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PROCEDE DE COMPRESSION PAR EXPLOSION, DE COMPOSITIONS EN POUDRE.
La présente invention est relative à un procédé de compression explosive de compositions métalliques pulvérulentes et, plus particulière- ment, à la réalisation de cette compression dans un milieu fluide.
Lorsqu'on moule des objets faits de métaux ou de composés de mé- taux pulvérulents., ou de mélanges de ces corps, en particulier des objets faits en borures,nitrures et carbures durs de différents métaux:, avec ou sans liants, ces objets devant être ensuite frittés pour les amener à un état cohérent et agglomérée il est particulièrement avantageux de réaliser un tas- sage dense,, non poreux et uniforme, de la matière pulvérulente pour la met- tre dans une forme intermédiaire qu'elle conserve d'elle-même, avant le frit- tage.
Bien que le procédé soit propre à être utilisé en combinaison avec la compression d'objets comme décrits dans le brevet des Etats-Unis, n 2.220.018 du 29 octobre 1940, qui décrit l'utilisation d'un sac mince en caoutchouc pour maintenir les particules sous forme lâche et pour déterminer la forme moulée à produire finalement, il convient également au tassage fi- nal d'objets préalablement conformés par une opération de moulage prélimi- naire à basse pression. Le procédé de l'invention soumet ces compositions à un tassage sous pression explosive de très grande valeur, dans un fluide, afin que la briquette ou objet tassé ainsi formé, soit rendu extrêmement et uniformément dense.
L'état uniformément dense d'objets tassés obtenu par le procédé de l'invention aide beaucoup à la solidité de l'objet lorsqu'il est fritté et réduit au minimum la distortion et le gauchissement pendant le frittage.
La compression uniforme dans tous les sens sur la composition, obtenue par application de forces explosives sur un milieu fluide confiné qui contient cette 'composition, donne lieu à la formation d'un objet dans lequel il n'y a pas de tension intérieure résultant de forces inégalement répar- ties agissant sur lui, comme cela se produit lorsqu'on comprime ces compo- sitions dans un moule ou une matrice rigide,
Dans la mise en oeuvre du procédé, on utilise une gaine imperméa-
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ble au fluide, en forme de sac, dans laquelle sont placées les matières pulvérulentes ou l'objet préalablement conformée qui doit être finalement comprime à l'état tassé par explosion, ce sac étant de préférence en caout- chouc ou une matière analogue à du caoutchouc, élastomère et imperméable au fluide,
de sorte que, pendant la compression, la composition est protégée de tout contact avec le fluide dans lequel le sac est placé avant l'explo- sion ou contre la pénétration par ce fluide. Le fluide est contenu dans une chambre dans laquelle on applique des forces explosives. En appliquant le procédé et le dispositif selon l'invention, on peut obtenir en série des objets supérieurs en métal ou en composition métallique pulvérulente et cela à bon marché, rapidement et avec des résultats uniformes.
En générale le dispositif utilisé pour la mise en oeuvre du pro- cédé comprend une chambre de compression contenant un fluide, et d'une ré- sistance suffisante pour résister à l'éclatement sous l'effet des forces ex- plosives développées intérieurement, la chambre présentant une ouverture qui peut être réunie de manière hermétique à une chambre de tête d'explosion contenant un piston poussé par l' explosion contre le fluide contenudans la chambre de compression.
Au débuta l'objet fait des particules à tasser est placé dans la gaine dont on a de préférence vidé l'air ou le gaz et on place celle-ci dans la chambre de compression qu'on remplit alors d'un fluide, par exemple d'eau, jusqu'au bord. On place alors le piston dans la chambre à explosion, qu'on a préalablement bourrée d'un explosif, tel que de la poudre. On ac- couple ensuite cette chambre et le piston à la chambre de compression de façon que le piston s'appuie contre le fluide et on fait détonner la char- ge explosive. Au bout de peu de temps, les gaz de l'explosion, qui ont ef- fectué leur travail, sont évacués de la chambre d'explosion par un obtura- teur spécial, on sépare la chambre d'explosion et le piston de la chambre de compression et on retire l'objet, finalement tassé, du fluide et de la gaine qui l'entoure.
On a constaté que les objets ainsi tassés ont une densité beau- coup plus grande et plus uniforme que ceux tassés par l'un quelconque des procédés antérieurement connus, et que le produit final, après frittage, présente moins de gauchissement et de porosité et une plus grande résistan- ce. Pour des objets tassés et frittés nécessitant une résistance considéra- ble, égale dans toutes les directions, par exemple des galets ou cylindres, le procédé est d'un intérêt considérable du fait que la pression de tassage, également dirigée par le fluide de tous les côtés, donne un état uniforme de densité et de résistance dans la masse de chacun de ces objets.
En. conséquence, la présente invention vise un procédé de tassage de poudres métalliques ou de compositions à base de poudres métalliques, dans un milieu fluide 'auquel des forces de compression sont appliquées par explosion.
D'autres avantages et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-dessous, en référence aux dessins annexés dans lesquels
La figure 1 est une coupe du dispositif représentant un sac con- tenant un objet placé dans la chambre de compression dans l'état voulu pour provoquer une explosion.
La figure 2 est une vue correspondante à celle de la figure 1, après que l'explosion a eu lieu, certaines des parties étant représentées avec des arrachements et d'autres en élévation.
La figure 3 est une vue extérieure en bout de la tête d'explosion.
La figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 1.
Les figures 5 et 6 sont respectivement des vues en bout et des cô- tés du piston.
La figure 7 représente en détail, avec parties en coupe, le dispo- sitif d'allumage qui fait détoner la charge explosive.
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La figure 8 est une vue de l'extrémité du dispositif d'allumage de la figure 7 montrant l'intervalle d'allumage entre les électrodes.
La figure 9 est une vue de détail de la soupape de décharge de la chambre d'explosion avec certaines parties arrachées pour montrer l'inté- rieur.
La figure 10 est une coupe du pointeau de décharge de la figure 9.
La figure 11 est une vue de détail du siège du pointeau des fi- gures 9 et 10.
La figure 12 est une coupe du dispositif de soupape de décharge des figures 9 et 10, suivant la ligne 12-12 de la figure 10.
La figure 13 est une vue de détail de l'électrode d'allumage cen- trale de l'allumeur représenté sur la figure 7, et montrant son isolement.
La figure 14 est une coupe suivant la ligne 14-14 de la figure 13.
Sur. les dessins., les différentes coupes sont observées en regar- dant dans la direction des flèches portées par les lignes de coupe, et les mêmes références désignent les mêmes parties sur toutes les figures.
Sur les figures 1 et 2, on voit une chambre de compression 20, mé- nagée dans un corps cylindrique 21, en métal doux, pourvu d'un manchon ou frette de renforcement 22 qui l'emboîte étroitement pour augmenter sa résis- tance. La chambre de compression 20 est ouverte à l'extrémité 23 du corps 21 et une partie plus large de cette ouverture est taraudée en 24 pour recevoir le raccord fileté 25 d'une tête ou culasse d'explosion 26 présentant une chambre d'explosion 27 débouchant extérieurement dans le raccord fileté 25.
L'extrémité du raccord de la culasse d'explosion présente un épaulement 28 qui vient s'appliquer contre un joint 29 d'étanchéité pour le gaz et le liquide,, ce joint s'appuyant sur un épaulement 30 de la chambre de compres- sion, de manière à constituer une fermeture étanche au gaz et à l'eau. La culasse d'explosion 26 est aussi pourvue d'un manchon de renforcement ou frette cylindrique 3 la. qui s'adapte étroitement sur elle pour augmenter sa résistance.
La chambre d'explosion 27 est cylindrique et contient un piston cylindrique 31 qui s'ajuste dans le cylindre en y confinant une charge ex- plosive 32. L'explosion de cette charge 32 pousse le piston vers la cham- bre de compression 20 et exerce une pression sur le fluide 33 qui peut être de l'eau.
Lorsqu'on assemble le dispositif pour effectuer une opération.. le corps 20 est placé debout sur son extrémité 34 et on y introduit l'objet à former ¯.. enfermédans une gaine en caoutchouc,. en forme de sacs de laquel- le on a, de préférence, retiré tout l'air ou le gaz. On visse alors la cu- lasse d'explosion avec la charge de poudre'32 qu'elle contient et le piston 31 serré sur cette charge,, dans le corps de compression 21, à l'aide d'un outil introduit dans des trous 26a (figure 3), jusqu'à ce que l'épaulement 28 soit solidement serré contre le joint 29 qui s'appuie sur l'épaulement 30.
Pendant cet accouplement de la culasse d'explosion et du corps de compres- sion,l'excès d'eau est expulsé le long des filets 24 jusqu'à ce que l'ac- couplement final et l'étanchéité entre ces deux pièces soient réalisés. De cette façon, il ne reste ni air ni gaz dans la chambre de compression 20, ce qui autrement tendrait à réduire l'effet de l"explosion qui chasse le pis- ton 31 contre le fluide.
Le dispositif d'allumage pour faire détonner l'explosif contenu dans la chambre 27, comprend'deux électrodes 35 et 36 (voir figures 1 et 7) entre lesquelles est montée en série une amorce électrique. Un "champignon" 38, pourvu d'une tige 39, est placé, la tige d'abord, dans un trou 40 de l'extrémité 41 de la culasse d'explosion, la tête plus large 38 s'engageant dans une partie plus large 42 de l'alésage 41 et elle est appliquée de façon étanche par l'intermédiaire d'un joint 43 contre un épaulement 44. La tige 40 présente une extrémité filetée qui s'étend au-delà de l'extrémité 41 de
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la culasse d'explosion et, sur laquelle,
se visse un écrou de retenue 42' servant à maintenir la tête 38 dans la partie 42.De petits trous 44a sont prévus dans l'écrou 42' pour y introduire un outil de serrage. L'électrode 35 (figures 7, 13 et 14) passe dans un trou axial 45 de la tige 39 et dans le trou large 46 de l'extrémité de la tête 38 tournévers la chambre d'ex- plosion. La partie de l'électrode 35 se trouvant dans la tige 39 est recou- verte d'une gaîne isolante 46a pour empêcher un court-circuit avec cette tige.
Pour permettre à l'assemblage de l'électrode 35 et de la tête 38 de résister à la pression, une rondelle conique 47 en matière résineuse dure, une rondelle 48 en une matière de garniture élastomère, une rondelle 49 en une matière résineuse dure,, une rondelle 50 en une matière de garniture élastomère et une rondelle 51 en amiante, sont serrées par un écrou 52 vissé sur l'électrode 35, ce qui bloque efficacement cet électrode sur la tête en l'empêchant d'être expulsée et en empêchant le passage des gaz produits par l'explosion au moment de la détonation. L'électrode 36 est reliée électri- quement à la partie large ou tête 38 du champignon qui est en contact élec- trique avec la culasse d'explosion.
L'extrémité filetée, en saillie, de l'électrode 35 (figure 7) est munie d'un écrou 55 qu'on peut serrer contre une rondelle isolante 55a et au moyen duquel on peut fixer un conducteur électrique. Au moment où on désire faire détonner l'explosif., on ferme un circuit électrique pour allumer l'amorce électrique qui comprend une bou- cle de fil chaud noyé dans une poudre d'allumage contenue dans un petit cylindre métallique.
Afin que la pression créée dans la chambre d'explosion par la dé- tonation de l'explosif puisse être supprimée à la fin du tassage, pour pou- voir séparer la culasse d'explosion du corps de compression, il est prévu une soupape de décharge qui est représentée en détail sur les figures 9, 10, Il et 12. Le corps de cette soupape est représenté sur la figure 1 comme étant vissé dans une ouverture taraudée 60 ménagée dans l'extrémité 41 de la culasse d'explosion.
En se reportant aux figures 9 à 12, plus détaillées on voit que le corps 61 est fileté en 62 de manière à pouvoir se visser dans le trou taraudé 60 de la chambre d'explosion (voir figure 1)., un épaulement 63 de ce corps venant buter contre un épaulement 64 (figure 1) de la culasse d'ex- plosion, avec interposition d'un joint 65. Le corps 61 présente un alésage axial taraudé en 65a pour recevoir, à travers l'ouverture 66, un pointeau 67 rendu étanche à la pression par une bague de presse-étoupe 68 et une garniture 69 maintenues en place par un écrou 70 vissé sur l'extrémité file- tée 71 du corps 61. L'extrémité intérieure de l'alésage de ce corps forme siège 72 dans lequel débouche un passage très étroit 73 conduisant à l'ex- trémité intérieure 74 du corps 61.
Le pointeau présente une extrémité co- nique 76 qui pénètre dans le siège 72 lorsque ce pointeau est vissé inté- rieurement jusqu'à sa limite, en fermant ainsi le passage pour le gaz ou l'eau à travers la petite partie 73 de l'alésage axial du corps de soupape, Le pointeau présente un méplat près de son extrémité 76, en 77, de façon à laisser un jeu 78 dans lequel débouche une ouverture 79 en communication avec un alésage axial 80 qui s'étend jusqu'à l'ouverture 81 située à l'ex- trémité extérieure de la tige 67 du pointeau, de sorte que, lorsqu'on dé- visse cette tige pour écarter le pointeau de son siège, en tournant la par- tie prismatique 83, les gaz de l'explosion peuvent s'échapper, de façon réglée, par le conduit 80.
L'extrémité de la tige 67, par laquelle le gaz s'échappe, peut présenter des gorges en 82, de manière à former raccord sur lequel peut se fixer un tuyau souple, de sorte que les gaz, qui peuvent être toxiques ou corrosifs, peuvent être amenés à tout endroit convenable.
En se reportant à la figure 1, on voit un petit conduit 85 qui va de la chambre d'explosion 27 au fond de l'alésage 60 dans lequel on introduit le corps du pointeau de sorte que, lorsqu'on dévisse le pointeau 76 pour l'é- carter de son siège, il existe un petit passage continu pour l'évacuation des gaz de l'explosion.
Sur les figures 1 et 2, on a représenté respectivement l'état du dispositif avant que se produise une explosion et l'état après l'explo-
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sion et on a représenté l'effet de celle-ci sur un objet en forme de cube ou une masse, de poudre 'enfermée dans une gaine en caoutchouc dont on a préalablement retiré l'excès d'air et de gaz. On voit que l'objet contenu dans le sac 86, comme le montre la figure 1, a des dimensions linéaires légèrement plus grandes que le même objet après l'explosion, comme le mon- tre la figure 2, le changement volumétrique étant égal au déplacement du fluide provoqué par la partie 'du piston 31 qui a pénétré dans la chambre a fluide 20 à la fin de l'explosion.
La forme particulière de l'objet à traiter représenté a été choisie cubique uniquement pour la commodité de la représentation et il est bien entendu que l'objet peut avoir une forme quelconque et qu'il est tassé uniformément du fait de la pression hydrau- lique égalisatrice. -La -quantité de fluide déplacée par le piston 31 dans la chambre de compression est une mesure du tassage obtenu par l'explosion, Il est bien entendu que l'objet n'est pas nécessairement en forme de bri- quette obtenue par un premier tassage léger de la matière, car on peut met- tre dans ces sacs de la poudre métallique non tassée en lui donnant une conformation déterminée par les propriétés élastomères du sac, cette con- formation se conservant et donnant un corps cohérent après que l'explosion a eu lieu.
Lorsqu'on applique le procédé pour faire, de façon analogue, un certain nombre d'objets en une série d'opérations, il est bon que les résultats obtenus dans chaque cas soient les mêmes. Dans ce but, les dimen- sions initiales, le degré de tassage initial, la charge de poudre et sa densité de charge doivent être les mêmes pour chaque opération.
La meilleure gamme de pressions pour le moulage de composés de carbure métallique dur, tels que le carbure de tungstène ou des carbures de tungstène mélangés, ou d'autres carbures, est comprise entre 3500 et 4200 kg/cm2, ce qui nécessite de 2 à 3 grammes de poudre explosive par cm3 de tassage du ou des articles si l'on utilise des poudres sans fumée ordinai- res, à simple ou double base, d'épaisseur de 0,55 à 3,8 mm. Les poudres du type de l'armée, avec grains perforés, sont utilisables de façon satisfai- sante avec le dispositif ci-dessus, mais de la poudre noire convient égale- ment.
Dans le fonctionnement de ce dispositif, il est bon que la pres- sion ne se développe pas trop rapidement, pour obtenir le meilleur résultat, la pression maximum doit être obtenue au bout de 25 à 50 millisecondes.
Certaines dimensions des différentes parties du dispositif ont donné satisfaction et on les indique ci-après, mais elles ne doivent pas être considérées comme limitant en aucune façon l'invention, car on peut admettre de grandes différences dans les dimensions et même dans la forme de construc- tion.
Dans un dispositif tel que celui qui est représenté, avec une chambre d'explosion de 7,6 cm de diamètre 17,7 cm de longueur, un piston de 15,2 cm. de longueur et un diamètre donnant un jeu de 0,012 mm, a donné satisfaction en l'utilisant avec une chambre de compression cylindrique ayant une longueur d'environ 33 cm. et un diamètre d'environ 9,5 cm. Dans un dispositif ayant ces dimensions, un boudin de carbure de tungstène, tassé à la main, ayant un volume initial de 185 cm3, est finalement tassé en utilisant 130.grammes de poudre sans fumée à base unique, d'épaisseur de 0,55 mm et chargée à une densité comprise entre 0,70 et 0,90.
Le volume final du boudin a été d'envi- ron 130 cm3, en réalisant une compression de 55 cm3, ce qui équivaut à en- viron 2,4 grammes de poudre par cm3 de compression. La pression atteinte dans ces conditions est d'environ 3570 kg par centimètre carré. L'exemple ci-dessus donne une idée des résultats,qu'on peut attendre pour le tassage.
En pratique, il est bon de placer le dispositif dans une fosse en béton, à parois épaisses, les.fils d'allumage venant à l'opérateur qui se trouve à une certaine distance et qui. est protégé. De façon commode on peut libérer les gaz de l'explosion en environ 1/2 minute en ouvrant le pointeau.
Si l'utilité s'en fait sentir, avec un type particulier de poudre de moulage, on peut maintenir une pression appréciable pendant longtemps, suivant l'effi- cacité du système de fermeture utilisé.
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On a constaté que la densité de chargement de la poudre n'a pas besoin d'être supérieure à 0.70 à 0.90, ces chiffres représentant le rap- port entre le poids de l'explosif formant la charge et le poids d'eau qui remplirait complètement le même volume de la chambre d'explosion occupé par l'explosif.
Dans la mise en oeuvre du procédé, on met la poudre métallique @euble ou une briquette tassée, faite de celle-ci, sous faible pression, à la forme désirée, dans une gaine élastomère résistante au fluide, en for- me de sac, l'air étant retiré autant que possible du sac qui est ensuite fermé par exemple par ligature. On met alors la matière protégée dans la chambre de compression et on remplit. celle-ci d'eau jusqu'au bord. On visse alors la culasse d'explosion chargée, avec le piston serré contre la poudre dans l'extrémité contenant cette poudre, sur le corps de la chambre de com- pression de façon que le piston s'appuie contre l'eau sans qu'il y ait d'air ou de gaz restant pour amoindrir l'effet de choc du piston lorsque l'explo- sion se produit.
La culasse d'explosion et le corps de la chambre de com- pression sont accouplés étroitement de manière à maintenir la pression.
On allume' alors la charge explosive en établissant un circuit électrique passant par l'amorce électrique qui se trouve dans la chambre contenant la poudre, par exemple en utilisant une batterie reliée, d'un cote du circuit, à l'électrode centrale et, de l'autre côté, au corps de la culasse d'explo- sion, Après que l'explosion a eu lieu, on supprime la pression en ouvrant le pointeau, au bout d'environ 1/2minute, on enlève la tête d'explosion, on prend le produit final dans la chambre à fluide et on le retire de la gaine.
La gaine étant résistante au fluide, empêche ce dernier de pé- nétrer, pendant que s'exerce la pression provoquée par l'explosif, dans l'ob- jet plus ou moins poreux, pendant que le tassage a lieu.
Il est important que le fluide soit enfermé de façon étanche dans le dispositif alors même que l'atmosphère ou le gaz en a par ailleurs été re- tiré, de telle sorte que la poussée du piston sur le fluide et son déplace- ment ne provoquent pas l'expulsion de ce fluide et que- le piston ne puisse se déplacer dans le fluide pour venir frapper la pièce qu'il contient.
Il est évident que les différentes parties du corps de la chambre de compression, 'de la culasse d'explosion, du mécanisme de pointeau de ré- duction de pression et du mécanisme d'allumage, ainsi que le piston, peuvent être faits en un métal résistant, tel que ceux utilisas pour l'armée ou pour d'autres dispositifs à haute pression.
L'utilisation combinée d'un fluide transmettant la pression et d'une force explosive appliquée sur lui, pour comprimer la matière ou la poudre tassée qu'il contient et qui est protégée contre le fluide, donne un produit très supérieur lorsque la résistance et la densité de l'objet tas- sé et son absence de porosité sont des caractéristiques recherchées.
Le produit exceptionnellement et uniformément dense obtenue de cette façon, non seulement est de plus grande résistance, mais il est aussi uniforme sans tension ni criques, et doué d'une plus grande résistance du fait de la meilleure réunion de ses particules.
Il est évident qu'on peut modifier dans une certaine mesure les détails de l'opération sans pour cela. sortir du cadre de l'invention.