Brevet FR2208743A1 — publié le 19740628

La présente invention a trait à un procédé de fabrication de pièces métalliques en mouses de faible densité. La place des pétaux et alliages dans la technologie est de plus en plus importante; il importe donc de chercher à obtenir des matériaux ayant des propriétés mécaniques meilleures (ténacité, résistance aux hautes températures). On élabore ainsi de nouveaux alliages par des procédés leur conférant une @@il- leure homogénéité. L'inconvénient essentiel des métaux est leur poids et leur prix de revient par unité de volume. L'invention a pour but un procédé de fabrication de produits métalliques de faible densité et forte porosité (supérieur à 50%, par exemple). Le procédé p[ermet de disposer d'une gamme de matériaux possédant certaines des qualités des métaux et alliages, tout en ayant une trés grande légèreté (densi- té par rapport à l'eau inférieur à 1, par exemple, même avec des métaux "lourda"). On a déjà proposé l'emploi de produits vaporisables pour faire mousser de l'aluminium, par exemple du mercure, on préconise les variations de pression pour modifier les conditions d'équilibre. Cependant, oette méthode est insatisfaisante car il est difficile de contrôler l'évolution de la réaction, et les matériaux nés au cours de ladite réaction ont des effets réfastes l'un sur l'autre. Lorsque le mercure se volatilise pour former les cellules de cus- se métallique, il se dissout dans l'aluminium et provoque sa contamination. Une autre méthode inolut l'addition d'un alliage comprenant un hy re métallique moulu, directement à la surface du létal liquides Cet alliage est préparé par addition par broyage en commun d'hydrure métallique et d'un ou pla- sieurs métaux fondus; à la suite de quoi, on refroidit et réduit le produit résultant en une poudre. Dans cette méthode, on Modifie également les conditions d'équilibre par variation de la pression. On a oru, jusqu'à présent que l'étape de broyage était nécessaire dans la formation d'un alliage approprié contenant un hydrure, et on a égale- sent cru en l'utilisation d'un tel alliage, plutôt que d'un hydrure non allié. La poudre contenant l'hydrure a tendance à flotter sur le sommet do la matrice métallique et à s'oxyder, c'est-à-dire à brûler ou exploser ou les deux à la fois, le tout violemment. Plus récemment, on a proposé un procédé par lequel on injecte un gaz pour faire mousser la Mise métallique, sans passer par la lise en solution de ce gaz dans le létal et sans agir sur la pression. Cependant lors d'un traitesent de fer fondu dans lequel on injecte de l'hydro- gène, il se produit un mauvais moussage paroc que l'hydrogène dissous dans le métal ne produit pas de bulles tant que le métal est liquide; les bulles ne se forment qu'à la solidification et nette opération est non contrôlable car les bulles na se produisent qu l'interface Bolide-liquide. Dans le OU d'un alliage d'aluminium le bullage par hydrogène, seion ce procédé, est encore plus difficile. Il faut noter également qu'une injection d'oxygène dans un métal comse le fer, le cobalt ou le nickel, n'entraîne pas de formation de bulles car l'oxygène oxyde le métal fondu; à la solidification il se torse, pour le cas du fer, du FeO, mais pas de bulles. Ie procédé selon l'invention a pour but de pallier ces inconvénients, tout en permettant l'obtention de pièces métalliques avec des propriétés méca- nique s satisfaisantes. Ces matériaux légers et alvéolaires trouvent des applications nombreuses dans l'aéronautique, l'astronautique, l'industrie automobile, la construction mécanique, entre autre. Ainsi par ce procédé, il est possible de fabriquer des membrures d'avion en titane, des pièces de charpente métallique ultra-légères, des enoeintes isolantes thermiques et acoustiques, des pièces d'amortissement de chocs, des blindages de véhicules, des pièces flottantes. La présente invention vise également un dispositif de réalisation conforme au procédé. Le procédé selon l'invention se caractérise en ce que l'on provoque un poussage de la muse métallique en fusion par dégagement d'hydrogène dissous dans ladite masse par abaissement de pression, et/ou par dégagement d'oxyde de carbone accompagné éventuellement d'un abaissement de pression. La présente invention s'applique aux métaux ou alliages et notamment à des aciers et des métaux è haut point de fusion. Selon le procédé conforme A l'invention, on dissout une grande quantité d'hydrogène sous pression, que l'on abaisse ensuite, le métal étant encore à l'état liquide; l'hydrogène ze dégage dans le fer ou l'aluminium, si c'est de ces métaux dont il s' agit; il se produit le moussage de la Mise métallique également, lorsque le carbone est présent dans le fer, car l'oxygène dissous dans le métal fondu réagit avec ledit carbone pour former un dégagement de CO qui favorise la formation de bulles dans la masse de métal. L'abaissement de pression dans ce cas n'est pas absolument nécessaire. De me, si l'on ajoute du carbone ou des composés en contenant, à du fer contenant de l'oxygène diSsous, on obtient, conformément à l'invention, un métal moussant. Une variante du procédé selon l'invention consiste à utiliser un hydrocarbure injecté dans la sasse tondue pour avoir à la fois un géné- rateur d'hydrogène et de carbone dans ladite Mise. Le dispositif conforme à l'invention comprend: un creuset, les mcyens de chauffage dudit creuset, un moule refroidi surmontant ledit creuset, un couverele à évent d'obturation dudit moule, des moyens d'injection d'un gaz de bullage dans du métal fondu placé dans ledit creuset, le tout étant enfermé dans une enceinte susceptible de résister à la pression. Il se caractérise en ce qu'il comprend, en outre, des moyens de préssurisation et de dépréssurisation de l'intérieur de ladite enceinte, ledit métal fond@ dans le crouset étant saturé en haute pression par ledit gaz de bullage et étant assujetti à mousser par abaissement de la pression. Les divers avantages et caractéristiques du procédé et du dispositif selon l'invention ressortiront d'ailleurs de la des@ription qui suit, à titre d'exemple, en référenes aux dessins @@nexés dans lesquels : -la figure 1 est une vue en coupe du dispositif nécessaire à la mise en couvre du procédé d'obtention de la masse métallique en mousse; -la figure 2 est une courbe représentant les variations du volume du ga@ "G" conte@u dans la masse métallique (injection d'hydrogène dans l'acier liquide) en fenction de la pression absolue, G étant le volume de gaz par volume de métal; -la figure 3 est un réseau de courbes représentant les variations de "G" en fonction de la teneur C en carbone en %, dans le cas d'injection d'oxygène pur dans de l'acier liquide. Ainsi, conformément à l'invention, les deux processus principaux conduisant à l'effet recherché sont la dissolution de l'hydrogène, et dans certains métaux et alliages (fer, nickel, cobalt notamment), la dissolution de l'oxygène conduisant à la réaction Ainsi la mise en solution d'hydrogène dans les aciers liquides se produit suivant la formule de SIEVERTS : où H est la teneur en hydrogène du métal en cm3/100 g et P la pression en bars. Le coefficient de solubilité 30 est approximatif; il dépend de la composition de l'alliage et de la température. Dans le métal solide, la solubilité est quasi nulle. Si l'on fond un métal sous une pression Pl et, si on le sature en hydrogène à cette pression, on obtiendra la teneur Si ensuite, on applique au métal liquide une pression P2 très inférieure à Pl, il se produit instantanément un dégagement gazeux : Le métal s'émulsionne, et, si on solidifie l'émulsion produite dans 'n moule, la solidification produit le dégagement supplémentaire Au total, ce produit solide dont le volume compact serait 1, tient un volute G de gaz, sous forme de bulles.Dans le cas de l'acier de densité 7,8 Les valeurs de G en fonction de P1 ont été portées à la figure 2, Pour Pl 3 5 bars, G = ,2 pour P1 3 20 bars, G 3 10,5 La masse spécifique au produit obtenu est : d = d(acier)/G + 1 soit 1,26 pour Pl = 5 bars et 068 pour P1 = 23 bars, et où d(aeier) est la sasse spécifique de l'acier. Les porosités sont respectivement de 84% et de 91%. Afin d'obtenir un produit homogène, on a intérêt à choisir une pression P2 relativement élevée, mais suffisante pour obtenir l'émulsion, par exemple 2 ou ) bars. Dans les autres métaux, les principes sont les mêmes, seule la valeur du coefficient de solubilité (30 dans le cas de l'acier) change, ce qui conduit à adapter les valeurs de P1 et de P2 au métal traité. La mise en solution d'oxygène dans le fer liquide se produit suivant l'équation : C x O = 0,002 P "C" est la teneur en carboné en %, "O" est la teneur en oxygène en % et P est la pression en bars. Si on dissout de l'oxygène dans le métal liquide à la pression élevée P1, en ramenant la pression à une valeur inférieur P2, il se dégage de l'oxyde de carbone CO correspondant à l'excèd d'oxygène dissous; le métal alors s'émulsionne. Si an solidifie cette évulsion, on obtient un produit contenant G @3 de gaz pour 1 m3 de métal compact. Les équations parmettant de déterminer G sont les suivantes : C1 X 1 = 0,002 P C2 X O2 = 0,002 P2 C1 - o2 = 1,33 1 C2 G = 146 (Cl - C2) C1 et O1 sont, en %, les teneurs en carbone et en oxygène initiales, à la pression P1 (en bars); C2 et 2 les teneurs à la pression P2 (en bars). On a porté à la figure ) les valeurs de G en fonction de C1 pour diS- férentes valeurs de P1 et P2 - 1 bar. Par exemple, on sature en oxygène, sous 20 bars, un acier contenant 0,25% de carbone. On ramène brusquement la pression à 2 bars. Le métal s'émulsionne en dégageant 10,7 - 0,8 = 9,9 litres de gaz par litre de métal liquide. On solidifie oette émulsion et on obtient un produit de densité 7,8 d = = 0,72 9,911 de porosité 100 G = G + 1 et de teneur en carbone C2# O, 15% La valeur de G varie très rapidement dans cette zone avec la teneur en carbone C1. Afin d'éviter un difaut de remplissage du moule, on peut fixer la capacité du ioule à 9 litres par exemple, au lieu de 10,9 (pour 1 litre de métal liquide). L'émulsion se solidifie sous une pression plus élevée, ce qui améliore l'homogénéité de la distribution des bulles de gaz. Le produit a alors une densité de 7,8 = 0,87, et une porosité de 8 x 100 - 89%. 9 Conformément è la figure 1, le dispositif de traitement de métaux à point de fusion élevé qtn l'on veut faire mousser comprend un creuset 1 rempli de métal en fusion 2, chauffé, par exemple, par un four à induction 14; le creuset 1 est surmonté d'un moule métallique 6 refroidi par des chemises 4 dans lesquelles circule un fluide réfrigérant comme de l'eau arrivant par une canalisation 19 et sortant par une canalisation 20. Le moule métallique est obturé è sa partie supérieure par un couver- cle 7 fixé au-dit moule par des boulons 7'; et rendu étanche par un joint 7". Le couvercle 7 présente un trou 21 formant évent pour les gaz d'échappement présents à l'intérieur du moule 6. Le creuset 1 et le moule 6 sont enfermés dans une enceinte 5 susceptible de résister è la pression. Un conduit 18, traversant ladite enceinte par- met l'apport d'un gaz susceptible d'appliquer la haute pression Pl à l'intérieur de l'enceinte 5. Le gaz peut être par exemple de l'hydrogène ou de l'ar- gon. On mesure la pression dans l'enceinte par un manomètre 11, et une soupa- pe de sécurité 8 placée sur un conduit 8' débouchant dans l'enceinte 5 sert à éviter les suppressions dangeureuses. Le fond du creuset 1 présente un bouchon poreux 16 en communication avec une tubulure 17 par laquelle on injecte un gaz. Il est clair que tout autre moyen d'injection peut être envisagé. Le creuset 1 est posé sur des supports 22 placés dans le fond de l'enceinte 5 forsant carcasse avec couveroles supérieur 5a et inférieur 5b fi xés de façon étanobe à ladite carcasse. La température du métal en fusion est mesurée ou régulée è l'aide d'un thermocouple 15. Pour assurer une bonne étan- chéité au létal en fusion pendant le foisonnement, on réalise un un dépôt de pro duit réfractaire 12 entre le ioule 6 et le creuset 1.Une ouverture 10 prati quée dans l'enceinte 5 permet le passage à une tubulure 10' avec vanne 9 afin de libérer la pression dans l'enceinte, lors du foisonnement ou moussage, L1 intérieur 13 du moule 6 est en communication avec le reste 13' de l'intérieur de l'enceinte 5 par l'évent 21. Le fonctionnement du dispositif est le suivant t lorsque le métal est en fusion, par exemple sous pression atmosphéri- que, on introduit par l'orifice 18 du gaz, par exemple argon, pour obtenir la pression P1 désirée. Le 19étal fondu est alors saturé en gaz à autre pression grâce à l'injection de gaz par le bouchon perméable 16. on abaisse alors la pression jusqu'à la valeur P2 en ouvrant la vanne 9; le métal foisonne, remplit l'inté- rieur 13 du moule 6 et se solidifie par contact avec les parois froides 6 et 7. Les gaz en excès s'échappent par l'évent 21. Il est clair que le dispositif est décrit à titre d'exemple. Certaines modification peuvent être apportées a montage; par exemple, l'intérieur 13 du ioule 6 peut entre, au préalable, garni de fils, de barres et/ou de pouares métalliques. Ces agents donnent au produit expansé une plus grande solidité. L'homogénéité du métal expansé peut être améliorée par addition d'éléments d'alliages abaissant la tension superficielle. Ainsi le soufre peut être utilisé. dans oe sens, dans les aciers, comme émulsif. La paroi du creuset peut être en un matériau réfractaire dont la ru gosité facilite la formation de bulles de gaz lors de l'émulsion. Une injection d'argon par le bouchon 16 pendant la Dise en émulsion facilite également le bullage. Les brames ou billettes de ce matériau expansé sont très faciles à laminer à chaud. Un laMinage ou forgeage léger peut permettre l'amélioration, Si besoin est, de l'aspect superficiel du matériam sans perdre, pour autant, le bénéfice de sa légèreté. La porosité du produit est très homogène avec une peau présentant peu ou pas de soufflures. les pièces obtenues au moulage peuvent être quelcon- ques (finies ou deni-finies). Quant au gaz susceptible d'être employé pour saturer le métal, il faut citer, en plus de 2 ou N purs, le CO2 pour l'introduction d'oxygène, le gaz ammoniac, les hydrocarbures, gazeux ou liquides, certains hydrures permettant l'addition d'une élément d'alliage complémentaire (par exemple B2 H6). On peut également appliquer la haute pression P1 avec un gaz inerte, (argon, par exespie), la saturation en oxygène étant réalisée à l'aide de produits solides tels que minerais oxydés ou mélange de minerais préréduits, ferraille et coke. L'invention trouve son application notamment au foisonnement du ti tan@ et des aciers. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de fabrication de pièces métalliques en mousse de faible densité caractérisé en ce qu'on provoque un poussage de la masse métallique en fusion par dégagement d'hydrogène dissous dans ladite masse par abaissement de pression, etiou par dégagement d'oxyde de carbone accompagné éventuellement d'un abaissement ae pression. 2. Procédé selon la revendiantion 1 caractérisé en ce que le dégagement d'oxyde de carbone provient de la réaction de l'oxygène dissous dans la lasse en fusion avec du carbone également présent dans la dite masse. 3. Procédé selon a revendication I ou 2 caractérisé en ce que l'on provoque le dégagement d'oxyde de carbone par addition de carbone ou d'oxygène à la masse métallique. 4. Procédé selon lune quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la sasse métallique est choisie parmi les alliages contenant plus de 75% en poids d'au moins un des métaux choisis parmi le cobalt, le fer et le nickel. 5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dégagement d'hydrogène provient du cracking d'un hydrocarbure. 6. Dispositif du genre comprenant un creuset, des moyens de chauffage dudit creuset, un moule refroidi surmontant ledit creuset, un couvercle à évent d'obturation dudit ioule, des moyens d'injection d'un gaz de bullage dans du métal fondu placé dans ledit creuset, le tout étant enfermé dans une enceinte susceptible de résister a' la pression, caractérisé en ce qu' il comprend, en outre, des moyens de pressurisation et de dépressurisation de l'intérieur de ladite enceinte, ledit métal fondu dans le creuset étant saturé en haute pression par ledit gaz de bullage et étant assujetti à mousser par abaissement de la pression. 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que les moyens de pressurisation sont choisis parmi des gaz inertes vis-à-vis du métal fondu ou de même nature que le gaz générateur de bullage dans ledit métal. 8. Dispositif selon la revendicatior 6 caractérisé en ce que le creuset est en un matériau réfractaire présentant des rugosités. 9. Produit moulé obtenu selon le procédé et/ou le dispositif conforme à l'invention.