Procédé de fabrication d'un article métallique composé et appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un article métallique composé et un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
L'invention permet notamment d'obtenir indus triellement un article métallique formé d'une base de cuivre ou d'alliage cuivreux, recouverte sur une face ou sur les deux faces d'une couche d'un métal inoxydable, par exemple de l'acier inoxydable..
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'appareil.
La fig. 1 en est une vue en plan.
La fig. 2 est une coupe par la ligne 2-2 de la fig. 1.
La fig. 3 montre l'appareil immergé dans un bain liquide de chauffe.
Le métal de base est ordinairement notablement plus épais que le métal de revêtement. Dans la plu part des cas, l'épaisseur totale de toutes les couches superposées pour constituer un article est suffisam ment faible pour que l'ensemble présente de la flexi bilité.
Le cuivre ou un métal cuivreux est particulière ment indiqué comme métal de base. Le métal avec lequel le métal de base est recouvert est de préférence l'acier inoxydable.
On peut avantageusement empiler plusieurs en sembles métalliques. à plat les uns sur les autres. Chaque ensemble comprend une couche de métal de base et une ou deux couches de revêtement, la ma tière de brasage étant disposée entre ces couches. L'épaisseur totale de la pile ainsi formée ne doit pas entraîner une rigidité telle que les faces des feuilles individuelles ne puissent se conformer les unes aux autres sur toute leur surface quand elles sont soumises à des pressions ne dépassant pas la pression atmosphé rique.
En pratique, quand on utilise des feuilles de cuivre d'une épaisseur de 0,6 mm et des feuilles d'acier inoxydable d'une épaisseur de 0,4 mm, on a trouvé que les piles pouvaient comprendre jusqu'à vingt ensembles doubles et seize ensembles triples. Cependant, l'épaisseur de pile autorisée dépend de l'égalité des feuilles, des feuilles bien planes permet tant de faire des piles plus épaisses que des feuilles qui tendent à se courber quelque peu. Des feuilles présentant des variations d'épaisseur notables -longi tudinales ou transversales limitent également l'épais seur permise pour la pile.
Une telle pile est placée à l'intérieur d'un appa reil tel que celui représenté par le dessin. Il n'y a de matière de brasage entre les surfaces opposées des ensembles adjacents.
L'appareil représenté comprend une enveloppe formée de deux anneaux métalliques rigides 1 de même diamètre, entre lesquels sont serrés deux dia phragmes flexibles 2 faits de feuilles métalliques, les diaphragmes étant espacés par un anneau 3. Les sur faces mutuellement en contact des anneaux. 1, des diaphragmes 2 et de l'anneau 3 sont soigneusement dressées de manière qu'une pression de serrage adé quate sur les anneaux 1 rende l'appareil pratiquement étanche à l'air.
La pression de serrage est appliquée aux anneaux 1 par une série de pinces périphériques espacées 4 en forme de C, produisant une pression au moyen de cames 5 qui peuvent être tournées par des goujons 6 faisant saillie radialement. Un outil peut être glissé sur ces goujons pour les faire tourner, de façon à obte nir une bonne pression de serrage, ou à libérer facile ment les pinces quand c'est nécessaire.
L'anneau 3 présente un trou 7 s'étendant radia- lement de manière à déboucher entre les diaphragmes 2, et un tube métallique 8 est fixé dans le trou 7 sur l'anneau 3. Ce tube est relié à une source de vide qui est suffisante pour éliminer pratiquement tout l'air compris entre les deux diaphragmes 2, le serrage par les pinces 4 empêchant toute entrée d'air dans l'ap pareil.
Les diaphragmes 2 sont très minces, donc très flexibles et, en conséquence, transmettent la pression atmosphérique directement à une pile d'ensembles métalliques disposée entre ces diaphragmes. Les cou ches extérieures des ensembles forment les extrémités opposées de la pile, et comme tous les ensembles sont flexibles, la pression atmosphérique se répartit elle- même sur toute la pile. De cette façon, la pression atmosphérique fait fléchir chaque couche, de ma nière que leurs faces se conforment les unes aux autres. Chaque face est ainsi amenée en contact avec la face qui lui correspond.
La pile d'ensembles forme, en fait, une pile de feuilles métalliques. La matière de brasage est in terposée entre les faces qui doivent être liées en semble pour former l'article métallique désiré.
Le brasage pour lier ensemble les diverses cou ches présente l'avantage de nécessiter une tempéra ture très inférieure aux températures nécessaires pour une soudure. Le cuivre et les alliages de cuivre sont sujets à la formation superficielle de la peau d'orange quand ils sont étirés après que le métal a été maintenu à de hautes températures suffisamment longtemps pour produire une augmentation de la di mension du grain du métal entraînant l'apparition de ce défaut.
Les températures de brasage, en choisis sant des matières de brasage appropriées, sont suffi samment basses pour éviter cet inconvénient si la cha leur nécessaire peut être communiquée à la matière de brasage et éliminée suffisamment rapidement. Une croissance défavorable du grain nécessite à la fois du temps et de fortes températures pour se pro duire.
Quand la pile est enfermée dans l'enveloppe, celle- ci est immergée dans un liquide chaud 9 (fig. 3). On peut utiliser un sel fondu contenu dans une cuve 10 suspendue dans un four de chauffage 11. Pendant ce temps, le tube 8 est maintenu en connexion avec la source de vide, de sorte que la pile est maintenue sous la pression atmosphérique.
La chaleur est ainsi transmise très rapidement à la pile. Il en est pratiquement ainsi parce que la pile est suspendue directement dans le bain de li quide de chauffe et qu'en même temps les diverses couches de l'article revêtu sont forcées en contact face à face sur toute leur étendue par la pression atmosphérique continuellement maintenue. Ceci as sure non seulement un brasage uniforme partout, mais aussi une bonne conduction thermique sur toute la pile. La chaleur atteint ainsi rapidement la ma tière de brasage, de manière à fondre cette dernière comme il est nécessaire pour le brasage. Dès que cette condition est réalisée, l'appareil est retiré prompte ment du liquide de chauffe et on le laisse refroidir à l'air.
Le refroidissement est rapide par suite de la bonne conduction de la pile, le vide étant maintenu pendant la période de refroidissement. Une fois la matière de brasage solidifiée, le vide est supprimé, les pinces 4 sont libérées et les diaphragmes 2 sont séparés de la pile qui constitue alors une série d'ar ticles terminés.
Par suite de la rapidité du chauffage et du re froidissement, les deux facteurs température et temps peuvent être maintenus à des valeurs permettant d'éviter une croissance indésirable du grain de l'élé ment en cuivre ou en alliage de cuivre. Par consé quent l'article revêtu obtenu peut être étiré par re poussage, si on le désire, sans formation de la peau d'orange comme ce serait le cas avec un revête ment inoxydable mince. En conséquence, les articles étirés et repoussés ainsi faits ne nécessitent pas un polissage prolongé comme cela est nécessaire pour donner un bon aspect à l'article quand la peau d'orange apparaît visiblement de l'extérieur de l'élé ment inoxydable.
On a trouvé avantageux d'utiliser une matière de brasage qui comprend un mélange d'un fondant et de particules d'un métal de brasage, le fondant et les particules étant pratiquement uniformément distri bués entre les surfaces qui doivent être brasées ensem ble, dans les proportions relatives voulues pour for mer, entre ces surfaces, une liaison qui comprend une scorie fondue en phase hautement dispersée mélan gée avec une matrice du métal de brasage. Cela nécessite l'emploi d'une très petite quantité seulement de métal de brasage dans chaque cas et, par consé quent, permet pratiquement d'utiliser un métal de brasage ayant une forte teneur en argent et qui fond ainsi à une température relativement basse.
La ten dance à la croissance du grain est évidemment ré duite par l'emploi de températures de brasage aussi basses que possible.
La pratique a montré que la production indus trielle de tels articles présentant une base de cuivre ou d'un alliage de cuivre et une couche de revêtement inoxydable mince, et propres à supporter un étirage par repoussage, est notablement favorisée si l'on ob serve soigneusement certains détails opératoires qui seront indiqués dans un exemple décrit ci-après d'une mise en aeuvre du procédé.
Dans cette mise en oeuvre, l'article est composé d'une base de cuivre et d'un revêtement d'acier inoxy dable sur l'un des côtés ou sur les deux côtés. Le cuivre est sous forme d'une feuille de 0,61 mm d'épaisseur et l'acier inoxydable sous forme d'une feuille de 0,38 mm d'épaisseur. Le revêtement métal- ligue est sous forme de disques d'un diamètre de 5,4 cm qui sont destinés à être étirés par repoussage pour former des ustensiles de cuisine.
Il est néces saire que les couches de revêtement soient liées en semble suffisamment fermement pour ne pas se sépa rer pendant l'étirage, et il est avantageux que l'élé ment cuivreux présente un grain assez fin pour qu'il ne se forme pas une surface en peau d'orange sus ceptible de produire des marques correspondantes sur le côté extérieur de la couche inoxydable. Si cette dif ficulté se présente, les marques doivent être élimi nées de la surface inoxydable par un polissage pro longé et, par conséquent, coûteux.
L'acier inoxydable peut être du type American Iron and Steel Institute 301, 302, 304, 305 ou 430, travaillé pour développer les propriétés d'étirage par repoussage. L'élément cuivreux peut être du cuivre à haute conductibilité exempt d'oxygène, numéros 1013 et S durs. Si l'on utilise un coefficient de dureté inférieur, il faut prendre soin de s'assurer que le cuivre présente un grain tel que l'étirage par repous sage n'entraîne pas la formation de la peau d'oran ge ou d'autres défauts superficiels.
Il est bien pré férable de partir d'un cuivre présentant une tension considérable par travail à froid, de manière à être certain de la finesse du grain dans le produit final, en supposant qu'on utilise une matière de brasage nécessitant des températures de brasage supérieures à la température de cristallisation du cuivre.
Tous les éléments de l'article métallique sont préalablement coupés en disques du diamètre indi qué plus haut, et leurs surfaces sont toujours soigneu sement dégraissées. Le dégraissage peut se faire à l'aide de vapeurs, par des méthodes électriques ou par tout autre moyen assurant un dégraissage soi gneux. Ce dernier peut être avantageusement effectué en immergeant les disques dans une solution aqueuse contenant 25 à 50 g d'hydroxyde de sodium par litre d'eau, la solution étant maintenue à des tempéra tures allant de 71 à 940 C. Le temps d'immersion dépend de la quantité du produit de contamination qui doit être éliminé.
Il est nécessaire aussi d'éliminer les oxydes su perficiels des disques préalablement découpés. II existe diverses méthodes connues pour éliminer ces oxydes.
Dans le cas d'un travail rapide, les disques d'acier inoxydable et de cuivre peuvent être simplement la vés et séchés, après avoir été nettoyés et après élimi nation des oxydes superficiels. Si les opérations sont conduites de manière qu'il soit nécessaire d'emmaga siner les disques suffisamment longtemps pour que des oxydes puissent se former à nouveau à leurs sur faces, les disques peuvent être soigneusement rincés dans l'eau, puis rincés rapidement dans au moins deux bains d'alcool méthylique anhydre et ensuite conservés dans le bain d'alcool final.
Dans la mise en pauvre décrite, il est préférable que les éléments métalliques en feuilles présentent des surfaces unies. Des surfaces rugueuses sont indé- sirables. La qualité usuelle obtenue par laminage est satisfaisante. Les méthodes de nettoyage et de désoxy dation superficielle qui peuvent rendre rugueuses les surfaces des disques doivent être évitées.
Dans le stade suivant, la surface interne de cha cun des disques d'acier inoxydable séchés est uni formément recouverte d'une solution d'un fondant de brasage comprenant un liquide volatil qui peut sécher après l'application: Le fondant doit être pro pre à assurer un bon brasage. On peut utiliser avan tageusement la solution suivante, exprimée en poids
EMI0003.0010
hydroxyde <SEP> de <SEP> potassium <SEP> 1 <SEP> partie
<tb> fondant <SEP> <B>............</B> <SEP> 9 <SEP> parties
<tb> eau <SEP> ................ <SEP> 91 <SEP> parties Le fondant répond à la composition suivante (à l'état sec)
EMI0003.0011
fluorure <SEP> de <SEP> potassium <SEP> . <SEP> .
<SEP> <B>....</B> <SEP> 40%
<tb> acide <SEP> borique <SEP> <B>............</B> <SEP> 300/o
<tb> borate <SEP> de <SEP> sodium <SEP> <B>........</B> <SEP> 300/o Cette solution de fondant est appliquée unifor mément sur la surface interne de chaque couche d'acier inoxydable. Cela peut se faire en faisant tour ner les disques et en appliquant la solution avec une brosse. On peut utiliser la vaporisation ou d'autres moyens. Si les disques ont été stockés dans l'alcool, ils peuvent être séchés au préalable ou recevoir le fondant quand ils sont encore mouillés par l'alcool.
Il peut être possible aussi d'emmagasiner les disques dans de l'eau, car celle-ci protège leurs surfaces pen dant des périodes raisonnables, et dans ce cas éga lement les disques peuvent être séchés au préalable ou recouverts directement avec la solution du fondant.
Les disques d'acier inoxydable sont disposés avec leur face humidifiée par la solution du fondant tour née vers le haut, et de la poudre de brasage est pro jetée sur ces surfaces humides sous forme d'une sus pension de la poudre dans de l'air. La poudre de bra sage doit être composée de particules de petite di mension pour tomber uniformément. Cette suspension peut être formée en soufflant la poudre vers le haut dans un tube et en la laissant retomber sur les disques. On utilise avec avantage des dimensions de particules correspondant à 120 et 60 mailles/cm.
Les propriétés physiques de la couche de fondant mouillée doivent être telles que cette couche fixe les particules de la poudre de brasage qui tombe unifor mément sur toute l'étendue des surfaces des disques. Si la couche de fondant mouillée est trop épaisse ou d'une viscosité trop faible, elle permet aux particules de flotter les unes vers les autres et de former des blocs. La viscosité et l'épaisseur du revêtement de fon dant doivent être réglées pour que les particules du métal de brasage n'aient pas tendance à être enlevées quand les disques sont légèrement penchés. La pro portion des composants, fondant et eau, de la solution de fondant peut être modifiée de la manière voulue pour répondre aux conditions ci-dessus.
Il est nécessaire aussi de déterminer l'épaisseur du revêtement du fondant et sa composition, ainsi que la densité de distribution des particules de brasage, de manière que, lorsque les disques ont été brasés ensemble pour former l'article, la liaison entre les couches se présente sous forme d'une scorie du fon dant constituant une phase hautement dispersée, mé langée avec une matrice du métal de brasage,
cette scorie ne devant pas être gênante pendant l'étirage par repoussage des disques composés. L'apparence de la liaison peut être examinée en séparant les couches du produit fini, ce qui est possible en utilisant une force adéquate. En se basant sur une telle expérience, on peut régler exactement les applications de la solu tion du fondant et des particules de brasage. On uti lise relativement peu de métal de brasage, et son em ploi devrait être limité de préférence au minimum nécessaire pour assurer une bonne liaison.
Le métal de brasage utilisé est un alliage de bra sage à basse température. Ces alliages contiennent gé néralement de l'argent et sont relativement coûteux, mais la petite quantité nécessaire rend ces métaux de brasage utilisables dans la pratique.
Les divers disques sont assemblés en les superpo sant les uns aux autres dans l'alignement voulu, de manière à former une pile qui est ensuite placée dans l'enveloppe précédemment décrite et brasée sous pression de la manière indiquée.
Avec les métaux indiqués dans l'exemple cité, soit l'acier inoxydable et le cuivre, un brasage satis faisant est effectué en maintenant le bain fondu 9 à une température voisine de 7880 C, et en laissant l'enveloppe contenant la pile dans le bain jusqu'à ce que la pile atteigne sur toute son étendue une tempé rature suffisamment élevée pour fondre la matière de brasage. L'action des diaphragmes métalliques en feuilles minces et le fait que toutes les couches de l'article sont en contact étroit sur toutes leurs sur faces, permettent d'atteindre rapidement les tempéra tures de brasage sur toute l'épaisseur de la pile.
Dès que la température de brasage est partout atteinte, l'enveloppe est sortie du bain et, sans supprimer le vide dans l'enveloppe, on laisse refroidir l'enveloppe et sa pile. L'enveloppe est de préférence refroidie dans de l'huile ou de l'eau, de manière à porter rapi dement l'élément cuivreux au-dessous de la tem pérature correspondant à une croissance rapide du grain.
Comme les éléments cuivreux présentent au dé part une dureté relativement élevée, les températures de brasage indiquées sont suffisamment élevées pour produire une recristallisation de la structure du grain du cuivre. Les .grains recristallisés sont évidemment très fins, et avant qu'ils puissent croître à une dimen sion indésirable, l'enveloppe et la pile peuvent être sorties du liquide chauffant et refroidies.
Il est entendu que le métal dont est fait l'enve loppe et le sel fondu constituant le bain doivent être choisis de manière à éviter une destruction rapide de l'enveloppe. Celle-ci peut être ordinairement réu tilisée un certain nombre de fois.
Le procédé et l'appareil décrits peuvent être uti lisés pour revêtir un métal de base trop épais pour fléchir sous la pression atmosphérique, pourvu que le métal de revêtement soit flexible dans ces condi tions. Dans un tel cas, on peut produire seulement un article triple ou deux articles doubles à la fois dans une enveloppe. On peut obtenir un article de grande surface avec une enveloppe et un bain de chauffage des dimensions appropriées. Des ensembles de petite surface peuvent être avantageusement arrangés dans l'enveloppe en un certain nombre de piles espacées transversalement, les diaphragmes appuyant contre les extrémités de toutes les piles.
Dans tous les cas, la pile entière et les éléments de l'article revêtu doi vent être assez minces pour permettre à la pression atmosphérique de fléchir suffisamment les éléments pour conformer leurs surfaces les unes aux autres sur toute leur étendue. De cette façon, chaque pile constitue en fait un bloc solide de métal jusqu'à ce que la pression atmosphérique ait été rétablie à l'in térieur de l'enveloppe. Quand le métal de base est épais et qu'il n'est pas destiné à être étiré ou conformé par repoussage, il est indifférent qu'un gros grain se développe ou non, et dans certains cas une formation en peau d'orange peut se développer sans aucune conséquence fâcheuse.
Ce type de défaut peut ne pas être un problème quand le métal de base est autre que le cuivre. Cependant, un grand avantage du pro cédé décrit réside dans la possibilité de revêtir du cuivre ou des alliages de cuivre sans développer ac cidentellement un grain suffisamment grand pour entraîner la formation de la peau d'orange pen dant l'étirage et le repoussage.
Il est entendu que lorsqu'on parle d'un grain fin , cela signifie un grain suffisamment petit pour empêcher la formation de la peau d'orange dans les conditions de travail.
L'étanchéité de l'enveloppe peut être améliorée par l'emploi d'une mince couche d'une huile lourde, par exemple du type indiqué pour la lubrification à haute température. On peut utiliser une huile au gra phite. Quand une telle matière est appliquée entre les faces des diaphragmes et les anneaux, il en résulte une augmentation notable d'étanchéité à l'air.
Par suite de la rapidité avec laquelle le cycle de brasage est accompli, il n'est pas nécessaire d'utiliser un acier inoxydable du type stabilisé contre la préci pitation de carbures, d'un prix élevé comparative ment à l'acier inoxydable ordinaire.
On a dit que les alliages de brasage à basse tem pérature présentent ordinairement une forte teneur en argent. Cela ne signifie pas que la teneur en ar gent doit être nécessairement forte dans tous les cas, et il est possible d'avoir des alliages de brasage satis faisants contenant peu d'argent ou n'en contenant pas, tout en présentant un domaine de fusion suffisam ment bas ainsi que la résistance requise. Le bain de chauffe liquide peut être constitué par un sel fondu du type utilisé dans les traitements ther miques. Afin de ménager l'enveloppe, le sel doit être neutre de préférence, c'est-à-dire sans effet oxydant ou carburant sur l'appareil.
Le sel doit posséder les propriétés caractéristiques usuelles des sels de traite ments thermiques, en ce sens qu'il doit assurer un bon transfert de la chaleur, être chimiquement stable, ne pas donner de vapeur désagréable à la température de travail, s'enlever facilement des parties traitées thermiquement et être suffisamment fluide à la tem pérature de travail. Cette dernière caractéristique est particulièrement importante dans le procédé décrit plus haut. On a trouvé en pratique qu'une enveloppe imparfaitement scellée avant l'immersion dans le bain de sel montre souvent une amélioration notable de la qualité des joints après avoir été placée dans le sel fondu.
Ce phénomène est attribué à l'action du bain de sel qui se solidifie autour de l'enveloppe et bouche les petits interstices. Pendant l'immersion continue de l'enveloppe dans le bain de sel, la croûte initiale des sels solidifiés autour de l'enveloppe fond à nouveau, mais même à l'état fondu le sel agit effi cacement comme joint. On a utilisé des chlorures. avec succès. Un mélange de 60'0/o de chlorure de sodium et 40 % de chlorure de potassium en poids est le plus avantageux, bien qu'on puisse utiliser aussi un mé lange de 45'0/o de chlorure de sodium et 55 -0/o de chlorure de potassium. D'autres mélanges de sels ou d'autres types de bains de chauffe peuvent se mon trer satisfaisants.