Brevet FR2003824A1 — publié le 19691114

la présente invention concerne la modification d'un métal ou d'un alliage fondus à l'aide d'un alliage principal de ce métal contenant un agent d'alliage ou d'affinage des grains, ou les deux, La technique actuellement préférée d'introduction d'un agent 5 d'affinage de grain dans un métal comme l'aluminium et ses alliages, comporte l'addition d'un alliage principal à base d'aluminium contenant 1'agent d'affinage de grain à 1'aluminium fondu ou à un alliage d'aluminium, dans un four de retenue ou une poche de coulée. L'agent d1affinage de grain est un métal insoluble dans l'aluminium 10 un alliage ou un composé intermétallique qui, lorsqu'on le distribue uniformément dans tout l'aluminium fondu, demeure solide .( où- se solidifie avant 11 aluminium) et provoque la cristallisation de 1'aluminium sous une dimension granulaire fine lorsque ce dernier se solidifie. Pour permettre d'atteindre à ce résultat ce-15 pendant, l'agent d'affinage de grain, qui est ajouté en très faibles quantités comparées à la masse du métal receveur fondu, doit non seulement être bien distribué initialement au sein du métal fondu, mais il doit demeurer bien distribué jusqu'à ce que le métal receveur fondu se solidifie. 20 Pour permettre d'obtenir une bonne distribution initiale d'un agent d'affinage de grain ou d'alliage, on a utilisé jusqu'à présent un alliage principal d'aluminium contenant l'agent distribué uniformément dans la base d'aluminium. Lorsque cet alliage principal, sous forme solide, est ajouté à la masse d'aluminium fondu avant la 25 coulée, le composant d'aluminium, métallique solide de l'alliage principal fond et libère l'agent d'affinage de grain ou d'alliage. Pour permettre d'atteindre à me distribution plus uniforme de l'agent de traitement au sein de l'aluminium fondu, on avait jusqu'à présent ajouté l'alliage principal sous forme de masses sépa-30 rées relativement petites, mais ces particules séparées contiennent d'autant plus d'oxygène provenant de 1'oxydation atmosphérique qu'elles sont plus petites, et elles tendent d'autant plus à se déposer au fond de la masse d'aluminium fondu que ces particules sont plus grosses. 35 Jusqu'à présent, des propositions ont été faites pour intro duire un métal dans un courant d'un autre métal fondu, mais ces propositions ont introduit, soit intentionnellement soit accidentellement le métal étranger d'une telle composition ou ont opéré de telle façon qu'il y a rupture du courant» Dans de nombreuses 40 opérations de coulée, une turbulence, telle que celle mise en évi- bad original 69 07142 2 2003824 dence par la rupture du courant de métal, est considérée comme intolérable ou au moins indésirable, parce qu'elle favorise la dissolution de l'atmosphère ambiante, ou de l'un de ses composants, dans le métal fondu. 5 La Demanderesse a maintenant mis au point un procédé pour i- noculer à des métaux et alliages fondus, un agent métallique de traitement comme un agent d'affinage de grain ou d'alliage, qui é— vite les problèmes rencontrés jusqu'à présent, mais assure cependant une distribution uniforme de l'agent de traitement ou de l'un 10 de ses constituants au sein du métal auquel il est ajouté. Le procédé selon la présente invention comporte le versage du métal fondu .à partir d'une de ses sources dans un passage rétréci en forme de cuvette, pour former un courant de métal fondu affluant dans le passage, et la fourniture simultanée, dans la masse turbulente 15 de métal fondu , s'écoulant dans la cuvette, d'une charge de l'agent de traitement solide en forme de barreau perturbant le courant, la charge en forme de barreau de l'agent étant introduite dans le courant de métal fondu de telle sorte qu'elle provoque une nette perturbation du courant sans altérer l'intégrité du courant. Le 20 barreau est fourni à une vitesse telle qu'elle n'excède pas celle à laquelle il est consommé t^ans, le, métal fondu en écoulement dans résultant la cuvette, et le métal fondu/ayant reçu cette inoculation est déchargé dans une zone de coulée. Par l'alimentation de l'alliage principal dans le métal fondu s'écoulant dans la cuvette à une 25 vitesse prédéterminée, le métal fondu déchargé dans la zone de coulée contiendra une proportion prédéterminée de l'agent de traitement, uniformément distribué en son sein. Les métaux fondus qui peuvent être traités par le procédé selon la présente invention comprennent des métaux pratiquement 30 purs et leurs alliages, comme par exemple 1'aluminium, le sine, le cuivre, le fer, le nickel etc., qui doivent être coulés. Les alliages principaux utiles pour la mise en pratique de la présente invention sont ceux qui sont généralement considérés comme compatibles avec le métal fondu auquel ils sont ajoutés. L'agent 35 de traitement composant de l'alliage principal peut être un métal un alliage ou un composé inter-métallique quelconque qui, lorsqu'on l'ajoute au métal ou alliage fondu récepteur, provoque la modification à volonté du métal fondu» Les agents d'affinage de grain et d'alliage généralement utilisés jusqu'à présent pour les métaux et 40 alliages sus-mentionnés sont utiles pour la mise en pratique de la 69 07142 3 2003824 présente invention. Ces agents-comprennent le bore, le titane, le zirconium, le niobium, le tantale et le titane, et les borures de zirconium de niobium et de tantale, et sont contenus dans la base métallique en quantités qui n'excèdent généralement pas environ 10 fo 5 en poids. Par exemple des alliages principaux à base d'aluminium représentatifs de ce type sont : 0,5 à 5 % de bore, le complément étant lraluminium ; 2 à 10 fi de titane, ou de zirconium, ou le total pour les deux, le complément étant l'aluminium ; et 0,1 à 5 fi de bore, 2 à 10 fi de titane ou de zirconium, ou le total des deux, 10 le complément étant l'aluminium» Des agents similaires d'affinage de grain, à l'exception de leur métal de base, peuvent être utilisés pour affiner le grain de métaux autres que l'aluminium, mais des agents supplémentaires comme les alliages principaux contenant du manganèse et du fer peuvent être utilises pour le cuivre, le laiton 15 et le bronze» Tous ces agents de traitement peuvent être utilisables pour l'acier et d'autres métaux non ferreux, non seulement pour l'affinage du grain mais pour les buts généraux d'alliages. . les compositions de l'alliage principal doivent évidemment être aussi uniformes que possible, de façon à obtenir le bénéfice maxi-20 mum de la distribution uniforme de l'agent d'affinage de grain au sein du métal fondu récepteur, obtenu par la mise en pratique du procédé selon la présente invention. L'agent ajouté est fourni sous la forme d'un corps solide en forme de barreau, c'est-à-dire soit sous la forme d'une barre, d'un 25 fil, d'un bâtonnet ou d'une bande, mise en forme par un processus classique quelconque tel que la trempe directe ou la coulée en continu, 1'extrusion, le laminage ou l'opération de calandrage et d'étirage» La section droite du corps en forme de barreau peut être circulaire, ovale, carrée, rectangulaire etco, mais doit offrir un 30 obstacle important à l'écoulement du courant de métal fondu de façon à effectuer une perturbation nette de son écoulement. En général, ces formes analogues à des barreaux ont avantageusement de 3,1 à 12,7 ïïirrjAe diamètre ou de section droite maximale, mais on peut utiliser efficacement des dimensions plus grandes ou plus pe-35 tites» La dimension réelle est déterminée par la vitesse à laquelle l'alliage principal est fourni au métal fondu, un diamètre de barreau ou de fil relativement faible étant préféré pour une vitesse de fourniture prédéterminée quelconque de façon à offrir an rapport de surface spécifique/masse maximal, pour la consommation la plus 40 efficace de l'alliage principal dans le métal fondu en écoulement,, bad original 69 07142 4 2003824 Les barreaux ou tiges peuvent être de toute longue'ur commode telle que par exemple en section de 150 m, enroulées sur une bobine. Cependant, les sections individuelles peuvent être soudées bout-à-bout pour obtenir un barreau virtuellement sans fin, ce qui est 5 particulièrement désirable pour fournir l'agent de traitement dans "une opération de coulée continue, lors de la mise en oeuvre de la présente invention, l'alliage principal en forme de barreau est fourni directement dans un chemin confiné de métal fondu, s'écoulant depuis l'une/àes sources 10 vers une zone de coulée. On utilise communément une cuvette pour conduire le métal fondu depuis un four de retenue vers le zone de coulée, et dans un cas semblable, l'alliage principal en forme de barreau est amené Vers le métal fondu s'écoulant à travers la cuvettè. Dans des opé-15 rations pour lesquelles la cuvette fournit le métal fondu à un distributeur en forme de boite, de laquelle le métal fondu est distribué vers un certain nombre de moules de coulée, l'alliage principal en forme de barreau est avantageusement introduit dans le métal fondu dans la boîte de distribution. En raison du problème 20 de dép&t potentiel et de la ségrégation résultante de l'agent de traitement ou de l'un, de ses composants dans le métal fondu, dans le moule de coulée, il est de pratique courante de conserver la température du métal fondu dans le four de retenuq^u la poche de coulée, aussi proche que possible du point de congélation du métal 25 et de limiter ainsi la quantité de surchauffe dans le métal alors qu'il est coulé. ®n conséquence, il est présentement préféré d'introduire le barreau d'alliage principal, ou le fil, dans la zone la plus chaude du courant turbulent de métal fondu, ceci étant généralement la zone la plus proche du point d'émission du métal fondu 30 depuis le four de retenue ou la poche de fourniture. En plus de l'avantage d'une plus grande disponibilité de chaleur dans cette zone, pour la fusion du composant du métal de base de l'alliage principal, la Demanderesse a découvert que cette zone est fréquemment celle qui est caractérisée par le degré le plus élevé de cLr-35 culation et par conséquent la zone qui contribue au mieux à la consommation et au mélange intime de l'alliage principal dans le métal fondu, La circulation du métal fondu à mesure qu'il s'écoule à travers le reste de la cuvette, ou à travers des cuvettes ramifiées ou latérales depuis la boite distributrice, ainsi qu'il a 40 été décrit ci-dessus, effectue en outre et conserve la distribuBAD ORIGINAL 69 07142 5 2003824 tion intime et uniforme de l'agent de traitement dans le métal fondu à mesure qu'il est déchargé de la zone de coulée. Pour provoquer la/perturbation du courant de métal fondu, de façon à augmenter sa circulation dans la cuvette, sans turbulence 5 disruptive, la Demanderesse a découvert qu'il était particulièrement avantageux d'introduire l'agent de traitement en forme de barreau, obliquement, en amont dans le courant de métal fondu0 Ainsi qu'il est présenté à la figure unique du dessin annexé, le barreau t est chargé à travers l'extrémité supérieure ouverte de la 10 cuvette 2 et dans une direction vers la source 3 du courant 4. De -la sorte, la section droite relativement émoussée' du barreau est présentée au flux de métal fondu, et provoque une perturbation importante dans son mode d'écoulement. La portion de la masse en forme de barreau de l'agent plongée dans le métal fondu immédiate-15 ment en aval de cette extrémité directrice ou de tête tend, en raison de la tension superficielle entre le métal fondu et le barreau, à conserver le flux de métal fondu en contact avec le barreau sur une distance importante en aval de la perturbation créée par son extrémité de tête et contrebalancer ainsi toute tendance qu'aurait 20 la perturbation à rompre l'intégrité de l'écoulement. Les parois latérales de la cuvette confinent le flux du courant au-delà du ' point d'addition de l'agent et aidant à perpétuer sur toute la longueur de la cuvette le flux perturbé, et le mélange résultant, produit en amont, conformément à la présente invention. Lorsque la na-25 ture du métal fondu permet une perturbation plus importante du flux, le barreau d'agent de traitement peut être introduit à angle droit dans le courant, mais dans ce cas, la vitesse du flux du courant, la tension superficielle du métal fondu et la dimension du profil du barreau doivent être ^els que l'on obtienne un flux de 30 métal fondu pratiquement non rompu. Un écoulement perturbé est intéressant conformément à la présente invention parce qu'il favorise la circulation au sein du courant confiné et assure la distribution uniforme de l'agent de traitement dans tout le métal receveur, mais un flux rompu dans lequel l'intégrité du courant est nettement al-35 térée par exemple lorsque ce courant est brise en plusieurs petits courants, est à éviter parce qu'il favorise la dissolution d'un ou de plusieurs des composants de l'atmosphère ambiante àans le métal fondu. La formation et la conservation d'un courant cohérent unique de métal fondu depuis le point de versage, en passant par l'étape 40 d'addition, jusqu'à la zone de coulée sont ainsi rendues possibles, -BAO ORiG't'AL 69 07142 6 2003824 selon la mise en oeuvre de la présente invention» Lorsque le barreau est amené obliquement dans le courant, mais dans la même direction générale que le flux du courant, le métal fondu s'écoule de façon douce autour de la surface du barreau et l'extrémité du 5 barreau qui est érodée par fusion ressemble à une char.delie de glace fondue et s'adapte doucement dans le courant de métal» Cette dernière disposition fournit l'agent au métal fondu avec un moindre degré de perturbation que les autres dispositions antérieurement décrites, mais néanmoins elle le fait avec un degré suffisant 10 de distribution et d'efficacité, particulièrement lorsque la longueur de la cuvette, en aval du point d'entrée du barreau, est suffisante pour tirer profit de la perturbation créée par l'entrée du barreau dans le courant. L'alliage principal en forme de barreau peut facilement être 15 fourni dans le courant de métal receveur fondu, par le type de dispositif de charge utilisé pour fournir un fil de soudure ou de brasage dans une opération de soudure ou de brasage» Le dispositif est avantageusement capable d'avoir une vitesse d'alimentation variable de sorte que la fourniture de l'alliage principal au métal 20 fondu puisse être mesuré étroitemerrt^avec précision» Si on le désire, le dispositif d'alimentation peut également comprendre un élément de préchauffage, tel qu'une bobine d'induction électrique entourant l'alliage principal en forme de barreau, près de son point d'introduction dans le courant de métal fondu en écoulement, 25 L'exemple qui va suivre est illustrâtif mais non limitatif de la mise en pratique de la présente invention,, On fournit un barreau de 9,5 mm. de diamètre en alliage principal composé de 5 $ de titane et de 1 fs de bore, tous deux en poids, *rt le complément étant l'aluminium, à raison de 390 mm de 30 longueur par minute dans une cuvette de coulée en pente vers le bas, sous la forme d'un courant cohérent unique d'aluminium fondu s'écoulant à raison de 190 kg/minute-" . Le barreau est amené obliquement au sommet du courant, ce barreau est dirigé vers l'amont de sorte que son extrémité soit aussi proche que possible de la 35 porte de versage» Le métal fondu provient d'un four à une température d'environ 750°C, et la température de l'aluminium au point d'introduction du barreau d'alliage principal est d'environ 700°C„ La circulation du métal fondu à cette température consomme complètement le barreau d'alliage principal aussi vite qu'il est fourni 40 à la cuvette, et le flux perturbé mais non turbulent de ce métal 69 07142 7 2003824 fondu ainsi inoculé, réfléchi par les parois de la cuvette à mesure qu'il se déplace le long du reste de la cuvette vers la zone de coulée, produit un métal coulé contenant 0,002 fi en poids de titane, comme agent d'affinage de grain sous la forme de diborure de titane 5 et de titane-aluminium (TiAl^), soigneusement et uniformément distribués au sein de la coulée résultante d'aluminium à grain affiné. On appréciera en conséquence, que le procédé selon la présente invention est particulièrement efficace pour inoculer à des métaux et alliages fondus un agent d'alliage ou d'affinage de grain de 10 telle sorte que l'agent soit uniformément distribué au sein du métal fondu au moment où ce métal atteint la zone de coulée et demeure, de façon similaire, uniformément distribué au sein du métal dans la coulée finale. Bien que le procédé puisse trouver son application maximale dans le réglage de la croissance du grain et des opérations 15 d'alliage, on peut aussi l'appliquer pour introduire le même métal ou d'autres métaux et des composés inter-métalliques de divers métaux et éléments dans un métal fondu de façon à aider au refroidissement du métal dans une opération de coulée par trempe directe et éviter ainsi le craquellement de la coulée aux grandes vitesses de 20 coulée. BAD ORIGINAL 69 07142 8 2003824 REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'introduction en continu d'un agent métallique de traitement dans un métal fondu, caractérisé en ce que l'on verse le métal fondu depuis l'une de ses sources dans un passage 5 confiné en forme de cuvette, pour former un courant du métal fondu s'écoulant à travers le passage, on fournit simultanément dans le courant de métal fondu s'écoulant dans le passage une alimentation en agent solide en forme de barreau, la fourniture de l'agent en forme de barreau étant introduite dans le courant de métal fondu, de telle sorte qu'elle provoque une perturbation importante du flux sans gêner l'intégrité ou cohésion globale du courant, le barreau étant alimenté à une vitesse qui n'excède pas celle à laquelle il est consommé dans le métal fondu en écoulement dans la cuvette, et l'on décharge le métal fondu résultant dans une zone de coulée. 15 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent est introduit dans le courant aussi près que possible du point d'origine d? ce courant depuis sa source. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent est un alliage d'affinage de grain, qui est fourni au métal 20 fondu s'écoulant dans la cuvette à une vitesse telle qu'il inocule au métal fondu une proportion prédéterminée de l'agent d'affinage de grain, uniformément distribué dans ce métal fondu. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que £ * g 1 *] g-p l'agent est un alliage principal/qui est fourni au métal fondu s1- 25 écoulant dans la cuvette à une vitesse telle qu'il inocule au métal fondu une quantité prédéterminée du composant, d'alliage de l'alliage maitre unifoimément distribué dans le métal fondu. 5. Procédé selon les revendications 1, 2 ou 3» caractérisé en ce que le métal fondu est l'aluminium et -.--1 alliage d'aluminium, 30 et que l'agent de traitement est un alliage principal s base d'aluminium ccntcnant un composant d'affinage de grain. BAD ORIGINAL