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ALLIAGE DU CUIVRE ET DU BORE
La présente invention est relative au procédé d'ob- tention d'alliages de bore et de cuivre décrit dans le brevet des Etats-Unis n 2.195.433 du 2 Avril 1940 et elle est relative à des perfectionnements à ce procédé.
En quelques mots,le procédé du brevet ci-dessus implique l'introduction de bore dans -un alliage à case de cuivre en chauffaht un alliage de magnésium et de cuivre en contact intime avec un composé comportant du bore et de l'oxygène à une température suffisante pour libérer le bore
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à l'état naissant, au contact du cuivre. La pratique, du pro- cédé a jusqu'ici donné lieu. à certains problèmes en ce qui concerne les manières réfractaires du four et les appareils pour la mise en oeuvre du procédé. On comprendra mieux ces problèmes en considérant la façon préférée dont on applique actuellement le procédé.
Dans celle-ci., on fait d'abord un bain fondu, de borax à environ 1200 et à ce bain on ajoute un alliage de cuivre et de magnésium oroyé grossièrement,en agitant fréquement jusqu'à ce oue l'on ait ajouté l'équiva- lent d'une partie en poids rie magnésium (dans l'alliage de magnésium et de cuivre ) à 5 parties en poids de borax.
Le magnésium se volatilise immédiatement, c'est-à-dire qu'il sort par ébullition de l'alliage de cuivre et de magnésium et la vapeur de magnésium résultante réagit avec une partie du borax pour donner du bord naissant qui se dissout dans le cuivre fondu. A moins d'agiter fréquemment l'alliage fondu de magnésium et de cuivre qui se trouve sous le borax fonda, l'alliage se recouvre d'une couche presque imperméable d'oxyde de magnésium et la réaction s'arrête.
Le but de l'agitation est de répartir l'oxyde de magnésium dans le borax de façon à aider à sa dissolution et à amener le cuivre fondu au contact du bore'naissant pour le dissoudre dans le cuivre* La vitesse à laquelle on ajoute l'alliage de cuivre et de magnésium est commandée par- l'im- portance de l'ébullition ou de la turbulence. Une addition trop rapide d'alliages au oorax fondu pendant qu'il est à une temperature beaucoup plus élevée que 1200 donne lieu à une volatilisation trop rapide du magnésium avec de la vapeur sortant de la masse de réaction fondue. On constate la fin de la réaction après avoir ajouté le poids correct d'alliage; de cuivre et de magnésium par le fait que la mas- se de réaction devient tranquille.
On porte alors la tempé- rature à environ 1370 pour être certain que tout le magné- sium a été volatilisé et pour donner un alliage ,de cuivre et de bore ayant la plus grande pureté possible. les composés contenant du bore et de l'oxygène que l'on peut obtenir le plus 'facilement et ceux que l'on u- tilise de préférence en pratique sont l'acide borique (BO3H3), l'anhydride borique (B2O3), le tétraborate de sodium hydraté (B4O7Na2,10H2O) connu dans le com@erce sous le nom de borax et le borax anhydre ou fonda (B4O7Na2). Ces composés du bore ont un' effet nuisible sur les manières réfractaires du four. le borax en particulier est nuisible
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étant donné qu'il peut,faire fondre ou dissoudre pratique- ment tous les oxydes.
Dans le procédé du orevet mentionné au débùt, cette action de fondant du borax (ou composé du bore équivalent) est avantageuse car la réaction entre la vapeur de magnésium et le borax fondu pour donner du bore naissant donné un oxyde de magnésium qui doit être dissous par le restant du borax. Ceci donne lieu a une scorie fluide que l'on peut facilement verser et couler d'une façon qui'permet la séparation de l'alliage de bore et de cuivre,
L'action solvante-du borax ou composé équivalent' du bore. sur la matière réfractaire du four donne lieu à trois effets nuisibles à savoir (1) pertes de matières ré- fractaires, (2) consommation supplémentaire de borax et (3) souillure de l'alliage de bore et de cuivre résultant.
Si la matière réfractaire est de l'alumine ou de la magnésie de grande pureté, ceci a pour effet de détruire le foyer ou le garnissage du four et d'épaissir la scorie de borate résultante de sorte qu'il faut augmenter le rapport du borax à l'alliage de cuivre et de magnésium pour obtenir la fluidité voulue. Si les matières' réfractaires contiennent des silicates et des oxydes métalliques de métaux moins actifs, on a, .en outre de la perte en matière réfractaire, l'action réductrice du magnésium sur ces oxydes dissous en donnant du silicium libre, du fer libre, ou d'autres élé- ments libres qui forment des alliages avec le cuivre et souillent sérieusement l'alliage de cuivre et de bore.
On a constaté que le carbone et le graphite sont les seules ma- tieres réfractaires qui soient suffisamment résistantes aux températures de travail régnantes et qui, en outre, se trou- vent dans un état pur tel qu'elles ne souillent pas l'alliage de bore et de cuivre.
La mise en pratique du brevet ci-dessus comporte un autre problème relatif aux appareils. Dans la mise en pratique du procédé,. la masse de-la réaction tendase séparer en un bain de métal fondu lourd à grande conductibilité thermique, recouvert par du 'borate fondu à conductibilité tnermique relativement faible. Du fait de leurs températures de fusion très différentes,,il est nécessaire que le bain de métal fondu soit plus chaud que le borate fondu. Par exem- ple le borax anhydre fond à environ 7500 tandis que le cuivre fond à 1082 . Le cuivre contenant 2 à 5 % de bore a une
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température de fusion encore plus élevée et l'on obtient la fluidité voulue à des températures d'environ 1200 à 1400 .
Pour obtenir une température ,de 1200 dans le bain de métal fondu par radiation thermique, il est nécessaire de chauffer à cette température le 'borate fondu qui se trouve au-dessus, ce qui augmente encore son action fondante sur la plupart des matières réfractaires habituelles pour les fours.
Même si l'on remédie à cette difficulté de fusion ou qu'on la ré- duise suffisamment en utilisant une matière réfractaire en caroone, le chauffage parradiation thermique ne donne pas en général satisfaction par suite de la grande consommation de carbone par oxydation au-dessus du niveau de la masse de réaction fondue du fait de l'atmosphère légèrement oxy- dante résultant en général de ce type de chauffage et, en outre, du fait de la surface relativement grande de la ma- tière réfractaire qui'est en général exposée à l'atmosphère dans une'installation dans laquelle ce type de chauf@age est surtout utilisé'.
Conformément à .la présente invention, on résoud de façon très satisfaisante les problèmes ci-dessus en réalisant le procédé du brevet en question dans un four comportant un garnissage (au contact de la charge) de carbone ou de graphite chauffé à une température suffisamment élevée pour faire fondre la charge entièrementpar conduc- tion de chaleur à partir du garnissage en'carbone ou en- graphite. :
Le caroone ou le graphite du garnissage doit être s@nsiblement exempt de toute substance avec laquelle le composé contenant du bore et de l'oxygène réagit de façon nuisible aux températures régnanteso Le graphite est le type de carbone préféré car il est plus dense et 'brûle moins rapidement que d'autres types de carbone disponibles.
Le grapnite "Acheson"de qualité supérieure convient admirable- ment pour l'application de l'invention. Le garnissage en car- bone ou en graphite peut être chauffé directement et loca- lement de tout-' @@@on a@@@ropni@e, per x mple au moyen de résistances électriques qui y sont associées,par induc- tion, par courants de Fodcault,etc. De préférence, le four est du type à induction, sans noyau, comportant un creuset fait ou garni de graphite de qualité supérieure. Le creuset ordinaire én carbone ou graphite, qui est fréquemment men- tionné dans la littérature technique ou dans les brevets, contient en général de l'argile ou matière analogue, comme liant, et il ne convient pas pour la présente invention.
La
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matière réfractaire faite de'carbone ou de graphite.envi- sagée selon la présente invention doit être sensiblement exempte de silicates, d'oxydes métalliues et de substances analogues réagissant avec le borax (ou composés de bore et d'oxygène équivalents), aux températures élevées.
En outre du.'fait qu'il résoud 'le problème ci.-dessus de l'installation, le four à induction sans noyau présente d'autres avantages. Avec 'un creuset en'graphite, le -four fonctionne sous une puissance très constante car le creuset absorbe tous les, courants de Foucault. Le creuset devient la partie la plus chaude du four et la charge fond entière- ment par conduction de la chaleur à partir du creuset. La couche de métal fondu qui se trouve dans le fond du. creuset est engénéral plus chaude que la c ouche de borate fondu. qui se trouve au-dessus et ceci est une condition intéres- 'sante car elle améliore la vitesse de volatilisation du ma- gnésium et permet la dissolution rapide du bore dans le cuivre.
On peut installer de plusieurs façons ,un garnisaa- ge de carbone ou. de graphite dans le creuset ou le foyer d'un four à induction sans noyau. Dans un petit four, on peut garnir le creuset d'un mélange plastique, de graphite conte- nant un liant carboné, par exemple du brai ou une solution de sucre, Dans de grands fours, on peut utiliser des gar- nissages faits d'un bloc circulaire préalablement formé avec des joints assemblés au moyen d'une pâte de graphite.
La façon de faire préférée actuelle consiste à tourner le creuset dans des. électrodes de grpnite "Acheson"de qualité supérieure. On trouve actuellement de ces électrodes avec des -diamètres de 60 cmso Une épaisseur -de parois de creuset convenable est de 75 mm et il est ainsi possible d'avoir. des dimensions intérieures de.35 cms de diamètre sur environ 75 cms de haut ce qui.est une forme qui permet un type de four- satisfaisant.. Ce creuset peut dpnner environ 225 Kgs d'alliage de cuivre et de bore par chauffe,, en 60 à 90 minutes.
On peut recouvrir presque complètement' le dessus ouvert du creuset du four à induction au moyen d'un couvercle réfractaire pratiquement de'n'importe quel type-car il faut éviter le contact du couvercle avec le borax ou. avec l'allia- ge. S'il est bon d'avoir une surface de travail considéra- ble dans le couvercle, la partie exposée du creuset, c'est- à-dire, la partie .qui est au-dessus de.'la charge peut être
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protégée en outre par une atmosphère rédactrice. ,Il n'6 a qu'une légère réaction, s il y en a une, entre le borax fondu, et le creuset en grapnite. La perte du creuset est surtout due à la combustion du fait de l'exposition à l'air et ceci est empêché dans une certaine mesure par l'action vitrifiante du borax fondu.
On coule toute la masse en petits lingots ou piliettes après avoir' écume la scorie ou l'avoir décantée.
On peut également la mettre en grains en versant le métal et la scorie dans l'eau. Le métal forme des grains assez
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gros et la scorie 'd..:t boraté 'e désintégre en donnant une di- mension de particules qui permet une bonne séparation du métal d'avec la scorie en les tamisant avec des tamis à ou- vertures de mailles de 1676 à 776 microns.
Dès que l'on a coulé la charge, on recharge une nouvelle quantité de borax dans le creuset et le cycle re- commence. Si ce borax contient de l'eau de cristallisation, il gonfle un peu avant :le fondre mais ily a suffisamment de place dans le creuset pour le/permettre. Le degré d'hydra- tation du borax importe peu et n'entraîne qu'une petite perte de temps et une légère augmentation de la puissance requise.