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"PROCEDE D'UNION OU DE REVETEMENT DES METAUX ET OBJETS
METALLIQUES COMPOSITES."
Cette invention concerne les corps métalliques composites et un procédé pour les fabriquer et a particu- lièrement trait aux corps composés de métal ferreux et de cuivre. Un corps métallique composite obtenu suivant l'in- vention peut être composé principalement de métal ferreux et muni d'une couche de cuivre sur toutes ou quelques-unes de ses surfaces.
L'invention vise particulièrement à munir un corps de métal ferreux d'une couche ou revêtement de cuivre
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qui est d'une nature imperméable, protège le métal ferreux, résiste à la corrosion et est fortement uni au corps, c'est- à-dire n'est pas sujet à s'écailler ou à se détacher du métal ferreux, le corps composite constituant essentiellement une masse d'une seule pièce. Quoique l'invention envisage particulièrement un corps métallique composite comprenant du métal ferreux et un revêtement de cuivre dont l'épaisseur peut être relativement faible, ce revêtement pourrait possé- der une épaisseur appréciable.
Les corps métalliques compo- sites peuvent être des feuill.es, bandes ou fils métalliques munis d'une couche de cuivre; ou des plaques, billettes, etc. munies d'un revétement de cuivre dont l'épaisseur est telle qu'il constitue plus qu'une couche. Les feuilles ou bandes, par exemple, peuvent être convenablement façonnées et trans- formées en objets finis et le?, plaques ou billettes peuvent être étirées ou emboutiesou autrement travaillées de la façon désirée. De même, des objets façonnés tels que des organesde machine, des arbres et divers articles de fabri- cation peuvent être revêtus de cuivre par le présent procédé.
Le métal ferreux employé peut être du fer ne con- tenant guère ou pas de carbone, différentes sortes d'acier à différentes teneurs en carbone ou des alliages d'acier parmi lesquels on citera l'acier au nickel, l'acier au manganèse, l'acier au vanadium et d'autres aciers. De même, on peut substituer au cuivre un alliage de cuivre tel que le laiton, le bronze, un alliage de cuivre et de nickel et d'autres alliages de cuivre. Toutefois, dans la description détaillée qui suit de l'invention, on a employé les termes "fer" et "cuivre" dans un but de simplicité,, étant bien entendu que ces termes comprennent non seulement le fer et le cuivre à l'état pur ou à peu près pur mais aussi l'acier et ses alliages et les alliages de cuivre.
Le procédé suivant l'invention consiste principa- lement à amener le fer et le cuivre en contact intime et,
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pendant qu'ils sont ainsi en contact, à les chauffer dans des conditions et pendant un temps propres à effectuer une diffusion désirée des métaux et à amener le cuivre à l'état désiré. L'opération de chauffage peut être gouvernée ou ré- gie, particulièrement en cequiconcerne la température et le temps, d'une manière propre à régler le degré auquel les métaux se diffusent l'un dans l'autre ainsi que les phénomènes de précipitation inhérents au refroidissement subséquent des métaux.
Une façon avantageuse d'amener lesmétaux en contact intime consiste à effectuer le dépôt électrolytique de cuivre sur un corps de fer. Le cuivre peut être sous forme d'un revêtement électrolytique relativement mince. Toutefois, le revêtement de cuivre électrolytique est poreux et suscepti- ble de s'écailler ou de se détacher du fer, de sorte qu'il ne constitue par une couche protectrice résistant efficace- ment à la corrosion, étant donné que la corrosion du fer peut commencer dans les trous fins résultant de la nature poreuse du cuivre. Des essais réels de projection de sel ont d'ailleurs démontré que tel est bien le cas. Toutefois, on soumet le corps de fer muni de sa couche électrolytique à une opération de chauffage, qu'on peut appeler "recuit", pour unir fortement les métaux et rendre la couche sensible- ment imperméable.
A cet effet, il est préférable de placer le corps dans un four et, pendant l'opération de chauffage, de maintenir ce corps dans des conditions propres à empêcher l'oxydation, par exemple en effectuant cette opération dans un milieu neutre ou réducteur. Divers gaz sont utilisables à cet effet, comme par exemple le gaz d'éclairage ordinaire, l'hydrogène et l'oxyde de carbonée
En ce qui concerne la façon dont il convient de régler l'opération de chauffage en vue de produire la diffusion désirée et de régler la précipitation subséquente,
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on considérera la transformation du fer de l'état alpha à l'état gamma et la température critique supérieure du métal ferreux. Dans le cas du fer sans aucune teneur en carbone, la transformation de l'état alpha en l'état gamma a lieu à 900 C.
Dans le cas des aciers au carbone, cette transfor- mation s'effectue entre les limites d'une échelle déterminée.
La température critique inférieure, c'est-à-dire la tempé- rature inférieure de l'échelle, est 7250 C; à mesure que la teneur en carbone augmente, la température critique supérieu- re, c'est-à-dire la température à laquelle la transformation est terminée, diminue à partir de 900 C jusqu'à ce que la teneur en carbone de l'acier ait atteint 0,9 % environ, valeur à laquelle la température critique supérieure et la température critique inférieure se rejoignent à 7250 C. A ce point, le fer alpha se transforme en fer gamma à une température constante.
Il est probable que, dans cette opération de chauffage, les métaux se diffusent l'un dans l'autre et constituent une solution solide, le fer et le cuivre étant ainsi unis d'une façon tenace. A cet égard, il y a lieu de considérer la solubilité du cuivre dans le fer. A la tempé- rature ambiante ordinaire, la solubilité possible du cuivre dans le fer est relativement faible et, selon les renseigne- ments dont on dispose actuellement, cette solubilité est inférieure à 0,2 %. En d'autres termes, le fer est saturé de cuivre à la température ambiante ordinaire lorsqu'il contient ce pourcentage de cuivre. A mesureque la tempé- rature augmente, la solubilité du cuivre dans le fer augmente très lentement jusqutà 500 C environ. Si la température augmente encore, la solubilité du cuivre dans le fer augmen- te rapidement.
A 6000 C environ, la solubilité est de 0,45 % environ et, à 7000 C, elle est de 1 % environ. La température à laquelle le fer pur se transforme de l'état alpha à l'état gamma est 9000 C, mais la présence du cuivre diminue cette
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température critique. On diminue graduellement la température à laquelle s'effectue la transformation gamma-alpha du fer en augmentant la quantité de cuivre à l'état dissous dans le fer gamma, et cette température, qui est de 9000 C dans le cas du fer gamma pur, diminue jusqu'à 8100 C pour un fer gamma contenant 5,5 % de cuivre en solution.
A cette tempé- rature, la solubilité du cuivre dans le fer alpha atteint 3,4 % et, par l'absorption d'une nouvelle quantité de chaleur à cette température de 8100 C, laquelle absorption n'augmente pas la température pendant la transformation, la solubilité du cuivre dans le fer s'élève brusquement à 5,5 % dans le fer gamma. En fait, avec 3,4% de cuivre dans le fer alpha la transformation a lieu à la température constante de 8100 C avec absorption de chaleur. Cette élévation brusque de la solubilité du cuivre dans le fer a lieu au moment où le fer alpha se transforme en fer gamma. Si l'on augmente encore la température, la solubilité du cuivre dans le fer gamma augmente rapidement et atteint 8 % environ à 11000 C environ.
Il est donc évident que le cuivre est notablement plus soluble dans le fer gamma que dans le fer alpha puis- qu'un accroissement brusque de la solubilité s'effectue lors de la transformation du fer alpha en fer gamma et que la solubilité continue à augmenter lorsqu'on élève la tempéra- ture au delà du point de transformation. On pourrait expli- quer ce phénomène par le fait que la structure des cristaux de fer gamma et celle des cristaux de cuivre sont semblables et que l'attraction entre les atomes de cuivre et les atomes de fer gamma est plus grande que l'attraction entre les atomes de cuivre et les atomes de fer alpha.
On considérera maintenant la solubilité du fer dans le cuivre. De la température ambiante ordinaire à 810 C environ, la solubilité du fer dans le cuivre est 0,2 % environ et approximativement constante. A 8100 C, au moment
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où le fer alpha saturé se transforme en fer gamma, la solubilité du fer dans le cuivre commence à augmenter plus rapidement et a atteint 4 % environ à 1100 C. Ces chiffres de solubilité du cuivre dans le fer et du fer dans le cuivre s'entendent pour du fer ne contenant pas de carbone, mais il est probable qu'ils ne changent pas dans une grande me- sure dans le cas d'un acier de très faible teneur en carbo- ne .
La demanderesse a trouvé qu'il est préférable de régler le chauffage des métaux, en vue du réglage de la diffusion, de façon que la diffusion du cuivre dans le fer n'excède à aucun point 3,4 %, pourcentage auquel le fer alpha est saturé de cuivre à 810 C. En se basant sur ce même indice, on règle le chauffage de façon à réduire au minimum la diffusion du fer dans le cuivre, ce qui a comme résultat que le revêtement de cuivre n'est pas contaminé par une quantité indésirable de fer. A titre d'exemple, on peut prendre une bande de tôle d'acier , par exemple de 0,1 % de teneur en carbone, munie d'une couche électroly- tique de cuivre et placer cette bande dans un four dont le milieu est neutre ou réducteur. On élève alors la tempé- rature.
Cette température peut être maintenue au-dessous du point critique supérieur qui, dans le cas d'un acier au carbone à 0,1 %, est 8800 C environ en l'absence de cuivre et 810 C environ avec 3,4 % de cuivre en solution dans le fer alpha. On supposera par exemple qu'on élève la température à 750 C. A ce point, la solubilité du cuivre dans le fer alpha atteint 2 % environ. Les atomes de cuivre se sont alors diffusés dans le métal ferreux avec lequel ils constituent une solution solide qui unit les deux mé- taux. A cette température, la solubilité du fer dans le cuivre n'a pas augmenténotablement, d'où il résulte qu'il y a une diffusion plus grande d'atomes de cuivre dans le
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métal ferreux que d'atomes de fer dans le cuivre.
Ceci peut être une condition satisfaisante dans certains cas, étant donné que le revêtement de cuivre s'unit au fer et que, en même temps, ce revêtement n'est pas contaminé ou rendu impur par la présence, dans le dit revêtement, d'une quanti- té indésirable de fer. La température de 7500 C n'a été indiquée qu'à titre d'exemple, car il est évident que d'autres températures peuvent être appliquées. La diffusion est d'autant plus rapide, et le temps de chauffage nécessai- re d'autant moindre, que la température est plus élevée, tandis que le temps nécessaire pour obtenir la diffusion désirée est d'autant plus long que la température est plus faible.
Des résultats satisfaisants ont été obtenus en maintenant le corps composite dans un four pendant une période de 10 heures à une température de 7600 C. Dans ce cas, le métal ferreux était un acier contenant environ 0,1% de carbone. Il va de soi qu'on peut prolonger la durée du traitement en appliquant une température plus basse et que l'application d'une température plus élevée permettra de diminuer.la durée de traitement.Ces deux facteurspeuvent toutefois être modifiés l'un et l'autre en vue des résul- tats désirés. Bien que la durée du traitement soit augmentée, le pourcentage de cuivre qui se diffuse dans le fer n'excède jamais le point de saturation pour une température donnée, mais la profondeur à laquelle le cuivre se diffuse dans le fer augmente avec le temps.
Par exemple, si l'on désire une union plus tenace entre les métaux, on peut élever la tem- pérature et augmenter la durée; d'autre part, on peut ne faire varier qu'un seul de ces facteurs. Si l'on n'a pas besoin d'une union aussi efficace dans le corps composite résultant, selon les désirs de la personne qui met le pro- cédé en pratique ou la nature désirée du produit fini, on peut diminuer soit la température, soit la durée du traite-
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ment, soit les deux.
On constate que lorsque le revêtement de cuivre a ainsi été appliqué sur du métal ferreux, il est fortement uni à ce métal et sa nature est dense et imperméable. Des essais réels de projection de sel ont indiqué clairement que les trous d'épingle que présente une couche électrolyti- que de cuivre comme résultat de sa porosité sont efficace- ment fermés lorsque le cuivrea ainsi été soumis au traite- ment thermique.
On remarquera que si l'on élève la température au-dessus du point de transformation du fer alpha en fer gamma et que si la durée du traitement est suffisamment longue pour faire passer plus de 3,4 % de cuivre en solu- tion solide dans le fer, la couche de cuivre résultante semble inférieure à la couche de cuivre qu'on obtient lors- que 3,4 % ou moins de cuivre sont diffusés dans le fer. Il semble probable que lorsque le fer gamma se transforme de nouveau en fer alpha lorsdu refroidissement, le cuivre que renferme le fer gamma en excès sur le point de saturation dans le fer alpha se précipite de nouveau et que le cuivre ainsi de nouveau précipité est à l'état d'alliage eutec- toide. Cette précipitation favorise apparemment la corrosion.
Si l'on élève la température au-dessus du point de trans- formation, la solubilité du fer dans le cuivre augmente et il en résulte que, si la durée du traitement a été suffisam- ment longue, la teneur en fer du revêtement de cuivre est élevée, ce qui est indésirable et favorise la corrosion.
Par conséquent, un point très important est de régler l'opération de chauffage de façon que le pourcentage du cuivre qui se dissout dans le fer n'excède jamais 3,4 %.
Lorsque la température du traitement thermique est maintenue au-dessous de la température critique supé- rieure, cette condition est assurée. Toutefois, la diffu-
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sion des métaux l'un dans l'autre ne s'effectue pas rapide- ment à l'état solide. Par conséquent, on peut réaliser le traitement thermique à des températures supérieures à la température critique supérieure du métal ferreux envisagé .
En pareil cas, la diffusion du cuivre dans le fer gamma a lieu plus rapidement que celle du cuivre dans le fer alpha, mais comme les métaux sont encore à l'état solide, la diffu- sion est somme toute peu rapide. Par conséquent, on peut appliquer des températures supérieures à la transformation alpha-gamma, mais on peut régler le facteur du temps de façon que la quantité de cuivre en excès sur 3,4 % ne se dissolve pas dans le fer gamma. En résumé, ceci veut dire qu'on peut diminuer le facteur du temps. Bien entendu, lorsque la température excède le point de transformation. alpha-gamma, il est possible que le fer gamma dissolve plus de 3,4 % de cuivre s'il s'écoule un temps suffisant, mais, suivant l'invention, on règle la période de temps pour empêcher ceci de se produire.
De même, le réglage de la période de temps est réalisé de façon à empêcher la dissolu- tion d'une quantité indésirable de fer dans le cuivre sous forme d'une solution solide. Par conséquent, dans la phase de refroidissement subséquente, alors même que la tempéra- ture de transformation alpha-gamma n'aurait pas été dépas- sée, le fer alpha peut retenir en solution tout le cuivre qui a été diffusé puisque le facteur du temps a été réglé pour empêcher en tout point la diffusionde plus de 3,4 %, de sorte que, dans cette phase de refroidissement, il ne se produit aucune précipitation de cuivre en excès sous forme d'un alliage eutectoide lors de la transformation gamma-alpha.
L'invention se prête par conséquent à un traite- ment relativement rapide en ce sens qu'on peut économiser du temps en appliquant des températures supérieures au point de transformation alpha-gamma. A cet égard, l'inven-
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vention envisage un procédé dans lequel on peut faire passer une bande de métal à travers un four en lui commu- niquant un mouvement continu, l'application d'une tempéra- ture relativement élevée et d'une durée de traitement re- lativement courte facilitant un procédé de ce genre.
On se rend compte que lorsque les deux métaux disposés en contact intime sont ainsi traités thermiquement d'une manière propre à effectuer leur diffusion, il existe une zone résultante dans laquelle le cuivre pénètre dans le fer mais où la teneur en cuivre diminue avec la profondeur de la zoneo Par exemple, le pourcentage de cuivre diffusé immédiatement près de la surface du fer peut être de 3,4 %, mais ce pourcentage diminue à mesure que la zone pénètre dans le fer, et il est préférable qu'il n'existe à aucun endroit de la zone une teneur en cuivre supérieure à 3,4 %.
De même, il existe une zone où le fer pénètre dans le cui- vre et où la teneur en fer diminue à mesure que la zone pénètre dans le cuivre. Lorsque l'épaisseur de l'élément de cuivre est assez grande, le fer n'a guère ou pas l'occasion de se diffuser à travers le cuivre jusqu'à la surface ex- posée du cuivre, mais ceci serait théoriquement possible dans le cas d'une longue période de traitement. Par consé- quent, lorsqu'on fixe une mince couche de cuivre à un support en métal ferreux, il est préférable que le réglage du traitement, et en particulier de la température et du temps, soit tel que le fer ne pénètre pas complètement dans la couche de cuivre, afin que les régions externes de cette couche soient sensiblement exemptes de fer et puissent résister efficacement à la corrosion.
Si, ainsi qu'on l'a dit précédemment, la quantité de cuivre diffusée dans le fer n'est à aucun endroit supé- rieure à 3,4 %, la transformation gamma-alpha ne provoquera aucune précipitation de cuivre à l'état d'alliage eutectoîde.
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Toutefois, lorsque les métaux se refroidissent à partir d'une température juste inférieure,par exemple, au point de transformation gamma-alpha, le fer alpha a tendance à précipiter du cuivre en raison de la diminution de solubi- lité résultant de l'abaissement de la température. En ce qui concerne le refroidissement qui a lieu au-dessous du point de transformation, il est préférable que ce refroidissement soit relativement rapide, afin que le cuivre susceptible d'être ainsi précipité soit très finement dispersé et sous forme de particules sensiblement invisibles au microscope.
Si le refroidissement est exagérément long, ces particules s'unissent, grossissent par suite et peuvent devenir visi- bles au microscope. Ainsi qu'il a été mentionné précédemment, il est préférable d'empêcher cette union en effectuant un refroidissement relativement rapide. La vitesse du refroi- dissement peut toutefois être telle qu'on obtienne le recuit désiré du métal ferreux et l'on remarquera qu'on peut obte- nir les résultats désirés relatifs aux métaux diffusés et à la précipitation subséquente et obtenir en même temps le recuit désiré du métal ferreux.
Dans la production de corps ferreux revêtus de cuivre suivant le présent procédé, il peut être désirable de soumettre d'abord les métaux à un procédé de laminage propre à rendre initialement le cuivre plus compact et à en aug- menter la densitéo Ceci est applicable à un corps de métal ferreux muni d'une couche électrolytique de cuivre, étant donné que ce laminage augmente initialement la compacité et la densité de la couche de cuivre. On obtient alors par le chauffage subséquent un degré élevé d'imperméabilité du cuivre.
Par conséquent, un article ou objet fini peut consister en un corps en métal ferreux muni d'une couche de cuivre. Lorsque cette couche est appliquée suivant le pré-
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sent procédé, elle est sensiblement imperméable, de sorte qu'elle résiste efficacement à la corrosion. De plus, il existe entre la couche de cuivre et le corps de métal ferreux une zone dans laquelle les métaux sont diffusés en solution solide.
Par conséquent, il existe au-dessous de la couche de cuivre une zone de fer qui contient du cuivre et qui possède par elle-même une certaine résistance à la corrosion, de sorte que non seulement on obtient un revê- tement qui résiste efficacement à la corrosion, mais, au- dessous de ce revêtement, il existe du fer qui contient du cuivre et qui résiste à la corrosion tout en jouant cet autre rôle d'unir le fer et le cuivre d'une façon tenace.