Brevet FR2149294A1 — publié le 19730330

La présente invention est relative à des coulées métalliques sous la forme de tubes bi-métalliques ou à alliage double (auxquels on se référera collectivement ici pour la commodité sous le terme de tubes bimétalliques), ainsi qu'à un procédé de fabrication de ces tubes, et est plus particulièrement, mais non exclusivement, relative à des tubes destinés à l'utilisation dans certains milieux abrasifs ou corrosifs. Selon un aspect de la présente invention un tube bi-métallique coulé par centrifugation comprend une couche interne ou externe d'un métal métallurgiquement lié à une couche respectivement externe ou interne d'un métal ayant des propriétés différentes. Ainsi une couche interne ou externe d'un alliage résistant à la corrosion et/ou à l'abrasion peut être lié à un métal possédant une grande résistance mécanique. Dans un agencement, la couche interne ou externe peut entre formée d'un métal possédant des propriétés de résistance mécanique élevée et/ou de résistance à la corrosion et/ou à l'oxydation et/ ou à l'abrasion. Donc, grâce à la présente invention, certains alliages métalliques qui sont résistants à la corrosion et/ou à l'abrasion, mais qui n'ont pas une résistance mécanique particulièrement élevée peuvent entre utilisés par exemple dans des applications de tubes et des avantages peuvent etre tirés de certains autres alliages métalliques qui ont des propriétés mécaniques favorables à la fois à des températures basses et élevées. Les couches internes ou externes peuvent être constituées avec l'un quelconque des matériaux qui suivent en une combinaison quelconque a) Cuivre. b) Alliages à base de cuivre, notamment alliages cupro-nickel (90% de cuivre, 10% de nickel; 70% de cuivre, 30% de nickel). c) Alliages Chrome-Nickel, notamment 50tao de nickel, 50% de chrome; et 40% de nickel, 60% de chrome. d) Un alliage riche en silicium, notamment un alliage de fer à 7% de silicium, 5% d'aluminium; un alliage de fer à 14% de sili cium. e) Un alliage riche en aluminium, notamment un alliage de fer à 20% de chrome, 5% d'aluminium. f) Un alliage riche en chrome, notamment un alliage de fer à 13% de chrome, 0,3% de carbone; et du fer avec 28% de chrome, 0,4% de carbone. g) Un alliage riche en cobalt, notamment un alliage chrome-cobalt à 28%. h) Un alliage ferreux, notamment un alliage de fer à 18% de chro me, 8% de nickel, un alliage de fer à 25% de chrome, 20% de nickel, 0,4% de carbone; un alliage de fer à 17% de chrome, 4% de nickel, 0,08% de carbone. j) Un alliage à base de nickel, notamment un alliage à 20% de chrome et 80% de nickel et à 70% de nickel et 30% de cuivre. Ainsi, l'invention peut exploiter séparément les avantages par exemple du cuivre et des alliages à base de cuivre pour ce qui est de leur résistance à certains milieux corrosifs, à la fois dans les domaines de la corrosion liquide et là où il peut se produire une attaque à haute température, par exemple dans la carburation. De façon similaire, on peut tirer avantage de la résistance des alliages nickel-chrome dans des conditions de forte oxydation à températures élevées, en particulier dans des conditions où une oxydation désastreuse peut survenir. De plus, on peut également tirer avantage de certains alliages à haute teneur en carbone contenant du nickel et contenant du chrome qui possèdent de bonnes propriétés de résistance à l'abrasion. L'invention peut, en outre, exploiter les avantages d'alliages ferreux à base de nickel, en ce qui concerne particulièrement les bonnes propriétés mécaniques, à la fois aux hautes et aux basses températures. Selon un autre aspect de la présente invention, un procédé de coulée d'un tube bi-métallique dans lequel les deux métaux sont réunis par une liaison métallurgique pendant le processus de coulée consiste à verser le métal qui est destiné à former la couche externe, tout d'abord, dans le moule, puis à verser le second métal qui est destiné à former la couche interne, dans le moule, quand la couche externe est presque ou complètement rigide dans toute son épaisseur. De préférence, la formation d'un film d'oxyde entre les couches est évitée ou tout film d'oxyde qui se forme est enlevé. Dans ce cas, la formation d'un film d'oxyde peut etre empêchée 0%: celui-ci enlevé en utilisant un laitier en poudre ou liquide, pulvérisé dans l'orifice lors de l'opération de versage da premier métal, ou en utilisant une purge à gaz non oxydant, soit au cours du processus de coulée ou à la suite de la coulée de la couche externe. Le laitier en poudre peut etre un laitier contenant de la chaux, un laitier siliceux ou contenant du bore et le gaz utilisé dans la purge à gaz peut être de l'argon ou du propane. De plus, des moyens sont de préférence prévus pour empê- cher que se répande le métal de la couche interne, entre le métal de la couche externe se contractant et un assemblage de plaque d'extrémité, pendant le versage et la solidification du métal de la couche interne. Le moyen pour empêcher l'épanchement peut consister en un écran contre l'épanchement attaché à chaque plaque d'extrémité du moule. Dans ce cas, écran contre l'épanchement peut comprendre un disque annulaire dont la périphérie est faite pour venir en contact avec la couche externe et dont le cté est fait pour etre en contact et le maintenir avec la couche interne pendant la contraction. L'invention peut être mise en oeuvre de diverses façon et des modes de réalisation différents seront maintenant décrits à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, dans lequel la figure lA est une vue latérale schématique d'une technique de coulée par centrifugation utilisée pour produire un tube bi-métallique ou à alliage double, autour d'un axe horizontal, la figure 1B est une vue d'extrémité schématique de la rotation du moule et d'un mécanisme de support, la figure 2A est une représentation schématique d'un écran contre l'épanchement, dans une position précédant la coulée, qui peut etre incorporé dans les deux assemblages de plaque d'extrémité, la figure 2B est une représentation schématique d'un écran contre l'épanchement après la coulée du premier alliage (couche externe) par rapport aux assemblages de plaque d'extrémité, la figure 2C est un schéma isométrique de l'écran protecteur avant le positionnement sur les assemblages de plaque d'extrémité, la figure 3A est une coupe transversale à travers un exemple d'un tube selon la présente invention, la figure 3B est une illustration de la structure du tube représenté dans la figure 3A, la figure 3C est une microphotographie d'une coupe microscopique prise à travers la paroi de ce tube;; la figure 4A est une coupe transversale à travers un autre exemple de tube selon la présente invention, la figure 4B est une illustration de la structure de ce tube et, la figure 4C est une microphotographie d'une coupe microscopique prise à travers la paroi de ce tube. Dans la figure 1A, un moule tubulaire (10) est représenté avec des chemins de roulement (11) positionnés pour se placer sur les roues d'entraînement (12) qui sont entraînées par une unité d'entraînement (14) pour imprimer une rotation au moule tubulaire (10). A chaque extrémité du moule tubulaire (10) se trouve un assemblage de plaque d'extrémité (15) maintenu en position par un certain nombre de pointes de retenue (16) situées autour de la circonférence du moule tubulaire (101. Lorsque la première couche de métal (17) est versée à l'intérieur du moule tubulaire (10) au moyen, par exemple, d'une coupelle de versage (18) placée près de l'assemblage de plaque d'extrémité (15), il coule le long de la longueur du moule tubulai re(l0) et au surplus se répand sur la circonférence intérieure du moule par suite de l'action de la force centrifuge. Le métal alors se met à se solidifier en une coquille cylindrique à l'intérieur du moule, dont l'épaisseur dépend, pour un moule de dimension donnée, du poids du métal qui y est versé. La couche de métal ne forme pas de liaison avec la surface du moule grâce à la présence du revêtement réfractaire (19). Après un intervalle de temps depuis l'achèvement du versage du premier métal (17) soit lorsque le métal est presque ou totalement rigide à travers toute son épaisseur, ce qui peut être déterminé, par exemple, au moyen d'un pyromètre approprié, la seconde couche de métal (20) est versé dans le moule en rotation, par exemple,avec la m#me coupelle de versage (18). Cet intervalle de temps dépend du type de métal en cours de coulée et de la tempe rature à laquelle le métal est coulé. Le second liquide métallique se répand sur la surface intérieure de la première couche et se solidifie pour former une seconde couche. Pendant le versage de la seconde couche, un certain mélange réciproque entre les deux alliages peut se produire et ainsi une liaison métallurgique robuste peut se constituer entre les deux couches. La formation d'une liaison inter-couches robuste dépend, en particulier, de l'assurance qu'aucun film d'oxyde inter-couches ne s'est formé. La formation de film d'oxyde peut être empêchée par un moyen tel que l'utilisation d'un laitier en poudre ou liquide répandu dans l'orifice lors de l'accomplissement du versage du premier métal, ou en utilisant une purge à gaz soit pendant toute l'opération de coulée, ou après la coulée de la première couche ou couche extérieure. Pendant le processus de coulée, les deux métaux sont versés à l'aide de deux poches séparées. Les deux alliages peuvent être versés depuis les extrémités opposées du moule ou bien ils peuvent être versés, consécutivement, depuis la même extrémité. Plusieurs poches peuvent être utilisées pour l'un ou les deux alliages, et lorsque plusieurs poches sont utilisées, celles-ci peuvent effectuer le versage à l'une ou aux deux extrémités du moule. Pendant la coulée d'un tube bi-métallique, selon l'invention, un épanchement métallique peut se produire pendant le versage de la couche interne (second métal) qui peut fuir à travers une ouverture provoquée par la contraction de la couche extérieure se solidifiant en se séparant des plaques d'extrémités munies de surfaces réfractaires. Un certain nombre de procédés sont susceptibles d'éviter cet épanchement et une tel procédé va maintenant être décrit au moyen d'un exemple utilisant un mince écran contre l'épanchement. On comprend que les écrans contre l'épanchement peuvent ne pas être nécessaires dans certains cas. L'écran contre l'épanchement est représenté de façon isométrique dans la figure 2C et comprend un disque annulaire(201) dont le diamètre extérieur est établi de façon à correspondre au diamètre intérieur de la couche extérieure lorsqu'elle est coulée. Le disque (201.) possède des flasques au centre (201A) qui sont retenus par l'assemblage de plaque d'extrémité (202) comme représenté dans les figures 2A et 2B. Dans la figure 2A, cet écran mince (201) contre l'épanchement est représenté placé contre l'assemblage de plaque d'extrémité (202) d'un moule tubulaire (205). La fonction de l'écran est encore illustrée dans la figure 2B qui représente le positionnement de l'écran contre l'épanchement (201) après la solidification et la contraction associée du métal de la couche extérieure (203), l'écran contre l'épanchement adhérant à la couche interne pendant laoentraction. Donc on voit que l'intervalle de contraction (204) entre la couche externe (203) et l'assemblage de plaque (202) de noyau est en effet clos et aucun épanchement du métal de la couche interne, pendant la coulée et précédant la solidification ne se produit. Ainsi, il est possible de produire un tube bimétallique possédant les avantages préférés des deux types d'alliages utilises. Dans le but d'aider à la compréhension de l'invention, deux formes de tubes en alliage double ou bimétallique sont maintenant décrites, un écran d'épanchement en acier doux étant utilisé dans les deux cas. Exemple 1 Un tube bimétallique qui est coulé dans un moule tubulaire rotatif autour d'un axe horizontal, consiste en une couche extérieure d'alliage nickel-chrome,possédant une bonne résistance à la corrosion, liée à une couche interne d'alliage chrome-nickel à haute résistance mécanique. La couche externe est tout d'abord coulée et une purge à gaz est utilisée pour réduire l'oxydation de la paroi interne de l'alliage externe.Une partie de la fusion de chaque alliage est analysée et se révèle contenir ce qui suit: Composition: pourcentages en poids Elément Couche externe Couche interne Carbone 0,02 0,38 Silicium 1,51 1,10 Manganèse 0,92 1,21 Nickel 47,4 20,6 Chrome 49,1 25,4 Soufre 0,005 0,030 Phosphore 0,007 0,027 Fer et impuretés Reste Reste La macrophotographie dans la figure 3A représente une coupe transversale du tube précité, à un agrandissement de x La figure 3B est une illustration de la structure de ce tube. La macrophotographie a été obtenue après attaque de l'échantillon dans un mélange chaud de chlorure de cuivre et d'acide chlorhydrique.On peut voir un certain nombre de zones, la zone externe (301) présentant des grains impDrtants, en colonnes, représentant l'al- liage de la couche externe, les deux zones internes présentant de petits grains équiaxes (302) et des grains moyens en colonnes, représentant l'alliage de la couche interne. La microphotographie, dans la figure 3C, d'une coupe microscopique prise à travers la paroi du tube, obtenue par attaque électrolytique dans de l'acide oxalique, mDntre les deux alliages dissemblables (couche interne 304 et couche externe 301) de même que la liaison (305) réunissant les deux couches. La microphotographie a été prise avec un agrandissement de xlOO. On voit qu'il y a une liaison métallurgique entre les deux alliages. Exemple 2 Un tube bimétallique est coulé de la même manière que dans l'exemple 1, mais en diffère par la composition des deux allia ges utilisés. Dans le présent exemple, la couche externe qui a été coulée en premier consiste en un alliage chrome-nickel à haute résistance réuni à une couche interne d'alliage chrome-fer résistant à la carburation. Une partie de chaque fusion a été analysée et s'est révélé contenir ce qui suit Composition : Pourcentages en poids Elément Couche externe Couche interne Carbone 0,37 0,62 Silicium 1,03 1,30 Manganèse 1,29 0,93 Nickel 21,1 0,75 Chrome 25,9 25,5 Soufre 0,033 0,024 Phosphore 0,021 0,020 Fer et impuretés Reste Reste La macrophotographie dans la figure 4A obtenue d'une manière semblable à celle de la figure 3A avec un agrandissement de 4 , représente les deux couches dissemblables. La figure 4B est une illustration de la structure de ce tube. La couche extérieure (401) correspond à un alliage à haute résistance et consiste en grains en colonnes moyens et la couche interne (402) correspond à la couche de protection consistant en grains en colonnes fins. La microphotographie dans la figure 4C représente la zone de liaison entre les deux alliages différents. On peut voir la couche externe (401) réunie à la couche interne (402) par une zone liée (403). La microphotographie dans la figure 4C a été prise avec un agrandissement de x100. On voit ici qu'il y a une liaison métallurgique entre les deux alliages. REVENDICATIONS 1. Tube bimétallique coulé par centrifugation, caractérisé par le fait qu'il comprend une couche interne ou externe d'un métal, liée métallurgiquement à une couche respectivement externe ou interne d'un métal ayant des propriétés différentes. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la couche interne ou externe est formée d'un métal possédant des propriétés de résistance mécanique et/ou de résistance à la corrosion et/ou à l'oxydation et/ou à l'abrasion. 3. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comprend une couche externe d'un métal ayant une bonne résistance à la corrosion réunie, par une liaison métallurgique, à une couche interne d'un métal possédant une bonne résistance mécanique à la fois à basse et haute températures. 4. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comprend une couche extérieure d'un métal ayant une bonne résistance mécanique à la fois à basse et haute températures,réunie, par une liaison métallurgique, à une couche interne d'un métal possédant une bonne résistance à la corrosion. 5. Tube bimétallique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la couche interne est constituée par l'un quelconque des matériaux choisis dans le groupe formé par les suivants a) Cuivre. b) Alliages à base de cuivre, notamment alliages cupro-nickel (90% de cuivre, 10% de nickel; 70% de cuivre, 30% de nickel) c) Alliages nickel-chrome, notamment 50% de nickel, 50% de chrome et 40% de nickel, 60% de chrome. d) Un alliage riche en silicium, notamment alliage de fer à 7% de silicium, 5% d'aluminium; alliage de fer à 14% de silicium. e) Un alliage riche en aluminium, notamment alliage de fer à 20% de chrome, 5% d'aluminium. f) Un alliage riche en chrome, notamment alliage de fer à 13% de chrome, 0,3% de carbone; et alliage de fer à 28% de chrome,0,4% de carbone. g) Un alliage riche en cobalt, notamment alliage de cobalt à 28% de chrome. h) Un alliage ferreux, notamment alliage de fer à 18% de chrome, 8% de nickel; alliage de fer à 25% de chrome, 20% de nickel, 0,4% de carbone; alliage de fer à 17% de chrome, 4% de nickel, 0,08% de carbone. j) Un alliage à base de nickel, notamment alliage à 80% de nickel, 20% de chrome; 70% de nickel, 30% de cuivre. 6. Tube bimétallique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la couche externe est constitué par l'un quelconque des matériaux choisis dans le groupe formé par les suivants a) Cuivre. b) Alliages à base de cuivre, notamment alliages cupro-nickel (90% de cuivre, 10% de nickel; 70% de cuivre, 30% de nickel) c) Alliages nickel-chrome, notamment 50% de nickel, 50% de chrome et 40% de nickel, 60% de chrome. d) Un alliage riche en silicium, notamment alliage de fer à 7% de silicium, 5% d'aluminium; alliage de fer à 14% de silicium. e) Un alliage riche en aluminium, notamment alliage de fer à 20% de chrome, 5% d'aluminium. f) Un alliage riche en chrome, notamment alliage de fer à 13% de chrome, 0,3% de carbone; et alliage de fer à 28% de chrome, 0,4% de carbone. g) Un alliage riche en cobalt, notamment alliage de cobalt à 28% de chrome. h) Un alliage ferreux, notamment alliage de fer à 18% de chrome, 8% de nickel; alliage de fer à.25% de chrome, 20% de nickel,O,4% de carbone; alliage de fer à 17% de chrome, 4% de nickel,Op3% de carbone. j) Un alliage à base de nickel, notamment alliage à 80% de nickel, 20% de chrome; 70% de nickel, 30% de cuivre. 7. Tube bimétallique selon l'une quelconque des revendica tions 5 et 6, caractérisé par le fait que les couches interne et externe sont formées de matériaux différents. 8. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes possédant une couche externe formée d'un alliage ayant une bonne résistance à l'oxydation et comprenant (en poids) 47,4% de nickel, 49,1% de chrome, 0,02% de carbone, 1,51% de silicium, 0,92% de manganèse, 0,005% de soufre, 0,007% de phosphore, le reste étant composé de fer et d'impuretés, la couche extérieure étant liée à une couche interne qui possède une bonne résistance mécanique à la fois à basse et haute températures et comprenant (en poids) 20,6% de nickel, 25,4% de chrome, 0,38% de carbone, 1,10% de silicium, 1,21% de manganèse, 0,030% de soufre, 0,027% de phosphore, le reste étant composé de fer et d'impuretés. 9. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il possède une couche externe formée d'un alliage ayant une bonne résistance mécanique à la fois à basse et haute températures et comprenant (en poids) 21,1% de nickel, 25,9% de chrome, 0,37% de carbone, 1,03% de silicium, 1,29% de manganèse, 0,033% de soufre, 0,021% de phosphore et le reste étant du fer et des impuretés, la couche extérieure étant liée à une couche interne qui possède de bonnes propriétés de résistance à la carburation et comprenant (en poids) 0,75% de nickel, 25,5% de chrome, 0,62% de carbone, 1,30% de silicium, 0,93% de manganèse, 0,024% de soufre, 0,020% de phosphore, le reste étant composé de fer et d'impuretés. 10. Procédé de coulée par centrifugation d'un tube bimétallique dans lequel les deux métaux sont réunis par une liaison métallurgique pendant le prooessusde coulée, caractérisé par le fait qu'il consiste à verser tout d'abord du métal devant former la couche externe dans le moule et ensuite à verser le second métal devant former la couche interne dans le moule, lorsque la couche externe est presque ou complètement rigide sur toute son épaisseur. 11. Procédé selon la revendication 10 caractérisé par le fait que la formation d'un film d'oxyde entre les couches est évitée, ou tout film d'oxyde formé est enlevé. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la formation d'un film d'oxyde est évitée ou celsi-ci enlevé en utilisant un laitier liquide ou en poudre, pulvérisé dans l'orifice lors de l'opération de versage du premier métal, ou en utilisant une purge à gaz non oxydant, soit pendant tout le processus de coulée ou à la suite de la coulée de la couche externe. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le laitier en poudre est un laitier contenant de la chaux, un laitier contenant du silicium ou du bore. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que le gaz utilisé dans la purge à gaz est de l'argon ou du propane. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que des moyens sont prévus pour empêcher l'épanchement du métal de la couche interne entre le métal de la couche externe se contractant et un assemblage de plaque d'extrémité pendant le versage et la solidification du métal de la couche interne. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé par le fait que le moyen pour empêcher l'épanchement comporte un écran contre l'épanchement attaché à chaque assemblage de plaque d'extrémité du moule. 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé par le fait que l'écran d'épanchement comprend un disque annulaire dont la périphérie est conçue pour prendre appui sur la couche externe et dont les côtés sont faits pour être en contact et le maintenir avec la couche interne pendant la contraction. 18. Tube bimétallique coulé réalisé selon le procédé de l'une quelconque des revendications précédentes.