La présente invention se rapporte à une alumine renforcée, à un procédé de fabrication et à une utilisation d'une telle alumine renforcée.
L'alumine, telle que les saphirs et les rubis, dont la composition principale est x-AkO3, est largement utilisée par exemple comme matériau des parties de machines de précision. Cependant,
I'alumine présente l'inconvénient que sa résistance mécanique n'est pas suffisamment élevée. D'un autre côté, elle présente l'avantage que l'on peut fabriquer par synthèse de l'alumine à faible prix de revient et qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser les matières premières de l'alumine.
La présente invention a pour but de fournir une alumine renforcée qui est très résistante et convient, par exemple, pour les parties de machine et pour des styles de pick-ups pour disques de phonographes.
A cet effet, I'alumine renforcée selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend une masse d'alumine constituée d'oxydes d'aluminium ayant des atomes étrangers diffusés au moins à la surface.
Le dessin annexé illustre. à titre d'exemple, différentes formes d'exécution de l'invention.
La fig. 1 est une vue en coupe transversale schématique d'une alumine renforcée selon la présente invention.
La fig. 2 est un diagramme montrant la résistance relative à l'usure d'une alumine brute classique et celle d'une alumine renforcée selon la présente invention, en fonction du rayon ionique d'atomes étrangers diffusés à la surface de l'alumine; sur cette figure, on porte en abscisses le rayon ionique en Angström et, en ordonnées, la résistance à l'usure en unité arbitraire.
La fig. 3 est une vue en coupe transversale schématique d'un style de phonographe pour un dispositif de reproduction.
La fig. 4 est un diagramme présentant la caractéristique de période de rupture pour un style de phonographe constitué par une alumine renforcée selon la présente invention, par comparaison avec celle d'un style de phonographe en alumine classique: on porte en abscisse la période de rupture en heures et en ordonnée la fréquence de rupture en unité arbitraire.
La fig. 5 représente des vues en coupe transversale horizontales schématiques de divers styles.
La fig. 6 est une vue en coupe transversale schématique d'un style de phonographe pour un dispositif d'enregistrement.
La fig. 7 est une vue en coupe transversale schématique d'un support de pivot pour une machine de précision.
La fig. 8 est une vue en coupe transversale schématique d'un axe pour une machine de précision.
La fig. 9 est une vue en coupe transversale schématique d'un pivot pour une machine de précision.
La fig. 10 est une vue en perspective schématique d'un couteau pour une balance de précision.
La fig. Il est une vue en perspective schématique d'un support de couteau pour une balance de précision.
La fig. 12 est une vue en coupe transversale schématique d'une pointe de plume pour un enregistreur à plume.
La fig. 13 est une vue en coupe transversale schématique d'un guide-fil pour une machine de texturation.
La fig. 14 est un diagramme présentant la résistance relative à l'usure de la présente alumine renforcée en fonction de la température de cuisson; on porte en abscisse la température de cuisson
100-C) et en ordonnée la résistance à l'usure (unité arbitraire).
La fig. 15 est un diagramme présentant la résistance relative à l'usure de la présente alumine renforcée en fonction du temps de cuisson: on porte en abscisse le temps de cuisson en heures et en ordonnée la résistance à l'usure (unité arbitraire).
En se référant à la fig. 1. une alumine renforcée 10 comprend une masse d'alumine 11 constituée d'oxydes d'aluminium ayant des atomes étrangers diffusés au moins sur une couche en surface 12 de la masse 11. La surface de masse 11 est ordinairement polie. On a trouvé que, lorsque des atomes étrangers, tels que du titane, sont diffusés au moins dans une couche en surface de la masse 11, un facteur de la résistance mécanique de la masse, tel que la dureté et la résistance à l'usure, est fortement augmenté.
On a également trouvé qu'il existe des atomes étrangers préférables à faire diffuser dans la couche superficielle afin de renforcer fortement la masse d'alumine.
En se référant à la fig. 2, on trouve que, lorsque les atomes étrangers tels que du cuivre, de l'argent, du béryllium, du magnésium, du calcium, du strontium, du baryum, du zinc, du cadmium, du bore, du gallium, de l'indium, du scandium, de l'yttrium, du lanthane, du carbone, du silicium, du germanium, de l'étain, du plomb, du titane, du zirconium, du hafnium, de l'azote, du phosphore, de l'arsenic, de l'antimoine, du bismuth, du vanadium, du niobium, du tantale, du chrome, du molybdène, du tungstène, du manganèse, du fer, du cobalt, du nickel, du rhodium et du palladium, sont diffusés à la surface de la masse d'alumine, la résistance mécanique de l'alumine est augmentée et la valeur moyenne de la résistance à l'usure de l'alumine ainsi traitée est supérieure à celle d'une alumine brute classique.
La courbe 22 de la fig. 2 représente la valeur moyenne de la résistance à l'usure de l'alumine renforcée et la ligne brisée horizontale, à l'emplacement de la résistance à l'usure d'environ 3 sur la fig. 2, représente la valeur moyenne de la résistance à l'usure de l'alumine classique. Les lignes pointillées horizontales, à l'emplacement des résistances à l'usure valant 2 et 4, représentent les valeurs inférieure et supérieure, respectivement, pour l'alumine classique.
A partir de la fig. 2, on voit que les rayons ioniques des atomes étrangers sont situés entre 0,2 et 1.5 . On voit également que, lorsque des atomes étrangers tels que du cuivre, de l'argent, du béryllium, du magnésium, du calcium, du zinc, du cadmium, du gallium, de l'indium, du scandium, de l'yttrium, du silicium, du germanium, de l'étain, du titane, du zirconium, du hafnium, de l'azote, du phosphore, de l'arsenic, de l'antimoine, du bismuth.
du vanadium, du niobium, du tantale, du chrome, du molybdène, du tungstène, du manganèse, du fer, du nickel, du cobalt, du rhodium et du palladium, dont les rayons ioniques sont compris entre 0.3 et 1,2 , sont diffusés à la surface de la masse d'alumine, la résistance mécanique de l'alumine est fortement augmentée et la résistance à l'usure de l'alumine (valeur moyenne) est bien supérieure à celle de l'alumine brute classique (valeur moyenne).
On trouve également, en se référant à la fig.2, que, parmi les atomes étrangers ayant des rayons ioniques de 0,2 et 1,5 , les éléments trivalents, tels que le gallium, I'indium, le scandium.
I'yttrium, le lanthane, le titane, le vanadium. le chrome, le manga nèse, le fer et le cobalt, sont particulièrement aptes à augmenter fortement la résistance de l'alumine.
Les atomes étrangers mentionnés ci-dessus ne sont pas nécessairement composés d'éléments individuels. Un alliage, un composé ou un mélange des atomes étrangers est également utilisable pour renforcer l'alumine. On a trouvé que, lorsque deux genres d'atomes étrangers sont diffusés dans l'alumine afin d'augmenter sa résistance mécanique, I'un des deux genres d'atomes étrangers est de préférence choisi dans le groupe de ceux dont les rayons ioniques sont de 0,5 , ce qui correspond au rayon de l'ion aluminium trivalent, jusqu'à 1,2 , tel que le cuivre, l'argent, le magnésium, le calcium, le fer, le cobalt, le nickel et le rhodium,
et l'autre genre d'atomes étrangers est de préférence choisi parmi le groupe de ceux dont les rayons ioniques sont compris entre 0.3 À et 0,57 À, tel que le béryllium. le silicium, le germanium, I'azote.
le phosphore et le palladium.
On a également trouvé qu'il existe des quantités préférables d'atomes étrangers diffusés dans la couche de surface pour renforcer fortement la masse d'alumine. Les quantités préférables d'atomes étrangers sont comprises entre 0,1 et 10% en mole et, plus particulièrement, elles sont de plusieurs pour-cent en mole.
Des styles de phonographe dans des dispositifs d'enregistrement et de reproduction, constitués d'alumine renforcée, présentent une longue durée d'utilisation et une fiabilité accrue.
En se référant à la fig. 3, un style 30 pour un dispositif de reproduction comprend une masse d'alumine polie 31 formée d'oxydes d'aluminium ayant des atomes étrangers diffusés au moins sur la couche superficielle 32 de la masse 31. Il apparaît, d'après la fig. 4, que le style de phonographe pour un dispositif de reproduction, constitué par une alumine renforcée, a une durée d'utilisation fiable plus longue que la durée d'utilisation d'un style constitué par une alumine brute classique. La fig. 4 représente le cas où l'on utilise du saphir en tant qu'alumine. Les courbes 41 et 42 de la fig. 4 représentent le présent saphir renforcé et le saphir brut classique, respectivement.
On voit également, d'après la fig. 4, que la durée d'utilisation fiable du saphir renforcé se concentre statistiquement dans un long intervalle de temps, alors que celle du saphir brut classique se répartit statistiquement entre des temps brefs et des temps longs.
La fig. 5 représente des formes préférables de coupes transversales horizontales d'un style pour un dispositif de reproduction du phonographe, constitué par l'alumine renforcée, comprenant une masse de saphir 51 formée d'oxydes d'aluminium ayant des atomes étrangers diffusés au moins sur une couche de surface 52 de la masse. Elles ont des configurations de cercles 53, d'ellipsoïde 54, d'ellipsoïde modifié 55, une forme plate 56, de losange 57 et de losange modifié 58. Les configurations de losange et de losange modifié sont très préférables du fait de leur longue durée d'utilisation fiable.
La fig. 6 représente une autre coupe transversale d'un style de phonographe pour un dispositif d'enregistrement 60 constitué par une alumine renforcée. Le style 60 comprend une masse de saphir 61 formée d'oxydes d'aluminium ayant des atomes étrangers diffusés dans une couche en surface 62 de la masse de saphir.
Ce style présente une très longue durée d'utilisation.
Les styles en saphir décrits précédemment sont très utiles dans des systèmes de reproduction de son. de haute qualité, tels que le système stéréo à quatre pistes. Les saphirs renforcés conviennent également à la fabrication de styles en saphir pour un dispositif à disque vidéo.
La présente alumine renforcée peut être efficacement utilisée également pour des éléments de machines. Les fig. 7-13 présentent des exemples d'éléments de machines utilisant efficacement l'alumine renforcée.
En se référant aux fig. 7-13, les références 70, 80, 90, 100, 110, 120 et 130 désignent respectivement un support de pivot pour un appareil de précision (par exemple une montre bracelet), un axe pour une machine de précision, un pivot pour une machine de précision, un couteau pour une balance de précision, un support de couteau pour une balance de précision, une pointe de plume pour un enregistreur à plume et un guide-fil pour une machine de texturation. Les références 71, 81, 91, 101, 111, 121 et 131 représentent des masses d'alumine formées d'oxydes d'aluminium, et les références 72, 82, 92, 102, 112, 122 et 132 représentent des couches en surface des masses d'alumine dans lesquelles des atomes étrangers sont diffusés.
Les éléments de machines représentés sur les fig. 7-13 ont des durées d'utilisation fiable plus longues que celles des éléments classiques correspondants, constitués d'alumine brute.
Il y a divers procédés pour faire diffuser des atomes étrangers dans une masse d'alumine, comme cela est bien connu par exemple dans le domaine de la fabrication de matières semiconductrices. Parmi ces procédés, un exemple typique consiste à déposer des éléments étrangers, tels que du titane, à la surface de la masse d'alumine et, ultérieurement, à cuire cette masse d'alumine à une température élevée afin de faire diffuser les éléments étrangers au moins sur la couche superficielle de la masse d'alumine.
Les atomes étrangers ne sont pas limités à des atomes étrangers individuels. II est également possible de déposer des atomes étrangers sous la forme, par exemple, de composés, d'alliages, et d'un mélange de ces produits, tels que des oxydes, des nitrures, des carbures, des siliciures, des borures, des alliages binaires, des alliages ternaires et un mélange de ces produits.
Par exemple, on peut utiliser un oxyde de titane (TiO, Tri203, TiO2), de l'oxyde de chrome (CrO), de l'oxyde de zirconium (ZrO2), de l'oxyde de gallium (Ga203), du nitrure de titane (TiN), du nitrure de chrome (CrN2), du nitrure de zirconium (ZrN), du nitrure de gallium (GaN), du carbure de titane (TiC), du carbure de chrome (Cr3C), du carbone de molybdène (MoC, Mo2C), du carbure de zirconium (ZrC), du carbure de gallium (GaC). du siliciure de titane (TiSi, Ti3Sis), du siliciure de chrome (Cr2Si3), du siliciure de zirconium (Zr3Si4), du siliciure de gallium (GaSi), du borure de titane (TiB, TiB2), du borure de chrome (CrB, CrB2), du borure de zirconium (ZrB, ZrB2), du borure de gallium (GaB), un alliage titane-or,
un alliage zirconium-titane, un alliage gallium-titane, un alliage aluminium-titane, un alliage cuivre-titane, un alliage fertitane, un alliage zinc-titane, un alliage zirconium-titane-chrome, un alliage gallium-titane-chrome, un alliage zirconium-titanehafnium, un alliage titane-aluminium-cuivre. un alliage titanealuminium-fer, un alliage titane-aluminium-zinc, un alliage titanecuivre-fer, un alliage titane-cuivre-zinc et un alliage titane-ferzinc.
Comme le montre la fig. 14, il existe un intervalle préférable de températures pour le processus de cuisson. La température préférable est comprise dans l'intervalle de 800 à 1600-C, puisque la résistance à l'usure de l'alumine ainsi traitée est très élevée dans cet intervalle de températures. Sur la fig. 14, la courbe 140 et la ligne 141 représentent l'alumine renforcée et l'alumine classique brute, respectivement.
Un gaz inerte tel que l'argon, le néon, l'hélium, le xénon et un mélange de ces gaz, un gaz oxydant, tel que l'air, un gaz de nitruration tel que l'azote et l'ammoniac, un gaz de carbonisation tel que l'oxyde de carbone et le bioxyde de carbone, un gaz organique tel que le méthane, l'éthane. le propane, le butane et un mélange de ces gaz, un mélange de ces divers gaz et le vide constituent des atmosphères ou milieux préférables pour le processus de cuisson.
On a également trouvé que l'épaisseur préférable de la couche d'atomes étrangers à soumettre à l'étape de cuisson est comprise entre 0,005 et 2 ,u.
On a également trouvé qu'il existe une période de cuisson préférable dans le processus de cuisson. En se référant à la fig. 15, le temps préférable est compris entre 0,1 et 7 h, et de préférence entre 1 à 3 h. Sur la fig. 15, la courbe 150 représente une alumine renforcée et la ligne 151 représente une alumine brute classique.
On peut utiliser l'implantation d'ions ou tout autre procédé connu et convenable pour faire diffuser des atomes dans des matières semi-conductrices, pour la diffusion dans le présent procédé. Par exemple, la diffusion peut être réalisée en déposant des atomes étrangers, tels que du titane, à la surface de la masse d'alumine, la température étant maintenue à une valeur convenable.
La raison pour laquelle l'alumine traitée selon le présent procédé présente une résistance mécanique augmentée n'est pas très claire. On peut supposer que les atomes étrangers diffusés à travers les microcraquelures en surface ou les dislocations à la surface de l'alumine réduisent une déformation cassante et augmentent ainsi la résistance mécanique, puisque l'alumine contient ordinairement des microcraquelures et des dislocations à sa surface et que la déformation se produit à l'emplacement de ces microcraquelures ou de ces dislocations.
L'exemple suivant illustre ce qui précède.
Eremple:
On a choisi, en tant qu'alumine, des plaques de saphir. Ainsi, les plaques de saphir classique ont été traitées comme suit.
Une couche d'oxyde de titane (TiO), d'une épaisseur d'environ 0,1 um, a été formée à la surface de chacune des plaques de saphir de 0,5 mm par un dépôt sous vide, sous une pression de gaz résiduel de moins de I x 10-4 torr, et, successivement, les plaques de saphir ainsi traitées ont été cuites à 1300 C pendant 2 h dans l'air et ont été alors trempées. Chacune des plaques de saphir ainsi traitées comprenait une masse de saphir formée d'oxydes d'aluminium ayant des atomes d'aluminium diffusés à la surface. La microdureté et la résistance à l'usure des plaques de saphir renforcé étaient supérieures à celles des plaques de saphir brut classique, comme le montre le tableau.
Saphir brut Saphir
classique renforcé
Surface cristalline ...... (1010) (1010)
Dureté Vickers (kg/mm2) 1900 3000-4000
Rapport du temps exigé
afin d'obtenir un volume
d'usure donné ........... 1 2-4
Epaisseur de la surface
renforcee (pm) . . . . . . . . . . . . . 1-3
REVENDICATION I
Alumine renforcée, caractérisée en ce qu'elle comprend une masse d'alumine constituée d'oxydes d'aluminium ayant des atomes étrangers diffusés au moins à la surface.
SOUS-REVENDICATIONS
1. Alumine renforcée selon la revendication I, caractérisée en ce que les rayons ioniques des atomes étrangers sont compris entre 0,2 et 1,5 A.
2. Alumine renforcée selon la revendication I, caractérisée en ce que les rayons ioniques des atomes étrangers sont compris entre 0,3 et 1,2 .
3. Alumine renforcée selon la revendication I, caractérisée en ce que les atomes étrangers sont des éléments trivalents.
4. Alumine renforcée selon la revendication I, caractérisée en ce que les atomes étrangers comprennent au moins deux genres d'atomes étrangers.
5. Alumine renforcée selon la revendication I, caractérisée en ce que les atomes étrangers comprennent au moins un membre choisi dans le groupe se composant de béryllium, de bore, d'indium, de silicium, d'étain, de plomb, de titane, de bismuth, de tantale et de chrome, de leurs composés, de leurs alliages et de leurs mélanges.
6. Alumine renforcée selon la sous-revendication 5, caractérisée en ce que les atomes étrangers comprennent un membre choisi dans le groupe se composant de titane, de composés de titane, d'alliages de titane et de leurs mélanges.
7. Alumine renforcée selon la sous-revendication 4, caractérisée en ce qu'un des deux genres d'atomes étrangers a des rayons ioniques allant de 0,57 à 1,2 A et l'autre des deux genres d'atomes étrangers a des rayons ioniques allant de 0,3 à 0,57 .
REVENDICATION Il
Procédé de fabrication d'alumine renforcée selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il consiste à faire diffuser des atomes étrangers au moins à la surface de la masse d'alumine.
SOUS-REVENDICATIONS
8. Procédé selon la revendication Il, caractérisé en ce qu'on fait diffuser des atomes étrangers au moyen de cuisson à une température comprise entre 800 et 1600 C.
9. Procédé selon la revendication Il, caractérisé en ce qu'on fait diffuser des atomes étrangers au moyen de cuisson dans une atmosphère choisie dans le groupe se composant d'une atmosphère inerte, d'une atmosphère oxydante, d'une atmosphère de nitruration, d'une atmosphère de carbonisation, ou dans le vide.
10. Procédé selon la revendication Il, caractérisé en ce que les atomes étrangers comprennent au moins un membre choisi dans le groupe se composant de béryllium, de bore, d'indium, de silicium, d'étain, de plomb, de titane, de bismuth, de tantale, et de chrome, de leurs composés, de leurs alliages et de leurs mélanges.
11. Procédé selon la revendication Il, caractérisé en ce que les atomes étrangers comprennent au moins un membre choisi dans le groupe se composant de titane, de composés de titane, d'alliages de titane et de leurs mélanges.
12. Procédé selon la sous-revendication 8, caractérisé en ce que le temps de cuisson est de 0,1 à 7 h.
13. Procédé selon la sous-revendication 8, caractérisé en ce que le temps de cuisson va de 1 à 3 h.
REVENDICATION III
Utilisation de l'alumine renforcée selon la revendication I comme matériau pour pièce mécanique.
SOUS-REVENDICATIONS
14. Utilisation selon la revendication III, caractérisée en ce que la pièce mécanique est un style pour un dispositif d'enregistrement et de reproduction.
15. Utilisation selon la revendication III, caractérisée en ce que la pièce mécanique est un support de pivot pour une machine de précision.
16. Utilisation selon la revendication 111, caractérisée en ce que la pièce mécanique est un axe pour une machine de précision.
17. Utilisation selon la revendication III, caractérisée en ce que la pièce mécanique est un pivot pour une machine de précision.
18. Utilisation selon la revendication III, caractérisée en ce que la pièce mécanique est un couteau pour une balance de précision.
19. Utilisation selon la revendication 111, caractérisée en ce que la pièce mécanique est un support de couteau pour une balance de précision.
20. Utilisation selon la revendication 111, caractérisée en ce que la pièce mécanique est une pointe de plume pour un enregistreur à plume.
21. Utilisation selon la revendication 111, caractérisée en ce que la pièce mécanique est un guide-fil pour une machine de texturation.
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