<Desc/Clms Page number 1>
" Fabrication améliorée de pièces coulées en acier ou alliages d'acier "
Cette invention a trait à un procédé amélioré pour la fabrication de pièces coulées en acier ou alliages d'acier.
C'est un objet de l'invention que de présenter un procédé pour produire des pièces coulées en acier ou en alliages d'acier qui demande peu ou pas d'opérations de meulage, qui soit bon marché et qui n'exige pas de vastes installations et l'entretien de fours électriques et un nombreux personnel qualifie* 'invention consiste en un procédé pour produire des coulés d'acier ou d'alliages d'acier, laquelle comprend la préparation de l'acier ou de l'alliage d'acier fondu par
<Desc/Clms Page number 2>
le procédé aluminothermique, en allumant un mélange de minerais de fer et d'aluminium en poudre ou sous forme granu- laire, la coulée du métal fondu dans un moule à centrifugation et la centrifugation du moule.
On voit ainsi que l'invention est basée sur la com- binaison du procédé aluminothermique, connu généralement sous le nom de " procédé à thermite " et employé largement dans le métier de la soudure, et du procédé de moulage par centri- fugation, qui est généralement employé dans la fabrication de tuyaux de fonte à eau ou à gaz et dans quelques fonderies d'acier. L'acier nécessaire pour le moulage par centrifugation a généralement été fabriqué dans des fours électriques.
En réalisant cette invention, des moules à fonte permanents ou des moules de sable peuvent être employés pour le moulage par centrfiguation. Des produits semi-finis, tels que les billettes, les brames, les barres et les ébauches peuvent être produits rapidement et à bon marché. La qualité des coulés est égale à celle produite par forgeage, sans inclusions, bulles de gaz, porosité ou autres défauts. Le - rendement à partir du métal fondu peut atteindre 95 à 100% du total.
Si l'on désire produire de grandes quantités de coulés, demandant un minimum d'usinage, le métal fondu est coulé dans plusieurs moules à centrifugation superposés à travers une ouverture centrale. Cette méthode est connue sous le nom de " procédé de moulage en tas ".Les poules sont préparés avec du sable, sèches et mis sur la machine centrifuge plusieurs moules étant superposés, à la suite de quoi, un grand nombre de coulés peut être produit rapidement et à bon marché lors d'une seule opération de coulée.
Comme ni les trous d'évent ni les masselottes ne sont nécessaires, le rendement est plus élevé que celui qui est
<Desc/Clms Page number 3>
obtenu par des méthodes statiques, et 65 à 80% du volume total est rendu sous forme de bonnes pièces, donnant ainsi lieu à une économie dans le coût de la refonte.
Si l'on désire obtenir des pièces d'acier petites ou moyennes de haute précision, le moule est préparé par serrage d'une composition réfractaire à moule autour d'un modèle de cire ou d'une autre substance à bas point de fusion, et le tout est soumis à la chaleur afin de conso- lider la composition réfractaire et afin de fondre le mo- dèle, après quoi,, on peut laisser couler hors du moule la cire ou l'autre substance. L'acier fondu produit par le mélange aluminothermique est coulé dans le moule et le moule est placé sur l'appareil centrifugeur, comme ci-dessus.
Cette méthode de préparer le moule est employée dans la fabrication des moules de précision, plus communément connue sous le nom de " procédé de la cire perdue " ou procédé de moulage à enveloppe de précision, qui a été employé dans la joaillerie et la technique dentaire pendant les quarante dernières années, en employant des moules faits de plâtre de moulage.Ce dernier matériau ne peut pourtant être employé pour mouler l'acier car la température de l'acier fondu est trop élevée*
Dans le procédé selon l'invention, le procédé alumine thermique est employé pour fabriquer avec des frais raison- nables tous les types de'l'acier, tels que l'acier doux, 1' acier au carbone, l'acier au chrome-nickel, l'acier au manga- nèser, l'acier inoxydable, l'acier rapide, etc...avec une maîtrise parfaite de l'analyse.
Le coût de l'installation nécessaire pour fabriquer l'acier par cette méthode est in- signifiant.
Les matières employées, le minerais de fer et 1' aluminium sous forme d'une matière stable granuleuse, sont non-explosives et leurs manipulations sont faites en parfaite
<Desc/Clms Page number 4>
sécurité . Ils sont aptes à produire une masse métallique en fusion à une température d'environ 2.480 C, s'il est nécessaire.
Ce mélange est si stable qu'une température d'environ 1.300 C doit être produite par la poudre d'allumage (généralement du bioxyde de barium et d'aluminium) pour amorcer la réaction.
Cette poudre d'allumage peut être amorcée elle-même par la chaleur d'une allumette ou d'une étincelle électrique.Lorsque le mélange est allumé, la réaction se propage dans la masse du mélange, libérant l'acier qui descend à l'état d'acier haute- ment surchauffé,en quelques secondes.
Si l'on veut, le mélange aluminothermique pe ut être employé sous forme de briquettes, de blocs ou de morceaux de toute forme ou dimension désirable, avant son emploi.
En préparant de tels mélanges, beaucoup de variables, déterminant la durée et la température de la réaction et 1' analyse chimique des métaux résultants, sont prises en considé- ration. Par exemple, l'addition d'oxydes ou d'éléments métalli@ e: tels que des pièces de métal, qui sont fondus pendant la réac- tion, peut obtenir une vaste variété des analyses des aciers ou alliages produits*
La température normale d'acier liquide demandée par la fonderie se situe entre 1.600 à 1.700 C.Cette température est un peu trop élevée pour la coulée, mais elle donne au préposé le temps de faire les additions spéciales ou d'exécuter d'autres manipulations nécessaires.
Pour abaisser la température produite par le processu aluminothermique, des additions de mitraille d'acier, d'allia- ges ou de ferro-alliages sont faites dans le mélange alumino- thermique. Cette addition est calculée selon la qualité requise et le pourcentage de l'addition varie selon le poids du mélange aluminothermique à employer.
En pratique, les pourcentages suivants peuvent être employés:
Jusqu'à 25 livres de mélange aluminothermique:5 à 15%
<Desc/Clms Page number 5>
De 25 à 50 livres de mélange aluminothermique: 15 à 30%
Plus de 50 livres de mélange aluminothermique: 30 à 50% et même plus, selon les besoins.
Ces pourcentages peuvent être augmentés considérable- ment si la mitraille d'acier ou les alliages ou les ferro-allia- ges sont préchauffés, par exemple, à 1.000 C.La quantité de mélange aluminothermique nécessaire pour fondre cette mitraille préchauffée à 1.000 C est très petite.Par exemple, 70 livres de mitraille d'acier ou d'alliages préchauffée à 1.000 C sont facilement fondus par 15 livres de mélange aluminothermique.
Le prix de revient de l'acier produit est très bas.
Dans certains cas, on peut désirer de réchauffer le mélange aluminothermique avant de l'allumer, et le moule ou les moules dans lesquels l'acier ou l'alliage d'acier est coulé peut ou peuvent aussi être préchauffés.
Le mélange aluminothermique normal est toujours pré- paré avec de l'aluminium pur, dont le prix est très bas mainte- nant, de l'ordre de 67 livres sterling par tonne.
Pourtant, si pour quelque raison le prix de l'acier doit être abaissé, la mitraille d'alliages d'aluminium peut être employée, mitraille contenant du cuivre, du nickel ou d'autres métaux outre l'aluminium pur, si le cuivre, le nickel ou les autres métaux ne nuisent pas à l'acier résultant.
La réaction aluminothermique est représentée par l'équation : F e O+ Al = 2 Fe + Al 0 .
2 3 2 2 3
La scorie résultant de cette réaction est l'alumine, dont le point de fusion est très élevé, à savoir, au delà de 2.000 C.
Dans le cas de soudure p r le procédé aluminothermique la température finale est supérieure à 2.500 C et la scorie est liquide.
En exécutant des coulées en moule par le procédé se-
<Desc/Clms Page number 6>
Ion l'invention, pourtant, si le mélange aluminothermique est mélangé avec un pourcentage élevé de mitraille ou d'alliages, la température de la réaction est considérablement abaissée et l'addition métallique est emprisonnée par un refroidissement trop rapide de l'alumine.
Pour éviter ce sérieux inconvénient et pour donner un distribution parfaite des calories nécessaires pour fondre ces pourcentages élevés d'additions de métal, le point de fusion de la scorie produite peut être réduit en ajoutant
EMI6.1
un fondant au mélange aluminothermique. Des exemples de font9!::1flt. convenables sont les oxydes, tels que la silice, la chaux, la magnésie, les carbonates de sodium ou de calcium, le silicate de calcium, le fluorure de calcium, le chlorure de sodium e t similaires.
Ces additions sont variables, selon la gangue du minerais employé dans le mélange aluminothermique.
En général, les pourcentages suivants donnent satis- faction : fluorine 10 à 20% du poids du mélange carbonate de calcium 5 à 15% du poids du mélange carbonate de sodium 10 à 15% du poids du mélange
Ce qui suit est un exemple de mélange préparé pour obtenir de l'acier inoxydable contenant 18% de chrome et 8% de nickel :
EMI6.2
<tb> Magnétite, <SEP> 69 <SEP> à <SEP> 71% <SEP> de <SEP> Fe <SEP> 72 <SEP> livres
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> pur <SEP> 24 <SEP> livres <SEP> 3 <SEP> 1/2 <SEP> onces
<tb>
<tb> carbonate <SEP> de <SEP> calcium <SEP> 3 <SEP> livres <SEP> 8 <SEP> onces
<tb>
<tb> Fluorine <SEP> 4 <SEP> livres <SEP> 8 <SEP> onces
<tb>
<tb> Carbonate <SEP> de <SEP> sodium <SEP> 4 <SEP> livres <SEP> 4 <SEP> onces
<tb>
EMI6.3
Fe rro- chrome , 0 05;
crbone 31 livres 12 onces
EMI6.4
<tb> 69% <SEP> Cr
<tb>
<tb> Nickel <SEP> 9 <SEP> livres <SEP> 5 <SEP> onces
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Mitraille <SEP> d'acier <SEP> (doux.
<tb>
<tb>
<tb> faible <SEP> pourcentage <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb> carbone) <SEP> 17 <SEP> livres <SEP> 10 <SEP> onces
<tb>
<Desc/Clms Page number 7>
Manganèse pur sans carbone 1 livre 4 onces Résultat : 1 cwt de métal donnant l'analyse suivante ( en pourcentages en poids) :
EMI7.1
<tb> carbone <SEP> 0,05
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,88
<tb>
<tb> silicium <SEP> 0,93
<tb>
<tb> phosphore <SEP> 0,025
<tb>
<tb> Soufre <SEP> - <SEP> 0,01 <SEP>
<tb>
<tb> chrome <SEP> 18,10
<tb>
<tb> nickel <SEP> 7,90
<tb>
<tb> aluminium <SEP> 0,05
<tb>
le restant étant du fer.
Ce métal est très doux, il est pliable à froid et se prête très aisément à l'usinage et au polissage, lorsqu'il est coulé par le procédé selon l'invention.
Le procède du moulage de précision ne demande pas beaucoup de métal pour chaque coulée, mais demande du métal fondu souvent.Le procédé aluminothermique peut assurer la four- niture de métal fondu toutes les 5 minutes si nécessaire. cause de la simplicité de la méthode et de l'équi- pement nécessaire, le procédé peut être employé par tous, sans connaissances spéciales et sans le matériel électrique très coûteux des fours électriques.
La production de coulés en acier dépourvus de bulles de gaz et de pores est très difficile avec les méthodes sta- tiques des fonderies.
La méthode de coulée en matrice employée avec le laiton, les alliages d'aluminium et d'autres métaux à bas point de fusion, ne peut être employée avec l'acier et'les alliages d'acier, car le point de fusion de ceux-ci est trop élevé.
Le procédé du moulage de précision employé conjointe ment avec l'appareil du moulage par centrifugation permet la fabrication de pièces d'acier de grandeur moyenne et petite,
<Desc/Clms Page number 8>
de haute précision, à un prix de revient raisonnable, avec une économie effective de centaines d'hommes-heures, et la suppression de différentes opérations où participent des outils
La méthode combinée de moulage de précision et par centrifugation est simple et beaucoup moins difficilel que les méthodes de moulage ordinaires employées actuellement en fonderie.
D'autres avantages de la méthode combinée consistent en ce qu'elle permet que les pièces coulées soient faites dont la qualité soit largement équivalente ou supérieure à celle des pièces forgées, et, en comparaison avec les méthodes de fon- derie ordinaires, les pièces produites sont plus saines et plus propres, elles ont une plus grande résistance à la rupture elles peuvent être facilement inspectées et elles peuvent être aisément produites en série. En comparaison avec les pièces forgées, les pièces faites par ma méthode combinée, peuvent être directement faites aux dimensions requises défi- nitives, ce qui économise du temps et de la matière.
Les coulés sont dépourvus de propriétés direction- nelles que l'on trouve dans les pièces forgées. Une pièce coulé par centrifugation diffère considérablement danssa structure d'une pièce forgée de la même dimension et de même forme.Le grain est uniforme et seul le traitement thermique peut changer la dimension des cristaux.
Le moulage de précision et par centrifugation attei- gnent à l'économie maximum lorsque les moules peuvent être préparés pour la production en série.
On obtient un rendement bien supérieur de la même quantité de métal fondu, parce qu'on ne doit pas prévoir de surplus pour les amorces de coulée, les évents, les masselottes et similaires, si bien que 95% du volume total du métal fondu est rendu sous forme de pièces coulées. Il y a ainsi une éco- nomie de prix de revient de refonte et il y a moins de travail de finissage .
<Desc/Clms Page number 9>
La manufacture de pièces d'acier ou d'alliages d' acier par la méthode combinée est très simple et ne nécessite pas l'emploi de mouleurs qualifiés. La séquence suivante des opérations représente une réalisation préférée du processus selon l'invention, tels qu'il est appliqué à la production de pièces coulées de haute précision.
A. Un modèle de métal ou de bois est fait de la pièce désirée.
B. A partir de ce modèle, un moule principal est fait.
C. Un modèle de cire est fait à partir du moule prin- cipal et est employé pour remplir partiellement l'espace du moule pour usage dans l'installation de centrifugation, après qu'il a été enrobé de matière réfractaire à point de fusion éle- et le moule est rempli de matière réfractaire.
D. Les modèles de cire sont fondus dans une étuve pendant le séchage, laissant le moule libre de cire. Le moule est alors placé dans la machine de centrifugation.
E. La quantité nécessaire de mélange aluminothermique du type qui donne de l'acier ou de l'alliage d'acier de la qualité désirée, est allumée dans le creuset et après deux mi- nutes environ, l'acier liquide est coulé dans la machine à mouler centrifuge en mouvement. Après deux minutes encore, la machine est arrêtée et le moule rempli d'acier est enlevé et remplacé par un autre, un autre creuset rempli est allumé, etc..
Des matières réfractaires spéciales à haut point de fusion diverses peuvent être employées.Il est essentiel que ces réfractaires ou ces liants ne contiennent pas d'ingrédient qui réagisse chimiquement avec le métal de la coulée, car cela peut donner lieu à un dégagement de gaz ou à une oxydation qui com- promettrait le fini de la pièce. Pour assurer un fini extérieur convenable, la finesse des grains moyens des matières réfrac- taires ou liants doit être de 300 à 500 mailles par pouce, ce
<Desc/Clms Page number 10>
qui est plus fin que le sable de bonne qualité.
Le modèle de cire doit être enrobé de matière réfrac- taire aussitôt que possible, car la cire est sujette à des déformations plastiques sous son propre poids. Dans ce but, une solution d'oxyde de zirconium spécialement préparé ou une préparation de silicate d'éthyle est recommandée.
Pour remplir le moule contenant les modèles de cire protégés, ilst pas nécessaire d'employer l'oxyde de zirconi@ préparé ; la silice ou la magnésie, avec ou sans terre à foulon ou silicate d'éthyle, peuvent être employés.
La matière la plus employée est la cire. Certains plastics, tels que le polystyrène peuvent être employés.
La. cire, qui est à base de paraffine, est de préfé- rence modifiée par l'addition d'un ou de plusieurs corps sui- vants : cire d'abeille, carnauba, damar, cérésine, résine. Un exemple d'une cire composée convenable à la composition sui- vante en pourcentages en poids :
EMI10.1
<tb> Carnauba <SEP> 30
<tb>
<tb> Cire <SEP> de <SEP> paraffine <SEP> 55
<tb>
<tb> Cire <SEP> d'abeille <SEP> 5
<tb>
<tb> Cérésine <SEP> 5
<tb>
<tb> Résine <SEP> 5
<tb>
En préparant le modèle principal, il est nécessaire de permettre les divers rétrécissements et expansions. Ces prévisions ajoutent ou retranchent aux dimensions. Les expan- sions comprennent l'expansion de solidification de la matière réfractaire et l'expansion thermique pendant le séchage, et les rétrécissements sont dûs au rétrécissement ou modèle de cire et à celui de moulage du métal.
Le résultat net de ces expansions et rétrécissements est que le modèle doit être toujours fait plus grand.
On peut désirer de soumettre les pièces d'acier cou- lées par le procédé selon l'invention à un traitement thermique
<Desc/Clms Page number 11>
tel que le recuit ou la normalisation, d'après la composition du mélange aluminothermique employé dans la production initiale de l'acier ou de l'alliage d'acier et la qualité du métal produit.
Bien que dans la description ci-dessus l'application de l'invention à la production de coulés de haute précision ait été décrite avec l'emploi de moules préparés par le procédé de la cire perdue, on comprendra qu'elle n'a été donnée qu'à titre d'exemple d'une réalisation préférée de l'invention et que l'invention n'est pas limitée à l'emploi d'un type particulier de moule.