Brevet FR2009855A1 — publié le 19700213

La présente invention a pour objet la fabrication de mé- taux et alliages contenant des micro-inclusions d'une ou plu sieurs substances diffusées de façon homogène et capables de donner au métal et à l'alliage qui les contiennent, des caractdristiques particulières, principalement entre autres, une meilleure capacité d'usinage, d'emboutissage et d'étirage. Grâce aux dimensions microscopiques et submicroscopiques des inclusions et à leur dispersion homogène, le métal et l'aI- liage qui les contiennent, ne subissent aucune dégradation de leurs autres caractéristiques mécaniques, y compris celles qui sont mesurées perpendiculairement à la direction de déformation, à chaud ou à froid. Là où les substances qui forment les micro-inclusions ou qui provoquent la formation, sont diffusées en phase vapeur à 1' intérieur du métal ou de l'alliage en phase liquide. Les substances destinées à former les micro-inclusions peuvent entre introduites telles quelles ou bien sous forme de composés qui les contiennent et dont elles se libèrent à la suite de réactions. Pour favoriser le dégagement de la vapeur qui doit se dif- fuser dans le métal ou dans l'alliage, on peut avoir recours à l' adjonction d'éléments thermogènes ou bien provoquer le dégagement de la vapeur de la substance voulue en faisant, en sorte, que celci se forme à la suite d'une réaction exothermique. Lorsque le métal ou l'alliage de base sont passés à l'état solide, la substance ajoutée y reste enfermée et, quand elle paa se, à son tour, à l'état solide, elle forme, grâce à sa diffusion homogène, des micro-particules dispersées elles aussi de façon homogène. On peut ainsi introduire, dans le métal ou dans l'alliage de base, plus d'une substance pour former des micro-inclusions dispersées de façon homogène à l'état solide. Le moyen le plus simple pour provoquer le dégagement de va- peur de la substance ajoutée, est de mettre cette substance à une température proche de son point d'ébullition, en contact avec le métal ou l'alliage à l'état liquide. On atteint ainsi un pourcentage déterminé de la ou des substances introduites pour former les inclusions voulues. Ce pourcentage dépend principalement de la température du métal ou de l'alliage de base, de la température de la substance introduite, de la durée de l'émanation des vapeurs. Pour réaliser la diffusion de vapeurs à l'intérieur du métal liquide ou de l'alliage liquide, on doit considérer deux cas : I - Le poids spécifique de la substance ajoutée est inférieur au poids spécifique du métal ou de l'alliage qui doit en absorber les vapeurs 2 - le poids spécifique de la substance ajoutée est supérisur au poids spécifique du métal ou de l'alliage qui doit en absorber les vapeurs. Dans le premier cas, une façon de procéder consiste à introduire la substance ajoutée dans un récipient, par exemple, un réci- pient à cloche et à immerger ce récipient dans le bain métallique, de façon que la vapeur puisse sortir par des ouvertures pratiquées sur-le fond du récipient même, tandis que la substance en évaporation est maintenue à l'intérieur du récipient par la pression externe du bain métallique. Dans le second cas, le moyen le plus simple consiste à former une flaque de substance ajoutée sur le fond du récipient qui contient le bain métallique, de façon que la vapeur se dégage à la sur face de contact entre la substance ajoutée et le bain métallique. L'évaporation de certaines substances peut être facilitée par leur introduction sous forme d'alliage avec, d'autres constituants ayant un point d'ébullition plus bas, ceci en raison du phénomène qui fait que le constituant à plus bas point d'ébullition, entraîne des portions de constituants à point d'ébullition plus élevé. Si l'on veut augmenter, dans le bain métallique, la teneur de la substance ajoutée obtenue par les modes sus-indiqués, dans, le but de s'approcher du degré de saturation, on peut avoir recours à l'artifice consistant à lancer un jet de substance atomisée contre le métal ou l'alliage liquides, qui coulent au cours d'une opération de transvasement ou de coulage en moule.On peut également intro- duire directement la substance atomisée à l'intérieur du bain métallique en y faisant barboter le flux atomisé.' L'atomisation de la substance ajoutée, peut entre effectuee avec' n'importe quel appareil atomiseur produisant de très fines gouttelettes, afin qu une évaporation rapide au contact du métal ou de l'alliage liquide, en soit assurée. En ce qui concerne la qualité des matériaux dont doivent être constitués ou revêtus les récipients, les sièges de coulée, les atomisseurs, etc..., ainsi que le type du gaz atomiseur éventuel constitué, de préférence, par un gaz inerte, le choix doit être ef factué, selon les cas, de façon à garantir la résistance mécanique nécessaire aux températures élevées, et à éviter toute réaction indésirable. Pour atteindre et maintenir les températures voulues, on doit procéder, si nécessaire, au chauffage préalable des substances ajoutées et au choix de fondants et de ferroalliages qui n'enlèvent pas trop de chaleur ou même qui en cèdent. Il s'agit, en tout cas, de modalités d'opération qu'un métallurgiste peut résoudre sans idfficultés. La présente invention est particulièrement indiquée pour la fabrication d'aciers à haute usinabilité, c'est-à-dire d'aciers simples ou alliés auxquels on ajoute différents éléments capables de les rendre sieur usinables, comme le plomb, le tellure, le thallium, le bismuth, le sélénium, etc...seulB ou combinée entre eux. Les objets, avantages et caractéristiques de l'invention, ressortiront par ailleurs de la description qui suit, relative à des forme. d'exécution choisies, à seul titre d'exemple, en se ré forant particulièrement à la préparation d'un acier de décolletage au plomb. Il convient, toutefois, de dire tout d'abord quelques mots sur l'ancien système de fabrication de cet acier, tel qu'il est encore généralement appliqué. La technique consiste à doser l'ap- port de petites sphères de plomb dans le j et d' acier qui coulddRnR la lingotière ou dans le tube-mère, pour la coulée en source, ou dans le moule. il est facile de comprendre combien il est diffici le d'obtenir, avec ce système, une diffusion homogène du plomb permettant d'assurer la production d'un acier de bonne qualité. Et, en effet, en pratique, les difficultés sont très grandes et de nombreuses aciéries doivent enregistrer des rejets importants, particulièrement à cause des mauvaises caractéristiques mécaniques sur le travers, dues à l'allongement de macro-particules de plomb pendant la déformation plastique de l'acier. Au contraire, avec le procédé qui constitue l'objet de la pré- sente invention, on peut garantir la dispersion homogène de microinclusions de plomb. En eifet, cette caractéristique découle du mécanisme selon lequel le plomb se répand dans l'acier, c'est-à-di- re sous forme de vapeur qui se solidifie au bord des grains de 1' acier, étant donné que ceux-ci, au cours de leur formation, repoussent les molécules de plomb qui vont nécessairement se réunir sur les bords en groupements si petits qu'ils ne peuvent gazer en rien la déformation plastique successifs de l'acier, lequel con- serve intactes ses caractéristiques mécaniques, meme sur le travers, ce qui est d'une importance primordiale pour les alliages d'acier qui doivent supporter de sévères sollicitations d'efforts. Dans la fabrication de l'acier au plomb, le plomb peut être mis simplement en flaque sur le fond de la poche en 1' introdui- sant, soit sous forme de métal pur, soit sous forme d'un de ses composés. L'évaporation du plomb se produit ainsi, très simplement, à la surface de contact entre l'acier et le plomb. Bgalement, au cours de la fabrication de l'acier au plomb, il conviendra d'-éviter des refroidissements sensibles. Il est donc conseillable de limiter les autres adjonctions en poche ou alors de choisir des matériaux thermogènes. Dans le cas de 1' acier au plomb, la coulée continue est particulièrement favorable, parce qu'elle permet de répéter dans le panier l'évaporation de plomb, donnant lieu ainsi à une ultérieure augmentation de la teneur en plomb, et aussi parce que la solidification rapide de l'acier dans la lingotière de crista7l- sation empêche la perte de plomb par évaporation qui, bien que réduite, peut au contraire se produire dans les grosses lingotières. On peut effectuer une adjonction ultérieure de plomb en lançant, contre 1' acier qui coule, un jet de plomb atomisé.Dans ce cas, il est préférable que le véhicule soit constitué par du gaz argon qui sert, non seulement à transporter le plomb atomisé mais à protéger également l'acier investi contre ltoxydation par l'air. Pendant l'adjonction du plomb dans la poche et pendant le coulage de l'acier depuis la poche. de coulée, on note un dégagement de vapeurs de plomb. Ce dégagement est très léger, spécialement pendant le coulage. Néanmoins, pour éviter tout inconvénient au personnel, il est préférable de prévoir un aspirateur ou bien, plus simplement, de donner des masques aux opérateurs les plus proches des -flux d'acier liquide. Toujours à titre d'exemple et afin de mieux montrer la sim- plicité du procédé, on fournit ci-apres des données indicatives sur la fabrication d'une coulée d'un acier ordinaire au plomb en four Martin-Siemens et d'une coulée d'un aciers inoxydable au plomb en four électrique. EXEMPLE N0 1:Fabrication d'une coulée de 50 tonnes d'acier au plomb en four Siemens-Martin. Composition demandée obtenue % % C 0,12 - 0,16 0,13 Mn 0,50 - 0,70 0,55 Si 0,15 - 0,20 0,18 S moins de 0,04 0,035 P moins de 0,04 0,030 Pb 0,15 -'0,30 0,21 Comme le plomb est ajouté au cours de la phase finale, qui correspond au procédé revendiqué, ni la composition de la charge, ni la séquence et la conduite de l'opération au four, ne varient par rapport au processus employé pour la fabrication de l'acier de base, c'est-à-dire sans plomb. La seule prdcaution importante est qu'il ne s'écoule pas froid du four, ceci pour tenir eompte du refroidissement provoqué par l'adjonction du plomb. En ce qui concerns cette adjonction, elle peut Btre déjà préparée sur le fond de la poche de coulée, elle-même convenablement préparée.Si, toutefois, la poche de coulée n'est pas suffisamment chaude, il convient de commencer à ajouter le plomb en poche de coulée après y avoir déjà versé quelques tonnes d'acier liquide. Une fois la coulée en poche terminée, on observe une période d'attente d'environ 10 minutes, pendant lesquelles les vapeurs qui se dégagent vont se diffuser dans l'acier. D'ailleurs, avant de commencer la coulée depuis la poche, une période d'attente de 10 minutes est normalement observé. pour tous les aciers de qualité, pour donner le tape aux impuretés de l'acier de monter à la surface. EXEMPLE N0 2 s Fabrication d'une coulee de 10 tonnes d'acier inoxydable 18/8 au plomb en four électrique à arc. Composition demandée obtenue % % C Mn 0,50 - 0,70 0,57 Si 0,30 - 0,45 0,35 S P Ni 7 - 9 7,7 Composition demandée obtenue % % Cr 17 - 19 17,3 Pb > 0,15 0,19 La conduite de l'opération au four électrique ne varie pas par rapport à celle qui est suivie pour l'acier normal 18/8 sans plomb.On recommande, en général, pour tous les aciers alliés contenant du plomb,- que les adjonctions finales d'alliage soient toutes effectuées, 8i possible, dans le four, pour ne pas avoir de baisse de température avec les adjonctions dans la poche de coulée, de façon que la seule adjonction en poche soit celle du plomb, adjonction effectuée selon les modalités déjà indiquées dans l'exem- ple précédent. S'il faut ajouter des ferroalliages en poche de coulée, on recommande que ces derniers soient de type thermogène. On rappelle que les deux exemples de fabrication d'acier au plomb susvisés, se rapportent, l'un au four Siemens-Martin et 1'autre au four électrique. Etant donné que les opérations d'adjonc- tion de plomb sont effectuées au cours de la phase finale, quand toutes ou presque toutes les opérations de fabrication de l'acier de base sont terminées, le procédé selon l'invention peut entre mis en oeuvre avec n'importe-quel type de four ou de convertisseur se prêtant à la fabrication de l'acier de base. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux dispositions décrites ci-dessus, celles-ci n'en ont éte données qu'à titre d'exemple. REVENDICATIONS 10)- Procédé de fabrication de métaux et alliages avec micro-inclusions d'une ou plusieurs substances capables de conférer au métal et à l'alliage de base des caractéristiques particulières caractérisé par le fait que la ou les substances ajoutées destinées i former les micro-inclusions,sont diifu ies en phase vapeur dans le métal ou l'alliage en phase liquide. 20)- Procédé, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, au cas où la ou les substances ajoutées ont un poids spéciiique supérieur à celui du métal ou de l'alliage de base, ces substances sont préalablement préparées. dans le fond d'un récipient dans lequel le métal ou l'alliage de base sont versée en phase liquide, de façon que ces substances se stratifient elles aussi en phase liquide sous le métal ou l'alliage de base et que, de la surface de séparation, ces substances se diffusent en phase de vapeur dans le métal ou dans 1' alliage. 30)- Procédé, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, au cas où la ou les substances ajoutées ont un poids spécifique inférieur à celui du métal ou de l'alliage de base, ces substances prdp & des dans un récipient à cloche, sont immergées dans le bain de métal ou d'alliage de base, de sorte que les vapeurs des substances ajoutées qui se dégagent du récipient, vont se diffuseur dans le métal ou l'alliage de base en phase liquide. 4 )- Procédé, suivant une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la ou les substances ajoutées, sont introduites en phase solide ou liquide avant et/ou pendant la coulée du métal ou de 1' alliage de base dans le récipient de réaction. 5 )- Procédé, selon une ou plusieurs des revendications pré cédentes, caractérisé par le fait que la ou les substances ajoutées, sont introduites dans le récipient de réaction sous forme de leurs alliages ou composés,de préférence, avec des substances ayant un point d'ébullition inférieur desquelles elles se libèrent ensuite et s'évaporent quand elles sont chauffées. 6 )- Procédé selon une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la ou les substances ajou tées, sont introduites dans le récipient de réaction en mEme tempa que des substances thermogènes. 7 )- Procédé, selon une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la ou les substances ajoutées, introduites dans le récipient de réaction en phase 801ide ou liquide, sont transformées en vapeur par la chaleur du métal ou de l'alliage de base0 80)- Procédé, selon une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la ou les substances ajoutées, sont insufflées en phase vapeur dans le métal ou l'alliage de base en phase liquide. 90)- Procédé, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la ou les substances ajoutées en fusion, puis atomisées, sont lancées contre le jet de métal ou d'alliage de base pendant une phase de transvasement. 10 )- Procédé, selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'agent atomiseur de la ou des substances ajoutées, est constitué par du gaz inerte. 11 )- Procédé, selon les revendications précédentes, carac tersé par le fait que la ou les substances ajoutées, sont constituées par un ou plusieurs des métal suivants: plomb, tellure, thallium, bismuth, sélénium et similaires, seuls ou en combinaison entre eux. 120)- Procédé de fabrication de métaux et alliages avec micro-inclusions d'une ou plusieurs substances, réalisé et mis en oeuvre tomme décrit au présent mémoire.