Procédé de travail à chaud d'un métal et matière de remplissage pour l'exécution de ce procédé Si un ou plusieurs trous sont percés dans un corps métallique et remplis d'une matière appropriée, et si le corps est ensuite travaillé à chaud par refoulage ou d'une autre manière, on sait que la matière de remplissage s'écoule avec le métal.
Si la matière de remplissage peut être éliminée par un procédé quelconque qui n'affecte pas le métal, le corps travaillé à chaud ou des sections découpées dans ce corps contiendront encore des trous après cette éli mination, mais la dimension et la forme de ces trous dépendront du changement qui s'est produit dans les dimensions externes du corps ainsi que de la nature de la matière de rem plissage. Si la matière de remplissage se com porte exactement de la même manière que le métal lui-même quand elle est soumise à une déformation, il est possible d'allonger les trous et de réduire la surface de leur section trans versale sans modifier la forme de celle-ci.
Ce résultat peut être obtenu, par exemple, en refoulant une billette ou une autre pièce pré sentant un ou plusieurs trous remplis, disposés parallèlement à son axe, sans changer la forme de la section transversale de la billette ou de la pièce. Si la forme de cette section transver sale est modifiée, par exemple par laminage à chaud ou par forgeage entre des matrices, la forme de la section transversale des trous rem plis sera changée selon les forces agissant sur cette région particulière de la pièce.
En prati que, quand un trou axial a été fait en enlevant une tige du métal, il est rare que la matière de remplissage insérée dans le trou se comporte exactement comme le ferait cette tige, et la ressemblance entre la forme finale de la sec tion transversale du trou et la forme de la section transversale que la tige de métal aurait présentée dépend des caractéristiques de tra vail à chaud de la matière de remplissage.
Par refoulement d'une billette ou d'une autre pièce remplie, à travers une matrice d'une forme différente et d'une section transversale plus petite relativement à la billette, on peut obtenir un corps allongé dans lequel les trous sont également allongés, la surface de leur section transversale et aussi leur forme étant modifiées.
Si la dimension, la forme et la répartition des trous finals doivent être uniformes sur une portion notable de la longueur du produit re foulé, il est essentiel que le refoulement soit effectué dans des conditions telles, quant à la lubrification externe et au degré de réduc tion, qu'il se produise un écoulement régulier de la billette. Par écoulement régulier , on entend un écoulement tel que la distribution relative du métal soit la même dans le pro duit refoulé que dans la billette.
Quand cet écoulement régulier est obtenu, la forme finale des trous subsistant après l'éli mination de la matière de remplissage d'une billette refoulée dépend des points suivants a) propriétés de travail à chaud de la ma tière de remplissage et de la billette ; b) forme initiale des trous ; c) positions des trous dans la section trans versale de la billette ; et d) changement de la forme de la section trans versale de la billette lors du refoulement. Des procédés du type décrit peuvent être utilisés dans la fabrication de profils de métal qui peuvent être coupés pour donner des au bes ou des ailettes de guidage de turbines à gaz.
Ces aubes et ailettes atteignent de très hautes températures lors du fonctionnement et peuvent être soumises à un refroidissement. Une méthode de refroidissement consiste à for cer de l'air à travers des passages prévus dans ces pièces, et à cet effet les passages peuvent s'étendre de la base au sommet de l'aube ou de l'ailette, c'est-à-dire tout au long de son profil. Ces passages doivent se trouver en des zones déterminées de la section transversale et peuvent devoir différer les uns des autres par la forme de leur section transversale.
Il est possible ainsi d'obtenir, de la manière décrite ci-après, une section d'aube ou d'ailette de la longueur désirée présentant un ou plusieurs passages d'une très -faible section transversale et d'une forme déterminée qui ne pourraient pas être obtenus facilement par usinage, cette section pouvant comporter encore un ou plu sieurs passages d'une section transversale plus grande pour alléger la pièce.
On part d'une billette présentant un cer tain nombre de trous axiaux remplis. Il est important que les trous ne s'étendent pas sur toute la longueur de la billette jusqu'à l'extré mité antérieure, car une partie de la matière de remplissage serait projetée en avant pendant le refoulement et perdue. La billette est ensuite portée à la température de refoulement, pla cée dans le réceptacle d'une presse de refou lement, et tournée de manière que les trous soient correctement orientés par rapport à une matrice de section appropriée (de préférence d'une section profilée plutôt plus épaisse que la section finale désirée). La billette est alors refoulée avec lubrification externe pour assu rer un écoulement régulier du métal à travers la matrice.
La section refoulée contenant en core la matière de remplissage est laminée à chaud entre des rouleaux profilés pour réduire son épaisseur, coupée en morceaux de longueur désirée, puis la matière de remplissage est éliminée.
Le refoulement de billettes creuses rem plies peut être utilisé aussi dans la production de tubes de petit diamètre et à mince épais seur de paroi, par refoulement direct d'une billette creuse contenant la matière de rem plissage. Un tel tube est utilisé pour protéger des éléments de chauffage électriques, et il est habituellement obtenu par étirage d'un alliage de nickel-chrome, de nickel-chrome-fer ou d'un autre alliage, en effectuant de dix à quinze opérations d'étirage.
Par l'emploi d'un procédé du type envisagé ici, il est possible d'obtenir ce tube en une seule opération de refoulement, encore que si l'on recherche un tube très fin, on puisse effectuer un nouveau refoulement à travers une matrice plus petite sans éliminer la matière de remplissage. D'autres types de tubes peuvent être obtenus aussi par des pro cédés du type décrit.
Pour exercer le contrôle le plus étroit sur la forme et les dimensions des trous dans l'ar ticle fini, il est essentiel que la matière de remplissage présente une résistance à la défor mation qui soit aussi proche que possible de celle du métal, car autrement les lignes d'écou lement de la matière de remplissage ne suivent pas celles du métal environnant. Si la matière de remplissage est plus facilement déformable que le métal, non seulement la réduction de la surface de la section transversale d'un trou rempli est proportionnellement plus grande que celle du métal, mais encore cette surface va rie sur la longueur du trou.
L'importance de ces variations, mesurée par exemple par la dé viation moyenne relativement à la surface moyenne de la section transversale, augmente avec la capacité de déformation de la matière de remplissage.
Si cette matière est moins facilement dé- formable que le métal, elle tend à agir comme un mandrin lors du refoulement. La matière de remplissage passe entièrement à travers la matrice avant que le refoulement du métal soit achevé, et la dernière partie de la pièce refou lée ne contient pas de matière de remplissage. En outre, la surface de la section transversale du trou formé est irrégulière.
On a trouvé que la quantité dite facteur de déformation doit rester dans certaines li mites pour que le résultat soit satisfaisant. Ce facteur est déterminé en réduisant la surface du métal présentant un trou rempli, par refou lement ou par un travail à chaud dans les con ditions assurant un écoulement régulier, et en déterminant la réduction de la surface de la section transversale aussi bien du métal que de la matière de remplissage après le travail à chaud.
Si RI est le rapport de la surface de la matière de remplissage avant le travail à chaud à la surface de cette matière après le travail à chaud, et si R, est le rapport simi laire des surfaces du métal, le facteur de défor mation est alors RI/R,. Ce facteur est ainsi une mesure de la capacité de déformation rela tive de la matière de remplissage et du métal dans les conditions du travail à chaud. Comme les capacités de déformation du métal et de la matière de remplissage peuvent varier dans des proportions différentes quand la tempé rature varie, le facteur de déformation peut dépendre de la température à laquelle s'effec tue le travail à chaud.
On a trouvé que si la déviation moyenne relativement à la surface moyenne de la section transversale du trou rempli n'est pas supérieure à 5 lo, le facteur de déformation ne doit pas être supérieur à 1,10, et qu'il est avantageux d'utiliser, dans la fabrication de produits pré sentant de très petits trous, une matière de remplissage au moins aussi déformable que le métal, c'est-à-dire que le facteur de défor- mation doit être égal à au moins 1.
Si le fac teur dépasse 1,20, la déviation moyenne est de 1% environ ou plus. Au-delà de cette va- leur, il se présente le danger que de très pe tits trous soient complètement fermés en un ou plusieurs points de leur longueur, et dans le cas du refoulement la matière de remplissage tend à être projetée en avant dans le métal, dans l'extrémité frontale fermée de la billette. Cette partie du trou est de section irrégulière,
et la matière ainsi perdue modifie la dimension moyenne envisagée de la partie restante du trou.
Pour être satisfaisante, la matière de rem plissage utilisée doit être par conséquent telle que le facteur de déformation à la température du travail à chaud soit très proche de l'unité, et elle doit former un corps cohérent, c'est-à- dire présenter une résistance à la traction aussi bien qu'à la compression. De plus, la matière de remplissage doit pouvoir être évidemment éliminée de l'article fini par des méthodes n'altérant pas le métal, par exemple par une attaque chimique sélective.
De nombreuses matières pouvant être uti lisées comme remplissage se sont montrées dés avantageuses en pratique quand elles sont uti lisées avec des alliages difficiles à travailler, particulièrement avec les alliages contenant des quantités notables de nickel et de chrome, ou de nickel, de chrome et de cobalt, qui présen tent de bonnes propriétés de résistance à la chaleur et au fluage et qui sont communément utilisés pour les aubes des turbines à gaz ou d'autres articles semblables. Le graphite, par exemple, ne forme pas des corps cohérents et qui restent cohérents et résistent à la déforma tion pendant l'écoulement plastique. Le cuivre et l'acier doux sont trop mous et ne permettent pas de maintenir la forme et la dimension désirées des cavités.
Les alliages d'acier sont difficiles à éliminer par suite de leur résistance propre à une attaque chimique ou électrochi mique par des milieux qui n'endommagent pas en même temps l'alliage de l'aube. Le verre est trop facilement déformé, et le sable présente une dimension de grains trop grande, il tend à former des trous irréguliers, présente un fac- teur de déformation très éloigné de l'unité et n'offre pas de résistance à la traction.
La matière de remplissage envisagée ici est un corps cohérent formé d'une matrice métal lique dans laquelle une matière réfractaire est dispersée, le facteur de déformation à la tem pérature du travail du métal n'étant pas supé rieur à 1,2 ni inférieur à 0,8. Le métal de la matière de remplissage doit d'ordinaire avoir un point de fusion élevé. Ce métal peut être du fer, du nickel, du cobalt ou du chrome, ou tout alliage de ces corps, pourvu qu'il soit présent dans une composition qui puisse être éliminée, par exemple par lavage avec un acide sans affecter le métal principal. Pour des rai sons économiques, on préfère le fer pur.
La matière réfractaire est de préférence finement dispersée, c'est-à-dire présente sous forme de particules discrètes, tandis que la matrice métallique forme une phase continue.
L'effet de la phase réfractaire est d'aug menter la résistance pendant le travail à chaud de la billette composée. La phase réfractaire ne doit pas fondre, se décomposer ni se trans former à la température du travail à chaud, et elle doit être de préférence soluble dans l'acide nitrique qui est le milieu de corrosion le plus indiqué pour dissoudre et éliminer le métal de la matière de remplissage sans attaquer le nickel-chrome et les alliages similaires. Il n'est pas essentiel cependant que la matière réfractaire soit elle-même soluble dans l'acide.
Comme elle est distribuée sous forme de fines particules dans une matrice métallique soluble dans l'acide, la matrice se dissout sous l'atta que de l'acide et la matière réfractaire (si elle est insoluble) est éliminée sous forme d'une fine poudre. Le constituant réfractaire préféré est l'oxyde de magnésium, qui est acidosoluble, mais on peut utiliser aussi les oxydes de titane, silicium, aluminium, thorium, zirconium, et calcium,
ainsi que la sillimanite. Ces matières de remplissage sont particu lièrement propres à être utilisées avec les al liages résistants à la chaleur et au fluage qui sont chauffés lors de leur emploi à 7000 C ou plus et contiennent au moins 25 % de nickel -i- chrome -@- cobalt. Les températures aux quelles ces alliages sont travaillés sont néces sairement élevées, et même à ces températures les alliages sont difficiles à déformer.
Les ma tières de remplissage composées envisagées ici peuvent être facilement produites par les mé thodes bien connues de la métallurgie des pou dres. Le choix du métal formant matrice et de la phase réfractaire est limité par des considé rations de compatibilité des composants pen dant la production selon ces méthodes. En gé néral, pour donner satisfaction comme matière de remplissage, la matière doit permettre de refouler des trous d'un diamètre d'environ 1 à 2 mm (de section non nécessairement circu laire), dont la forme et la surface de la section transversale soient pratiquement uniformes sur une partie notable de la longueur du produit refoulé, et dont les surfaces intérieures soient lisses.
Enfin, cette matière doit être facile ment éliminable. On préfère utiliser comme matière de rem plissage de l'oxyde de magnésium pulvérisé, dispersé dans une matrice de fer pur, l'oxyde de magnésium représentant de 5 à 25 % du poids de la matière totale. Des remplissages de ce type peuvent être utilisés avec avantage dans des billettes d'alliages de nickel-chrome ou de nickel-chrome-cobalt contenant du titane et de l'aluminium, qui sont normalement refou lés à environ 1200 C.
On peut citer à titre d'exemples les alliages de nickel-chrome con- tenant de 18 à 21,% de chrome, de 0,5 à 1,8 % d'aluminium et de 1,8 à 2,7 % de titane, le solde étant presque entièrement du nickel,
et les alliages de nickel-chrome-cobalt conte- nant de 18 à 21 % de chrome, de 15 à 21 % de cobalt, de 0,8 à 1,
8 % d'aluminium et de 1,8 à 2,7 % de titane, le solde étant presque entièrement du nickel.
Si la teneur en oxyde de magnésium est inférieure à 5 %, la matière de remplissage est trop tendre et déformable pour être utilisée avec ces alliages, et si elle est supérieure à 25 '%, on rencontre des difficul- tés pour mettre la matière de remplissage sous forme d'un corps cohérent.
Ces matières de remplissage préférées peuvent être utilisées aussi dans des billettes d'aciers inoxydables austénitiques.
La rigidité des compositions de fer-magné- sie à des températures élevées augmente avec la proportion d'oxyde de magnésium, de sorte que la résistance à la déformation de la billette métallique pendant le travail à chaud est d'au tant plus grande que la proportion d'oxyde de magnésium est plus élevée.
Les compositions de fer-magnésie contenant 5 '% de magnésie possèdent le grand avantage de pouvoir être étampées dans les formes désirées, tandis que les compositions contenant 15 % de magné- sie doivent être usinées. L'étampage diminue la porosité pendant le travail à chaud ultérieur.
Le facteur de déformation d'une matière de remplissage étampée formée de 5 % d'oxyde de magnésium et de 95 % de fer pur, utilisée avec l'un ou l'autre des alliages cités plus haut comme exemples, est égal à 1,06.
Avec les mêmes alliages le facteur de déformation d'une matière de remplissage non étampée compre- nant 20 % d'oxyde de magnésium et 80 0/0 de fer pur est égal à 1,11.
Le facteur de dé formation d'une matière de remplissage non étampée comprenant 15 % d'oxyde de ma- gnésium et 85 % de fer pur, utilisée avec les mêmes alliages, est égal à 1,16.
Par ailleurs, le facteur de déformation d'une matière de rem- plissage non étampée comprenant 5'% d'oxyde de magnésium et 95 % de fer pur, utilisée avec les mêmes alliages, est égal à 1,32, valeur trop élevée.
La manière préférée de préparer la ma tière de remplissage consiste à mélanger inti mement les constituants pulvérisés, d'une di mension de particules aussi faible que possible, à former le mélange .en un corps compact et à agglomérer ce corps dans une atmosphère non réductrice. Pour préparer la composition pré férée, on peut utiliser de la poudre de fer pré parée par décomposition thermique du fer- carbonyle, et de la magnésie de la qualité con nue sous la dénomination de magnésie calcinée. Dans chaque cas, les particules réfractaires sont de préférence plus petites que les parti- cules métalliques, pour assurer une bonne liai son.
Les poudres peuvent être intimement mé langées dans un moulin à billes, et ensuite comprimées en un corps compact sous une pression de 1600 kg/cmW par exemple. Pour réduire les risques de fendillement du corps compact, on peut ajouter pendant le mélange du camphre à raison de 1 1% du poids du mé lange, le camphre étant éliminé ensuite lors d'un stade préliminaire d'agglomération dans de l'hydrogène à 6000 C. L'agglomération fi nale peut être effectuée à une température comprise entre 1200 et 1350 C pendant 3 à 4 heures dans une atmosphère inerte, par exem ple de l'azote, ou dans le vide.
Si l'aggloméra tion finale est effectuée dans une atmosphère réductrice, la densité de la composition agglo mérée est très considérablement abaissée.
La matière de remplissage est facilement éliminée après toutes les opérations, soit à chaud, soit à froid, par immersion de l'article dans des solutions aqueuses de 20 à 25 % d'acide nitrique, avec ou sans adjonction d'au tres acides minéraux, par exemple avec 1 0/0 d'acide chlorhydrique, à des températures al lant de 85,, C jusqu'au point d'ébullition, sans dommage pour les articles eux-mêmes.
Il n'est pas nécessaire de former préalable ment la matière de remplissage en un corps cohérent, mais il est important qu'elle soit cohérente pendant le refoulement. En consé quence, le corps cohérent peut être formé<I> in</I> <I>situ </I> à partir de ses composants. On peut, par exemple, verser un mélange pulvérisé du métal et d'une matière réfractaire dans les trous d'une billette et le rendre compact par tassement, le mélange étant converti en un corps cohérent soit pendant le chauffage qui précède le refoulement, soit lors d'une opéra tion séparée de chauffage. De même, un corps compact non aggloméré peut être inséré dans chaque trou, et aggloméré avant le refoulement.
Cependant, cette formation du corps cohérent <I> in situ </I> n'est pas aussi satisfaisante que l'emploi de corps cohérents préformés, car il est plus facile de contrôler la préparation de ces derniers.