Brevet FR2050414A1 — publié le 19710402

La présente invention concerne un procédé de fabrication de métal cellulaire ou spongieux contenant une charge, par la réunion d'un métal fondu liquide et de matières légères inorganiques, suivie par la solidification du métal fondu. Le métal fondu est introduit, sous une dépression 5 ou une surpression, dans une quantité de matière légère inorganique non compactée. Il est connu de fabriquer des corps en métal spongieux en utilisant des hydrures métalliques telles que l'hydrure de zirconium comme matière de séparation de gaz (brevet des E.U.A. n° 2 751 289). La mise en oeuvre de 10 tels procédés est compliquée et coûteuse. Il est en outre connu, pour la fabrication de métal spongieux, d'introduire dans le métal fondu, outre la substance de séparation de gaz, des matières minérales contenant du silicium afin d'accroître la viscosité du métal fondu (brevet de la R.F.A. n° 1 294 024). Enfin, une proposition connue prévoit, pour la fabrication de corps métal-15 liques dans la structure desquels sont noyées des charges sous forme de particules individuelles, d'introduire la charge dans le métal fondu liquide par une forte agitation, d1interrompre cette dernière lorsque le métal fondu commence à se solidifier, de déverser le métal devenu moins liquide dans des moules, et de le laisser se solidifier ensuite complète-20 ment. Les charges utilisées sont des matières minérales telles que la vermiculite ou des boulettes d'argile cuites. D'après le brevet des E.U.A. n° 3 055 763, le procédé connu devrait permettre la fabrication de pièces moulées de faible densité (inférieure à 1). Le produit fabriqué conformément au procédé connu mentionné 25 en dernier ne satisfait cependant pas dans la pratique car il ne.permet pas la fabrication de grandes pièces moulées contenant des charges qui sont réparties uniformément dans la structure du métal. L'une des raisons en est qu'un métal fondu en cours de solidification, ayant une consistance pâteuse, ne peut généralement plus être coulé; une autre raison réside dans 30 le fait que, lorsque l'aptitude à la coulée du mélange charge/métal est suffisante, c'est-à-dire, lorsque la température de coulée est élevée, les deux composants se séparent de nouveau rapidement en raison de leur faible aptitude au mouillage et de la grande différence entre leurs densités. L'objet de l'invention est un procédé pour la fabrication d'un 35 métal contenant une charge, qui conduit à la formation de pièces métalliques cellulaires ou spongieuses dbne grande uniformité, et qui permet la fabrication de grandes pièces moulées en un tel métal spongieux. 70 23677 2 2050414 L'invention part d'un procédé pour la fabrication de métal cellulaire ou spongieux contenant une charge par la réunion d'un métal fondu liquide et de matières légères inorganiques, suivie par un refroidissement et la solidification du métal fondu. Selon le procédé de l'invention, le 5 métal fondu est introduit, sous une dépression ou une surpression, dans une quantité de matière légère inorganique non compactée et ayant un point de fusion élevé. Pour que, pendant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le métal fondu puisse convenablement passer à travers la matière légère 10 inorganique à point de fusion élevé qui constitue la charge, et pour qu'il puisse convenablement remplir de métal les interstices entre les grains ou les particules de la charge, le métal fondu doit avoir une température supérieure au liquidus du métal ou de l'alliage métallique en question. L'écoulement du métal et le remplissage des interstices peuvent encore être 15 favorisés éventuellement par un préchauffage de la charge à environ 200-400°C. Un tel préchauffage peut notamment être avantageux lorsque la matière constituant la charge est éventuellement compactée dans le moule. Le degré de compactage préalable de la charge est un facteur déterminant pour le poids par unité de volume du corps métallique spongieux et contenant une charge, 20 qui doit être fabriqué. La charge est généralement introduite dans un moule qui correspond à la forme que le corps devant être fabriqué doit avoir ensuite. Il est avantageux de garnir la cavité du moule d'une feuille composée du même métal que celui qui est coulé dans le moule. II peut également être avantageux de lier la matière constituant la charge chimiquement ou 25 thermiquement, avant l'introduction dans le moule, par exemple, par un liant à base organique ou. inorganique ou par un soudage thermique, tel qu'un frittage. La dépression à laquelle se produit un mouillage convenable de la charge, un passage rapide du métal fondu liquide et un remplissage rapide 30 des Interstices de la charge par ce métal est située, dans le procédé selon l'invention, entre une pression qui est de peu inférieure à la pression atmosphérique et une pression supérieure à cette dernière. Suivant la gra-nuloiaétrie et la densité apparente de la matière constituant la charge, et en fonction de la densité du métal fondu, la dépression peut atteindre 35 500 torrs ou moins. Lorsque le procédé selon l'invention est mis en oeuvre avec une dépression, celle-ci est généralement comprise entre environ 500 et 750 torrs. Dans ces conditions, le processus d'imprégnation de la 70 23677 3 2050414 matière constituant la charge est terminé en quelques secondes, par exemple en 3 à 10 s maximum. On débranche ensuite le moule contenant la charge imprégnée du conduit pour la mise sous vide puis on le laisse refroidir. Il est cependant également possible d'introduire le métal fondu 5 liquide, ayant une température supérieure au liquidus, au moyen d'une sur pression dans la matière constituant la charge. Cette surpression dépend en premier lieu de la densité du métal fondu». Il est aisément compréhensible que des métaux fondus ayant une densité élevée, tels que le plomb, nécessitent seulement une très faible surpression pour l'imprégnation 10 de la charge, de sorte que la pression métallo-statique exercée par la colonne de métal fondu suffit dans ces cas pour obtenir une imprégnation satisfaisante. Lors de l'utilisation de bains de métal léger, il est avantageux d'exercer une légère surpression, par exemple de 0,1 atmosphère, sur ce métal fondu. 15 Selon un mode de mise en oeuvre particulier du procédé de l'in vention, l'imprégnation de la charge est obtenue au moyen du procédé de coulée centrifuge. La demanderesse a découvert que ce procédé - utilisant également une surpression - est avantageux dans les cas où il s'agit de la fabrication de corps tubulaires ou de corps dans lesquels on désire 20 obtenir une densité qui augmente de l'intérieur vers l'extérieur. Les métaux fondus applicables pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sont notamment les métaux légers tels que l'aluminium, le magnésium, ainsi que le zinc, le cuivre, le plomb ou leurs alliages. Des alliages d'aluminium et de silicium contenant 5 à 20 % de 25 silicium, ou des alliages d'aluminium et de magnésium contenant 1 à 10 % de magnésium ont donnés de bons résultats pratiques. La charge du métal spongieux peut être constituée par des matières inorganiques minérales, céramiques ou par des oxydes résistant à la chaleur et ayant un point de fusion élevé. De telles matières convien-30 nent particulièrement bien lorsqu'elles ont une structure poreuse, cellulaire ou lamellaire, c'est-à-dire, lorsqu'elles ont un faible poids par unité de volume. Bien que le métal fondu mouille dans ce cas le grain de la charge, il ne pénètre pas dans les pores et les capillaires de celui-ci en raison de la tension superficielle élevée, mais enveloppe l'ensemble du 35 grain, de sorte que celui-ci est pratiquement enfermé dans une cellule. Le grain de faible densité est donc noyé dans la structure du métal, ce qui diminue le poids global par unité de volume du corps composé de métal et de charge. Les matières convenant comme charge pour le procédé selon l'in 70 23677 4 2050414 vention sont donc des matières minérales argileuses analogues à du mica, telles que la vermiculite, notamment dans sa forme expansée, ainsi que des verres de quartz-porphyre tels que la perlite, notamment la perlite expansée, les particules de verres cellulaires, d'argile boursouflée ou 5 de billes creuses de corindon. Les particules constituant la charge ont avantageusement une granulométrie entre 2 et 5 mm. Pour obtenir un remplissage aussi complet que possible, on utilise 60 % en volume de grains de R mm de diamètre et 40 % en volume de grains ayant un diamètre de 0,2 .R mm. La proportion de la charge dans la matière métallique spongieuse est de 10 préférence comprise entre 40 et 70 % en volume. Selon un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, la charge peut présenter une certaine teneur en humidité. Le développement de vapeur provoqué par cette humidité pendant la coulée favorise l'augmentation de la porosité de la structure métallique. L'humidité peut être absorbée par 15 la charge mais elle peut se présenter également sous la forme d'eau d'hydratation. En général, la teneur en humidité ne doit pas dépasser 5 % d'eau afin d'éviter des réactions explosives. La demanderesse a découvert en outre qu'il est avantageux d'imprimer des secousses ou des vibrations au dispositif d'imprégnation, tel 20 qu'une coquille ou un moule, pendant le processus d'imprégnation ou de coulée. Ces secousses ou vibrations facilitent l'enrobage de la matière légère granuleuse par le métal fondu, et provoquent un mouillage intense de la surface des grains. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre avec des 25 dispositifs connus en soi, par exemple, des moules, pouvant avoir la forme désirée, dont le fond présente une ou plusieurs ouvertures de faible diamètre destinées au raccordement à une pompe ou un dispositif de mise sous vide. Un tel dispositif comporte avantageusement un tamis à mailles fines qui est disposé sur le fond, au-dessus de la sortie, ainsi qu'un tamis 30 semblable recouvrant la charge, de sorte que le métal fondu, par exemple, de l'aluminium, se trouvant au-dessus de la charge, ne peut pas traverser cette dernière sans l'application d'une dépression. D'une façon analogue, il est cependant également possible d'introduire le métal fondu par le bas dans la charge qui est sous dépression, si bien que le métal fondu monte 35 à travers la charge et mouille entièrement les particules constituant cette charge. Le choix d'un des modes de mise en oeuvre de l'invention dépend des conditions d'exploitation au lieu de fabrication, et de la 70 23677 5 2050414 forme de la pièce devant être fabriquée. En de nombreux cas, il est avantageux d'utiliser un moule qui a déjà la forme de la pièce devant être fabriquée . Le métal spongieux contenant une charge selon 1'invention peut 5 avoir un poids par unité de volume compris entre 0,9 et 1,6, suivant l'application prévue. Le métal spongieux contenant la charge peut aisément être façonné et appliqué par un usinage avec enlèvement de copeaux, sciage et clouage et il peut en outre être traité ensuite dans des boudineuses. Cette matière présente un excellent pouvoir d'absorption d'énergie de choc. Les 10 pièces façonnées en cette matière peuvent donc être utilisées partout où un grand pouvoir d'absorption de chocs est important, par exemple, dans les pare-chocs de véhicules automobiles. Enfin, les pièces façonnées fabri-. quées conformément au procédé de l'invention peuvent également être utilisées à des fins de calorifugeage et d'insonorisation. L'exemple suivant 15 illustre l'invention sans toutefois en limiter la portée. EXEMPLE On utilise un moule cylindrique ayant un diamètre d'environ 65 mm et une hauteur totale de 260 mm qui comporte un couvercle bridé sur 1'extré-20 mité inférieure et présentant une tubulure de sortie. On relie cette dernière, à travers un piège de refroidissement, à une pompe à vide, et on remplit le moule de charge non compactée jusqu'à une hauteur de 165 mm; on recouvre cette charge avec un tamis à mailles fines puis on coule pardessus ce tamis le métal fondu qui a une température supérieure au liquidus 25 pour la matière en question. On crée ensuite une dépression dans la charge. Le métal fondu s'écoule en quelques secondes dans la charge sous l'effet de la dépression. La quantité de métal est* choisie de tëlïe manière qu'une petite partie de métal pur reste au-dessus de la charge après le remplissage complet de celle-ci. Dès que le métal fondu a traversé la charge et 30 commence à sortir par la tubulure de sortie - munie d'un dispositif dè refroidissement - on coupe la communication avec la pompe. On laisse* se solidifier le contenu du moule et, après le refroidissement, on le" démoule.' Les valeurs obtenues avec des bains d'aluminium, de zinc et de plomb et des charges de vermiculite, perlite, argile 'boursouflée et billes " 35 de verre cellulaire sont indiquées dans le tableau I suivant . Le volume' des charges dans ce tableau est chaque fois de 500 ml, et la quantité d'aluminium fondu nécessaire est d'environ 650 g. 70 23677 6 2050414 TABLEAU I METAUX SPONGIEUX CONTENANT UNE CHARGE r~ Tempéra- Tempéra- | j Pourcen- ture de ture du Poids/unité j Diamètre tage en séchage métal de volume | Essai des volume (charge) en g/cm^ , n° Charge grains °C °C i 3 Métal : aluminium (2,7 g/cm ) 10 ! 1 vermiculite 2-5 100 120 875 1,29 ! 2 M 1-2,5 100 120 875 1,48 I 3 ii >4 100 120 875 1,41 ! 4 u > 4 100 120 875 1,39 1 5 ' n 2-4 100 . 120 875 . 1,39 15 ! 6 ii - 2-4 100 120 850 1,39 ( j 7 u (4-5) (1-2) 50 50 RT 850 1,24 1 8 ii (4-5) (2-3) 50 50 120 RT 800 1,23 20 i 9 j n (4-5) (2-3) 50 50 120 RT 730 1,03 i : 10 perlite 2 100 RT 850 1,41 1 11 argile boursouflée 4-5 100 120 850 1,63 1 12 billes de verre cellulaire (~ 5). (2-3) 50 50 100 RT 800 1,23 25 2 i Métal : zinc (ZnAl 6Cul) (7,1 g/ cm3) ' 13 vermiculite 2-4 100 120 550 3,04 ; ' Métal : plomb (11,3 g/cnf*) 30 14 vermiculite 4-5 2-3 50.. 50 120 800 5,8 Pour déterminer le pouvoir d'absorption d'énergie d'impact, on utilise un dispositif analogue à celui employé pour l'essai de dureté Shore. 35 L'appareil est constitué par uri tube dë Plexiglas monté verticalement (longueur 705 mm, diamètre intérieur 21 mm), qui peut être placé sur les échantillons devant être examinés. Lorsqu'on laisse tomber une bille d'acier sur 70 23677 7 2050414 l'échantillon à l'intérieur du tube de Plexiglas et d'une hauteur h , on J? obtient, d'après la différence entre l'énergie potentielle E = nu g.h pot F et l'énergie de rebondissement \ " °-s-\ et en tenant compte des pertes E^ provoquées par le frottement et la résistance 10 de l'air, l'énergie d'impact absorbée E = E - E - E A pot R V Pour déterminer les effets du frottement et de la résistance de 15 l'air, on utilise un échantillon étalon sous forme d'une matrice d'acier trempé. Si l'essai était effectué en des conditions idéales, les billes rebondiraient jusqu'à la hauteur initiale h . Elles atteignent cependant seulement la hauteur tu en raison des pertes mentionnées ci-dessus. On obtient donc 20 E - E = m. g. h. pot V i E. = m.g. (h. - h ) A i R Le pouvoir d'absorption pour l'énergie d'impact peut donc être 25 exprimé en pour cent par la formule suivante : EA=" h. - h i R 100 (%) 30 TABLEAU II POUVOIR D'ABSORPTION D'ENERGIE D'IMPACT î ! Echantillon 35 Hauteur de rebondisse- j ment h en mm j R Ev en % Aluminium massif 1 Bois de chêne 42,5 33,9 267,5 310 100 86 276,0 . 100 89 310 70 23677 8 2050414 T A,B L E A U II (suite et fin) Echantillon Hauteur de rebondissement h^ en mm 1 Ev en % ! - i 5 Sapin 51,4 i i 258,6 . 100 83 j 310 1 Aluminium spongieux 1 selon l'invention 0 310 . 100 100 ! (suivant 1-12 du 310 j ! tableau I) Note : lu = 310 mm (hauteur de rebondissement sur l'échantillon étalon en 15 acier trempé). 70 23677 9 2050414 REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication de métal cellulaire ou spongieux conte-5 nant une charge par la réunion d'un métal fondu liquide et de matières légères inorganiques, suivie par le refroidissement et la solidification, caractérisé en ce que le métal fondu est introduit, sous une dépression ou une surpression, dans une quantité de matière légère inorganique ayant un point de fusion élevé. ~ * 10 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'utilisation d'un métal fondu dont la température est supérieure au liquidus du métal en question. 3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le métal foitdu est l'aluminium, le zinc, le magnésium, le 15 plomb, le cuivre ou l'un de leurs alliages. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière légère inorganique est une matière naturelle ou synthétique, pouvant éventuellement contenir de l'humidité, telle que la vermiculite, la perlite, de préférence à l'état expansé, l'argile boursouflée, 20 le verre cellulaire ou des billes creuses de corindon. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif d'imprégnation est vibré en continu ou périodiquement pendant l'introduction. 6 - Métal spongieux fabriqué selon l'une quelconque des revendica-25 tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est appliqué comme matière pour la fabrication de pièces façonnées devant avoir un grand pouvoir d'absorption d'énergie d'impact. 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