DOMAINE DE L'INVENTION

L'invention concerne les matériaux composites comprenant des métaux précieux, leur procédé de fabrication et leurs utilisations.

ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION

Le document US-7 608 127 décrit des matériaux composites constitués d'une matrice métallique de métal précieux ou d'alliage de métal précieux, renforcée par un matériau de remplissage en carbure de tungstène ou carbure de molybdène. Lors de sa fabrication, ce matériau composite est obtenu par infiltration du métal liquide, sans pression, dans une préforme de carbure de tungstène ou carbure de molybdène. Le matériau composite décrit dans ce document peut présenter une teneur en métal allant de 56 à 75 % en poids, et une dureté supérieure à 171 HV, éventuellement dépassant les 500 HV.

OBJET ET RESUME DE L'INVENTION

La présente invention a notamment pour but de proposer un nouveau matériau composite présentant des caractéristiques au moins aussi avantageuses, voire meilleures, que l'art antérieur décrit ci-dessus.

A cet effet, l'invention propose un matériau composite combinant :

- un métal précieux ou un alliage contenant un métal précieux (l'alliage en question peut par exemple être un alliage de métaux précieux entre eux et/ou avec d'autres métaux tels que l'aluminium, le cuivre et le titane),

et une céramique à base de bore ayant un point de fusion supérieur à celui dudit métal précieux et une densité au plus égale à 4 g/cm ³ . On obtient ainsi un matériau composite de faible masse volumique grâce au choix de la céramique à base de bore, et de grande dureté. Malgré la très faible mouillabilité des céramiques à base de bore, le matériau composite peut être réalisé notamment par infiltration de métal liquide sous pression.

Dans divers modes de réalisation du matériau composite selon l'invention, on peut avantageusement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :

- le matériau composite présente une teneur en métal précieux supérieure à 75 % en poids par rapport au poids total dudit matériau ;

ledit métal précieux est choisi parmi : l'or, le platine, le palladium et l'argent ;

ledit métal précieux est l'or ;

la céramique est combinée à un alliage d'or et d'aluminium, le matériau composite présentant une teneur en aluminium au plus égale à 20 % en poids par rapport au poids total du matériau composite, de préférence au plus égale à 5 % en poids par rapport au poids total du matériau composite ;

le métal précieux est allié à du titane, la teneur en titane étant comprise entre 0,5% et 2% en poids par rapport au poids total du matériau composite, avantageusement environ 1% en poids par rapport au poids total du matériau composite, ce qui facilite l'infiltration du métal précieux ou de l'alliage dans la céramique ;

- ladite céramique est choisie parmi : un carbure de bore, un nitrure de bore, un oxyde de bore et un hétérodiamant BCN;

ladite céramique est choisie parmi les carbures de bore ayant comme formule approximative B ₄ C, B ₁₃ C2 et B12C3 ;

ladite céramique est un nitrure de bore de formule BN, choisi parmi : le nitrure de bore cubique, le nitrure de bore de structure cristalline type wurtzite, le nitrure de bore hexagonal ;

ladite céramique est l'oxyde de bore B ₆ 0 ;

ladite céramique est du BC ₂ cubique ; ladite céramique est conductrice de l'électricité, ce qui permet d'usiner le matériau composite par électroérosion ;

- le matériau présente une dureté supérieure à 320 HV, de préférence supérieure à 400 HV ;

- la céramique représente une fraction volumique comprise entre 55 et 80 % dudit matériau ;

- la céramique est sous forme de particules discrètes ayant un diamètre équivalent compris entre 0,1 pm et 1 mm, de préférence compris entre 1 pm et 100 pm ;

la céramique forme une phase continue, interconnectée ;

- le matériau composite présente une masse volumique comprise entre généralement comprise entre 7 et 14 g/cm ³ .

Par ailleurs, l'invention a également pour objet un procédé pour fabriquer un matériau composite tel que défini ci-dessus, ledit procédé comportant une étape d'infiltration dans laquelle le métal précieux ou l'alliage est infiltré sous une pression de 10 à 200 bar, préfèrentiellement de 75 à 150 bar, dans une préforme poreuse constituée de ladite céramique.

Comme indiqué ci-dessus, l'infiltration sous pression permet d'infiltrer le métal dans la céramique à baes de bore, malgré la très faible mouillabilité de ce type de céramique. De plus, on obtient ainsi un matériau composite sensiblement sans porosité.

Dans divers modes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :

- lors de l'étape d'infiltration, un alliage d'or et d'aluminium sous forme liquide est infiltré sous pression dans une préforme poreuse de carbure de bore ;

le procédé comprend en outre, avant l'étape d'infiltration, une étape de frittage au cours de laquelle la préforme de céramique est au moins partiellement frittée .

Enfin, l'invention a également pour objet une utilisation d'un matériau composite tel que défini ci- dessus en horlogerie ou joaillerie.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ces formes de réalisation, donnée en regard des dessins joint, sur lesquels :

- la figure 1 est une illustration schématique d'un exemple de procédé de fabrication d'un matériau composite selon une forme de réalisation de l'invention, et la figure 2 est une photographie d'une coupe cristallographique montrant un matériau composite selon une forme de réalisation de l'invention.

DESCRIPTION PLUS DETAILLEE

Comme expliqué ci-dessus, l'invention a pour concerne un matériau composite combinant :

un métal précieux (notamment : l'or, le platine, le palladium ou l'argent) ou un alliage contenant un métal précieux,

et une céramique à base de bore ayant un point de fusion supérieur à celui dudit métal précieux et une densité au plus égale à 4 g/cm ³ (avantageusement inférieure à 3,5 g/cm ³ ) .

Concernant les alliages susmentionnés, il peut s'agir notamment :

- d'un alliage d'or et d'aluminium, le matériau composite présentant une teneur en aluminium au plus égale à 20 % en poids par rapport au poids total du matériau composite, de préférence au plus égale à 5 % en poids par rapport au poids total du matériau composite ;

- d'alliages comprenant au moins un métal précieux et au moins du titane, pour faciliter l'infiltration du métal dans la céramique (la teneur en titane étant comprise entre 0,5% et 2% en poids par rapport au poids total du matériau composite, avantageusement environ 1% en poids par rapport au poids total du matériau composite) ,

d'alliages comprenant au moins un métal précieux et au moins du cuivre.

Le matériau composite peut présenter une teneur en métal précieux supérieure à 75 % en poids par rapport au poids total dudit matériau, par exemple de l'ordre de 80 %.

Les céramiques techniques dont il est question ici, sont des matériaux durs, réfractaires , légers et très stables chimiquement. Leur point de fusion est généralement au dessus de 2000 degrés Celsius. Les céramiques utilisables dans le cadre de la présente invention comprennent notamment :

les carbures de bore ayant comme formule approximative B ₄ C, B ₁₃ C2 et B ₁ 2C ₃ (point de fusion : 2450 °C, masse volumique 2,48 - 2,51 g/cm ³ ),

- les nitrures de bore BN (masse volumique : environ 3,5 g/cm ³ ), notamment le nitrure de bore cubique (point de fusion : 2970 °C) , le nitrure de bore de structure cristalline type wurtzite (point de fusion : 1700 °C) , le nitrure de bore hexagonal (point de fusion : environ 2500 °C) ,

certains oxydes de bore, notamment l'oxyde de bore B ₆ 0 (point de fusion : supérieure à 2000 °C) ,

- certains composés BCN, notamment du BC ₂ cubique

(point de fusion supérieur à 2000 °C) .

La céramique peut représenter une fraction volumique comprise entre 55 et 80 % du matériau. Elle peut être sous forme de particules discrètes ayant un diamètre équivalent compris entre 0,1 pm et 1 mm, de préférence compris entre 1 pm et 100 pm. Il peut être avantageux d'avoir des particules de tailles variées dans le même matériau, pour obtenir notamment un effet visuel pailleté.

Lorsque le procédé de préparation du composite selon l'invention comprend une étape de frittage, la céramique forme alors une phase continue, dans laquelle les grains de céramique sont interconnectés. La céramique choisie sera de préférence suffisamment conductrice de l'électricité, pour permettre un usinage par électroérosion. C'est le cas en particulier du carbure de bore de formule statistique B ₄ C. On peut ainsi aisément usiner le matériau composite malgré son extrême dureté.

On obtient ainsi un matériau à la fois léger (de faible masse volumique) et très dur donc quasiment inrayable, présentant une dureté supérieure à 320 HV, de préférence supérieure à 400 HV, voire bien au-delà. Cette dernière propriété est particulièrement intéressante notamment pour l'utilisation du matériau composite en horlogerie ou joaillerie.

On peut réaliser le matériau décrit ci-dessous notamment par le procédé illustré sur la figure 1, comprenant les étapes suivantes :

- fabrication d'une préforme de céramique poreuse notamment par frittage,

- infiltration sous pression du métal précieux ou de l'alliage dans la préforme de céramique.

Exemple

Une poudre commerciale de carbure de bore F1000

(taille de particules de 5 pm) , de formule statistique B ₄ C, a été compactée à froid à 200 MPa de pression isostatique (figure 1, étapes (a) à (c) ) puis frittée à 2100° C dans un four sous vide pendant 1 heure (figure 1, étape (d) ) .

La densité de la préforme frittée est de 1.766 g/cm ³ et la densité de la poudre est de 2.48 g/cm ³ . Ainsi, la préforme est dense à 71,19%, laissant 28.81% de porosité.

De l'or pur est ensuite infiltré dans la préformé frittée à une température de 1200 °C sous 150 bar de pression de gaz (argon) (figure 1, étape (e) ) .

Le matériau obtenu est un composite à matrice métallique ayant une densité de 7.48 g/cm ³ . La teneur en or pur du composite est supérieure à 76% massique et sa dureté est comprise entre 650 et 700 Vickers (30N de charge, 16 secondes) . La coupe cristallographique représentée à la figure 2 a été réalisée en microscopie optique, agrandissement X 50, sur un échantillon dudit composite poli par des particules de diamant jusqu'à 0,25 pm. Les zones claires correspondent au métal infiltré dans la céramique.