CH648352A5

CH648352A5 - Alliages a base de nickel et procede pour leur preparation.

Info

Publication number: CH648352A5
Application number: CH8084/80A
Authority: CH
Inventors: Robert B H Herchenroeder
Original assignee: Cabot Corp
Priority date: 1979-12-21
Filing date: 1980-10-30
Publication date: 1985-03-15
Also published as: NL8005465A; JPS5693847A; BE886210A; GB2066292A; CA1166484A; IT1129198B; FR2472028B1; FR2472028A1; GB2066292B; DE3037209A1; BR8006830A; IT8068622A0; US4312682A; DE3037209C2

Description

Cette invention concerne des alliages de nickel qui sont résistants à l'oxydation, et en particulier des alliages Ni-Cr-Al-Y, ainsi que les méthodes de traitement thermique pour les rendre utilisables dans les fours destinés à la fabrication de céramiques, cela sous la forme d'accessoires.

On connaît dans le domaine une classe de superalliages appelés Nicraly, ces alliages contenant du chrome, de l'aluminium et de l'yt-trium inclus dans du nickel. Des alliages représentatifs de cette classe sont décrits dans de nombreux brevets US et spécialement dans le brevet US No 3754902.

Dans la fabrication des articles en céramique habituels (souvent appelés poteries), on chauffe trois fois à haute température les céramiques, argiles et autres minéraux non métalliques en compagnie d'émaux appropriés. Le terme articles en céramique utilisé ici inclut la poterie, la porcelaine, les briques, les verres, les émaux vitreux, ainsi que d'autres produits semblables.

Les trois domaines de cuisson comprennent:

1. Le biscuitage qui élimine les impuretés et qui transforme de manière irréversible les argiles en un corps chimique. Les températures de cuisson sont en général comprises entre 1150 et 1220°C (2100-2230 F).

2. La glaçure, pendant laquelle l'émail est fixé au substrat en céramique, qui est effectuée à des températures comprises entre environ 1000 et 1100e C (1830-2010° F).

3. Les opérations d'ornementation pendant lesquelles les décalques, les couleurs, les peintures à la main ou d'autres décorations sont appliquées à la poterie. La température de ces opérations est en général comprise entre 750 et 1000° C (1380-1830" F).

Du fait que les articles en céramique, pendant leur fabrication, sont fragiles et ne peuvent supporter des changements brusques de température sans que cela provoque des craquelures, les cycles de chauffage commencent en général à la température ambiante ou près de celle-ci, et on augmente ensuite lentement la température jusqu'à la température de cuisson. Les cycles de cuissont durent en général entre 24 et 48 h, sous une atmosphère oxydante; ou alors on peut utiliser avec bénéfice une atmosphère à bas taux d'oxygène ou le vide.

Pendant cette opération, les articles doivent être soutenus, de façon qu'ils gardent leur forme propre, mais les parties de l'article et le support doivent pouvoir bouger librement du fait de l'expansion thermique, sans toutefois que la surface apparente soit endommagée. Pour réaliser cette fonction, l'alliage peut être fabriqué sous forme de plaques, de barres ou de fils, puis façonné sous forme de divers supports qui seront utilisés pendant la cuisson des articles de céramique.

Comme exemples de tels ustensiles, on peut citer les piédestaux, pieux, berceaux et autres.

Dans ce domaine, ces supports ou accessoires pour le four sont construits à partir de matériaux réfractaires qui nécessitent une mise en forme et une cuisson pour les rendre utilisables. Le terme accessoire pour le four utilisé ici se rapporte à des parties et à des systèmes de soutien, tels qu'ils sont utilisés dams les fours de fabrication de la céramique.

Ces accessoires en matériaux réfractaires présentent de nombreux défauts et désavantages. Ils sont difficiles à fabriquer, coûteux, friables, cassants et encombrants. En outre, les accessoires actuels en matériaux réfractaires ont une vie courte qui peut se limiter à un seul cycle de cuisson. D'autre part, le rapport des poids des matériaux réfractaires de support — qui sont invendables — au poids du produit vendu se situe aux alentours de 2:1 et atteint fréquemment 3:1. Lorsque l'on considère la perte en énergie de tels systèmes, il devient impératif de formuler et de développer d'autres méthodes plus efficaces sur le plan énergétique pour fabriquer des produits en céramique.

Pour obtenir une certaine efficacité, on a besoin de supports qui puissent subir des cycles de chauffage rapides et qui soient moins encombrants. En plus de la nécessité de réduire la dépense en énergie, on doit aussi essayer de diminuer le risque de rupture de ces supports (ce qui a souvent pour conséquence la destruction de toute la fournée) qui peut aussi se produire pendant leur manipulation normale, du fait de leur fragilité.

Une solution, qui semble évidente, aux problèmes décrits ci-dessus est l'utilisation de supports métalliques; cela a été envisagé, cependant sans résultats concrets.

On a essayé d'employer de l'acier inox mais, à la longue, l'acier n'a plus la solidité nécessaire ni la résistance à l'oxydation. Les alliages à hautes températures, dits superalliages de type nickel-chrome, par exemple les alliages 80-20, procurent la solidité nécessaire mais laissent des marques colorées sur le produit final, du fait de l'existence d'interactions entre l'émail du produit en formation et les oxydes qui se forment à la surface de l'alliage pendant la cuisson.

On a aussi utilisé des alliages recouverts de divers matériaux. Les résultats obtenus sont inconstants et peu reproductibles. Ainsi, ce qui semblait être une solution simple et évidente aux problèmes posés à l'industrie de la céramique n'en est en fait pas une.

Un objet de cette invention est de fournir un alliage servant de base à des articles qui sont particulièrement bien adaptés à leur utilisation comme accessoires pour les fours.

Un autre objet de cette invention est de fournir un traitement thermique qui améliore les caractéristiques dudit alliage.

L'invention présentée ici fournit de façon générale un article en alliage Nicraly et un traitement thermique oxydant qui rend l'article particulièrement approprié à son emploi comme accessoire pour les fours.

Par des expériences, on a découvert qu'une croûte d'oxyde d'aluminium principalement, à la surface de l'alliage, est inerte vis-à-vis de la plupart des mélanges de matières premières et des émaux, cela dans le domaine des températures utilisées dans l'industrie de la cé5

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ramique. On a découvert d'autre part que les alliages du type Ni-Cr-Al-Y fournissent une telle croûte d'oxyde d'aluminium lorsqu'ils sont soumis à de hautes températures, que cette croûte se répare d'elle-même et qu'elle est résistante au craquèlement.

Finalement, on a découvert que les meilleurs résultats sont 5

obtenus lorsque l'alliage Ni-Cr-Al-Y a été préoxydé à haute température pour préformer la croûte d'oxyde isolante, protectrice et inerte, avant que l'on mette cette surface en contact avec les articles en céramique durant leur fabrication.

On a procédé à une série de traitements thermiques sur des allia- 10 ges Nicraly pour déterminer les paramètres de chauffage qui permettront d'obtenir la croûte désirée, qui formera l'interface entre l'alliage et les articles de céramique pendant leur fabrication. Les alliages utilisés dans ces tests contenaient essentiellement 15% de chrome, 5% d'aluminium, 0,02% d'yttrium et le reste de nickel. Comme interval- 15 les possibles pour la composition de ces alliages, on peut utiliser d'environ 10 à 20% de chrome, d'environ 3 à 7% d'aluminium et d'environ 0,005 à 0,035% d'yttrium, le reste étant du nickel avec des impuretés et des éléments modificateurs, à condition que les éléments modificateurs ne détériorent pas la croûte d'oxyde qui ne dé- 20 colore pas l'article de céramique pendant sa formation.

On peut aussi faire plusieurs modifications de l'alliage Nicraly de base, cela dans les domaines de 8 à 25% de chrome, de 2,5 à 8% d'aluminium, d'une petite quantité d'yttrium qui ne dépassera pas 0,04%, le reste étant du nickel, des impuretés et des éléments modifi- 25 cateurs choisis éventuellement dans les groupes suivants: jusqu'à une quantité totale de 15% de Mo, Rh, Hf, W, Ta et Cb, jusqu'à une quantité totale de 0,5% de C, B, Mg, Zr et Ca, jusqu'à une quantité totale de 1% de Si, jusqu'à 2% de Mn, jusqu'à 20% de Co, jusqu'à 5% de Ti et jusqu'à 30% de Fe, cela à la condition que l'alliage 30 forme une croûte d'oxyde d'aluminium principalement.

Les alliages ont été fondus à la bonne composition, puis refondus électriquement dans des formes qui seront travaillées ultérieurement, et finalement mis en forme définitive.

Le programme expérimental d'évaluation des différents traite- 35 ments thermiques a donné les résultats suivants:

1. En soumettant l'alliage à un traitement thermique à 1150° C (2100° F) pendant 1 h, on obtient une couche d'oxyde appropriée.

2. La vitesse de chauffage jusqu'à 1150° C (2100° F) n'est pas critique. 40

3. En laminant à froid l'alliage jusqu'à une réduction de 20% de l'épaisseur nominale, puis en l'exposant à une température de 1093° C (2000° F) pendant 7 h, on obtient une couche d'oxyde appropriée.

4. En meulant la surface de l'alliage recuit précédemment jusqu'à une rugosité de 120, puis en l'exposant à une température de 1093° C (2000° F) pendant 7 h, on obtient une couche d'oxyde qui n'est que juste acceptable.

5. La simple exposition de l'alliage à des températures inférieures à 1093° C (2000° F) ne suffit pas pour obtenir un fil adéquat (à prédominance d'oxyde d'aluminium). A ces températures, il se forme un mélange d'oxydes verts (supposés être Cr203) et gris argent (supposé être A1203).

6. En exposant l'alliage pendant 20 min à un courant d'argon (semblable à un recuit), on observe la création d'un film qui semble être de l'Al203, mais qui est cependant d'épaisseur insuffisante pour servir d'interface.

7. La refonte électrique des scories (ESR) est la méthode préférée de formation.

En partant de ces résultats, on a conclu que l'on pouvait obtenir le meilleur film d'oxyde superficiel, qui servira d'interface avec les articles de céramique pendant leur cuisson, en préoxydant l'alliage dans une atmosphère contenant de l'oxygène, cela à une température supérieure à 1093° C (2000° F), par exemple supérieure à 1150° C (2100° F) et de préférence supérieure à environ 1177° C (2150° F), mais cependant en dessous du point de fusion de l'alliage, pendant une période qui dépend de l'état de surface de l'alliage, du potentiel d'oxygène dans l'atmosphère et de la température (un facteur à croissance exponentielle).

Les alliages Nicraly peuvent être produits selon divers procédés, métallurgie des poudres, fonte, forgeage, ainsi que selon d'autres procédés qui sont bien connus dans le métier.

On utilisera cependant, pour obtenir des résultats optimaux, le procédé de refonte électrique des scories (ESR) pour fabriquer l'alliage, puis on le laminera à chaud et/ou à froid pour obtenir l'article désiré, cela avant l'étape critique de l'oxydation.

Bien qu'à la suite de tests on ait décrit plusieurs méthodes, d'autres modifications peuvent être apportées, qui tombent dans le domaine de cette invention et des revendications précédentes.

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Claims

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1. Alliage composé de 8 à 25% de chrome, de 2,5 à 8% d'aluminium, d'une quantité d'yttrium qui ne dépasse pas 0,4%, ces chiffres exprimant des pour-cent en poids, le restant étant du nickel et des impuretés, caractérisé par le fait que ledit alliage possède un film composé d'oxyde d'aluminium principalement, inerte envers les articles en céramique.

2. Alliage composé de 8 à 25% de chrome, de 2,5 à 8% d'aluminium, d'une quantité d'yttrium qui ne dépasse pas 0,04% de nickel, ainsi que d'au moins un des éléments modificateurs représentant jusqu'à 15% du poids et choisis parmi les Mo, Rh, Hf, W, Ta et Cb; jusqu'à 0,5% poids de C, B, Mg, Zr et Ca; jusqu'à 1% de Si, jusqu'à 2% de Mn, jusqu'à 20% de Co, jusqu'à 5% de Ti et jusqu'à 30% de Fe, ces chiffres exprimant des pour-cent en poids, caractérisé par le fait que ledit alliage possède un film composé d'oxyde d'aluminium principalement, inerte envers les articles en céramique.

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REVENDICATIONS

3. Alliage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il contient de 10 à 20% de chrome, de 3 à 7% d'aluminium et de 0,005 à 0,035% d'yttrium.

4. Alliage selon l'une des revendicatiooons 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il est sous la forme d'un accessoire pour les fours utilisés dans la fabrication d'articles en céramique.

5. Procédé pour la préparation d'un alliage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on chauffe un alliage de composition correspondante exempt de film d'oxyde d'aluminium à une température supérieure à 1094' C, de manière à obtenir un film à la surface dudit alliage, film composé principalement d'oxyde d'aluminium.

6. Procédé pour la préparation d'un alliage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on effectue la refonte électrique de scories de composition correspondante, on met en forme et recuit de manière à obtenir un film à la surface.