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"Perfectionnements aux alliages résistant à la chaleur et procédé de fabrication desdits alliages"
La présente invention est relative à un procédé pour'la préparation d'alliages d'alumi- nium et au produits obtenus,
Des difficultés considérables ont été rencontrées jusqu'ici dans la fabrication des allia- ges d'aluminium par suite de la tendance marquée que possède l'aluminium à se combiner avec l'cxygène.
Il en résulte qu'une partie de l'aluminium est fré-
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quemnent perdue et qu'elle n'entre pas dans la composition de l'alliage; par suite, l'alliage ré- sultant a une composition nettement différente de celle que l'on devrait obtenir, En dehors de l' in- certitude d'obtention d'un alliage ayant la com- position désirée,, l'oxydation de l'aluminium pen- dant la préparation de l'alliage a pour conséquence la formation d'une quantité considérable d'oxyde d'aluminium qui,, dans une mesure très importante, est retenu dans l'alliage fini où il exerce une influence nuisible sur les propriétés de l'alliage,
Conformément à la présente invention, le procédé perfectionné de fabrication d'un alliage consiste à préparer un bain métallique en fusion d'un ou plusieurs constituants autres que l'aluminium et à désoxyder le bain de métal en fusion au moyen d'un désoxydant autre que l'aluminium et ayant une efficacité telle qu'il ne laisse sensiblement au- cune traae d'cxygène dans le bain en fusion sous une forme telle qu'il en résulte la formation d'o- xyde d'aluminium lors de l'addition d'aluminium, après quoi on ajoute de l'aluminium.
L'un des objets de 1'$invention est un procédé pour la préparation d'alliages d'aluminium, l'alliage une quantité procédé permettant de garder dans / importante de l'aluminium utilise dans la préparation de l'allia- ge et rendant possible en conséquence la production régulière # alliages d'aluminium de haute qualité ayant une composition voisine de celle que l'on désire ob- tenir.
Bien que l'invention soit applicable à la production d'alliages d'aluminium de différents
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types elle sera décrite particulièrement, pour la commodité de l'exposée dans le cas de la préparation d'alliages fer-chrome- aluminium et, plus spécialement,, d'alliages de ce genre renfermant, approximative mente 37 % de chrome et 7 '$ d'aluminium, le reste étant sensiblement en totalité du fer. Cet alliage a un point de fu- sion supérieur à 1550 C, température considéra- blement plus élevée que celle de fusion du fer.
En raison de leur point de fusion élevé et de leur grande résistance à 1''oxydation, les alliages de cette famille sont exceptionnellement 'bien appro- priés à l'utilisation à une température de travail élevée; ils constituent, par suite, des alliages résistant à la chaleur très utiles et très dési- rables pouvant être appliqués comme élément de chauffage ou dans des cas: analogues.
Le creuset utilisé dans la préparation des alliages d'aluminium doit être d'une nature telle qu'il soit sensiblement exempt d'oxydes réduc- tibles par l'aluminium. S'il en était autrement, les oxydes du creuset pourraient être réduits par l"aluminium de l'alliage et certains des constituants du creuset pourraient se trouver incorporés à l'alliage et exercer un effet nuisible sur les propriétés de celui-ci. Des creusets en magnésie ou en magnésie plus alumine ont été trouvés satis- faisants; ils peuvent être fabriqués sur demande ou achetés chez les fabricants de creusets.
Plusieurs procédés de chauffage peuvent être utilisés, mais la demanderesse préfère effec-
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tuer la fusion dans un four à induction, à haute
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fréquence en raison de l'excellent eontrcile de tem- pérature que procure ce procédé et aussi de l'agitation qu'il produit dans le bain ce qui as- sure l'obtention d'un alliage de composition homogène.
Bans la fabrication des alliages fer- chrome-aluminium, la. quantité voulue de fer ou d'un acier doux, à faible teneur en impuretés nui- sibles à la qualité de l'alliage désirât, est
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chargée dans le creuset, puis fandue4, 46ette:PhaSe du traitement, il n'est pas nécessaire que la charge soit recouverte de scorie.
Si l'alliage désiré contient un pourcentage de manganèse supé- rieur à celui qui est fourni par le fer ou par l'acier utilisé dans la fabrication de l'alliage, la quantité de ferro-manganèse nécessaire pour combler le déficit est fondue avec la charge de fer ou d'acier, Pour calculer la quantité de man- ganèse ou de ferro-manganèse à ajouter pour combler le déficit, on peut admettre avec certitude que la
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2qUaJ1tité..: de fer et de rnanganèse:#atant... dana lyàl- liage est de cent pour cent.
Lorsque la fusion est achevée,,, on désoxyde le bain fondu, on a constaté que le calcium était un désoxydant particulièrement convenable, mais d'autres désoxydants appropriés peuvent être uti- lisés, pourvu qu'ils agissent assez énergiquement pour ne laisser sensiblement aucune quantité d'o- xygène combiné sous forme d'oxydes qui seraient
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réduits ultérieurement par l'alumioium. La OEé8o* xydation sensiblement complète du bain avant toute
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addition d'aluminium. est Importante pour la produe- tion d'un alliage sain ou "propre".
Si le bain contient une quantité notable d'oxyde de fer ou de chrome ou d'un autre oxyde réductible par l'alu- minium, ces oxydes sont réduits lors de l'addition d'aluminium et il en résulte la formation d'in- clusions d'alumine qui tendent à rester dans le bain et non à s'en séparer. Il en résulte la pro- duction d'un. alliage souillé par la présence d'in- clusians d'alumine.
En désoxydant le bain avant toute addition d'aluminium et en exécutant cette opération avec un désoxydant qui ne soit pas l'alu- minium, mais qui ait une affinité telle pour l'oxy- gène qu'il ne laisse sensiblement aucune quantité d'oxygène dans le bain sous une forme pouvant don- ner lieu à la com.binaison avec l'aluminium ajouté ultérieurement, comme constituant de l'alliage, la formation de toute quantité appréciable: d'alumine est évitée et un alliage "propre" est obtenu. lors- quon ajoute du calcium comme désoxydant, il est désirable d'utiliser- une quantité en léger excès sur celle qui est réellement nécessaire pour se combi- ner avec l'oxygène existant dans le bain.
Une insuffisance de désoxydant a pour conséquence un nettoyage incomplet du bain, tandis qu'un excès d'un désoxydant tel que le calcium est sans inconvénient.
Gomme le point d'ébullition du calcium métallique est inférieur au point de fusion du fer, tout excès de calcium est probablement chassé du bain par vaporisation.
Après la désoxydation du fer fondu, la quan- tité requise de chrome pour produire le pourcentage désiré de chrome dans l'alliage final est ajoutée,
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de préférence sons forme de ferro-chrome. Le poids nécessaire de l'addition de chrome peut être facilement calculé, à partir de la compo- sition d'alliage que l'on désire produire, en ad- mettant que le fer et le chrome introduits se re- trouvent en totalité dans l' alliage. Lorsque le chrome ajouté est complètement fondu, le bain est traité à nouveau par du calcium afin que ledit bain soit sensiblement exempt d'oxygène lorsque 1'aluminium sera ajouté.
On recouvre alors le bain d'une scorie appropriée. Celle-ci devrait être exempte de 'bore ou de ses composés ou bien de substances telles que des oxydes métalliQues réductibles par l'aluminium et qui, après réduction,, introduiraient dans le bain des métaux, des métal101des ou d'autres cons- tituants qui ne sont pas désirés dans l'alliage
D'excellents résultats ont été obtenus avec une scorie formée de parties sensiblement égales d'alumine et de chaux. On a trouvé avanta- geux: de chauffer le mélange de chaux et d'alumine utilisé pour former la sourie à une température d'environ 815 ou 870 avant de la placer sur le bain.
Il n'est pas nécessaire que le mélange soit utilisé immédiatement après qu'il a été chauffée mais il convient de ne pas trop attendre avant d'en raire usage. Dans certains cas ou cette précaution a été omise, les lingots coulés à partir de l'alliage contenaient des soufflures. La formation de soufflures et grandement réduite au entièrement supprimée par le chauffage préli-
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m1na1re des ingrédients destinés â former la scorie.
Le bain est maintenu en fusion sous la scorie jusque ce que celle-ci devienne fluide et qu'elle recueille l'oxyde de calcium provenant de la désoxydation du métal par le calcium, les autres oxydes qui se trouveraient dans le bain et qui proviendraient de la désoxydation par d'autres dé- soxydants si ceux-ci sont utilisés, ou les oxydes de fer ou de chrome s'il en existait et s'ils n'a- vaient pas été réduits par suite d'une insuffisance de désoxydants ou encore s'ils avaient échappé à la réduction pour toute autre raison.
Un désoxy- dant est alors ajouté à la scorie, pour la désoy- der et pour rendre au bain de métal fondu toute quantité de fer ou de chrome qui aurait pu être contenue dans la scorie sous forme d'oxydes. On a trouvé commode et efficace de placer des copeaux d'aluminium sur la scorie pour désoxyder celle-ci.
Bien que l'aluminium ne soit pas un désoxydant convenable pour être ajouté au bain de métal en fusion, en raison de la formation d'inclusions d'a- lumine qui sont retenues dans l'alliage, l'utilisa- tion d'aluminium comme désoxydant de la scorie est sans inconvénient, car l'alumine qui pourrait se former se trouve dans la scorie et non dans le bain de métal. Dans certains cas, une petite quantité de magnésium métallique est utilisée avec les co- peaux d'aluminium pour aider à l'amorçage de la réaction.
Pour de petites coulées, la réduction de la scorie est habituellement achevée en une vingtai" ne de minutes.
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On enlève alors la scorie dti bain, on ajoute une petite quantité supplémentaire de cal- cium et, enfin, on ajoute la quantité voulue d'alu- minium. Le ails de l'addition d'aluminium e-st calculé d'après la composition d'alliage désirée en a dmettant que la quantité d'aluminium restant dans l' alliage est de 95 à 97 %de la quantité in- traduite dans le bain, tandis que les quantités restantes de fer et de chrome sont de 100 % comme il a été dit plus haut.
Les résultats les plus satisfaisants dans l'addition d'aluminium ont été obtenus en pesant la quantité voulue sous forme d'un fil (ou tige) d'aluminium de grande longueur et enpossant ce fil (ou tige) dans le bain à la vitesse à laquelle il fond, l'extrémité de la tige d'aluminium étant attachée à une tige de fer de manière que le bout final de ladite tige d'aluminium puisse aussi être introduit dans le bain de cette manière et amené à la. fusion sous la surface dudit bain, La tige d'a- luminium doit être d'une dimension telle quelle ne refroidisse pas le bain dans une mesure appréciable;
cette tige doit être introduite à une vitesse sur- fisamment grande pour- que la fusion du métal se fasse entièrement au-dessous de la surface du 'bain en fusion et non au-dessus de ladite surface. Une introduction trop lente de la tige donne lieu à sa fusion au-dessus de la surface du 'bain et à la formation d'une couche d* aluminium fondu qui est exposé à une oxydation rapide. Une introduction trop rapide de la tige d'aluminium peut donner lieu à la rupture de la partie de cette tige venant en contact avec le fond du creusets Les morceaux:
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d'aluminium solide ainsi détachas ar rupture montent à la surface du bain en raison de leur faible densité et entrent en fusion en ce point et il en résulte les mêmes inconvénients que si la tige était introduite trop lentement.
Pour pré- parer des coulées d'environ 13,50 kg. d'alliage.'
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1'er-.cbrom.e-aluminium renfermant environ 37 jk de chrome et 7 % d'aluminium, on a trouvé qu'une bonne tige d'aluminium de 6,34 mm;.. était d'une/dimension commode et qu'il convenait de l'introduire à la vitesse à laquelle elle fond.
Lorsque la tige d'aluminium est introduite dans le bain à la main, on peut sentir que son extrémité porte contre le fond du creuset, ce qui donne un élément d'appré- ciation pour la vitesse d'introduction,
En ajoutant de l'aluminium de cette ma- nière, il se forme à la surface du bain une couche mince et résistante d'oxyde qui protège ledit bain contre l'oxydation; le bain n'est pas refroidi d'une manière exagérée par l'addition d'aluminium; d'autre part, on obtient une utilisation impor- tante de la quantité d'aluminium employée.
Pour ce dernier motif, il est beaucoup plus facile de produire un alliage de composition prédéterminée qu'avec les procédés antérieurs d'addition de l'aluminium, procédés qui donnaient des pertes certaines plus ou moins grandes d'aluminium; il en résultait que la production d'alliages d'alu- minium de composition prédéterminée était beau- coup plus une question de chance qu'une certitude.
.âpres l'addition d'aluminium, une scorie est de nouveau placée sur le bain. Cette seconde
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scorie peut être formée en totalité de chaux:, auquel cas elle ne fond. pas, mais reste à un état quelque peu pâteux; cette scorie peut éga- lement être semblable à la. première et être òr- mée de chaux et d'alumine. On a constaté que le bore est un constituant indésirable tant pour la première que pour la seconde scorie et que le spath-fluor est indésirable dans la seconde.
Lors- qu'il existe du spath-fluor dans la seconde scorie, de brusques éclairs lumineux se produisent à certains infertiles et l'alliage obtenu n'est pas aussi satisfaisant pour la confection d'éléments de résistance que s'il n'est pas utilisé de spath- fluor. L'utilisation de ce corps dans la première scorie ne présente pas de tels inconvénients mais, comme l'enlèvement complet de la première scorie est assez difficile, l'utilisation de spath-fluor dans celle-ci a souvent pour conséquence qu'une cer- taine quantité de spath-fluor se retrouve dans la seconde scorie où ce corps est indésirable. Pour cette raison,, on préfère habituellement supprimer le spath-fluor aussi bien dans la première scorie que dans la seconde.
Le bain est maintenu en fusion sous la seconde scorie pendant une dizaine de minutes avant la coulée. S'il reste à faire des additions de constituants moins importants de l'alliage, ceci peut se faire commodément à ce moment en les ajou- tant à travers la scorie. Cette dernière est en- suite enlevée et le métal est coulé.
Dans la préparation des alliages fer- chrome-aluminium, qui sont utilisés pour des élé-
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ments de chauffage ou pour d'autres applications dans lesquelles est nécessaire la résistance à l'oxydation aux températures élevées, il est dési- rable que la coulée soit faite à une température aussi basse que possible. :
Pour un alliage renfer- mant du fer avec environ 37 %de chrome et 7 % d'a- luminium, une température de coulée d'environ 1595 (température apparente, mesurée au moyen d'un pyromètre optique dirigé vers le matai en fusion et non corrigé pour le spectre d'émission) a été trouvée convenable et c'est sensiblement la température la plus passe qu'il soit possible d'a- dopter dans la pratique. La coulée à température élevée semble produire une ségrégation des cons- tituants de l'alliage, ce qui exerce un effet nuisible sur la résistance de l'alliage à l'oxyda- tion aux températures élevées.
Bien que le procédé objet de l'invention ait été plus particulièrement décrit dans le cas de la préparation d'alliages fer-chrome-aluminium, il est bien entendu qu'il est applicable également à d'autres alliages d'aluminium et qu'il nest pas limité à ceux qui contiennent du fer ou du chrome ou ces deux métaux.
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