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Dans le but d'obtenir des alliages d'aluminium résistant à la corro- sion par l'eau sous pression à haute température, divers auteurs ont étudié des alliages Aluminium-fer-nickel On peut citer principalement Draley et. Ruther, Carlsen, Dillon, Wilson et Troutner.
Ces divers auteurs ont étudié des alliages dont les teneurs en chacun des deux éléments d'addition s'échelonnent de 0,2% à 2%. Dans tous les cas les alliages étaient obtenus par des procédés de fonderie et étudiés dans cet état.
Leur structure est décrite comme étant formée d'un réseau de constituants en pha- ses séparées entourant les gros grains de fonderie constitués par une solution solide à peu près homogène.
La tenue à l'eau à haute température dépend, pour un alliage de com- position centésimale déterminée, de la régularité de répartition des éléments d'addition, et en particulier pour ceux qui sont insolubles, de la finesse de leur dispersion, sous forme de constituants en phases séparées, dans la matrice que constitue la solution solide.
Il est donc essentiel d'assurer la dispersion la plus fine possible de ces constituants dans la structure soumise à l'attaque ou au moins d'assurer, par une opération contrôlée, la dimension du motif de répartition.
Un procédé connu pour assurer une répartition fine consiste à provo- quer cette répartition fine au cours de la solidification des ébauches de fonde- rie qui serviront à la fabrication des pièces finies. On peut y arriver en soli- difiant rapidement ou en ajoutant des éléments favorisant cette répartition fine (le titane, par exemple) . Mais ces procédés ont un effet limité, notamment quand ils sont appliqués à des lingots de dimensions industrielles courantes (par exem- ple, diamètre dépassant 200 mm ou épaisseur dépassant 100 mm).
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un al- liage d'aluminium et d'au moins un métal d'addition choisi dans le groupe formé par le fer et le nickel, qui résiste à l'eau sous pression à haute température.
Elle a également pour objet l'alliage obtenu par ce procédé.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on réalise de la grenaille d'aluminium et du métal d'addition, la teneur de la grenaille en ce métal étant comprise entre 0,05 et 4%, qu'on comprime à chaud et qu'on extru- de cette grenaille, et qu'on produit des cisaillements dans l'alliage en cours d'extrusion.
Dans les cas particuliers où la mise en oeuvre des alliages selon l'invention amènerait à considérer les surfaces des produits demi-finis comme étant seules à être exposées à la corrosion, on peut se contenter d'assurer cette structure sur une peau, ou une écorce d'épaisseur suffisante dans ces demi-pro- duits. Ce sera le cas de tôles ou de barres dont le montage et l'utilisation ne mettront en aucun cas en contact avec le milieu corrosif ni la tranche, ni le coeur. Cette peau devra avoir de préférence une épaisseur minimum de 1 mm au mo- ment de la mise en place définitive, déduction faite de toutes pertes éventuel- les d'épaisseur par opérations de finition telles que décapage ou polissage.
Les avantages des alliages obtenus selon l'invention sont notamment les suivants: /cm2 - la possibilité de résister à l'action de l'eau à 350 0 sous 160 kg/cm de pression de telle manière qu'après 5.000 heures de contact aucune dé- térioration ne soit sensible; - la possibilité, grâce à la faible teneur en nickel de résister cor- rectement à la corrosion par l'eau à froid. Ce point est très important en uti- lisation pratique puisque les appareils fonctionnant à haute température doivent également supporter sans inconvénient le contact de l'eau froide pendant les ar- rêts.
Une forte teneur en nickel amènerait à froid une corrosion notable par pi- qure de ces alliages au contact de l'eau;
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- le comportement très homogène de la surface supprimant tout effet de corrosion localisée, grâce à la répartition très uniforme des constituants, en phases séparées, protecteurs.
-Les alliages doivent avoir une teneur en silicium aussi faible que possible et de préférence inférieure à 0,01%. Les teneurs en impuretés principa- les: zinc, magnesium, manganèse doivent être de préférence inférieures à 0,005% et la teneur en cuivre de préférence inférieure à 0,01%
Par ailleurs, la finesse de répartition des constituants en phases séparées étant une des-caractéristiques essentielles de ces alliages, pour l'ob- tenir dans les produits finis ou demi-finis, il est nécessaire que les produits de départe servant à l'élaboration des alliages possèdent déjà une répartition relativement fine.
A cet effet, la grenaille peut être obtenue par éjection et solidifi- cation rapide d'un alliage fondu ayant la composition centésimale désirée.
La solidification dans chaque gouttelette d'alliage est suffisamment rapide pour que la répartition des constituants en phases séparées soit très fine, et d'un motif inférieur à celui des particules constituant la grenaille.
En réglant les conditions de l'éjection et en tamisant la grenaille à une granu- lométrie définie, on assure une répartition des constituants en phases séparées suivant un motif de dimension inférieure à une limite fixée à l'avance.
On peut également obtenir la grenaille à partir de grains d'aluminium non allié (de pureté contrôlée) sphériques ou mieux lamellaires, chaque grain étant enrobé dans du métal d'addition. On peut assurer l'enrobage chimiquement, les grains d'aluminium calibrés, sphériques ou lamellaires étant traités par un procédé chimique,par exemple cémentation, assurant le dépôt à leur surface d'un revêtement du métal d'addition ou d'un composé de ce métal capable de s'allier à l'aluminium, soit directement dans le cas du métal, soit après réduction dans le cas du composé en formant la phase reoherchée; les grains ou lamelles d'alu- minium ainsi enrobés par voie chimique sont ensuite séchés et soumis à un trai- tement à chaud assurant une diffusion intermétallique ou bien une réduction sui- vie d'une telle diffusion.
On peut également enrober les grains mécaniquement. Dans ce cas, on pulvérise finement le ou les métaux d'addition (au bocard puis au broyeur à bil- les ou tout autre procédé connu) en poudre par exemple de 1 à 5 #
La poudre formée est ensuite ajoutée aux grains d'aluminium en quan- tité dosée pour obtenir la composition centésimale recherchée sur le produit fi- nal, et le mélange est placé dans un cylindre rotatif, avec une quantité relati- vement faible de billes, puis soumis à rotation à vitesse relativement lente, pendant un temps suffisant pour que la totalité de la nouvelle phase soit incrus- tée à la surface des grains d'aluminium.
On peut également enrober mécaniquement les grains d'aluminium avec un composé ou un mélange de composés métalliques réductibles par l'aluminium et donnant avec lui la phase recherchée.
On procède ensuite à un traitement à chaud pour assurer la réduction ainsi qu'une diffusion intermétallique. Si la réduction entraîne un dégagement gazeux (par exemple dans le cas où le composé utilisé est un carbonate ou un oxa- late) les grains ou lamelles enrobés sont soumis à ce traitement de réduction et de diffusion avant la compression à chaud. Mais si le composé utilisé ne produit pas de dégagement gazeux (oxydes par exemple) ce traitement peut être fait à un stade quelconque du procédé.
Dans le cas où les grains ou lamelles d'aluminium sont enrobés d'un composé susceptible d'être réduit par l'aluminium pour donner la phase recher- chée, la réduction produit aussi des films d'alumine qui, de leur côté, modifient les propriétés mécaniques de la structure finale, notamment en augmentant la li-
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mite élastique et la résistance mécanique,ainsi que la résistance à la déforma- tion à chaud,comme cela est connu. Il est possible d'obtenir simultanément par le procédé selon l'invention une tenue améliorée à l'action de l'eau à haute tem- pérature,et une tenue satisfaisante à la corrosion à la température ordinaire d'une part, et une tenue mécanique améliorée d'autre part.
La dimension des grains ou lamelles d'aluminium compte tenu de la transformation ultérieure et de la position de l'opération de réduction au cours de la transformation, fixe le niveau des propriétés mécaniques qui seront finalement atteintes.
Ainsi qu'on l'a dit précédemment, la grenaille d'aluminium et du métal d'addition est comprimée à chaud et ensuite extrudée.
On sait que la transformation par extrusion entraîne un cisaillement intense dans certaines régions du conteneur, qui provoque une nouvelle réparti- tion des constituants en phases séparées, entièrement différente de celle qui existait sur l'ébauche solidifiée.
Avec la technologie traditionnelle de l'extrusion, ces régions de ci- saillement intense sont assez limitées, et la structure avec répartition nouvel- le et fine des constituants en phases séparées est limitée, sur les produits fi- lés, à une écorce superficielle très faible au début du filage, et dont l'épais- seur croît à mesure que le filage se poursuit.
On constate donc, pour un même lingot d'un alliage de composition dé- terminée, que les produits laminés d'une part (c'est-à-dire n'ayant pas bénéficié de la répartition associée au filage), et les produits filés d'autre part, n'ont pas la même tenue à l'eau à haute température. Pour les produits filés, la sur- face a une tenue supérieure à celle du laminé;, mais le coeur de la section du produit a une tenue qui se rapproche de celle du laminé.
Dans le procédé selon l'invention, la répartition des constituants en phase séparée est obtenue ainsi qu'on l'a indiqué par la multiplication des zones de cisaillement dans l'alliage en cours d'extrusion.
Par exemple on peut s'arranger pour qu'aux cisaillements dans le con- teneur s'ajoutent des cisaillements dans la filière proprement dite en provoquant des déviations et des strictions dans le flux d'écoulement, avant l'orifice de sortie proprement dit. De cette manière, la totalité de la section filée subira la répartition nouvelle des constituants en phases séparées.
En se référant aux figures 1 à 5 ci-jointes, on va décrire ci-après divers exemples, donnés à titre non limitatif, des alliages aluminium-fer, alu- minium-nickel et aluminium-fer-nickel et de leurs procédés de préparation, objet de l'invention. Les dispositions de réalisation qui seront décrites à propos de ces exemples devront être considérées comme faisant partie de l'invention, étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront aussi bien être utilisées sans sortir du cadre de celle-ci.
Les exemples I à IV se rapportent au procédé de préparation du pro- duit de départ.
Les exemples V à VII montrent l'influence du filage sur la finesse de répartition.
EXEMPLE 1
On ajoute à de l'aluminium liquide de pureté A9 (Si < 0,01 , 1% de fer et 0,1 % de nickel. Le métal liquide est éjecté en grenailles qui sont tami- sées à la dimension inférieure à 300 Ces grenailles sont comprimées à froid à 100 kg/mm2, puis à 600 C à 50 kg/mm2 et extrudées avec un rapport de filage de 20. Les ébauches sont ensuite laminées et amenées à une épaisseur de 1 mm, puis recuites.
A la surface des tôles ainsi obtenues, comme à coeur, l'épaisseur du film d'attaque est inférieure à 10 après 10 h dans l'eau à 360*Ce alors
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qu'une tôle de même composition, obtenue par laminage d'un lingot solidifié par les procédés classiques, présente un film d'attaque de 150 à 200 dans les mê- mes conditions d'exposition.
EXEMPLE II
Des lamelles d'aluminium de pureté A5 (Si = 0,15 % Fe = 0,30 %) d'é- paisseur 15 à 20 sont recuites dans l'air à 350 C pour dégraissage.
Par ailleurs, le composé Al3Fe a été préparé par fusion puis pulvérisé et broyé en particules de 1 à 3 Cette poudre a été ajoutée aux lamelles d'aluminium en quantité suffisante pour que la teneur totale en fer, dans le mé- lange, soit de 1,3 %.
7 kilos de mélange sont introduits dans un broyeur de diamètre 700 mm et de capacité 40 litres, avec 70 kg'de billes d'acier de diamètre 10 mm, tour- nant à 17 t/minute pendant 3 h. La totalité de la poudre A13F3 était à la surfa- ce des lamelles.
Les lamelles enrobées ont été comprimées à froid, puis à 620 C, et filées à 500 C, avec un rapport de filage de 20. Les ébauches sont ensuite lami- nées jusqu'à 1 mm, puis recuites.
Après 10 h. dans l'eau à 360 C, la profondeur d'attaque est de 15 environ. Le film d'attaque est régulier, qu'il s'agisse de la surface ou du coeur de l'éprouvette.
Des éprouvettes de même composition, mais obtenues par laminage à par- tir d'une ébauche coulée par les procédés classiques de fonderie, montrent après 10 h. dans l'eau à 360 C, un film de 150 à 200 avec corrosion intergranulai- re .
Dans les mêmes conditions, des éprouvettes en A5 obtenues par lamina- ge à partir d'un lingot coulé ou d'un fritté de lamelles non enrobées, sont en- tièrement détruites.
EXEMPLE III
Des lamelles identiques à celles de l'exemple II sont enrobées par une poudre de C03Fe de 2 à 4 de finesse, en quantité suffisante pour que la teneur en fer finale- soit de 1,3 % l'enrobage étant fait exactement dans les mêmes conditions mécaniques que pour l'exemple II.
Après enrobage, les lamelles sont comprimées à froid à 40 kg/mm2, le comprimé est chauffé à l'air à 620 C pendant 3 h. puis comprimé à cette tempéra- ture et filé à 500 C avec un rapport de filage de 20.
Après laminage à 1 mm et recuit, les éprouvettes ont en surface et à coeur la même tenue à l'eau chaude après 10 h. à 360 C, le film d'attaque unifor- me est d'environ 15
Par ailleurs, la contrainte admissible pour provoquer un allongement inférieur à 0,1 % à 300 C, est au moins de 10 à 20 % plus haute pour les éprou- vettes laminées à partir des lamelles enrobées de C03Fe, que pour celles obtenues à partir du lingot coulé de même composition.
Des éprouvettes en A5 sont, dans ces conditions, entièrement détrui- tes.
EXEMPLE IV
Des résultats identiques à ceux qui précèdent sont obtenus avec un fritté obtenu par enrobage de lamelles en A5 de 15 p d'épaisseur avec Fe203, en quantité suffisante pour que la composition finale soit 2,3% Fe, avec 0,15 % Si, la tenue en surface et à coeur des éprouvettes est satisfaisante alors que
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les témoins de même composition obtenus par fonderie et laminage sont très atta- qués.
EXEMPLE V
Cet exemple permet de mettre en évidence l'amélioration de la réparti- tion provoquée par le cisaillement au cours du filage.
Un alliage de composition Fe = 1 % Si < 0,01 'le, est solidifié en lingots de diamètre 100 mm (en lingotière non refroidie), il est soumis aux trai- tements suivants: -Filage à la presse à 400 C Rapport de filage : 25.
-La barre ronde est laminée à l'épaisseur de 1 mm.
Un témoin de même composition et recuit est coulé en lingotière plate de 5 mm d'épaisseur, puis laminé à chaud et à froid jusqu'à 1 mm d'épaisseur, puis recuit.
Après exposition de 10 h. à 360 C dans l'eau, on a trouvé une attaque: - uniforme et de 4 à 5 à la surface des éprouvettes issues de la barre filée (coupé micrographique de la figure 1) - avec pénétrations locales de 30 à 70 au coeur des éprouvettes précédentes.
(fig. 2). - avec pénétration de 200 sur les témoins laminés sans filage EXEMPLE VI
Cet exemple permet, en se référant aux figures 3 et 4, de mettre en évidence la finesse de dispersion (Fig. 3) telle qu'elle est comprise dans l'in- vention et sa résistance à la corrosion (Fig. 4 coupe perpendiculaire à celle de la Fig. 3).
C'est un alliage à 1 % de Fer et 0,85 % de nickel; il a été préparé suivant les procédés connus, par fonderie, filage et laminage. On peut voir jux- taposées, de part et d'autre de la ligne XX' deux zones: - celle de gauche qui correspond à notre définition et donne un com- portement correct à la corrosion; - celle de droite qui ne possède pas une dispersion suffisante des précipités et qui donne lieu à une corrosion localisée relativement très impor- tante.
Cette différenciation a été obtenue volontairement en restreignant les effets de cisaillement pendant le filage.
EXEMPLE VII
Cet exemple met particulièrement en évidence la finesse de répartition telle qu'elle est comprise conformément à l'invention.
C'et un alliage à 1 % de fer. Il a été préparé par fonderie et fila- ge à la presse , La figure 5 montre la finesse de répartition sur un échantillon prélevé dans la zone périphérique de la barre ayant subi un cisaillement impor- tant au filage.
Dans un tel alliage, la répartition des précipités des composés Fe A13. est assurée de façon que la distance entre deux précipités voisins ne soit en aucun point supérieure à 5 microns, cette distance étant mesurée sur un plan micrographique d'orientation quelconque dans le produit examiné.