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"Fabrication de pièces métalliques"
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La présente invention a pour objet la fabrication de pièces métalliques de composition variable.
Il peut être souhaitable de mettre en oeuvre un objet métallique de composition variable suivant l'une de ses dimensions lorsque cette pièce est soumise d'un point à un autre à des conditions de travail, d'usure, de corrosion ou de température différentes, On utilise également des pièces de composition variable comme inter- calaire pour le soudage de métaux ou d'alliages A et B de propriétés chimiques ou physiques incompatibles.
De tels assemblages peuvent être réalisés en soudant une extrémité de l'intercalaire à l'alliage A et l'autre à l'alliage B. Cet intercalaire ou pièce de transition est choisi de telle sorte qu'une de ses extrémités soit compatible avec l'alliage A et l'autre avec l'alliage B.
De telles pièoee de transition, faisant l'objet des bre-, vets belges 579.544, 616.458 et 648.799, sont utilisées . par exemple pour l'assemblage de tubes en acier inoxyda- ble à 18% Cr et 8% de Ni, à des tubes en acier à 13% de Cr dont le coefficient de dilatation est beaucoup plus faible. On évite de la sorte d'introduire des ten- sions résiduelles exoessives au retrait et particulière-. ment le risque de fissuration sous l'effet des ohoos thermiques répétés.
Un autre exemple d'utilisation se rencontre en cons- truction de réaoteurs nucléaires pour réaliser des joints entre alliages de zirconium et aciers austénitiques.
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Un autre exemple d'application est constitué par la fabrication de pièces de révolution telles que des cylindres de laminoirs, pièces pour lesquelles les conditions ',' emploi imposent des propriétés différentes
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-1.,ur les $JaI ?j.?8 et le nen.<te. ûusqu' y xwise:,t, on a pressé de fabriquer ces p1èc6 par métalivrgi\ des poudres, mais cette méthode est tres coûteuse et limitée. Elle est en effet pratique- ment impossible pour les pièces de grande dimensions.
On procède en général de la façon suivante 1 on prépare les poudres par atomisation de l'alliage liquide au moyen d'eau, de vapeur ou de gaz inerte on mélange les poudres dans les proportions variables requises ; on procède à la compression puis au frittage à haute température ; sous vide, on s'efforoe d'éliminer les porosités résiduel- les par forgeage ; enfin, on procède à la finition de - la pièce par laminage, extrusion ou travail à froid.
On a tenté de simplifier et d'améliorer cette méthode par le procédé dit de "Gaz pressure Bonding". Dans ce procédé, les proudres sont soumises en autoclave à l'ac- tion d'un gaz inerte. Comme par la métallurgie des poudres, les différents grains constituant la poudre ne sont soudés que partiellement les uns aux autres ;seuls des traite- ments de longue durée sous vide et un travail important à chaud permettent de réduire la porosité à un degré acceptable.
En vue d'éviter le frottage sous vide et d'obtenir un lingot sans porosité, on a proposé alors d'élaborer comme ci-dessus, par métallurgie des poudres, une barre de composition variable, d'assurer la cohésion voulue par un traitement de frittage plus simple à plus basse température et en atmosphère d'hydrogène et de refondre
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cette barre dans une lingotière en utilisant l'aro jail- lissant entre cette barre et le métal fondu.
Cette technique présente plusieurs inconvénients graves :la dimension du lingot est en pratique limitée par la dimension de la barre que l'on élabore par métal- lurgie des poudres. La barre électrode est poreuse et contient de notables quantités de gaz s oxygène, azote et hydrogène. L'opération de fusion de cette barre se fait donc sous vide ce qui requiert des pompes puissan- tes et restreint les dimensions du lingot aux dimensions de l'enceinte.
De plus, pour des causes qui seront exposées plus loin, on oonstate dans une seotion transversale du lingot des variations de concentration des éléments constitutifs allant du centre à la périphérie.
Le procédé conforme à l'invention ne donne lieu à aucun de ces inconvénients et présente en outre, sur les procédés connus, les avantages suivants
10) il évite l'étape préliminaire d'atomistion des alliages fondus ;
20 il évite les traitements de frittage noue vide à haute température ;
30) il permet de se passer d'une enoeinte scu vide ou sous gaz inerte extrêmement coûteuse et limitas les dimensions du lingot ;
4 ) il permet de profiter de l'action d'affina, du métal par le laitier fondu pour éliminer le soufre,le phosphore, l'azote, l'oxygène, etc..,
5 ) il permet de répartir l'apport de ohaleur su toute la section du lingot afin d'éviter les variation de composition du centre à la périphérie ;
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6 ) il permet d'obtenir direotement des objets de/ forme, par exemple des tubes sans devoir procéder à le important travail à chaud et à froid.
Le procédé suivant l'invention consiste en le 1 abri- oation de pièces métalliques ov lingots de oompoe'tion variable par fusion des constituants dans un mou.e appro- prié caractérisé un ce qu'une partie ou la totalité des- dits constituante sont amenés en proportions variables graduellement ou par paliers dans le moule où ils sont fondus par la chaleur obtenue par effet Joule dans un bain de laitier fondu et en ce que la masse obtenue est graduellement solidifiée durant l'opération.
D'autres avantages du procédé conforme à l'invention apparaîtront clairement au cours de la description et de l'examen des figures correspondantes qui se rapportent à certains des inoonvénients de procédés connus et à des exemples seulement de moyens utilisée pour la réalisation du procédé selon l'invention.
La figure 1 est partiellement une demi-coupe verti- cala schématique et partiellement une vue de face d'une partie d'installation connue pour la fusion d'éléments métalliques au moyen de l'arc électrique, pour la produc- tion de pièces de longueur indéterminée.
La figure 2 est une ooupe transversale de la pièce produite au moyen de l'installation de la figure 1 par un plan représenté par sa trace II-II dans cette figure.
La figure 3 est une demi-coupe verticale schématique d'un des dispositifs selon l'invention pour la production de pièces de longueur indéterminée.
La figure 4 est une demi-coupe v rticale schématique d'un des dispositifs selon l'invention pour la production
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lèces de longueur indéterminée, en variante de l'installa- en représentée à la figure 3.
La figure 5 est une coupe verticale schématique d'une partie de l'installation selon l'invention pour la produotion de lingots de longueur déterminée.
La figure 6 est une coupe verticale schématique d'une autre installation partielle conforme à l'in jntion pour la production de lingots de longueur déterminée.
La figure 7 est une coupe verticale schématique d'une forme d'exécution de lingotière pour la fqbrication de pièces creusée.
La figure 8 est une vue schématique en élévation d'une installation de fabrication de pièces creuses continues,
La figure 9 est une coupe transversale de l'iestalla- tion représentée à la figure 8 suivant un plan représenté' dans celle-ci par sa trace IX-IX.
Les figures 10 et 11 sont des vues de face respecti- vement d'un pignon et de roues dentées utilisée dans l'instal- lation de la figure 8. -
La figure 12 est une vue partielle d'une lingotière munie d'un dispositif de mise en rotation.
Avant toute chose, il faut entendre par lingot non seulement les pièces cu lee masses obtenues dans une lingotière avec fond, maie encore les pièces ou les masses de longueur indéterminée obtenues avec une lingotière sans fond.
Dans le dispositif connu représenté sohématiquement à la figure 1, une lingotire de cuivre sans fond 1 qui est à double paroi pour la circulation d'un liquide réfrigérant et une électrode fusible 2 obtenue par métallurgie des poudres sont raccordées à une source de courant par des conducteurs 3 et 3'. Un arc 4 est maintenu entre l'électrode 2 et un bain de métal 5 qui provient de la fusion de l'électrode. Ce bain
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se solidifie progressivement en 6 et forme un lingot 7.
Une paire de galets 8 et 8' extrait en contins le lingot de la lingotière. Par suite de la chaleur concentrée et du souffle de l'arc, le flux de chaleur est beaucoup plus intense au centre du lingot. Le refroidissement étant obtenu principalement latéralement par la langotière de cuivre réfroi- die, les lignes de flux de enaleur dont pratiquement radiales . et le front de solidification accusant une forte dépression c/ntrale affecte la forme d'une surface parabololdale repré- dentée à la figure 1 par sa génératrice 9. De nombreux exemples illustrant ce phénomène sont d'ailleurs donnés dans l'ouvrage "Arcs in inert atmosphères and vacuum" de W.E. Kuhn, plus par- ticulièrement aux pages 58, 61, 67 et 106.
Cet effet se ren- contre aussi bien sous vide qu'à la pression normale.
En raison du brassage provoqué par l'arc, la composi- tion du bain de métal liquide est homogène. Par conséquent, tous les points où la solidification a lieu à un instant donné, en d'autres termes toué les points du front de solidi- fication, ent la même composition chimique.
Si à présent, conformément au principe même du procédé connu, la composition du mélange amené dans le moule Tarie, on peut considérer que le lingot est constitué entièremen" de sur- faces parabololdales successives s'emboîtant en quelque sorte les unes dans les autres, mais de composition progressivement variable.
Il en résulte que lorsqu'on coupe transversalement le lingot par le plan représenté à la figure 1, par sa trace II-II, ce plan rencontre successivement les fronts de solidifi- cation o,b,a, selon des circonférences représentas à la figure
2, par : O', b', a'. Si on suppose que la teneur n un certain élément A est de x - , x et x # pour les fronts d solidifi- oation o, b, a, en d'autres termes que A augmente du bas vers
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le haut du lingot, on oonstate que, dans une section transver- sale, A croit également de la périphérie vers le centre.
Au lieu d'obtenir un lingot dont la composition varme seulement longitudinalement on obtient un lingot dont la oom- position varie aussi radialement, le lingot est donc complète- ment hétérogène, et dans la mesure où il peut encore être uti- lisé ce n'est que dans des circonstances où les conditions d'u- tilisation ne sont pas sévères.
Le procédé selon l'invention fait usage de laitier fondu et de l'effet Joule dégagé dans le laitier par le passa- ge du courant entre l'électrode et la masse métallique. Par conséquent, l'apport d'énergie est beaucoup moins concentré que dans le cas de l'arc. D'autre part, il est possible d'ex- centrer l'électrode et de lui faire décrire un mouvement cir- culaire dans le laitier, de façon à répartir l'apport d'éner- gie le plue uniformément possible sur toute la section du lin- got.
Cette technique n'est pas possible lorsqu'on utilise un arc sous protection d'argon ou sous vide car on court le risque d'amorcer l'arc entre l'électrode et la lingotière, ce qui entratne un perçage de celle-ci et un risque grave d'explosion.
Dans une des formes de réalisation de l'installation utilisée pour l'exécution du procédé selon l'invention et qui est représentée à la figure 3, la partie de l'installation consistant en un moule en cuivre refroidi 1, en une électrode
2, le circuit électrique auquel le moule et l'électrode sont raccordés par les conducteurs 3 et 3', et une paire de galets d'extraction de la barre produite 8 et 8', est identique à celle utilisée dans le procédé connu représenté à la figure 1, mais elle diffère toutefois de cette dernière, par le fait que l'électrode 2 plonge dans un bain de laitier 10 qui re- couvre le bain de métal fondu,11 qui repose lui-même sur le
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métal déjà. solidifie 12.
Les éléments constitutifs du lingot n'ont pas été pré-alliés, mais sont directement introduits, graduellement ou par paliers, sous forme de poudres, de granulés, de fils, de baguettes ou de barres, à partir de dispositifs d'alimen- tation appropriés. Dans l'exemple de la figure 3, le3 éléments constitutifs du lingot sont amenés dans le moule sots forme de poudres et d'un fil 2.
Le dispositif d'alimentation est constitue de deux trémies 13 et 14 munies de courroies doeuses 15 et 16 qui dé- versent direotement les poudres dans :a lingotière et d'un dispositif d'amenée de fil 21, 22. En plus de l'appent de chaleur uniforme par le laitier @ sur toute la section du lingot, il est possible d'assuré un refroidissement principa- lement longitudinal et de rédure le refroidissement transver- sal de façon à obtenir un frant de solidification qui est pratiquement un plan perpendiculaire à l'axe du lingot.
Un de ces moyens consiste à entourer le lingot, entre la lingotière et les galets d'extraction, d'une conduite cir- culaire 1?, pourvue d'une couronne d'orifices par lesquels des jets 18 d'un fluide de refroidi,,,- ement sont dirigés t'ur le lin- got.
Un autre moyen susceptible d'assurer un refroidisse- ment longitudinal et de diminuer le refroidissement transversal consiste, comme cela est représenté à la figure 4, à donner à la lingotière une forme évasée telle que l'angle 19 formé par une partie évasée du moule et la surface latérale du lin- got soit de 2 à 3 degrés, afin de limiter le plus possible la surface de contact de la lingotière avec le lingot et de favo- riser la formation d'une couche de scories solides 23 qui isolent le lingot.
Ce refroidissement longitudinal combiné à l'absence de tome localisation de la chaleur due au système
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nauffage par effet Joule dans le laitier fondu a c(mme jultat de donner au front de solidification 20 séparant le bain de métal fondu 11 de la partie solide 12 du lingot une forme quasi-plane, oe qui a comme conséquence de rendre pra- tiquement insignifiante la différence de composition entre les points d'une même section transversale quelconque du lingot.
Afin de permettre le déplacement vertical de l'élec- trode 2 - de haut en bas lorsque l'électrode utilisée est consommable et est un des constituants de l'objet fabrique, ou de bas en haut lorsque l'électrode utilisée est non conson- mable - on a prévu par exemple deux galets 21 et 22 entre lesquels passe l'électrode 2, dont on peut faire varier la vitesse et le sens de rotation par des moyens électriques ou mécaniques connus.
Comme déjà mentionné, le procédé selon l'invention est applicable à la fabrication de lingots ou de pièces de longueur déterminée et par conséquent les lingotières utili- sées sont, comme indiqué à la figure 5 de type classique 23 d'ou le lingot 26 est ensuite retiré après complète solidi- fication.
Ladite lingotière est également entourée d'une secon- de enveloppe 24 concentrique à la première pour former avec celle-ci une chambre 25 pour la circulation du fluide de refroi- dissement. Les poudres tombent par exemple sur des tapis trans- porteurs jumelés 27 et 28, se déplaçant en sens contraire l'un de l'autre et disposés de part et d'autre de fil électrode 29.
Afin de diminuer le refroidissement radial, la lingo- . tire peut être garnie intérieurement d'un matériau réfrac- taire 30 d'épaisseur appropriée comme représenté à la figure 6. Le fond de la lingotière est utilement refroidi pour assu- rer un refroidissement longitudinal du lingot, par exemple au moyen d'une chambre 31 à circulation de fluide de refroi-
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discernent.
Bien que le procédé selon l'invention ne donne lieu à aucune dépression de bain métallique susceptible de oréer des différences sensibles de la teneur en éléments constitu- tifs dans un même plan transversal du lingot, il est évident que l'application au procédé de l'invention de moyens connue tels que l'utilisation de plus d'une électrode excentrée ou encore le mouvement circulaire ou de va et vient avec temps d'arrêt ou non, moyens qui par eux-mêmes contribuent à ré- partir uniformément l'apport de chaleur et donc atténuent la dépression du bain de métal fondu, ne peut être que béné- fique. En effet, la chaleur qui est amenée dans la zone de fusion est ainsi mieux répartie sur toute la surface du bain liquide.
En ce qui concerne l'utilisation de deux et même de plus de deux électrodes excentrées, cela a encore comme avantage d'assurer un apport de chaleur supplémentaire à la périphérie et à mieux compenser l'effet du refroidissement latéral.
Les éléments entrant dans la constitution des objets fabriqués peuvent être partiellement ou totalement sous forme de poudres, de barres et/ou de fils. La ou les électrodes uti- lisées peuvent être non consommables ou constituer un ou plu- sieurs des éléments constitutifs, la variation de composition du lingot fabriqué est obtenue par variation du dosage des constituants introduits. Il va de soi que l'on peut aussi utiliser plusieurs distributeurs d'alimentation de ces éléments.
Au cas où les éléments sont amenés sous forme de poudres,on peut prooéder à un mélange préalable de celles-ci, mais ils peuvent aussi être amenés dans la zone de fusion indépendam-
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ment les uns des autres, soit totalement, soit partiellement.
Le moule peut encore être constitué de manière à obtenir des objets massifs, allongés ou oreux de sections ou de profils variés.
Dans le cas où le procédé selon l'invention est appli- qué à la fabrication de pièces creuses, il est prévu au centre du moule ou de la lingotière un noyau généralement refroidi par circulation d'eau. Dans la cas d'une lingotière, comme représenté à la figure 7, un noyau 32 fait corps aveo la lin- gotière et est muni d'une chicane 33 qui le partage en deux chambres 34 et 35 qui communiquent par leur partie supérieure 36.
Dans le cas de l'application du procédé selon l'in- vention à l'extraction continue de pièces de forme tubulaire telles que 37 à la figure 8, un noyau 38 ne fait pas corps avec le moule 39 mais il est maintenu fermement en place par un collier de serrage 40 (voir également figure 9) qui est relié solidement aux parties supérieures du moule par les pattes 41 et 42.
L'intérieur de ce noyau est muni d'une chicane 43 qui le partage en deux chambres 44 et 45 qui oommuniquent par la partie inférieure 46. Chaque chambre est en communication avec des conduites 47 et 48 d'amenée et de retour d'un fluide de refroidissement par des tubulures 49 et 50.
Les électrodes utilisées dans ces exemples d'applioa-. tion de l'invention sont au nombre de deux disposées en oppo- sition et se déplacent alternativement chacune d'une extrémité à l'autre d'un trajet un peu moins que semi-circulaire, en restant toujours en position d'opposition.
Le dispositif utilisé comme exemple seulement de moyen servant au déplaoement alternatif de ces électrodes
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comprend un moteur 51 commandant un réduoteur de vitesse 52 qui fait tourner un pignon 53 'à denture latérale 54 (figure 10) maie portant des dents seulement sur un peu moins que la moitié du pourtour. Au cours du mouvement, les dents du pi- gnon 53 s'engrènent alternativement sur les dents de roues . dentées 55 et 56 coaxiales, à nombre double de dents et dont l'axe commun est fixé à la partie supérieure du noyau 38 du moule. Les roues dentées 55 et 56 sont donc entraînées al- ternativement en sens opposés. Ces roues 56 sont munies parallèlement à leur axe et en opposition de guides pour le passage de fila 57 et 58.
Les rouée peuvent cependant être dépourvues de guides ad hoc si, comes représenté à la figure il, elles sont telles qu'une couronne dentée 59 est reliée au moyeu 60 par deux bras 61 et 62 en opposition diamétrale.
Toutefois, au cas où l'on ne voudrait utiliser qu'un seul fil et faire suivre à ce dernier un trajet alternatif complètement circulaire, le noyau du moule devrait être fixé en potence sur le moule et le nombre de dents 54 du pignon 53 devrait être inférieur de une ou deux dente au momore de dente de chacune des roues 55 et 56.
Dans le cas de la fabrication de pièces non creuses, il va de soi qu'on peut faire tourner le fil autour de l'axe de la lingotière dans un seul sens. Pour ce faire, on n'utilise qu'une seule roue dentée qui engrène tangentiellement avec une vis sans fin de commande.
Il va de soi également, que plus de deux électrodes peuvent être utilisées pour assurer un apport de ohaleur à la périphérie du noyau central de la lingotière. En outre, au lieu de déplaoer la ou les électrodes par rapport au lingot, on peut faire tourner le lingot et maintenir la ou les électrodes fixes.
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Pour cela on fait tourner la lingotière alternati- ement dans un sens et en sens opposé de la même façon que les électrodes dans la disposition représenta à la figure 10 en utilisant à cet effet un mécanisme analogue à celui utilisé pour le déplacement des électrodes mais de dimensions appro- priées.
Dans cette disposition, qui est représentée à la fi- gure 12, la lingotière 63 est encerclée par deux couronnes dentées identiques 64 et 65 qui sont commandées par un pignon 66 et repose par son pivot 67 sur une crapaudine 68. Des galets latéraux assurent la stabilité de la lingotière. On en a repré- senté deux en 69 et 70.
Lorsque la lingotière est du type à revêtement inté- rieur en matériaux réfractaires, elle est entourée d'une seule couronne dentée qui engrène tangentiellement avec une vis sans fin de commande.
En outre, les galets de commande d'avancement des électrodes peuvent être indépendants les une des autres et leurs commandes munies de vailateurs de vitesse séparés.
Plus généralement, lorsque plusieurs constituants sont utilisés et que plusieurs parmi ceux-ci sont amenés au lieu de fusion Fous forme de fil, un môme nombre de paires de galets d'entraînement peut être prévu.
Des dispositions analogues peuvent également être prévues dans logeas où plusieurs constituants sont amenés eoue forme, par exemple, de poudres, de grenailles, de bouts de fils, etc...
En pareil cas, il peut y avoir un même nombre de dis- tributeurs d'alimentation.
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Bien qu'initialement le but poursuivi dans l'appli- cation du procédé selon l'invention ait été la confection de ce -)pièces intercalaires métalliques,/but peut encore être étendu à la confection de pièces destinées à d'autres usages ou à la fabrication de pièces de nature non métallique devant être soumisetà des sollioitations mécaniques ou thermiques.
R E V E N D I C A T I 0 N S
1.- Procédé de fabrication de pièces ou lingots de composition variable par fusion des constituants dans un moule approprié,caractérisé en ce qu'une partie ou la totalité des- dits constituants sont amenés en proportions variables graduel- lement ou par paliers dans un moule où ils sont fondus par la chaleur obtenue par effet Joule dans un bain de laitier fondu et en ce qu,la masse obtenue est graduellement solidifiée durant l'opération.
2. - Procédé de fabrication suivant la revendioation 1, caractérisé en ce qu'une partie ou la totalité des constituants eont amenés dans le moule, indépendamment les uns des autres.
3. - Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications
1 et 2, caractérisé en ce que le moule est métallique et est muni d'un dispositif de refroidissement.
4..- Procédé suivant l'une ou l'autre des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que le moule est métallique . et garni de matériau réfractaire.