, il est évident que l'on peut réunir trois constituants ou plus. Par exem ple on peut combiner du graphite de four électrique et du coke de pétrole calciné, avec du coke de pétrole brut, pour donner un mélange à trois consti tuants.
La réalisation de densités très élevée est le plus facile avec un mélange à pouvoir glissant élevé. Par exemple, on obtient des densités supérieures à 2,0 avec des pressions relativement faibles en utilisant un mélange comprenant du graphite naturel floconneux lubrifiant, à forte grosseur de particules. On peut obtenir aussi ces densités en utilisant une pression suffisamment élevée et d'autres conditions convena bles quand le pouvoir glissant du mélange est réduit, par exemple par un état de division plus fine du flocon lubrifiant ou par utilisation d'un type différent de graphite.
On a constaté que le carbure de silicium décomposé approchait des flocons lubrifiants quant au pouvoir glissant, et il est préférable au graphite normal de four électrique (graphite d'électrodes) pour l'obtention d'une forte densité, parce qu'il nécessite moins de pression. Quand la pureté est importante, on peut traiter convenablement le graphite pour éli miner les impuretés avant de l'incorporer au mélange. De même, on peut purifier le coke de pétrole de façon similaire ou bien on peut le préparer spécia lement à partir d'huiles purifiées.
Il n'est pas nécessaire que tout le mélange soit composé de particules finement divisées. Dans le cas de gros objets, on peut inclure une proportion considérable de grosses particules. Ces grosses parti cules doivent de préférence être du type quia une très faible teneur en matière volatile.
Dans la conduite du procédé de l'invention, les matières carbonées, de préférence graphite et houille bitumineuse, peuvent être réduites en faibles grosseurs de particules, et on les mélange ensemble avant de chauffer. Les grosseurs de particules sont de préfé rence très faibles quand on fait de petites pièces, comme on l'expliquera en détail ci-dessous. Toute fois, pour réaliser des densités très élevées, les plus fortes grosseurs de particules sont préférables. On place le mélange dans un four construit pour assurer des élévations rapides de température avec une tem pérature de cuisson assez uniforme dans toute la masse. Le four est de préférence du type électrique à résistance, et doit être construit de manière à per mettre le passage d'un courant électrique relativement fort à travers la masse de mélange.
Il faut aussi prendre des mesures pour maintenir le mélange sous une pression mécanique considérable pendant toute la durée du chauffage.
-On a trouvé désirable de faire passer le courant électrique à travers le mélange avec une densité de courant suffisamment élevée pour que la tempéra ture de mélange s'élève très rapidement à un niveau relativement élevé. Une élévation de température trop lente, c'est-à-dire un gradient de température trop faible, une température finale trop basse ou une pression trop faible, peuvent nuire sérieuse ment aux caractéristiques électriques, mécaniques et de densité, du produit obtenu, et spécialement dans le cas de petits objets façonnés, il peut même en résulter que les matières n'arrivent pas à former un objet solide, ou bien on peut obtenir un objet tellement mou qu'il est pratiquement inutilisa ble. L'élévation de température ne doit pas nécessai rement être uniforme relativement au temps.
En fait dans certains cas, on peut admettre que le mé lange reste à des températures pratiquement constan tes pendant un temps court. Toutefois, quand on provoque l'élévation de la température, de façon échelonnée, il faut que l'élévation soit rapide. Une élévation de température généralement lente ne donne pas un produit intressant, et souvent, ne donne pas un produit sous forme d'objet. Dans le cas de petits objets mesurant 6 X 6 X 38 mm, on a utilisé une élévation de température de 550C pendant la pre mière minute et 5500C pendant les deux- minutes suivantes. On a utilisé des vitesses encore plus gran des, avec de bons résultats.
Dans le cas d'objets plus gros, la vitesse d'élévation de température est limi tée par des considérations pratiques. Dans certaines formes de réalisation du procédé, les produits pré sentent une conductivité électrique égale à celle des électrodes en graphite du commerce, tandis qu'en même temps ils présentent des résistances supérieu res à la compression et aux efforts transversaux. En choisissant convenablement les matières et les condi tions, on peut obtenir des produits de conductivité plus élevée, bien que, généralement, ce soit au détri ment des propriétés mécaniques. Si on le désire, on peut réaliser un produit doué d'une plus faible con ductivité et d'une résistance mécanique élevée.
Comme on l'expliquera plus complètement ci- dessous, une densité de courant relativement élevée dans le mélange est désirable pour chauffer conve nablement la matière. Ainsi, un fort débit de courant est désirable pour donner la grande vitesse initiale d'élévation de température qui est désirable et qui dépend de la grandeur du four mais sera supérieure à 20C par minute même dans les grands fours et ira jusqu'à 100011C par minute ou même davantage dans les petits fours. On peut utiliser un courant alternatif ou un courant continu pour donner l'effet de chauf fage désiré.
Dans une opération typique de fabrication d'un petit objet (dimensions finales 6 X 6 X 38 mm), en utilisant 80% de graphite artificiel (de four électri- que) et 20% de houille bitumineuse, on n'observe une contraction du mélange que 20 secondes environ après le début du chauffage.
La matière se contracte alors dans une mesure grossièrement égale à environ 30'% de la contraction finale totale, se maintient à ce volume 20 secondes encore, puis se contracte rapidement d'environ 30'% de plus,
et ensuite con- tinue à se contracter par intermittence jusqu'à ce que la contraction soit achevée.
On peut conduire la cuisson en une seule étape ou en plusieurs étapes, du moment que les accrois sements de température sont rapides. De préférence, on conduit le procédé de façon continue et quand on utilise plus d'une étape, les variations de densité du courant doivent se faire immédiatement, afin qu'il n'y ait pas d'interruption du processus.
Dans les exemples suivants, il est entendu que la cuisson est toujours continue, même si l'on cite plus d'une étape. <I>Exemple 1</I> Dans cet essai, la charge comprend 80% de graphite de four électrique de grosseur de particules inférieure à 0,07 mm, et 20'% de houille bitumineuse également inférieure à 0,07 mm.
La houille bitumi- neuse contient environ 1,6% de cendres et 26,4% de matière combustible volatile. La charge pèse 3,5 g. Après avoir placé la charge dans un four, on la sou met à une pression mécanique de 230 kg/cm2. Le tableau ci-après indique les données expérimentales pour une cuisson durant 3 2/3 minutes et exécutées en deux étapes, dont la première a une intensité de départ de 560 A et la deuxième une intensité de départ de 1040 A.
Le tableau indique le temps en minutes, le voltage (différence de potentiel entre les bornes des électrodes du four) en volts, l'ampérage total, et la contraction cumulative en mm.
EMI0004.0056
Contraction
<tb> Temps <SEP> cumulative
<tb> (minutes) <SEP> Volts <SEP> Ampères <SEP> mm <SEP> Etape
<tb> 0 <SEP> 1,30 <SEP> 560 <SEP> 0 <SEP> lre <SEP> étape
<tb> 1/3 <SEP> 1,20 <SEP> 576 <SEP> 0,46 <SEP> <B> <SEP> </B>
<tb> 2/3 <SEP> 1,19 <SEP> 576 <SEP> 0,92 <SEP> <B>D <SEP> </B>
<tb> 1 <SEP> 1,l9 <SEP> 576 <SEP> 1,22 <SEP> > >
<tb> 11/3 <SEP> 1,20 <SEP> 573 <SEP> 1,94 <SEP> <B>D <SEP> </B>
<tb> 12/3 <SEP> 1,21 <SEP> 565 <SEP> 1,94 <SEP> <B> <SEP> </B>
<tb> <B>22/3</B> <SEP> 2,40 <SEP> 1040 <SEP> <SEP> 2nie <SEP> étape
<tb> 2 <SEP> 2,
00 <SEP> 1138 <SEP> <B>D <SEP> <SEP> D</B>
<tb> 21/3 <SEP> 1,90 <SEP> l160 <SEP> <SEP> <SEP>
<tb> <B>22/3</B> <SEP> 1,85 <SEP> 1170 <SEP> <SEP> > >
<tb> 3 <SEP> 1,80 <SEP> 1178 <SEP> <B> <SEP> <SEP> </B>
<tb> 31/3 <SEP> 1,79 <SEP> 1180 <SEP> <B>D <SEP> D <SEP> D</B>
<tb> <B>3 <SEP> 2/3</B> <SEP> 1,85 <SEP> 1182 <SEP> <B>D <SEP> D <SEP> </B> On observera que la contraction est achevée au bout de 1 1/3 minute. On mesure la résistance des blocs et on calcule que la résistivité est de 13,6 X 10-4 ohms-cm. On trouve que la résistance à la compression et aux efforts transversaux sont respectivement de 670 kg/cm-' et de 540 kg/cm3. Les méthodes servant à déterminer la résistance à la compression et la résistance aux efforts transversaux seront décrites en détail plus loin.
On trouve que l'objet a une densité apparente de 1,750. <I>Exemple 11</I> Dans cet essai, la charge est identique à celle utilisée dans l'exemple I, et la pression appliquée à la charge dans le four est la même que celle de l'exemple I. Le tableau ci-après indique les données expérimentales pour une cuisson d'une durée de so 7 2/3 minutes, exécutée en deux étapes, dont la pre mière a un courant de départ de 560 A et la deuxième un courant de départ de 1040 A.
EMI0004.0060
Contraction
<tb> Temps <SEP> cumulative
<tb> (minutes) <SEP> Volts <SEP> Ampères <SEP> mm <SEP> Etape
<tb> 0 <SEP> 1,30 <SEP> 560 <SEP> 0 <SEP> lre <SEP> étape
<tb> 1/3 <SEP> 1,20 <SEP> 571 <SEP> 0 <SEP> <SEP>
<tb> 2/3 <SEP> 1,19 <SEP> 576 <SEP> 0,61 <SEP> <B>D <SEP> D</B>
<tb> 1 <SEP> 1,20 <SEP> 573 <SEP> 1,53 <SEP> <B>D <SEP> D</B>
<tb> 11/3 <SEP> 1,20 <SEP> 572 <SEP> <B> <SEP> <SEP> </B>
<tb> 12/3 <SEP> 1,25 <SEP> 570 <SEP> <B> <SEP> <SEP> D</B>
<tb> 21/3 <SEP> 1,99 <SEP> 1152 <SEP> <B> <SEP> <SEP> D</B>
<tb> 1 <SEP> 2/3 <SEP> 2,40 <SEP> 1040 <SEP> <SEP> 2lne <SEP> étape
<tb> 2 <SEP> 2,00 <SEP> l142 <SEP> 1,92 <SEP> <SEP>
<tb> (Suite <SEP> du <SEP> tableau <SEP> en <SEP> page <SEP> 5)
EMI0005.0001
(Suite <SEP> du <SEP> tableau <SEP> de <SEP> la <SEP> page <SEP> 4)
<tb> Contraction
<tb> Temps <SEP> cumulative
<tb> <U>(min</U>ut<U>es) <SEP> Vol</U>ts <SEP> Ampè<U>res <SEP> m</U>m <SEP> <U>Et</U>ape
<tb> <B>22/3</B> <SEP> 1,90 <SEP> 1166 <SEP> 1,92 <SEP> 2n'0 <SEP> étape
<tb> 3 <SEP> 1,85 <SEP> 1166 <SEP> <SEP> <B> <SEP> </B>
<tb> 31/3 <SEP> 1,80 <SEP> 1170 <SEP> <SEP> <B> <SEP> </B>
<tb> 3 <SEP> 2/3 <SEP> 1,80 <SEP> 1170 <SEP> 5 >
<tb> 4 <SEP> 1,80 <SEP> 1172 <SEP> <B> <SEP> D <SEP> </B>
<tb> 41/3 <SEP> 1,75 <SEP> 1172 <SEP> <B> <SEP> D <SEP> </B>
<tb> 42/3 <SEP> 1,75 <SEP> 1172 <SEP> <SEP> <B>D <SEP> D</B>
<tb> 5 <SEP> 1,70 <SEP> 1175 <SEP> <SEP> 5 >
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<tb> <B>5 <SEP> 2/3 <SEP> 1,70</B> <SEP> <SEP> <SEP> <B> <SEP> </B>
<tb> 6 <SEP> 1,65 <SEP> 5 >
<tb> 61/3 <SEP> 1,65 <SEP> <B> <SEP> <SEP> <SEP> D</B>
<tb> 6 <SEP> 2/3 <SEP> 1,
65 <SEP> > >
<tb> 7 <SEP> 1,63 <SEP> <SEP> <B> <SEP> <SEP> D</B>
<tb> 71/3 <SEP> 1,62 <SEP> <B> <SEP> D <SEP> D <SEP> D</B>
<tb> <B>72/3</B> <SEP> 1,61 <SEP> <B>D <SEP> <SEP> D <SEP> </B> On mesure la résistance des blocs et on calcule que la résistivité est de 11 X 10-4 ohms-cm. On trouve que la résistance à la compression et la résis- <I>Exemple III</I> Les matières, c'est-à-dire houille et graphite, sont les mêmes, et dans les mêmes proportions que dans l'exemple précédent.
Cependant, on utilise 2720 g du mélange et la pression appliquée est de 190 kg/cm2. On chauffe la matière jusqu'à une température finale d'environ 11000C. Le tableau suivant indique les données d'une cuisson de 24 minutes.
EMI0005.0006
Temps <SEP> Température
<tb> minutes <SEP> Volts <SEP> Ampères <SEP> approx., <SEP> C
<tb> 0 <SEP> 4,50 <SEP> 5680 <SEP> 27
<tb> 1 <SEP> 4,50 <SEP> 5880 <SEP> 150
<tb> 2 <SEP> 4,45 <SEP> 6070 <SEP> 230
<tb> 3 <SEP> 4,42 <SEP> 6270 <SEP> 320
<tb> 4 <SEP> 4,42 <SEP> 6270 <SEP> 390
<tb> 5 <SEP> 4,43 <SEP> 5880 <SEP> 450
<tb> 6 <SEP> 4,45 <SEP> 5680 <SEP> 520
<tb> 7 <SEP> 4,42 <SEP> 6070 <SEP> 580
<tb> 10 <SEP> 4,38 <SEP> 6860 <SEP> 750
<tb> 15 <SEP> 4,39 <SEP> 6860 <SEP> 910
<tb> 20 <SEP> <SEP> 6760 <SEP> 1030
<tb> 24 <SEP> <SEP> 6760 <SEP> <B>1100</B> La résistivité en ohms-cm, la densité, la résis tance à la compression en kg/cm2 et la résistance transversale en kg/ce des éprouvettes A, B, C, D, E, et F,
et leur origine relativement au bloc repré senté sur la fig. 1, sont indiquées dans le tableau suivant tance aux efforts transversaux sont respectivement de 780 et 540 kg/ce. On trouve que l'objet final a une densité apparente de 1,767.
Pour mesurer la résistance à la compression, on prend une éprouvette ayant une longueur d'environ 13 mm, et une surface de section d'environ 0,4 ce et on la soumet à une force de compression suivant la longueur, et on enregistre la force en kg nécessaire pour briser l'éprouvette. En partant de cette force, on calcule la résistance à la compression en kg/ce. Pour mesurer la résistance transversale, on appuie une éprouvette similaire sur des blocs espacés d'envi ron 25 mm l'un de l'autre, et on applique une pres sion à l'aide d'un couteau disposé perpendiculaire ment à l'axe longitudinal de l'éprouvette et situé en un point à mi-chemin entre les blocs supports.
Pour les objets plus gros, on pourrait découper de nombreuses éprouvettes dans le bloc façonné, comme on le voit sur la fig. 1 sur laquelle les éprou vettes A, B et C viennent d'un coin, l'éprouvette D du milieu d'une face, et les éprouvettes E et F du centre du bloc. Les gros blocs mentionnés dans les exemples III et IV ci-après ont des surfaces de sec tion d'environ 100 ce.
EMI0005.0015
Résistance
<tb> Densité <SEP> à <SEP> la <SEP> Résistance
<tb> Eprouvette <SEP> Résistivité <SEP> apparente <SEP> compression <SEP> transversale
<tb> Bloc
<tb> A <SEP> : <SEP> 17,6X <SEP> 10-4 <SEP> 1,685 <SEP> 880 <SEP> 460
<tb> B <SEP> : <SEP> 15,4X10-4 <SEP> 1,726 <SEP> 830 <SEP> 380
<tb> C <SEP> : <SEP> 36,8 <SEP> X <SEP> 10-4 <SEP> 1,732 <SEP> 680 <SEP> 250
<tb> D <SEP> : <SEP> 15,2 <SEP> X <SEP> 10-4 <SEP> 1,650 <SEP> 640 <SEP> 440
<tb> E <SEP> : <SEP> 17,6X <SEP> 10-4 <SEP> 1,686 <SEP> 670 <SEP> 350
<tb> F <SEP> : <SEP> 39,4X <SEP> 10-4 <SEP> 1,630 <SEP> 660 <SEP> 210 On pourrait utiliser une plus grande vitesse d'élé vation de température, et on aurait des caractéristi ques de produit encore meilleures.
On a constaté que la résistivité des objets fabri qués par le procédé selon l'invention diffère dans les différentes directions. Un exemple est donné par le tableau de résistivité de l'exemple III dans lequel la résistivité des éprouvettes A, B, D et E est tout à fait similaire, tandis. que la résistivité des éprou vettes C et F diffère notablement des autres. L'exa men de la fig. 1 montre que les éprouvettes A, B, D et E sont prises horizontalement, tandis que les éprouvettes C et F sont verticales.
La différence de résistivité dans les différentes directions est en rela tion avec la direction de l'application de la pression durant le chauffage, et on trouve une plus grande résistivité parallèlement à la direction d'application de la pression.
Quand on fait des blocs plus. grands; tels que le bloc de l'exemple III qui a environ 10 X 10 X 15 cm, on constate que la température peut être commodé- ment maintenue constante pendant un laps de temps considérable, au point où la contraction commence ou en dessous de ce point, et au point où la con traction cesse ou au-dessus de ce point, du moment que l'on applique une élévation rapide de tempéra ture dans l'intervalle compris entre ces deux points.
Dans le cas d'un mélange comme celui utilisé dans cet exemple, on a observé que 'la contraction se fait principalement entre les températures de 230 et 450()C. Dans une cuisson similaire, quand on commence par élever rapidement la température à 200 C et qu'on la maintient aux environs de ce point pendant une heure, ou quand on commence par éle ver rapidement la température à 465C et qu'on la maintient alors au voisinage de ce point pendant une heure, les produits présentent une faible perte de résistance à la compression.
Par contre, quand on laisse la température s'élever lentement, en prenant une durée de 90 minutes pour passer de la tempéra ture ambiante à 4501)C, et qu'ensuite on achève la cuisson avec une élévation rapide de température, les produits souffrent encore plus. Dans toutes ces cuissons, les mélanges et les pressions et les tempéra tures finales sont les mêmes.
Les essais de compres sion et la résistivité des éprouvettes B montrent ce qui suit
EMI0006.0009
Résistance
<tb> à <SEP> la <SEP> compression <SEP> Résistivité
<tb> Cuisson <SEP> kg/,m2 <SEP> ohms/cm
<tb> Cuisson <SEP> normale <SEP> . <SEP> . <SEP> .... <SEP> 830 <SEP> 15,4 <SEP> X <SEP> 10'4
<tb> Cuisson <SEP> maintenue <SEP> à <SEP> 200C <SEP> 660 <SEP> 16,3 <SEP> X <SEP> 10'4
<tb> Cuisson <SEP> maintenue <SEP> à <SEP> 465C <SEP> <B>610</B> <SEP> 14,4 <SEP> X <SEP> 10-4
<tb> Cuisson <SEP> portée <SEP> lentement
<tb> à <SEP> 450C <SEP> <B>---------- <SEP> ----------</B> <SEP> . <SEP> .
<SEP> 440 <SEP> 16,3 <SEP> X <SEP> 10-4 II est donc évident que l'élévation de tempéra ture la plus rapide est désirable pour réaliser la soli dité maximum, mais qu'il est possible d'utiliser une lente élévation initiale de température jusqu'au point où la contraction commence, si l'on en tire un avan tage quelconque, par exemple si cela facilite l'élimi nation de l'air et des gaz non condensables pour réa liser une plus forte densité. Avec des blocs plus petits, comme ceux des exemples I et II, il est désirable de maintenir une grande vitesse d'élévation de tempéra ture pendant toute la cuisson.
Bien que la vitesse minimum d'élévation de température nécessaire pour obtenir un produit désirable varie suivant la com position du mélange aussi bien que suivant les autres conditions du procédé, on a trouvé préférable d'appli quer une vitesse minimum d'élévation de tempéra ture d'environ 20C par minute et une pression non inférieure à 70 kg/cm' environ.
<I>Exemple IV</I> Le test suivant est similaire à celui de l'exemple III en ce sens que l'on utilise 270 g de mélange et que la pression appliquée est de 190 kg/cm'. Tou- tefois, le mélange contient 8 % de brai dur de gros- seur inférieure à 0,
15 mm et 92'% de graphite arti- ficiel de grosseur inférieure à 0,07 mm. On chauffe la matière jusqu'à une température finale d'environ 1050C et la contraction commence presque immé diatement après le début de la cuisson et elle est pratiquement achevée au bout de 6 minutes.
Le tableau suivant indique la variation de température en fonction du temps de cuisson au cours d'une cuis son de 52 minutes
EMI0006.0035
Temps <SEP> minutes <SEP> Température, <SEP> C
<tb> 0 <SEP> 21
<tb> 1 <SEP> 65
<tb> 2 <SEP> 127
<tb> 3 <SEP> <B>180</B>
<tb> 4 <SEP> 220
<tb> 5 <SEP> 260
<tb> 10 <SEP> 440
<tb> 20 <SEP> <B>710</B>
<tb> 28 <SEP> 820
<tb> 40 <SEP> 960
<tb> 52 <SEP> 1050 On observera que l'on utilise une élévation de température relativement lente ; une plus grande vitesse d'élévation de température améliorerait à la fois les caractéristiques du produit et l'efficacité du procédé.
La résistivité en ohms-centimètres, la densité, la résistance à la compression en kg/cm' et la résistance transversale en kg/cm des éprouvettes A, B, C, D et E pour cette cuisson sont indiquées dans le tableau suivant
EMI0006.0039
Résistance
<tb> à <SEP> la <SEP> Résistance
<tb> Eprouvette <SEP> Résistivité <SEP> Densité <SEP> compression <SEP> transversale
<tb> Bloc
<tb> A <SEP> : <SEP> 15,9 <SEP> X <SEP> 10-4 <SEP> 1,73 <SEP> 460 <SEP> 260
<tb> B <SEP> : <SEP> 14,4X <SEP> 10-4 <SEP> 1,772 <SEP> 380 <SEP> 240
<tb> C <SEP> : <SEP> 32 <SEP> X <SEP> 10-4 <SEP> 1,735 <SEP> 420 <SEP> 90
<tb> D <SEP> : <SEP> 16,7 <SEP> X <SEP> 10-4 <SEP> 1,64 <SEP> 400 <SEP> 200
<tb> E <SEP> :
<SEP> 15,0X <SEP> 10-4 <SEP> 1,69 <SEP> 390 <SEP> 190 <I>Exemple V</I> Bien que tous les exemples précédents contien nent du graphite de l'un ou l'autre type, il est possi ble d'opérer avec des mélanges de matières qui ne comprennent pas de graphite.
Dans le présent exemple, on utilise un mélange qui contient seulement du coke de pétrole. Le mé lange pèse<B>1400g</B> et comprend 25% d'un coke de pétrole brut commercial contenant 14'% de matière combustible volatile, et 75% de coke de pétrole calciné comme celui qui se vend commercialement pour la fabrication des électrodes. On broie les deux matières jusqu'à une grosseur inférieure à 0,07 mm.
On soumet le mélange à une pression de 190 kg/cm@ pendant tout le cycle de cuisson et les données expé rimentales sont les suivantes
EMI0007.0002
Temps <SEP> Contraction
<tb> m<U>inutes <SEP> Vo</U>lts <SEP> Ampè<U>re</U>s <SEP> totale <SEP> (mm) <SEP> Etape
<tb> 0 <SEP> 3,50 <SEP> 1770 <SEP> 0 <SEP> l=e <SEP> étape
<tb> 10 <SEP> 3,45 <SEP> 2340 <SEP> 1,11 <SEP> <SEP>
<tb> 20 <SEP> 3,40 <SEP> 2980 <SEP> 1,31 <SEP> 5 >
<tb> 25 <SEP> 3,40 <SEP> 3100 <SEP> <B>1</B>,35 <SEP> <B> <SEP> </B>
<tb> 25 <SEP> 4,55 <SEP> 4410 <SEP> <B>1</B>,35 <SEP> 2nle <SEP> étape
<tb> 35 <SEP> 4,50 <SEP> 5390 <SEP> 1,35 <SEP> <B>D <SEP> D</B>
<tb> 35 <SEP> 5,55 <SEP> 7280 <SEP> 1,35 <SEP> 31ne <SEP> étape
<tb> 45 <SEP> 5,45 <SEP> 8240 <SEP> 1,
47 Les dimensions du produit sont 13 X 10 X 6 cm, et il est exempt de pores et de fissures. Il a une den sité de 1,55, une résistance à la compression de 340 kg/cm2 et une résistance transversale de <B>13</B> 0 kg/cm2.
On soumet le produit à la graphitisation de façon courante, en le chauffant à 3000 C dans un four de graphitisation. Avant chauffage il a une résistivité de 0,0066 ohm-centimètre suivant le plus grand axe. Après chauffage il a une résistivité de 0,0016 ohm-cm suivant le grand axe. Avant chauffage à 3000 C il a un coefficient de dilatation thermique par OC de 2,4 X 10-G suivant le plus, grand axe dans l'inter valle de 0-250 C. Après chauffage à 3000C, le coef ficient est de 1,6 X 10-G suivant le plus grand axe.
Un produit présentant de telles caractéristiques conviendrait pour la plupart des applications d'élec trodes. Mais on peut réaliser des propriétés, encore meilleures en modifiant convenablement les ingré dients et les conditions de la cuisson initiale.
<I>Exemple VI</I> Le mélange contient trois constituants, tous Pul vérisés à moins de 0,07 mm. Il pèse 3,5 g et com- prend 40'% de graphite de four électrique,
35 % de coke de pétrole calciné et 2.5 % de houille bitumi- neuse. On soumet le mélange à une pression de 230 kg/cm2 pendant tout le cycle de cuisson et les données expérimentales sont les suivantes
EMI0007.0034
Contraction
<tb> Temps <SEP> minutes <SEP> Ampères <SEP> cumulative <SEP> mm <SEP> Etape
<tb> 0 <SEP> 424 <SEP> 0
<SEP> lre <SEP> étape
<tb> 2 <SEP> 448 <SEP> 2,50 <SEP> <SEP>
<tb> 4 <SEP> 445 <SEP> 3,25 <SEP> <B> <SEP> D</B>
<tb> 6 <SEP> 448 <SEP> 3,31 <SEP> <B>D <SEP> D</B>
<tb> 6 <SEP> 952 <SEP> 3,31 <SEP> 2- <SEP> étape
<tb> 8 <SEP> 1104 <SEP> 3,31 <SEP> <B>D <SEP> </B>
<tb> 10 <SEP> 1120 <SEP> 3,31 <SEP> <SEP>
<tb> 12 <SEP> 1133 <SEP> 3,31 <SEP> <B> <SEP> </B> Le produit est lisse, dense et dur.
Les esssais montrent ce qui suit Densité apparente: 1,75 Résistance à la compression : 1100 kg/cm2 Résistance transversale : 570 kg/em2 Résistivité électrique : 19,8 X 10-4 ohms-cm Les variations de la grosseur de particules tendent à influer sur les propriétés électriques et mécani ques du produit obtenu, mais il semble que l'effet soit moins important dans le cas d'objets plus gros, c'est-à-dire de ceux dont la section transversale est supérieure à environ 62 cm2. Par exemple, quand on fabrique un petit objet (6 X 6 X 38 mm),
avec un mélange à 80'% de graphite artificiel et 20% de houille bitumineuse, en portant la grosseur des par ticules de graphite, de 44 microns jusqu'à 150-210 microns, on obtient une diminution de la résistivité électrique de 14,7 X 10-4 à 10,
9 X 10-4 ohms-cm. Le test qui a donné ces chiffres est exécuté avec une pression<B>de</B> 230 kg/em2 pendant que l'on fait passer à travers la matière un courant d'environ 560 A pendant 12/s minute, puis un courant de<B>1100A</B> pendant 2 minutes. Le même essai amène une dimi nution de la résistance à la compression, de 680 à 460 kg/cm2, et une diminution de la résistance trans versale de 4l0 à 320 kg/ce.
On a constaté que l'usage de particules plus peti tes du constituant qui dégage des matières combus tibles volatiles, diminue la résistivité, bien que cet effet ne soit pas prononcé. L'usage de petites parti cules tend à augmenter la densité, la dureté, la résis tance à la compression et la résistance transversale.
Ainsi, avec un mélange de 8011/o de graphite artificiel (70 microns) et 20'% de houille bitumineuse sous une pression de 230 kg/ce, une grosseur de parti cules de 0,42 à 0,59 pour la houille donne une résis tivité de 16,7 X 10-4 ohms-cm, une densité de 1,71, une résistance à la compression de 340 kg/cm2 et une résistance transversale de 270 kg/em2, tandis qu'une grosseur de particules de 0,044 mm.
donne une résistivité de 13,6 X 10-4 ohms-cm, une densité de 1,76, une résistance à la compression de 780 kg/em2 et une résistance transversale de 500 kg/cm2.
Comme on l'a indiqué plus haut, on peut utiliser du sucre au lieu de la houille bitumineuse dans le procédé selon l'invention. Dans un cycle de cuisson utilisant une pression de 230 kg/cm2 et un courant de 560 A pendant 12/s minute et 1100 A pendant 2 minutes, un mélange de 20 % de sucre de canne et 80% de graphite de four électrique inférieur à 70 microns,
donne un produit d'une résistivité de 11,1 X 10-4 ohms cm, une densité de 1,62, une résistance à la compression de 220 kg/cm2 et une résistance transversale de 180 kg/cm2. D'autres pro duits de remplacement de la houille bitumineuse sont le brai, le bois pulvérisé, la cellulose (telle que la pulpe de bois qualité rayonne), et le coke de pétrole brut. Des matières différentes nécessitent des condi- tions de cuisson pour donner les meilleurs résultats.
Les caractéristiques du produit varient sui vant les matières utilisées.
Le procédé selon l'invention peut aussi être exé cuté avec addition de matières non carbonées au mélange, par ailleurs, normal, de matières carbonées. Par exemple, on a ajouté des particules de mica au mélange carboné pour obtenir une matière réfractaire ayant de meilleures caractéristiques d'isolement ther- mique que celles que l'on obtiendrait sans addition de mica. De même, on a ajouté des particules de cuivre pour obtenir une conductivité accrue, qui serait par exemple désirable pour certains types. de balais.
Bien que le graphite naturel, et particulièrement le graphite floconneux lubrifiant naturel, convienne admirablement à l'obtention d'un objet à forte den sité, on peut aussi utiliser d'autres formes, de graphite à condition qu'elles présentent des caractéristiques lubrifiantes convenables. Un exemple d'une telle forme de graphite est un graphite synthétique résul tant de la décomposition thermique du carbure de silicium.
Le procédé selon l'invention peut aussi être appli qué à la fabrication, en une seule étape, d'objets tels que les balais de moteurs électriques, dans laquelle on moule un élément métallique sur le charbon. En pareil cas, la liaison de l'élément métallique s'effectue en même temps que la cuisson du mélange carboné.