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Procédé et dispositif pour l'introduction d'éléments de renforcement dans un bain de métal fondu.
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour l'introduction d'éléments de renforcement dans un métal fondu, utilisables notamment dans le cadre de la fabrication d'un matériau composite à matrice métallique par voie liquide.
La description qui va suivre fera plus particulièrement référence à cette utilisation, mais il va de soi que le procédé et le dispositif de la présente invention peuvent également être utilisés dans d'autres procédés de fabrication.
Au sens de la présente demande, un matériau composite, ou plus simplement un composite, à matrice métallique est un matériau constitué essentiellement d'un métal dans lequel sont dispersés des éléments de renforcement tels que des fibres courtes ou des particules. A titre d'exemple, on peut citer un composite ayant une matrice en aluminium dans laquelle sont dispersées des fibres courtes ou des particules de carbures de silicium SiC.
Par fibres courtes, on entend ici des éléments filiformes ayant une longueur inférieure à 5 mm et un diamètre inférieur à 50 m ; de préférence, leur longueur est comprise entre 1 et 3 mm et leur diamètre est compris entre 10 et 25 Mm.
On connaît les avantages économiques liés à l'utilisation de matériaux composites, en particulier la diminution de poids des pièces individuelles et des assemblages mécaniques et la réduction de volume qui en résulte fréquemment, pour une même résistance mécanique.
Les avantages techniques des composites sont également bien connus.
Non seulement ces matériaux présentent des propriétés mécaniques
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spécifiques élevées et stables, ainsi qu'une bonne tenue à la fatigue et au fluage, mais encore certaines de leurs propriétés physiques peuvent être contrôlées en fonction de l'application à laquelle ils sont destinés. A cet égard, on peut notamment citer les propriétés thermiques, telles que la dilatation et la conductibilité thermiques, la tolérance à l'endommagement, notamment par choc, et la résistance à la corrosion. De telles propriétés peuvent être adaptées aux besoins en modifiant la proportion d'éléments de renforcement incorporés dans la matrice métallique.
On sait en outre que les matériaux composites du type envisagé ici se distinguent des matériaux conventionnels par leur hétérogénéité et leur anisotropie. Il est également possible d'agir sur ces caractéristiques pour influencer diverses propriétés secondaires telles que le coefficient de dilatation thermique dans une ou plusieurs directions, qui peut être important dans le cas de dispositifs fonctionnant à température élevée, ou encore la conductibilité thermique anisotrope, qui peut conditionner l'évacuation rapide d'une quantité de chaleur excédentaire.
Comme on le comprend aisément par les considérations qui précèdent, les propriétés d'un matériau composite et dès lors son aptitude à une mise en oeuvre optimale dépendent non seulement de la nature de la matrice et des éléments de renforcement mais aussi, dans une large mesure, du procédé de fabrication.
Il existe à cet égard plusieurs procédés de fabrication, dont le principe est bien connu. Parmi ceux-ci, un procédé par voie liquide consiste à préparer un bain fondu du métal de la matrice, à introduire dans ce bain les éléments de renforcement désirés puis à couler le bain dans un moule où il se solidifie à la forme désirée.
La mise en oeuvre de cette technique rencontre cependant de sérieux problèmes qui ne sont pas encore résolus de manière satisfaisante à l'heure actuelle. Il est très difficile d'assurer une bonne dispersion des éléments de renforcement dans le métal de la matrice à l'état fondu, en raison d'une forte tendance à l'amalgamation et à
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la floculation de ces éléments de renforcement. En outre, les éléments de renforcement, en particulier les fibres courtes, ne présentent pas toujours, à l'égard du métal de la matrice à l'état fondu, une mouillabilité suffisante pour assurer une liaison correcte entre la matrice métallique et les éléments de renforcement.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé pour l'introduction d'éléments de renforcement dans un métal fondu, qui permet d'éviter les inconvénients précités et qui conduit à un matériau présentant une répartition homogène de ces éléments de renforcement et d'excellentes propriétés mécaniques. L'invention porte également sur un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé, ainsi que sur un matériau composite à matrice métallique fabriqué par ce procédé.
Conformément à un premier aspect de la présente invention, un procédé pour l'introduction d'éléments de renforcement dans un bain de métal fondu est caractérisé en ce que l'on porte ledit bain de métal à une température comprise entre sa température de fusion (TL) et (TL + 1500C), en ce que l'on agite ledit bain de métal de façon à y créer un vortex, en ce que l'on sépare les uns des autres lesdits éléments de renforcement, et en ce que l'on introduit lesdits éléments de renforcement séparés dans ledit vortex.
On peut continuer à agiter ledit bain de métal jusqu'à ce que la totalité desdits éléments de renforcement aient été introduits dans le bain de métal, et même encore au-delà de cette introduction totale. Il peut quelquefois être intéressant de cesser cette agitation avant d'avoir introduit la totalité dedits éléments de renforcement ; pour garantir une homogénéité satisfaisante du composite, il convient cependant de ne pas cesser d'agiter ledit bain de métal avant qu'au moins 90 % desdits éléments de renforcement aient été introduits dans ce dernier.
Les éléments de renforcement peuvent être introduits dans ledit bain de métal à la température ambiante. Il s'est cependant avéré
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intéressant de les préchauffer à une température comprise entre 25 % et 75 % de la température de fusion TL dudit métal, exprimée en degrés centigrades. Ce préchauffage permet d'éviter, ou au moins de réduire, le choc thermique que peuvent subir les éléments de renforcement lors de leur introduction dans le bain de métal. Le préchauffage peut d'ailleurs être opéré sous une atmosphère protectrice, notamment d'azote ou d'argon, pour protéger les éléments de renforcement contre le risque d'oxydation.
Enfin, les éléments de renforcement sont avantageusement revêtus d'une matière améliorant leur mouillabilité par le métal du bain ; cette matière peut par exemple être un flux, du type utilisé pour le brasage des métaux.
Préalablement à ce préchauffage, les éléments de renforcement peuvent subir un traitement de préparation destiné à nettoyer lesdits éléments de renforcement, notamment en éliminant les substances étrangères éventuellement présentes à leur surface ; un tel traitement de préparation consiste avantageusement en un maintien à une température comprise entre 500. C et 900*C pendant une durée de 30 à 90 minutes. La durée et la température de ce traitement dépendent bien entendu de la nature des éléments de renforcement. Par exemple, pour des fibres de carbure de silicium (SiC), le traitement consiste généralement en un maintien à 600*C pendant environ 1 h.
De façon connue en soi, la création d'un vortex dans le bain de métal est assurée par la mise en rotation de ce bain de métal au moyen d'un dispositif approprié, par exemple un mélangeur à pales.
Dans le cadre de l'invention, la vitesse de rotation du bain de métal doit être comprise entre des limites qui dépendent de la nature du métal, et en particulier de sa viscosité à l'état fondu.
Cette vitesse de rotation doit être suffisamment élevée pour assurer effectivement la création et le maintien d'un vortex ; elle doit en outre être suffisante pour créer l'aspiration nécessaire à l'introduction des éléments de renforcement dans le bain de métal, mais sans risque d'incorporation d'air ou de gaz dans le métal par succion à partir de l'atmosphère environnante. La valeur de ces limites de vitesse dépend également des dimensions, et notamment du diamètre, du récipient qui contient le bain de métal. En prati-
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que, ces limites peuvent être déterminées aisément dans chaque cas d'application particulier.
Par exemple, pour un bain d'aluminium ou d'alliage d'aluminium en fusion contenu dans un creuset de 300 mm de diamètre, la vitesse de rotation du mélangeur est avantageusement comprise entre 1000 t/min et 2500 t/min.
La séparation des éléments de renforcement, en particulier des fibres, peut en principe être réalisée par tout moyen connu en soi, par exemple par tamisage. On constate cependant que les moyens connus ne permettent pas de réaliser une séparation satisfaisante, car les éléments de renforcement ont une forte tendance naturelle à floculer. Cette tendance est encore plus marquée lorsque les éléments de renforcement ont subi un traitement de préparation du type qui a été décrit plus haut. En effet, les éléments de renforcement ainsi traités sont alors électrostatiques et ils forment des flocules que même une agitation mécanique importante du bain de métal ne parvient pas à disperser.
Selon une particularité du procédé de l'invention, on sépare lesdits éléments de renforcement par voie mécanique, avant de les introduire dans le bain de métal fondu, de préférence en utilisant un dispositif défibreur qui sera décrit plus loin.
Suivant une mise en oeuvre particulière, les éléments de renforcement séparés sont aspirés dans un courant de gaz protecteur, tel que l'argon, et soufflés à la surface du bain de métal fondu.
Un deuxième aspect de la présente invention concerne un dispositif pour l'introduction d'éléments de renforcement dans un bain de métal.
Le dispositif de l'invention doit permettre d'une part d'opérer l'agitation désirée du bain de métal et d'autre part d'effectuer la séparation requise des éléments de renforcement.
A cet effet, un dispositif pour l'introduction d'éléments de renforcement dans un bain de métal fondu contenu dans un récipient est
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caractérisé en ce qu'il comporte, en combinaison : a) des moyens de chauffage dudit bain de métal, capables de main- tenir ledit bain de métal à une température comprise entre sa température de fusion (TL) et (TL + 150*C) ; b) un agitateur mobile entre une position de travail immergée dans ledit bain de métal et une position de retrait en dehors dudit bain, ledit agitateur étant capable de créer un vortex dans celui-ci ; c) des moyens de préchauffage desdits éléments de renforcement ; et d) un défibreur, destiné à assurer la séparation mécanique desdits éléments de renforcement avant leur introduction dans ledit bain de métal.
Les moyens de chauffage dudit bain de métal peuvent être de tout type connu, mais ils comportent avantageusement au moins un inducteur équipant ledit récipient. De préférence, il est également prévu des moyens de réglage de la puissance du chauffage, et en particulier du chauffage par induction, afin de pouvoir modifier selon les besoins la température dudit bain de métal.
Dans une mise en oeuvre particulière, ledit agitateur est constitué par un mélangeur rotatif à plusieurs pales, à axe vertical ; au repos, l'agitateur est avantageusement disposé au-dessus du récipient contenant ledit bain de métal.
Le diamètre de la circonférence formée par l'extrémité des pales pendant la rotation du mélangeur est égal au moins aux deux tiers du diamètre du récipient, celui-ci ayant de préférence une section circulaire pour favoriser la formation d'un vortex.
Ledit mélangeur rotatif comporte au moins trois pales, disposées perpendiculairement audit axe vertical. Leur face antérieure, considérée par rapport au sens de rotation dudit mélangeur, présente une inclinaison comprise entre 300 et 600, et de préférence d'envi- ron 450, par rapport à un plan horizontal, ladite face étant orientée de bas en haut et d'avant en arrière.
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En plus d'une bonne résistance aux sollicitations mécaniques de traction et de flexion, les pales doivent présenter une résistance suffisante à l'érosion par le bain de métal ainsi qu'au choc thermique. Enfin, elles doivent résister à la corrosion par le bain de métal.
A cet effet, les pales peuvent être constituées d'un noyau en un métal résistant, tel que l'acier et de préférence l'acier inoxydable, et d'un enrobage en un matériau de protection tel qu'un ou plusieurs oxydes réfractaires, par exemple Cr203, TiO, AIOg, de préférence déposé par projection au plasma.
Une autre solution intéressante consiste à réaliser lesdites pales entièrement en un matériau réfractaire tel que l'alumine coulée et frittée.
Selon une caractéristique particulière du dispositif de l'invention, le défibreur comporte au moins une paire de rouleaux parallèles, de préférence horizontaux, garnis de cardes qui s'interpénètrent lors de la rotation des rouleaux autour de leur axe. Ces rouleaux sont de préférence disposés dans une enceinte, dans laquelle il est prévu un orifice supérieur d'introduction des éléments de renforcement floculés, situé au-dessus de la zone d'action des cardes. Cette enceinte présente également un orifice de sortie, dirigé vers le bain de métal, ainsi que des moyens d'injection d'un gaz protecteur.
Dans une réalisation particulière, cette enceinte peut avoir la forme d'une coiffe pouvant s'adapter hermétiquement sur le récipient contenant ledit bain de métal. Elle est alors pourvue de moyens de fermeture dudit orifice supérieur, ainsi que de moyens permettant de créer une surpression ou une dépression dans le volume situé au-dessus dudit bain de métal.
D'autres particularités intéressantes de la présente invention sont fournies par la description détaillée qui va suivre. Cette description est consacrée à une mise en oeuvre préférée du procédé de
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l'invention, au moyen d'un dispositif, également conforme à l'invention, qui est illustré dans les dessins annexés, dans lesquels la Fig. 1 est une vue du dispositif montrant le récipient avec le bain de métal et l'agitateur avec son système de manoeuvre ; et la Fig. 2 est une autre vue du dispositif montrant le même récipient avec le bain de métal ainsi que le défibreur.
Ces deux dessins ne constituent que des représentations schématiques de diverses parties du dispositif de l'invention, dans lesquelles on s'est volontairement limité aux éléments nécessaires à la compréhension de l'invention. De plus, des éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes repères numériques dans les deux figures.
Dans la Fig. 1 est représenté un récipient 1, constituant par exemple le creuset d'un four à induction, qui contient un bain d'aluminium 2 maintenu à une température de 700*C. Un agitateur rotatif 3, entraîné par un moteur 4, est plongé dans le bain d'aluminium 2 où, par rotation autour de son axe vertical 5, il crée un vortex 6. L'ensemble agitateur-moteur est porté par un bras 7 lui-même relié à la tige d'un vérin hydraulique 8. En période de repos, l'ensemble agitateur-moteur peut être relevé par le vérin
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hydraulique 8, jusqu'à une position 3'-4'représentée en trait mixte, dans laquelle l'agitateur 3'se trouve hors du bain d'alu- minium 2.
L'agitateur 3 comporte ici quatre pales 9 angulairement espacées de 90., dont seulement deux sont représentées dans la Figure 1 ; dans la réalisation représentée, les pales 9 sont inclinées d'environ 45. par rapport à un plan horizontal ; les extrémités distales des pales 9 sont très proches de la surface intérieure du récipient 1.
La Figure 2 illustre un autre composant important du dispositif de l'invention, à savoir le défibreur. Comme dans la Figure 1, le récipient 1 contient un bain d'aluminium fondu 2, dans lequel est plongé un agitateur rotatif 3 ; la rotation de ce dernier crée un vortex 6, dans le bain d'aluminium 2. Au-dessus du récipient 1 sont
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disposés deux rouleaux 10, 11 parallèles, à axe horizontal, dont la surface latérale est garnie de cardes 12,13 qui interfèrent l'une avec l'autre. Ces rouleaux 10,11 sont entourés d'une enceinte 14 pourvue d'un orifice supérieur 15 et se prolongeant vers le bas, par un conduit 16 dirigé vers le bain d'aluminium 2. A proximité de la naissance de ce conduit 16 est prévu un tube 17 d'injection d'un gaz protecteur.
Le déroulement du procédé de l'invention sera maintenant exposé en faisant référence aux Figures 1 et 2.
Un alliage d'aluminium ayant une température de fusion TL de l'ordre de 660. C a été fondu par induction dans le creuset 1. Les pales de l'agitateur 3, en acier inoxydable revêtu d'oxyde de chrome (Cr203), ont été descendues au-dessus du bain 2 pour les chauffer progressivement et réduire l'importance du choc thermique lors de leur introduction dans le bain d'alliage d'aluminium. Lorsque l'alliage a été fondu, on l'a maintenu à une température de 700. C, et on y a plongé l'agitateur 3, jusqu'à proximité du fond du creuset 1. On a alors fait tourner l'agitateur à environ 1800 t/min pour créer le vortex 6.
On a ensuite introduit des fibres courtes de carbure de silicium (SiC) par l'orifice 15 de l'enceinte 14, pour alimenter le défibreur (10,12 ; 11, 13). Les fibres séparées dans le défibreur tombent individuellement dans le bain liquide 2 grâce au courant d'argon injecté par le tube 17 et elles sont aspirées par le vortex 6.
Elles peuvent subir un certain préchauffage soit uniquement au cours de leur chute vers le bain d'alliage, soit déjà avant le défibrage, par exemple dans un panier (non représenté) qui peut être disposé au-dessus du bain d'alliage 2. Les fibres séparées se mélangent individuellement à l'alliage liquide et, dès que toutes les fibres ont été introduites, l'agitation est arrêtée. Le temps d'introduction des fibres dépend de la fraction volumique à introduire ; à titre d'exemple, l'introduction de 10 % en volume de fibres courtes de SiC dans un bain de 1,5 kg d'aluminium dure environ 45 minutes.
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Avant d'être introduites dans le défibreur, les fibres ont subi un traitement de préparation consistant en un maintien à 600 C pendant 1 h suivi du dépôt d'un film de flux de brasage.
On retire rapidement l'agitateur 3 et on coule l'alliage liquide, avec les fibres en suspension, dans un moule chauffé à environ 50toc, qui est par exemple en cuivre. Le moule est alors refroidi afin de solidifier rapidement l'alliage en évitant toute sédimentation des fibres. En variante, on peut encore appliquer une pression sur l'alliage liquide pendant sa solidification, afin d'éviter l'apparition d'une porosité importante.
L'invention permet de fabriquer des matériaux composites dans lesquels les éléments de renforcement sont bien séparés les uns des autres et présentent une bonne répartition dans la matrice métallique.
Bien que l'invention ait été décrite et illustrée en se référant particulièrement à des alliages d'aluminium et à des fibres de carbure de silicium, il va de soi qu'elle englobe également les diverses variantes qu'un homme de métier peut envisager dans le cadre des revendications qui suivent.