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La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif correspondant à ce procédé pour la fusion de métaux à point de fusion éle- vé, tels que le tungstène, et pour la conformation par moulage à 1 -état fon- du.
On sait que la fusion du tungstène dans des creusets ne peut pas être effectuée. On ne connaît pas, d'une part, de creusets qui ne se combi- nent pas à ce métal au point de fusion de celui-ci (3150 ) et le tungstène ne se liquéfie pas, d'autre part, lors de l'opération de fusion de la même manière que d'autre,-métaux fusibles,mais passeuniquemetn àun état pâteux, à partir duquel il commence à se sublimer à 3450 . Cette particularité empê- che une fusion et une coulée de nature classique.
Cette difficulté est actuellement évitée en utilisant le procédé par frittage pour la fabrication de lingots, de blooms ou de corps moulés de ces métaux difficilement fusibles. Toutefois, le frittage nécessite une ins- tallation encombrante et coûteuse, avec laquelle on n'obtient d'ailleurs, avec des frais de revient élevés, que des corps de frittage à section rela- tivement petite. En outre, on n'a pas encore réussi jusqu'à présent à obte- nir par frittage un métal compact et homogène quant à sa densité théorique.
Le procédé de l'invention exclut toutes ces difficultés et utilise une opération véritable de fusion. Ses avantages particuliers consistent en ce que le procédé permet, d'une part, de partir de poudres non très pures et, d'autre part, d'obtenir la densité théorique du métal homogène par voie économique au moyen d'un dispositif relativement simple.
Ce nouveau procédé consiste en principe à chauffer la poudre du métal à fondra par un arc électrique, de manière que les diverses particules de poudre soient successivement amenées à une température telle qu'elles passent à un état pâteux et fondent dans les particules voisines, puis à con- tinuer cette opération jusqu'à ce que la quantité prévue de particules de poudre soit fondue intimement et que la forme prévue du corps métallique désiré soit obtenue dans une plus large mesure par l'action simultanée de pesanteur et de la force centrifuge, la température étant maintenue au-des- sous de la température de sublimation.
La différence essentielle par rapport aux procédés usuels jusqu'à présent ressort le plus clairement dans la comparaison avec le procédé nor- mal de fusion et de coulée des métaux et le procédé de frittage des métaux.
Dans le procédé de frittage des métaux, les particules de poudre voisines les unes des autres sont simultanément soudées les unes aux autres aux endroits de contact en laissant des vides, le plus souvent après appli- cation de la pression. Il se forme un corps solide, mais non homogène, qui présente une plus faible densité correspondant aux inclusions de gaz.
Dans le procédé de fusion et de coulée des métaux et en supposant qu'on parte également de poudre métallique, l'ensemble de toutes les parti- cules de poudre soumises à l'opération de fusion est pratiquement amené si- multanément à la température de fusion, de sorte que les particules de pou- dre perdent pratiquement en même temps leur forme originelle, fondent les une dans les autres et forment alors dans leur ensemble une masse liquide, qui se solidifie pratiquement simultanément dans son ensemble, le cas éché- ant après la coulée dans un moule, et forme ensuite un corps homogène.
Dans le procédé suivant la présente invention, on utilise une voie totalement différente. Seules quelques particules voisines sont systémati- quement amenées en même temps à la température de fusion et sont fondues les unes dans les autres, le groupe de particules en question constituant le point d'attaque d'un arc électrique. Lorsque cette fusion est achevée, le point d'attaque de l'arc électrique progresse sur le groupe de particules le plus voisin en produisant la fusion de ces particules entre elles et avec
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le groupe de particules précédent, tandis que celui-ci commence déjà à se solidifier dans sa partie éloignée du point d'attaque de l'arc électrique.
Cette .opération se déroule jusqu'à ce que toutes les particules de poudre aient fusionné les unes avec les autres et forment un corps homogène. Dans ce cas, il est sans importance pour l'idée fondamentale du procédé que la fusion complète désirée et intime d'un groupe de particules soit déjà effec- tuée par un seul passage de l'arc électrique ou par des passages répétés.
L'idée fondamentale du procédé consiste essentiellement à faire fondre suc- cessivement diverses particules ou groupe de particules.
L'importance déterminante de l'exécution pratique de ce procédé consiste en ce que cette succession d'opérations die fusion se fait, d'une part, très rapidement pour des raisons économiques et que ces opérations s'effectuent, d'autre part, à une température, à-laquelle le métal est suf- fisamment ramolli,'mais qui ne permet pas à celui-ci de se sublimer.
Ces deux conditions sont remplies conformément à l'invention du fait que l'arc électrique est contrôlé de façon qu'il atteigne avec sûreté toutes les parti- cules ou.groupes de particules et qu'il produise la fusion de ces particules les unes avec les autres, puis du fait qu'en plus de cela ce passage de par- ticule en particule ou groupes de particules se fait à une telle vitesse qu'une quantité de chaleur non supérieure à celle strictement nécessaire est utilisée par les diverses particules pour ramollir et fondre sans se subli- mer.
Le nouveau procédé est également caractérisé en ce que, dans le cas où il n'y a pas à former qu'une seule couche relativement mince, l'épais- seur prévue du corps désiré est obtenue par application par fusion effectuée de nouveau systématiquement de nouvelles particules de poudre, de sorte que le corps définitif est obtenu par formation progressive.
Pour donner alors au corps ainsi obtenu une forme déterminée, on utilise le même procédé qui consiste à soumettre successivement et systéma- tiquement au chauffage de petits groupes de particules et les particules ramollies et assemblées par fusion sont déplacées de leur position originel- le dans une autre position sous l'action de forces extérieures, telles que, par exemple, la pesanteur et la force centrifuge, la conformation étant as- . surée dans une très .large mesure en continuantsystématiquemnt à appliquer cette opération.
Ce principe fondamental ainsi caractérisé du procédé peut être mis en oeuvre de manières différentes.'On a constaté que l'application décri- te ci-après de ce principe de l'invention présente des possibilités particu- lièrement grandes de combinaison pour le processus de fusion et la conforma- tion.
Le mode de réalisation, donné ici à titre d'exemple, consiste es- sentiellement en ce qu'on laisse tomber de la poudre du métal à fondre sur la tête de l'anode tournante verticale d'un arc électrique alimenté en cou- rant continu dont la cathode effectue également un mouvement tournant, la ,¯pointe de la cathode décrivant un cercle, de sorte que le point d'attaque de larc se trouvant du côté de l'anode est guidé pour que, par la combinai- son des deux rotations, l'ensemble de la couche de poudre répandue soit sai- sie peu, à peu. On utilise pour les électrodes de préférence la même matière que le métal devant être fondu. Le processus de fusion, ainsi que la confor- mation -supplémentaire éventuelle9se déroulent de manière connue dans l'at- mosphère d'un gaz de protection.
Toutefois, il est avantageux de rendre ré- glable la pression de ce gaz de protection pour réaliser de ce fait une con- trôle supplémentaire de la température au point d'attaque se trouvant du côté de l'anode.
Alors que l'axe de rotation de l'anode est vertical, celui de la
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cathode fait un angle fixe entre 90 et 180 avec l'axe de l'anode et peut en outre être déplacé latéralement.
On prévoit de même de façon avantageuse une possibilité de déplace- ment latéral pour l'anode (qui conserve sa position verticale).Eh outre, la cathode peut se déplacer avantageusement dans le sens de son axe de rotation.
Au lieu d'une cathode unique, on peut évidemment prévoir plusieurs cathodes, qui peuvent être commandées simultanément ou alternativement, les angles d'inclinaison pouvant être choisis égaux ou différents les uns des autres suivant les conditions données.
Lors de la mise en oeuvre du procédé suivant cette forme de réali- sation, il y a lieu de distinguer essentiellement trois opérations principa- les :
1 - La fusion de la poudre en une masse homogène.
2 - La formation progressive du corps métallique.
3 - La conformation.
Un dispositif, suivant la forme de réalisation caractérisée ci- dessus et donnée à titre d'exemple non limitatif, est décrit et les diverses opérations du procédé sont illustrées à l'aide des dessins annexés.
La fig. 1 est un schéma des éléments essentiels d'un dispositif de ce genre, différents détails ayant été supprimés ou indiqués partielle- ment par des symboles pour plus de clarté.
Les fig. 2 à 5 servent à illustrer les différentes phases de l'o- pération de fusion.
Les fig. 6 à 9 illustrent le procédé de conformation.
La fig. 10 représente une variante de la position des électrodes.
A la figo 1, 10 désigne une cuve ou four, dans lequel le corps 1 de l'anode est disposé en position verticale et la cathode 12 en même métal est placée en position horizontale. Cette dernière est fixée sur le porte- cathode 2, tandis que le support 4 de l'anode 1 est constitué de façon qu'il puisse recueillir la poudre qui ne reste pas collée sur la tête du corps de l'anode et tombe de celle-ci. La poudre devant être fondue se trouve dans un réservoir 3 comportant une soupape 5 destinée à régler la chute de la poudre.
Le mouvement de rotation indiqué par 19 de l'anode se fait au mo- yen de l'axe vertical 8, tandis que la rotation de la cathode 12 est impri- mée par l'axe d'entraînement 9. Dans ce cas, comme représenté en 14, l'axe longitudinal de la cathode 12 est décalé d'une certaine mesure par rapport à l'axe de rotation, afin de produire un mouvement circulaire de la pointe de la cathode. Ce résultat peut être évidemment aussi obtenu d'une manière différente à celle représentée au dessin, par exemple en donnant à la catho- de 12 une position inclinée ; dans beaucoup de cas, il peut être également avantageux de faire varier le diamètre du cercle décrit par la pointe de la cathode et de contrôler cette variation suivant besoin.
Le four fermé 10 présente deux tubulures 6 et 7 servant à l'amenée et à 1'évaluation du gaz remplissant l'espace intérieur 13 du four 10.
Comme cela a déjà été mentionné ci-dessus, le procédé se compose de trois opérations principales, dont la première est l'opération de fusion de la poudre métallique, qui se déroule suivant les opérations partielles indiquées ci-après.
Dans la première phase (fig.l et 2), l'arc électrique est allumé en amenant brièvement en contact les électrodes ; le mouvement nécessaire
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à cet effet peut être obtenu soit par déplacement latéral de l'anode, comme indiqué en 15 à la figo 1, soit par déplacement longitudinal de la cathode dans le sens de la flèche 20, soit encore par des mouvements correspondants effectués par ces deux électrodes. Alors que l'anode est avantageusement mi- se déjà en rotation au préalable,la cathode n'est tournée qu'après l'allu- mage= Dans la suite du déroulement de cette phase, le corps de l'anode est chauffé au préalable par l'arc destiné à l'opération de fusion suivante.
Dans la seconde phase (fige 3), on laisse tomber la poudre du mé- tal devant être fondu sur la tête du corps de 1 anode et il se forme ainsi une couche ou unecalotte de poudre 11. Pendant cette opération, l'arc élec- trique est avantageusement contrôlé par soulèvement de l'anode dans le sens de la flèche 21, de façon que son'point d'attaque se trouvant du côté de l'anode soit en dehors de la portée de la couche de poudre.
Dans la troisième phase (fige 4), l'anode est abaissée et l'arc agissant directement sur la poudre accumulée sur la tête de 1''anode et en contact électrique avec elle produit la fusion de cette poudrée
Dans la quatrième phase, l'arc électrique est éteint, dans la me- sure où une quantité suffisante de métal a été fondue sur le corps primitif de l'anode.
Si la quantité de métal fondu par une première amenée de poudre est insuffisante, la seconde opération principale est amorcée, cette opéra- tion étant constituée parla formation systématique par couches du corps se formant sur l'anode initiale et fondu avec celle-ci. Cette formation par couches est effectuée en répétant une ou plusieurs fois les seconde et troi- sième phases décrites ci-dessus de 1'opération de fusion et est achevée par la quatrième phase
Si une conformation du corps anodique ainsi obtenu est nécessaire, elle est effectuée dans la troisième des opérations principales mentionnées ci-dessus Si on suppose tout d'abord que le corps anodique ne tourne pas, tandis que le mouvement de rotation de la cathode est conservé,
il se for- me au point d'attaque de l'arc électrique sur le corps anodique un métal ob- tenu par fusion en.gouttelettes ne présentant pas d'inclusions gazeuses. Si l'action de l'arc électrique est maintenue plus longtemps, la gouttelette commence à descendre sur le corps anodique, tandis qu'il se forme au point d'attaque un creux correspondant.
Mais, le corps anodique effectue en réali- té également une rotation et il se forme ainsi, au lieu d'un creux, une cavi- té qui s'étend autour de l'ensemble du corps anodique (voir figo 6); au lieu de la gouttelette s'écoulant légèrement vers le bas il se forme au-des- sous de la cavité un petit bourrelet correspondant au volume de cette der- nièreo Dans ce cas, les mouvements de rotation des deux électrodes ont pour effet que la cavité et le bourrelet ne présentent pas d'inégalitéso
Si le corps anodique est ensuite soulevé d'une certaine mesure, il se forme une nouvelle cavité et un autre bourrelet correspondant au ni- veau du nouveau point d'attaque de l'arc électrique.
Le refoulement progres- sif réalisé de cette manière du bourrelet vers le-bas peut produire par ex- emple une augmentation du diamètre de la surface de base du corps anodique (voir fige 7), En répétant une ou plusieurs fois l'opération, plusieurs bour- relets peuvent être formés côte à côte ou les uns au-dessus des autres (figo 8),On peut également obtenir de la même manière une compensation totale entre les bourrelets et une surfacé cylindrique précise, ainsi que des con- formations très poussées, comme cela est indiqué par l'exemple de la fig. 9' Il est évidemment avantageux de diminuer le nombre de tours du corps anodi- que lorsque ==: diamètre croit pour éviter que les particules fondues soient séparées par la force centrifuge.
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Pour donner au procédé et au dispositif une constitution avanta- geuse, il y a lieu de considérer une série de points de vue dont les plus importants sont expliqués ci-après.
En ce qui concerne l'angle d'inclinaison déjà mentionné formé par les axes de rotation de l'anode et de la cathode, celui-ci est avantageu- sement choisi, de façon que l'arc électrique vienne en contact perpendicu- lairement ou à peu près perpendiculairement avec la surface du corps anôdi- que. Si on se place dans l'exemple de la fig. 9, dans lequel l'axe de rota- tion de la cathode est perpendiculaire à celui de l'anode, on voit sans dif- ficulté que lors du traitement de la surface inclinée, la pointe de la oa- thode tournante est, dans sa position la plus haute, considérablement plus éloignée de la surface du corps anodique que dans la position basse.
Des différences de distances de ce genre conduiraient non seulement à des diffé- rences de température considérables entre les particules métalliques tou- chées par l'arc électrique et 'donc à des défauts d'uniformité dans l'opéra- tion de fusion, mais également à la formation d'un arc électrique dit sif- flant ou même à l'extinction de cet arc.
Pour éviter cette difficulté, la cathode est disposée de façon que l'arc électrique vienne frapper l'anode de façon aussi perpendiculaire que possible. A cette fin, on choisit un angle d'inclinaison approprié, comme cela est représenté en 17 à la fig. 1. Dans la forme de réalisation pratique du dispositif, l'axe de la cathode est en conséquence disposé ré- glable. Toutefois, ceci n'est pas toujours nécessaire. On a démontré que dans le cas de formes simples du corps anodique, la position angulaire fixe peut être dans beaucoup de cas suffisante, en particulier lorsqu'il s'agit de la fabrication en série de pièces identiques.
C'est ainsi, par exemple, que l'on peut fabriquer des corps cylindriques.avec un angle d'électrode fi- xe de 90 , lorsque leur diamètre est plus petit que 10 mm ; des diamè- tres de 10 à 45 mm, c'est un angle de 135 qui s'est montré avantageux, tan- dis que pour des plus grands diamètres, on a choisi un angle de 180, ,
Le dosage approprié de la quantité de chaleur apportée aux particu- les devant être fondues à une importance considérable pour la mise en oeuvre du procédé.
Cette quantité de chaleur dépend en premier lieu de l'intensité de l'arc électrique et de la durée de son action sur la particule en ques- tion (ou groupe de particules), puis est influencée en outre par le volume de la particule à fondre, ainsi que par une série d'autres facteurs partiel- lement constants, tels que la conductibilité thermique, le refroidissement, etc.
Si on suppose que ces facteurs et que la puissance thermique pro- duite par l'arc électrique restent constants, ce qui peut être obtenu de manière connue en soi, seule la durée d'action de l'arc électrique consti- tue un facteur prépondérant pour la quantité de chaleur apportée aux diver- ses particules (groupe de particules). Cette durée d'action est de son côté déterminée par la vitesse.à laquelle le point d'attaque se trouvant du cô- té de l'anode de l'arc électrique se déplace sur la surface du corps anodi- que. Etant donné que les deux électrodes sont alorsen mouvement, la vitesse de passage du point d'attaque à travers la particule est donnée par la dif- férence des deux vitesses.
Si on suppose en outre que la vitesse'propre du point d'attaque déterminée par le mouvement de rotation de la cathode est maintenue constante, c'est la vitesse périphérique du corps anodique dans le point d'attaque qui reste le facteur prépondérant pour la vitesse de pas- sage. Cette vitesse périphérique est fonction du nombre de tours et du ra- yon. Ceci a pour effet que, dans la mesure où cela est avantageux pour le cas en question, tous les facteurs peuvent être maintenus constants, à l'ex- ception de la vitesse périphérique et le réglage de la quantité de chaleur apportée aux diverses particules se fait exclusivement par le réglage du
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nombre de tours du corps anodique.
Toutefois, il y a lieu de constater qu'il existe une limite supé- rieure naturelle en ce qui concerne ce nombre de tours, en ce sens que dans le cas d'une trop grande vitesse périphérique, la particule métallique fon- due peut être séparée par projection par action de la force centrifuge qui se produit, D'autre part, une limite inférieure de nombre de tours est don- née du fait que la vitesse de passage du point d'attaque par les diverses particules ne doit pas être trop-faible, car'il se produirait dans ce cas un chauffage trop intense et en conséquence-une sublimation.
Dans la mise en oeuvre du procédé, on a trouvé à la suite de ces considérations qu'il était avantageux de choisir pour la cathode un nombre de tours plus grand que pour l'anode. Par exemple,'pour un corps anodique cylindrique ayant un diamètre entre 10 et 45 mm et pour une intensité don- née de 11 arc . ainsi que :pour un diamètre donné du ,cercle décrit par la poin- te de l'anode, un nombre de tours de la cathode de 500 à 2000 tours par minu- te est une valeur avantageuse,'tandis que le nombre de tours de l'anode a un ordre de grandeur égal au dixième de ce nombre.
Lorsque la cathode est disposée verticalement ou à peu près verti- calement, elle est avantageusement reliée au dispositif d'amenée de la pou- dre métallique, de manière que la:poudre soit amenée par un alésage percé dans l'axe d'entrainemetn comme cela est représenté schématiquement à la fig. 10
En outre, il est avantageux dans beaucoup de cas, notamment pour des corps anodiques de très grand diamètre, de constituer le dispositif d'a- menée, de façon qu'il puisse coulisser latéralement, comme cela est indiqué en 16 à la fig.1 Dans cette forme de réalisation, on peut parfois renoncer au coulissement latéral du corps anodique.
De même,il est avantageux dans de nombreux cas de prévoir à la place ou en supplément du coulissement vertical du corps anodique (soulève- ment et abaissement) un coulissement vertical parallèle de la cathode.
Enfin, il est évidemment nécessaire de refroidir de manière appro- priée les électrodes, ainsi que l'ensemble du four et de prévoir une lubri- fication suffisante et résistant à la chaleur des paliers de support.
Le procédé suivant la présente invention, la forme de réalisation représentée à titre d'exemple et le dispositif ainsi que les corps métalli- ques obtenus à l'aide de ce dispositif présentent certaines caractéristiques qu'il y a lieu de mentionner ci-après : a) Le mouvement de rotation des électrodes produit une répartition uniforme de la chaleur dans la partie soumise à chaque fois au traitement de la surface du corps anodique, de sorte qu'il y a ici une température se trouvant relativement près du point de fusion, tandis que la*température de fusion effective n'est atteinte ou dépassée que dans le point d'attaque de chaque cas de l'arc électrique et diminue-ensuite à l'instant suivant.
Dans le cas d'électrode fixe ou d'une vitesse de rotation insuffisante, le métal se vaporiserait totalement ou partiellement, ce qui conduirait-non seulement à des pertes de matière, mais également à la formation indésirable de pores. b) Le point d'attaque se trouvant du côté de l'anode de l'arc élec- trique est impérativement déterminé sur le corps anodique,- de sorte. qu'une déviation de même potentiel du trajet de l'arc, le cas échéant par rapport à la tête du corps anodique, est empêchée et qu'il s'établit ainsi un arc électrique très uniforme. Si une déviation de ce genre de l'arc électrique se produisait, il¯'existerait en tous temps le danger d'un décrochement de cet arc.
Pour la même raison et pour obtenir une densité de courant électri- que maximum, l'extrémité .le l'électrode négative est taillée en pointe très
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c) La poudre tombant sur la tête du corps anodique est uniformé- ment répartie, lorsqu'elle vient au contact de cette tête, par la rotation du corps anodique. d) La rotation du corps anodique empêche les particules de poudre de se coller par soudure, lorsque ces particules tombent accidentellement sur la partie supérieure ou l'extrémité de l'arc électrique, au lieu de rester collées sur la tête du corps anodique.
Une soudure supplémentaire de ce genre présenterait l'inconvénient de déplacer le point d'attaque de l'arc électrique, conduirait à des défauts d'uniformité dans la formation des couches et amènerait l'arc électrique à se rompre. e) Les mouvements de rotation permettent au métal de se poser par fusion successivement en couches, un centrage précis du corps anodique par rapport à son axe de rotation étant obtenu automatiquement.
Le métal soumis à l'opération de fusion se répartit tout-à-fait uniformément sur la surface. f) Les mouvements de rotation conduisent à un arc électrique très stable permettant d'effectuer sans interruption l'opération de fusion com- plète et, le. cas échéant, une conformation supplémentaire du corps métalli- que. g) La conformation peut être réalisée soit directement après la fusion de la poudre et la formation d'un corps cylindrique, soit simultané- ment à cette fusion..Il est évidemment aussi possible d'exécuter la confor- mation ou la transformation de forme à un moment ultérieur, après refroidis- sement du corps métallique ou de soumettre des corps déjà fabriqués à une conformation ultérieure.
Il est possible de cette manière de fabriquer sous la forme pleine des corps profilés même relativement compliqués, comme cela est indiqué à la fig. 9. h) Le procédé permet en outre d'homogénéiser la couche supérieure d'un corps métallique obtenu par frittage et/ou de munir ce corps d'une enveloppe homogène, de l'agrandir et de faire varier de cette manière sa forme. i) Comme produit final, on obtient à chaque fois un corps métalli- que qui a subi une opération de fusion effective et qui est homogène, exempt de pores et d'inclusions gazeuses, comme cela ne pouvait pas être obtenu sui- vant les procédés connus jusqu'à présent pour des métaux à point de fusion élevé.
REVENDICATIONS.
1.- Procédé pour la fusion et la conformation de métaux dans l'at- moshpère d'un gaz de protection et avec utilisation d'un arc électrique, ca- ractérisé en ce \ que le métal devant être fondu est amené sous forme de poudre sur l'anode de l'arc alimenté en courant continu, puis est dirigé vers cet arc par suite du mouvement de l'une ou des deux électrodes, de façon que les particules métalliques mêmes servent de points d'attaque du côté anodique de l'arc électrique et soient fondues individuellement ou en groupes par l'ac- tion de la chaleur de cet arc pour former un corps métallique homogène.