Brevet FR2053205A1 — publié le 19710416

i 2053205 La présente invention se rapporte à des perfectionnements dans le filage de métaux et d'alliages fondus. Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à des perfectionnements apportés à des procédés et à des ensembles 5 de filage employés pour le filage, à l'état de masse fondue, de métaux et d'alliages dans la fabrication de fils à fin diamètre. Des procédés pour la formation de fils à fin diamètre en filant des métaux fondus à travers un orifice, sous forme d'un cou rant filamenteux fondu libre, ont été décrits dans la demande de 10 brevet américain r.° 829 216. déposée le 2 Juin 1969. sous ]e titre au nom de et dans le brevet américain n" 3.216.076. Selon ces procédés, un 15 jet métallique filamenteux fondu est filé sous une atmosphère formant un film, et, de ce fait, un film de stabilisation mince est rapidement formé à la surface du courant filamenteux fondu. Le film annule les effets de la tension superficielle et empêche la rupture ou l'interruption du courant fondu pendant une période de temps 20 suffisante pour permettre au courant fondu de se congeler ou de se solidifier sous forme de filaments. Le dispositif employé pour faciliter le filage de Jets filamenteux fondus dans la formation de fils à fin diamètre comprend, en général, un creuset ayant un orifice à sa base, soit sous forme d'une partie de la base de creuset. 25 soit,de préférence, sous forme d'une pièce rapportée à orifice. Typiquement, le creuset est pourvu de moyens pour faire fondre la charge de métal fondu contenue dans le creuset, et,en outre, de moyens pour appliquer une pression positive à la hauteur de la charge fondue, afin d'amener le métal fondu à travers l'orifice à des vi-30 tesses souhaitables de jet. La figure unique du dessin ci-joint est une vue en coupe transversale d'une unité, à titre d'illustration, utile pour le filage de fils à fin diamètre, où un métal fondu est contenu dans le creu set 2 ayant la plaque de base 3, le creuset et la plaque de base 35 étant supportés sur un montant 4 et entourés dans un cylindre I se lant 5, et une chemise de chauffage 6 employée en relation avec des enroulements 7 de chauffage par Induction. L'unité est mise sous pression par une source de pression 8 à travers le sommet 9. Des bagues d'étanchéité 10 servent à maintenir la pression dans l'en 40 ceinte et empêchent la fuite au-delà de la plaque de base. Le métal 70. 27534 2053205 fondu 1 est amené de force à travers l'orifice 11 dans la plaque à orifice 12 par la force de la pression fournie par la source de pression 8, à des vitesses suffisantes pour fournir un jet fondu 13 de forme filamenteuse. Le jet naissant passe à travers une atmos-5 phère formant un film, contenue dans la cavité 14. généralement fournie par le montant 4. Bien que la science des matériaux se soit développée rapidement durant ces dernières années, il y a eu néanmoins peu d'indications sur la résistance, les solubilités et les réactivités chlmi-10 ques de matières à des températures au-dessus de l<>000oC. Ainsi. dans la fabrication de fils de cuivre et d'acier, par exemple, directement à partir de leurs masses fondues respectives, on .i passé un temps considérable et on a dépensé beaucoup d'efforts pour définir la nature et la performance de matières utilisées pour mani-15 puler des métaux fondus h des températures élevées, ainsi que l'effet de métaux fondus sur ces matières. Peut-être l'élément le plus critique des ensembles de filage, utilisés pour fabriquer des fils selon le procédé souligné ci-dessus, est l'élément définissant l'orifice à travers lequel le métal fondu 20 est filé sous pression. Alors que la technique des fibres de verre a mis au point ses " manchons " et la technique des fibres synthétiques ses " filières on a indiqué dans la littérature peu d'informations utiles se rapportant aux éléments définissant l'orifice, employés pour filer des métaux fondus. Par suite de la nature de la 25 charge et des conditions employées dans la fabrication de fils à fin diamètre ( en dessous d'environ 0,89 mm ) par des procédés de filage à l'état de masse fondue, les développements ont été sérieusement freinés par des échecs répétés des matières utilisées pour définir l'orifice de filage. Des matières telles que de l'alumine à haute 30 densité, du saphir, de la zircone (stabilisée par de l'oxyde de calcium ), des céramiques en AlgO-^. CrgO^ et d 'autres produits fréquemment employés pour contenir des métaux fondus, tels que de l'acier, dans les procédés métallurgiques, ne peuvent pas se comporter de manière satisfaisante comme éléments définissant l'orifice, à 35 travers lesquels des métaux fondus peuvent être filés sous forme de jets filamenteux à fin diamètre. La cause de ces échecs peut être attribuée diversement à la résistance insuffisante, à la faible résistance à la fracture thermique et à la mauvaise stabilité chimique dans des conditions de température et de pression exigées pour 40 filer les métaux fondus à partir d'orifices ayant des diamètres 70 27634 3 2053205 inférieurs à environ 0,89 mm. On a noté que ces échecs étaient particulièrement aggravés à des températures au-dessus d'environ 1.000 °C et pour des diminutions de diamètre d'orifice, en particulier quand le diamètre d'orifice est inférieur à environ 0,38l mm. 5 Comme on l'a déjà indiqué, les exigences pour des matériaux utilisés pour définir des orifices à fin diamètre dans des procédés de filage de masse fondue sont critiques pour réussir la mise en fonctionnement d'un filage prolongé. Initialement, la matière doit être résistante à la fracture thermique, généralement provoquée en 10 élevant la température et par des gradients de température sur la surface du disque durant le filage. Etant donné qu'il est souhaitable d'employer des orifices ayant des rapports d'aspect compris entre environ 1 et 20, la plaque ou le disque définissant l'orifice, d'où le fil à fin diamètre est filé, est d'ordinaire très mince au 15 voisinage de l'orifice et, cependant, sa résistance à la température de filage, de l'acier par exemple, doit être de valeur-telle qu'elle puisse résister à la pression élevée nécessaire pour amener de force le métal fondu à travers le petit orifice, à des vitesses raisonnablement élevées. Des disques fissurés définissant l'orifice, provo-20 qués par fracture thermique ou par rupture mécanique sous pression, entraînent des opérations non couronnées de succès dans le procédé de fabrication de fils. La réactivité chimique ou la solubilité a-vec la charge métallique fondue peut entraîner l'érosion de l'orifice ou le dépôt d'occlusions dans l'orifice à fin diamètre, ni l'un 25 ni l'autre ne pouvant être toléré dans un procédé de filage industriel. En outre, la réactivité chimique de la matière en céramique avec des parties de l'ensemble en graphite présente de sérieux problèmes. Par exemple, l'alumine et la zircone réagissent toutes deux rapidement avec le graphite aux températures élevées. 30 1 Ainsi, un élément convenable définissant l'orifice d'un en semble de filage doit satisfaire à une combinaison d'exigences physiques et chimiques. Alors que les exigences de propriétés de la plaque à orifice sont sévères pour le filage à haute température, l'ensemble de creu-35 set dans son ensemble doit satisfaire aux exigences de réactivité chimique et de solubilité. On a maintenant découvert que de l'oxyde de béryllium poly-cristallin ayant une densité supérieure à 95# de la densité théoriqae et une pureté d'au moins 99, 5%et de lbtydede béryllium sous forme de 40 monocristaux servent bien comme matières définissant l'orifice dans le filage.de métaux fondus, sans problèmes importants de rupture thermique ou mécanique,de réactivité chimique, ou d'érosion d'orifice 4 70 27634 2053205 ou d'occlusion due aux caractéristiques de solubilité de l'oxyde de béryllium. Des plaques ou des disque en oxyde de béryllium, polycris-tallin ou sous forme de monocristaux peuvent être facilement usi-5 nées jusqu'à des dimensions et des formes convenables par des moyens généralement connus des personnes expérimentées dans la technique. Des orifices à fin diamètre sont généralment prévus en usinant un orifice par fraisage dans la surface d'alimentation de la plaque à orifice et, ensuite, en perçant etaipolissant. un orifice de diamè-10 tre désiré concentrique à l'orifice fraisé. En outre, des plaques à orifice composées d'oxyde de béryllium polycristallin peuvent être convenablement préparées par un procédé dit " de bisque " où la plaque est conformée et l'orifice percé avant la cuisson finale. La plaque de matière à l'état non cuit est ensuite soumise à la 15 cuisson pour fournir les densités appropriées, après quoi l'orifice est poli pour réduire les imperfections cristallines peu importantes. Comme on l'a indiqué ci-dessus, l'élément définissant l'orifice peut servir en outre de plaque de base de l'ensemble de creuset. Cependant, on a trouvé souhaitable d'employer des pièces rapportées 20 de plaque à orifice dans la plaque de base du creuset , tel qu'indiqué sur la figure unique. La plaque à orifice ou de type rapporté est convenablement circulaire et peut, si on le désire, être fixée dans la plaque de base en utilisant une bague de soutien ou un dispositif de serrage. Des disques de pièces rapportées à orifices 25 multiples peuvent être, bien sûr, employés dans la plaque de base du creuset. L'orifice doit avoir un rapport d'aspect compris entre 1 et 20, de préférence inférieur à 10, à l'exclusion de la fraisure et, bien qu'on ait utilisé des orifices légèrement coniques, des orifices à alésage rectiligne sont préférés par suite d'une plus 30 grande facilité de fabrication. Lorsque des ensembles de filage incorporant les plaques à orifice en oxyde de béryllium selon la présente invention sont utilisés, on a trouvé convenable d'utiliser des éléments de plaques de base de creuset en oxyde de béryllium, pour autant que les carac-35 téristiques de réactivité chimique et de solubilité conviennent au filage à température élevée. En outre, on a découvert que des éléments d'ensembles de creusets en oxyde de béryllium sont inertes vis à vis des parties en graphite des unités de filage. Les exemples suivants illustrent l'utilisation d'orifices de 40 filage de masse fondue à faible viscosité, construits en oxyde de 70 27634 5 2053205 béryllium ( BeO ) et en oxyde de zirconium ( Zr02 ) pour le filage de métaux fondus. EXEMPLE 1 On a utilisé un dispositif de construction semblable à celle 5 indiquée sur la figure unique, pour produire des filaments métalliques à partir d'une composition comprenant 99 ^ en poids d'acier inoxydable de type dit 30^ et 1 ^ en poids d'aluminium de type dit 1.3^5. La charge métallique a été placéedans le creuset qui avait 10 été pourvu au préalable d'une pièce rapportée 12 à orifice en oxyde de béryllium BeO, ayant une construction d'orifice conique, où la conicité, en position adjacente à la masse fondue, avait ur: angle inclus de 12°. Le diamètre decapillaire de l'orifice était 0,152mm et il avait un rapport d'aspect ( longueur/diamètre ) d'approxima-15 tivement 2,5- Après avoir placé la charge de métal dans le creuset, il a été élev^ jusqu'à une température de 1.670°C scus l'influence du vide. Après la fusion, on a appliqué un gaz inerte ( argon ) sous p une pression de 2,4 kg/cm à la masse fondue et, de ce fait, l'é-20 coulement de la masse fondue à travers l'orifice a été effectué. Lors du commencement de l'écoulement, la température de la masse fondue a été réduite Jusqu'à 1,620°C ( pour réduire la quantité d'excès de chaleur ). Le métal fondu s'est écoulé dans la cavité 14 qui a été oc 25 cupée par une atmosphère d'oxyde de carbone C0 et, de ce fait, le courant fondu a été stabilisé contre la rupture ou 1'interruption jusqu'à» que sa solidification ait eu lieu. On a produit de très longs filaments ayant des nodules espacés à des Intervalles d'approxima-tiveraent 20,3 cm à 25,4 cm. 30 Après l'achèvement de l'essai de filage, le dispositif n été refroidi et la pièce rapportée d'orifice en oxyde de béryllium a été retirée du creuset ; de ce fait, on l'a examinée au microscope pour déterminer les défauts de construction tels que des bavures en surface et/ou des fissures, et pour déterminer l'érosion de l'o-35 rifice. L'examen n'a pas révélé d'imperfections ni d'érosion d'ori fice à un degré mesurable. EXEMPLE 2 La pièce rapportée à orifice de l'exemple 1 a été réinstallée dans le dispositif et on a fondu et extrudé une composition métal-40 lique identique, à une température de masse fondue de 1.690°C, sous une atmosphère d'oxyde de carbone. La pression d'extrusion de masse 70 27634 6 2053205 fondue a été augmentée Jusqu'à 3>1 kg/cm^ et ceci, en combinaison avec l'augmentation de la température de masse fondue, a fourni des filaments extrêmement longs, ayant des nodules espacés à des intervalles d'approximativement 38,1 cm à 50,8 cm. 5 Après que l'essai de filage ait été achevé, la pièce rappor tée en cxyde de béryllium a été à nouveau examinée au microscope comme dans l'exemple 1, sans qu'on puisse détecter de rupture de construction ou sans qu'on puisse voir d'érosion d'orifice à un degré mesurable. 10 Les résultats obtenus dans les exemples 1 et 2 étaient ines pérés parce que les données thermodynamiques ont indiqué que l'oxyde de béryllium se dissoudrait dans l'acier fondu à un point tel qu'il ne serait pas une matière satisfaisante pour l'orifice. EXEMPLE 3 15 L'essai de filage de l'exemple 1 a été répété à une exception près, c'est que la pièce rapportée 12 à orifice était construite en oxyde de zirconium ( ZrOg ) et comprenait une entrée d'orifice conique ayant un angle inclus de 27°. Le diamètre de capillaire de l'orifice était 0,178 mm et le rapport d'aspect d'orifice était 1,48. 20 L'écoulement de masse fondue a été commencé à travers l'ori fice mais a cessé après une durée d'une minute. Un examen microscopique ultérieur de l'orifice a montré qu'un bouchage s'était produit par suite de la formation d'un dépôt d'oxyde. EXEMPLE 4 25 On a employé, pour la production de filaments de cuivre, le dispositif de l'exemple 1, sauf qu'il y avait un creuset en oxyde de béryllium en une seule pièce. Le creuset a été pourvu d'un orifice ayant un diamètre de 0,101 mm et une longueur de capillaire de 0,152 mm qui a été fabri- 30 quée à la base du creuset. Le creuset, en même temps qu'une charge de cuivre de qualité électrolytique, a été placé dans la chaleur de filage de masse fondue, et,de ce fait , il a été fondu et extrudé à une température de 1.200°C au moyen d'une pression de gaz inerte de 3»8 kg/cm^f dans 35 une atmosphère stabilisatrice de propane. Après l'extrusion complète de masse fondue de la charge de cuivre, le dispositif de filage a été refroidi et démonté et. de ce fait, le creuset et l'orifice ont été examinés au microscope. L'examen a montré qu'il ne s'était pas produit d'érosion apparente de ^0 l'orifice. 70 27634 2053205 EXEMPLE 5 On a fabriqué une pièce rapportée à orifice, formée de monocristal de Zr02, ayant un diamètre d'orifice de 0,101 mm avec un rapport d'aspect de 5. La pièce rapportée à orifice a été placée 5 dans le dispositif de filage de masse fondue et on a élevé la température de l'ensemble jusqu'à 1.600°C en l'absence de charge métallique. La température a été maintenue pendant 5 heures et, après refroidissement de l'équipement, la pièce rapportée à orifice a été retirée et examinée au microscope. 10 L'examen a montré que l'orifice était complètement bouché par une matière cristalline claire. Le fond de la pièce rapportée en contact avec le graphite avait subi une réaction sévère, entraînant une perte des joints de pression de gaz. Une étude semblable en utilisant une pièce rapportée à ori-15 fice en monocristal d'AlgO-j, sensiblement dans les mêmes conditions que celles indiquées ci-dessus, a entraîné une réaction avec le graphite qui détruisait ainsi les joints du gaz et endommageait sévèrement la sortie d'orifice. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réa-20 lisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 70 27634 8 2053205 REVENDICATIONS 1. Dispositif de filage de métaux fondus sous forme de jets de forme filamenteuse, ayant un ensemble de creuset pour contenir une charge métallique fondue, cet ensemble ayant un élément définissant l'orifice, l'élément ayant un orifice défini à travers, des 5 moyens pour amener de force le métal fondu contenu dans l'ensemble à travers l'orifice et des moyens de chauffage pour maintenir la charge dans un état fondu, caractérisé en ce que l'élément définissant l'orifice est en oxyde de béryllium monocristallin ou un oxyde de béryllium polycristallin, ayant une pureté d'au moins 99,5 10 et une densité qui est supérieure à 95 % de la densité théorique pour l'oxyde de béryllium. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément définissant l'orifice possède, définis dedans, une fraisure sur une surface èt un orifice concentrique à la fraisure 15 s'étendant à travers le disque normalement à son plan transversal, cet orifice ayant moins de 0,89 mm de diamètre et ayant un rapport d'aspect inférieur à 20. 3. Procédé de fabrication de fils à fin diamètre directement à partir de cuivre ou d'acier fondu, caractérisé en ce qu'on file 20 le cuivre ou l'acier fondu sous pression à travers un orifice à fin diamètre, défini par de l'oxyde de béryllium monocristallin ou de l'oxyde de bérylliurti polycristallin ayant une pureté d'au moins 99,5# et une densité supérieure à 95 % de la densité théorique pour l'oxyde de béryllium. 25 4. Métaux fondus filés, en particulier ouivre et acier, ainsi obtenus à titre de produit? industriels nouveaux.