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" Perfeotionnements au traitement des alliages facilement oxydables ".
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La présente invention est relative au traitement des métaux fondus facilement oxydables et elle a plus partiouliè- rement pour but de prévenir une combustion exoessive des alliages à base d'aluminium auxquels on ajoute certains éléments qui sont spéoialement susoeptibles de réagir aveo l'air à des températures élevées .
On sait communément en métallurgie que certains éléments, tels que ceux qui appartiennent aux groupes alcalins et aloalino-terreux des métaux, sont attaqués par l'air dans les conditions ordinaires, avec formation de divers produits non métalliques. L'intensité de oette attaque augmente aveo l'élévation de la température , jusqu'au point où il se produit une combustion ou une ignition visibles.
Le produit de la réaction est une substance d'apparenoe non métallique qui, dans le cas d'un bain de métal en fusion,
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vient flotter sur la surfaoe. Les alliages fondus contenant des métaux alcalins et alcalino-terreux sont également sujets à brûler, partioulièrement durant l'opération qui consiste à ajouter l'élément oxydable au métal de base en fusion. Dans les conditions qui règnent fréquemment dans les fonderies, le métal de base est mis en fusion et les oonstituants de l'alliage sont ajoutés sans qu'on fasse aucun effort pour empêcher l'air de venir en contact avec la masse fondue. Du fait de cette pratique, il s'accumule sur la surfaoe une épaisse écume de scorie, qui représente une perte de métal, et spécialement une perte des éléments les plus oxydables existant dans l'alliage.
La production d'une quantité exoessive de scorie sur les alliages en fusion pourrait n'être pas particulièrement sujette à objection, s'il n'en résultait pas des effets fâ- aheux sur le produit final. Or ce n'est pas le cas, car des particules de scories se mélangeant avec le métal lorsqu'on agite oelui-oi afin d'assurer un mélange uniforme des ingrédients de l'alliage, et, plus tard, lorsqu'on coule le métal dans le moule. L'inclusion dans le métal solide de partiou- les insolubles non métalliques peut nuire aux opérations d'usinage, en raison de l'existence de régions dures. De plus, la présence de particules incorporées à la, matrice engen dre des discontinuités dans la structure du métal, et oes discontinuités sont une source de faiblesse.
Dans certains cas les impuretés non métalliques peuvent servir de points focaux ou points de départ pour l'attaque par oorrosion,et elles tendent ainsi à provoquer la désintégration de l'article en métal. La formation de scorie représente également une perte de métal, qui est nettement désavantageuse lorsqu'on ajoute à un alliage de base de petites quantités d'éléments facilement oxydables , et lorsqu'il est essentiel de conserver ces éléments dans l'alliage. Dans les conditions
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dérable de oes éléments par combustion, et, par suite, l'effet désiré de l'élément d'addition n'est pas obtenu ou est fortement diminué.
En dehors de oes effets nuisibles de la soorie, il oonvient d'indiquer que la croûte d'oxyde formée sur le oourant de métal qui pénètre dans un moule peut empêcher aussi l'écoulement du- métal liquide et ne pas permettre de la sorte d'obtenir des pièces moulées satisfaisante s.
La quantité de scorie ou d'écume d'oxyde produite dans des conditions normales par l'addition d'éléments facilement oxydables à un métal de base fondu dépend mate- ment du caractère de l'atmosphère du four dans lequel se fait la fusion, de la température du métal, et de la nature et de la proportion d'éléments d'addition. Une température élevée du four aveo un accès d'air abondant sur la surface de la masse en fusion provoque la formation d'une quantité exoessive de produit brûlé. Il existe ecore une différence entre les divers éléments en ce qui concerne leur susceptibilité de s'oxyder; certains d'entre eux brûlent plus facilement que d'autres. Dans les oonditions qui règnent en général dans les fonderies et dans les chambres de ooulée, il se tonne habituellement une quantité notable de scorie.
La réaction qui se produit entre l'air et les éléments oxydables d'addition où l'alliage subséquent, lorsque la fusion est obtenue dansdes conditions atmosphériques normales, a été désignée ci-dessous comme étant une combustion ou une oxydation. On ne se limite pas oependant à la seule produotion des oxydes, au sens strict de ce dernier terme. D'autres constituants de l'atmosphère que l'oxygène peuvent réagir
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aveo les éléments d'addition oud,'alliage et former des oom-
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" oxydation " 4 ont dono employés dans un sens très lae pour désigner une réaction en général, et non pas l'action parti- culière de l'oxygène seul sur le métal.
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Divers prooédés pour réduire ou pour prévenir\La combustion des métaux facilement oxydables ont été tentés aveo des degrés variables de succès. On a employé des expédients comme celui qui consiste à effectuer les opérations
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sous le vide , mais cette J!t#mn pratique exige un équipement spéoial qu'il est diffioile de oonserver et de faire fono- tionner.
On a préoonisé d'usage d'un sel fondu oouvrant la masse en fusion à titre de moyen efficace pour dépêcher le contact de 1air aveo les éléments ou l'alliage oxydable, mais cette méthode présente certains inoonvénients qui lui sont inhérents, par exemple la difficulté de maintenir la composition voulue, la difficulté de séohage avant utilisation, les pertes à la fusion et l'élimination de la masse de sel fondu hors du métal en fusion avant la ooulée en mou- le.
L'un des objets de la présente invention est de procurer un moyen simple mais efficace de réduire la oombus- tion des éléments facilement oxydables lorsqu'on ajoute ceux-ci à des métaux en fusion, ainsi que des alliages tonnés ultérieurement. Un autre objet de 1invention consiste à utiliser, pour arriver à ce résultat, un moyen qui évite de recourir à l'emploi d'un équipement ou d'une technique de manipulation spéciaux. On s'est encore proposé de réduire la combustion sans laisser de résidu nuisible sur la surface de la masse fondue ou en mélange aveo le métal lui-même. On s'est efforcé encore d'utiliser, pour diminuer la combustion, un agent exempt de vapeur d'eau et qui garde constamment son caract@@e de siccité.
Enfin, on s'est proposé de trouver à cet effet une matière qui ne soit pas muisible pour les ouvriers.
La présente invention se fonde sur la dé@ouverte suivante : lorsqu'on place du bioxyde de carbone comprimé solide,
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masse fondue dans des conditions atmosphériques normales, il se forme une atmosphère proteotrioe à la fois copieuse et sèche de bioxyde de carbone ou gaz carbonique, qui diminue largement, si elle n'empêche pas totalement, la combustion de l'élément d'addition ou de l'alliage oxydables.
Le bioxyde de carbone est relativement inerte en ce qui concerne son pouvoir de réaction aveo les élémènts faoilement oxydables, et par conséquent on peut l'employer comme agent de proteotion pour les éléments d'addition au moment où on les ajoute au bain en fusion, et pour l'alliage ultérieurement! formé, contre l'aotion de l'oxygène, de l'azote et de la vapeur d'eau dans l'air. On avait considéré jusqu'ici oonme extrêmement dangereux de mettre un morceau d'un gaz solidifié à une température considérablement inférieure au point de congélation de l'eau, en contact aveo un corps à température élevée.
Contrairement à ce qu'on pouvait attendre lorsqu'on considérait les précautions qu'on a prises jusqu'ici pour manipuler les gaz solidifiés, la demanderesse a consta- té que la glace sèche peut être placée en toute sécurité sur la surface de la masse fondue ]sans provoquer une explosion ou une éruption du métal. La glace sèche se sublime graduellement et forme une couche protectrice de gaz bioxyde de carbone sec au voisinage de la surfaoe du bain liquide, ce qui interdit pratiquement l'aooès de l'air au métal fondu. Le gaz se dégage assez rapidement pour maintenir une fourniture nouvelle de bioxyde de carbone au voisinage du métal c'est-à-dire non dilué par l'air.
La glace sèche et l'atmosphère de bioxyde de carbone qui en provient possèdent certaines propriétés qui leur assure des avantages bien nets sur ce que l'on @@tenait dans les précédentes tentatives pour utiliser ce gaz comme agent de protection d'un métal oxydable contre l'oxydation. Par exemple on a tenté d'employer les gaz d'échappement contenant du bioxyde de carbone, pour former une atmosphère proteotri-
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ce, mais la température élevée de oes gaz et la présence d'autres constituants, notamment d'azote et de vapeur d'eau, n'ont pas permis d'obtenir le degré de protection que l'on désirait. La demanderesse a constaté que la vapeur d'eau est un constituant partioulièrement dangereux de l'atmosphère et favorise l'attaque du métal.
Même le bioxyde de carbone, que l'on trouve habituellement dans le commerce sous forme comprimée ou liquide dans des cylindres d'acier, est suffi- samment contaminé de vapeur d'eau pour qu'il devienne indésirable lorsqu'on veut l'employer afin de prévenir 1oxydation ou la combustion suivant les essais de la demanderesse. La seule méthode utilisable jusqu'ici pour extraire la vapeur d'eau de l'atmosphère d'un four, a consisté à faire passer cette atmosphère à travers un appareil de déshydratation ,mais cette pratique a soulevé des objections d'un point de vue commercial en raison de la dépense impliquée.
En complet contraste aveo les difficultés précédentes qui sont inhérentes à l'emploi d'une atmosphère protectrice de bioxyde de carbone, la demanderesse a oonstaté que la glace sèche constitue une source facilement accessible et appropriée de gaz sec et froid. Le gaz se manipule plus faoilement sous la forme solide puisqu'aucun équipement spécial n'est nécessaire pour oontrôler l'écoulement du gaz ou son intro- duction dans la chambre du four ou au voisinage du oreuset contenant le métal liquide. Il est seulement nécessaire,par exemple, de poser un petit morceau de la matière solide sur la surface du bain métallique, et il se fait rapidement une atmosphère protectrice ayant une grande efficacité.
Le gaz dégagé est très froid à l'origine puisque le solide se sublime à une température de -78*C. environ. Du fait que le gaz est froid, il est plus lourdpar unité de volume que le même gaz à une température élevée, et par conséquent, il tend à demeurer au voisinage de la surface du métal
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aussi par elle-même à empêcher toute réaotion puisque la vitesse de réaotion augmente habituellement avec une élévation de température. En outre la glace sèche ne contient pas de vapeur d'eau en proportion suffisante pour favoriser l'oxydation ; oest du moins ce que la demanderesse a pu découvrir.
L'emploi de glace sèche offre encore d'autres avantages en ce sens qu'il ne demeure aucun résidu après la sublimation du gaz et qu'auoun nettoyage de l'appareil de manipulation du métal n'est néoessaire après chaque oharge, en raison de l'accumulation d'un produit de réaction quelconque. La concentration du gaz au voisinage des creusets de ooulée n'est pas assez grande, dans les conditions ordinaires,pour devenir désagrable u nuisible aux ouvrie rs.
Dans la mise en oeuvre de la présente invention, pour le traitement des métaux en fusion, il n'est pas absolument nécessaire que le bioxyde de carbone solide soit précisément posé sur la surfaoe du bain afin d'assurer une protection contre la combustion. Il est simplement essentiel que la glace sèche soit placée dans un rapport thermique tel avec la masse fondue que la chaleur provenant de cette masse ou des dis-
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positifs qui ohauffent le four, provoque un '}llrmR1U démêlement relativement rapide et abondant de gaz, et que ce gaz couvre efficacement la surfaoe exposée du métal. La demanderesse a oonstaté que le fait de poser la matière solide direotement sur la surfaoe du métal en fusion constitue une méthode très satisfaisante pour produire une atmosphère protectrice à la surfaoe du métal.
Lorsque la glace sèche a été employée sur un oreuset ou sur un réoipient rempli de métal, et lorsque, par la suite, le métal est coulé dans un moule, l'atmosphère protectrice tend à suivre le courant en fusion et à empêcher la combustion . Une méthode plus efficace pour protéger le métal dans le moule oonsiste à placer des moroeaux de glace sèohe au voisinage des ouvertures du moule avant de couler le
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métal ce qui permet à la cavité du moule de se remplir complètement du gaz avant que le métal soit introduit.
La basse température et le poids spécifique considérable du gaz font que le bioxyde de carbone descend dans le moule et déplaoe l'air qui est plus léger et plus chaud. Il n'est pas essentiel de produire une atmosphère de bioxyde de carbone pendant toute la durée de la mise en fusion et de l'addition desngrédients d'alliages, lorsque le métal de base de l'alliage ne brûle pas faoilement. En préparant un alliage d'aluminium et de magnésium par exemple, la demanderesse
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a omstatéµqu'il suffit d'employer la glace sèche juste avant l'addition du magnésium.
Le magnésium et les métaux similai- res facilement oxydables sont habituellement ajoutés peu de temps avant la ooulée de l'alliage. Par suite, le bioxyde n' de carbone peut/être utilisé que pendant une courte période de temps entre l'addition des constituants d'alliage et la ooulée du métal dans le moule.
L'atmosphère sèche et relativement froide de bioxyde de oarbone est également utile pour protéger l'alliage une fois que 1élément faoilement oxydable a été ajouté. La oom- bustion peut être empêchée aussi longtemps quon le désire en maintenant un peu de bioxyde de carbone solide sur la sur- face de la masse en fusion. Il est également désirable d'em- ployer une atmosphère proteotrioe de bioxyde de carbone lorsqu'on refond l'alliage , et la glace sèche peut être uti- lisée d'une manière appropriée à cet effet.
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La quantité de glae sèche utilisée doit être suffi- sante pour fournir le gaz d'une manière continue et assez oopieuse pour empêcher l'air de venir en contact aveo le métal. Le dégagement constant d'une quantité nouvelle de bioxyde de carbone interdira aussi à ce bioxyde de se mélanger avec l'air à la surface du métal. La quantité-de
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de glace sèahe à employer pour une oharge déterminée de métal dépend de la surface exposée à l'air, de la durée nécessaire pour dissoudre les éléments d'alliage ajoutés,et de la température du bain. Dans le traitement des alliages à base d'aluminium, la demanderesse a oonstaté que 1,220 kgs. de glace sèche par m2 de surfaoe exposée suffit pour protéger l'alliage oontre la combustion pendant une durée
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... IV de plusieurs niú1;ktes.
Quand on utilise le bioxyde de oar- bone solide, la demanderesse a constaté qu'il est préférable d'employer des morceaux relativement petits et de les poser de temps à autre, plutôt que de poser un gros morceau sur le métal, alors que ce gros morceau fournirait la même quantité de gaz. La glace sèche ayant une pureté commerciale est satisfaisante pour le traitement des métaux et alliages commerciaux aisément oxydables, conformément à la présente invention. Le terme de "glaoe sèche" ici employé est simplement une désignation commode pour le bioxyde de carbone solide, et il n'implique aucune source partioulière ou aucune méthode spéciale de fabrication de ce bioxyde de carbone solide.
Les éléments facilement oxydables auxquels on se réfère ci-dessus comportent le potassium, le sodium, le magnésium, le lithium, le calcium, le baryum, le strontium, le gluoinium, le phosphore, l'arsenic , le sélénium, le tellure et autres d'une nature analogue, qui brûlent au contact de l'air, lorsqu'on les ajoute à un bain de métal en fusion. Par les termes " oxydation" ou " combustion", il faut entendre ici la réaction des éléments précédents avec l'un ou avec l'autre des constituants que l'on trouve habituellement dans l'air ou dans l'atmosphère d'un four. Les alliages à base d'aluminium qui sont envisagés dans la présente invention, sont ceux qui contiennent 50 % ou plus d'aluminium.
L'aluminium ou tout autre métal constituant la par-
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tie prédominante d'un alliage est regardé o anne étant le mlbà
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base,de l'alliage. Si l'on se réfère à la "fusion" d'un alliage, il faut comprendre que oe tenace oomporte à la fois la préparation initiale de l t alliage, o'est-à-dire l'addition des constituants de l'alliage au métal de base en fusion et le maintien de l'alliage préparé à l'état fondu ou la refusion de l'alliage une fois qu'il a été solidifié.
Le produit de l'ppération de fusion peut être appelé " la masse fondue " ou " le bain ".