Brevet FR2116552A1 — publié le 19720713

La présente invention concerne la production de métaux sous forme finement divisée et en particulier sous forme de petites particules sphériques, par coulée centrifuge. Les petites particules métalliques trouvent des applications par exem-5 pie dans la fabrication de pièces denses en métal, par compression à froid et frittage, compression à chaud ou consolidation à chaud par extrusion ou forgeage. Un procédé classique de réalisation de petites particules à partir d'une masse métallique consiste à pulvériser le .10 métal fondu, mais ceci donne normalement des particules ayant absorbe des quantités notables d'oxygène qu'il faut ensuite chasser, si on veut pouvoir tirer pleinement avantage de la poudre. Le retrait de l'oxygène est très facile si l'oxyde du métal peut être réduit par chauffage des.particules dans l'hy-15 drogène ou un autre gaz convenable, mais de nombreux métaux importants n'ont pas d'oxyde réductible. L'invention concerne un procédé de réalisation de matières métalliques particulaires, présentant l'avantage qu'il élimine en totalité ou en grande partie l'absorption d'oxygène 20 au cours et après l'opération de réduction des dimensions. Le brevet britannique n2 1 164 810 décrit la réalisation d'une matière réfractaire particulaire (notamment de métal réfractaire tel que le tungstène) par utilisation d'un creu-se^auÇour de son axe de symétrie, dans lequel pénètre le ré-25 fractaire et dont la matière fondue par un arc formé entre le creuset et une électrode est chassée sous forme de particules qui se solidifient sans contact notable avec une surface solide. L'invention est une variante ou un perfectionnement du procédé décrit dans le brevet britannique n® 1 164 810 précité. 30 L'invention concerne plus précisément un procédé de réa lisation de particules d'un métal non réfractaire , selon lequel on établit un arc entre une électrode et un creuset refroidi en matière conductrice de l'électricité, on introduit le métal à l'état fondu dans le creuset et on fait simultanément tourner 35 celui-ci autour de son axe de symétrie, des gouttes de métal fondu étant chassées, les gouttes se solidifiant sans contact notable avec une surface solide, l'ensemble de l'opération ayant lieu en atmosphère contenant au maximum une pression partielle 71 43615 2 2116552 —5 * ' / ■ - de 10" bar d'oxygène libre ou combiné. Par "métal non réfractaire", on désigne dans le présent mémoire les métaux qui fondent au-dessous de 20002C. Les métaux auxquels s'applique tout particulièrement le 5 procédé de l'invention sont ceux dont les oxydes ne sont pas réduits par chauffage dans l'hydrogène, par exemple le chrome, le manganèse, le titane, le magnésium et l'aluminium, et les alliages contenant des quantités notables de ces métaux, par exemple l'acier inoxydable et les superalliages à base de nic-10 kel. Le métal d'alimentation contient de préférence au maximum 1 $ d'oxygène. On peut mettre en oeuvre le procédé de l'invention dans l'appareil décrit dans le brevet britannique précité, auquel on se réfère. 15 II est essentiel que la pression partielle de l'oxygène, particulièrement sous forme d'eau ou d'oxygène libre, au contact du métal au cours et après l'opération, soit inférieure à 10 bar . En conséquence, on met en oeuvre le procédé en atmosphère inerte, par exemple d'argon,à une pression de 0,3 bar 20 ou d'un mélange argon-hydrogène sous une pression de 0,3 bar, bien que la nature et la pression de l'atmosphère utilisée ne soient pas primordiales. Normalement, le creuset et les électrodes sont refroidis par de l'eau. Lorsqu'on utilise de l'eau froide à cet effet, 25 il existe un risque que la vapeur d'eau de l'atmosphère se condense dans l'appareil, lorsqu'on l'ouvre entre des opérations, et contamine la poudre métallique lorsqu'on fait à nouveau démarrer l'appareil. Pour cette raison, on préfère utiliser de l'eau chaude pour refroidir le creuset et l'électrode, lorsque 30 l'appareil est ouvert à l'atmosphère, et de l'eau froide au cours de la fusion et de la réalisation d'une poudre. Il est possible d'introduire le métal dans le creuset à l'état solide, par exemple en faisant descendre des morceaux de métal dans un canal placé dans l'axe de l'électrode. Dans ce 35 cas, la dimension maximale des morceaux de métal est déterminée par la dimension du canal dans lequel il passe, et elle peut être par exemple de 3 à 6 mm de diamètre. 71 43615 3 2116552 Dans une variante, on peut faire pénétrer le métal sous forme d'une tige ou d'une poudre remontant par un trou du fond du creuset. De préférence, on introduit cependant le métal à l'état 5 fondu dans le creuset. Ainsi, on peut utiliser le métal comme électrode permettant d'établir l'arc, l'électrode étant placée verticalement au-dessus du creuset refroidi, et étant descendue à la vitesse de consommation du bout de l'électrode par fusion, puis chute dans le creuset. 10 II est possible de traiter ainsi les matières de déchets d'opération§£récédentes,ou d'autres déchets, provenant par exemple d'opérations de tournage. Ceci peut être réalisé de différentes manières, par exemple par compression d'électrodes ou par réalisation d'électrodes pouvant contenir de la poudre. 15 Ainsi, on peut utiliser un tube à paroi mince ayant la composition approximative des déchets à transformer en poudre, remplir le tube de poudre et le souder. De telles électrodes donnent parfaitement satisfaction. Dans une variante, on peut introduire directement du 20 métal fondu séparément dans le creuset tournant. La dimension de particule du produit dépend de divers facteurs, notamment de la configuration et de la vitesse de rotation du creuset et de la présence ou de l'absence d'une bavure autour du bord du creuset, mais elle est en général comprise en-25 tre 1000 et 2000 microns pour des vitesses de quelques centaines de tours par minute, et entre 200 et 400 microns à 2500 tr/ mn. Il est possible de réaliser des particules plus petites en utilisant des vitesses plus élevées et/ou des jets de gaz à haute pression brisant les gouttelettes de métal fondu chassées 30 au rebo.rd du creuset. Le creuset peut avantageusement être hémisphérique ou avoir une section revenant légèrement vers la verticale. Il peut se former une bavure de métal solidifié autour du rebord du creuset. Ceci est indésirable dans les cas où la ba-35 vure affecte la dimension des gouttelettes métalliques, car les morceaux de la bavure, de formes irrégulières, peuvent se briser et contaminer les particules sphériques du produit-. On peut réduire la formation d'une bavure ou l'éliminer en modifiant 71 43615 2116552 la répartition des températures entre le creuset et l'électrode ou en disposant une seconde électrode, dans un circuit séparé de l'électrode principale, et faire jaillir un arc secondaire entre cette électrode et le rebord du creuset. 5 Le produit particulaire métallique obtenu ne doit pas contenir une quantité nettement supérieure à celle du métal introduit dans le creuset. En général, le produit particulaire obtenu contient moins de 0,25 fo et de préférence moins de 0,1 fo d'oxygène, et parfois moins de 0,01 fo. On perd dans une grande 10 mesure les avantages de l'invention lorsque la matière de départ contient une grande quantité d'oxygène, à moins que le métal soit un oxyde réductible et que la coulée centrifuge ait lieu en atmosphère réductrice. En partant d'un métal ferreux contenant 0,56 fo d'oxygène et en utilisant une atmosphère d'hydrogène, on 15 obtient un produit ayant une dimension de particuïe comprise entre 1100 et 1500 microns, et une teneur en oxygène de 200 ppm. Suivant la dimension des particules et l'usage prévu, on peut manier la poudre dans l'air ou en atmosphère inerte. Les particules métalliques formées sont en général sphéT 20 riques. On peut facilement séparer les particules de la plage voulue de dimensions du reste par tamisage ou classement par vibration . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront des exemples qui vont suivre, donnés à titre pure-25 ment illustratif. Exemple 1 . t On prépare des poudres à partir d'électrodes consommables de 31 mm de diamètre de deux alliages. Les essais sont réalisés pendant 2 minutes, avec un débit de 800 g/mn, dans une 30 atmosphère statique d'argon dans laquelle la teneur en oxygène est inférieure à 5 ppm. Les deux alliages sont "Nimonic" 105 et "Niraonic" 115, leurs compositions étant les suivantes : Alliages "Nimonic" Alliage Désignation 105 DTD 5007 Si Composition, fo Cu Fe Mn Cr Ti Al Co Mo Pb Ni 0,20 1,0 0,5 2,0 1,0 13,5 0,9 4,5 18,0 4,5 max max max max max 15,75 1,5 4,9 22,0 5,5 U> O- Cr» 0,005 reste max 115 DTD 5017 0,20 1 ,0 0,2 1 ,0 1 ,0 14,0 3,5 4,5 13,5 3,0 max max max max max 16,0 4,5 5,5 16,5 5,0 0,005 reste max K> O m en K) 71 43615 2116552 La teneur d'origine en oxygène de l'électrode en "Nimonic" 105 est de 30 ppm. On refroidit le creuset et l'électrode avec de 1* èau. Des échantillons représentatifs de diverses fractions des 5 matières formées au cours des essais donnent les résultats suivants, lorsqu'on les analyse chimiquement par fusion sous vide. Résultats avec le "Nimonic" 105 Diamètre de particules Teneur en oxygène microns ppm 10 1000 - 1200 30 500 - 850 40 300 - 500 30 Résultats avec le "Nimonic" 115 Diamètre de particules Teneur en oxygène 1 5 microns ppm 1000 - 1200 20 850 - 1000 20 500 - 850 40 105 - 300 20 i 20 Exemple 2. On met en oeuvre le procédé de l'invention en utilisant un creuset en cuivre refroidi par de l'eau et une électrode consommable de 37 mm de diamètre en titane commercialement pur (IMI Ti 130). On fait tourner le creuset à 2500 tr/mn dans une 25 atmosphère statique d'argon et d'hélium, à 0,67 bar, contenant moins de 5 ppm d'oxygène. Exemple 3. On met en oeuvre le procédé en utilisant un creuset en cuivre refroidi par de l'eau et une électrode consommable de 30 37 mm de diamètre en alliage de titane contenant 6 fo d'aluminium et 4 fo de vanadium en poids (IMI Ti 318). On fait tourner le creuset à 2500 tr/mn dans une atmosphère statique d'argon, à 0,67 bar, contenant moins de 5 ppm d'oxygène. 71 43615 2116552 Des échantillons représentatifs obtenus à partir de matières de départ et de diverses fractions des matières produites au cours des essais donnent les résultats suivants, lorsqu'on les analyse chimiquement par fusion sous vide. 5 Exemple 2 (Titane 130) Matière de départ 1900 ppm d'oxygène Particules de diamètre 600 à 2000 microns 1800 ppm d'oxygène jusqu'à 600 microns 1800 ppm d'oxygène 10 Exemple 3 (Alliage de titane 318) Matière de départ 2200 ppm d'oxygène Particules de diamètre 1000-1200 microns 1900 ppm d'oxygène 600-710 microns 2000 ppm d'oxygène 250-600 microns 2100 ppm d'oxygène 15 jusqu'à 250 microns 2100 ppm d'oxygène Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est 20 défini dans les revendications annexées. 71 43615 2116552 REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation de particules d'une matière par formation d'un arc entre une électrode et un creuset refroidi en matière conductrice de l'électricité, introduction de 5 la matière à l'état fondu dans le creuset, rotation simultanée du creuset autour de son axe de symétrie, avec formation de gouttes de matière fondue chassées du creuset, puis solidification des gouttes de matière fondue sans contact notable avec une surface solide, ledit procédé étant caractérisé en ce que 10 la matière utilisée est un métal non réfractaire et en ce qu'on met en oeuvre le procédé dans une atmosphère contenant une pression partielle d'oxygène libre ou combiné au maximum égale à 10 ^ bar . 2. Procéclé selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 que la matière de départ est un métal dont l'oxyde ne peut être réduit par chauffage avec de l'hydrogène ou un alliage contenant une partie notable d'un tel métal. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le métal est introduit à l'état fondu dans le 20 creuset, à partir d'une électrode consommable formée dudit métal et placée verticalement au-dessus du creuset, l'électrode métallique étant descendue dans le creuset à une vitesse dépendant du retrait de son extrémité par fusion et chute dans le creuset. 25 4. Particules d'un métal non réfractaire , caractérisées en ce qu'elles sont réalisées par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. 5. Particules selon la revendication 4, caractérisées en ce que leur dimension est inférieure ou égale à 2000 microns 30 et leur teneur en oxygène inférieure ou égale à 2500 ppm.