Brevet FR2282479A1 — publié le 19760319

La présente invention concerne la fabrication de pièces moulées en mousse d'alliage d'aluminium. On désigne sous ce terme de mousse d'alliage métallique un produit métallique poreux dont la porosité, plus ou moins importante, est une porosité fermée. L'éponge d'alliage métallique présente, au contraire une porosité ouverte. Les masses volumiques apparentes de ces deux types de produit sont évidemment beaucoup plus faibles que celles du métal dont elles sont constituées. L'intérêt industriel de ces produits est précisément lié à l'allégement des pièces que procure leur utilisation à la place de celle du métal massif. Mais ils possèdent également d'autres propriétés spécifiques qui peuvent les faire rechercher pour des applications particulières : par exemple leur capacité d'absorption d'énergie par écrasement ou leur conductivité thermique qui sont différentes de celles des métaux massifs. Les méthodes connues de préparation de mousses métalliques consistent dans leur principe à utiliser un corps décomposable ou vaporisable que l'on mélange à l'alliage métallique. Ce corps décomposable peut être mélangé à froid avec de la poudre métallique. La mousse s'obtient alors en faisant passer le mélange métal-produit décomposable dans un four ; sous l'effet de la chaleur, le métal fond et la poudre se décompose. Il faut alors refroidir très vite le produit à la sortie du four pour figer le métal en emprisonnant les bulles. Ce procédé est décrit dans le brevet U.S. 2974034 publie le 7 mars I96I et dans le bre vet. FR:1259163 déposé le 24 Mai 1960. On peut également introduire le corps décomposable directement dans le métal liquide à transformer en mousse. Nais cette méthode se heurte à une difficulté considérable : il faut d'une part, que pendant l'opération de mélange à l'état liquide, il n'y ait pas de décomposition trop importante du produit moussant ; il faut d'autre part, que le produit moussant se décompose ou se volatilise jusqu'à une température voisinede celle de l'intervalle de solidification de l'alliage puisqu'il faut que des bulles en cours de formation soient figées par la solidification. Ces deux conditions sont incompatibles et l'on est obligé de recourir à des artifices. Par exemple pour les alliages d'aluminium un des produits décomposables utilisés est l'hydrure de titane.Cet hydrure de titane commence à se décomposer de façon sensible dès une température de 4000 environ. Il faut donc faire le mélange homogène d'alliage d'aluminium et d'hydrure de titane de façon suffisamment rapide pour que tout 1'hydrure de titane ne soit pas décomposé au moment de la solidification. On peut par exemple fabriquer un alliage-mère consistant en une suspension d'hydrure de titane dans un alliage d'aluminium à bas point de fusion, tel que l'eutectique aluminium magnésium à 35 % de magnésium dont la température de fusion est de 4500; à cette température la décomposition de l'hydrure de titane reste encore assez lente. Cette suspension que l'on peut conserver indéfiniment à l'état solide se dissout rapidement dans les alliages d'aluminium que l'on veut transformer en mousse et cette dissolution rapide limite la décomposition de l'hydrure pendant la période où cette décomposition n'est pas utile c'est-à-dire avant le début de la solidification. Cette méthode est en particulier décrite dans le brevet US 2751289 publié le 19 juin 1956. Malgré les artifices tels que celui décrit ci-dessus, la coulée d'alliage métallique sous forme de mousse reste très délicate en raison de la difficulté que l'on a à maitriser la vitesse de décomposition du produit moussant. Les pièces de forme compliquée restent très difficiles à fabriquer. La demanderesse a découvert un nouveau procédé d'élaboration et de mise en forme de produits poreux ou mousse en alliages d'aluminium qui, n'utilisant pas d'hydrures métalliques ou d'autres produits décomposables à chaud, ne présente pas les inconvénients décrits ci-dessus. Ce procédé se distingue de l'art antérieur par l'originalité suivante : la mousse ne se forme qu'au moment de la coulée à 1'intérieur du moule. Toutes les opérations d'élaboration peuvent donc se faire sans que l'on soit pressé par le temps pour éviter une décomposition trop avancée.du produit moussant. La demanderesse a en effet découvert qu'il est possible d'augmenter de façon surprenante et considérable les teneurs en hydrogène et en oxygène habituellement dissous ou en suspension dans les alliages d'aluminium contenant du magnésium et de faire dégager l'hydrogène par mise sous vide au moment de la solidification Les particules d'oxydes qui servent de germes aux bulles assurent par leur répartition régulière dans le métal une homogénéité de la répartition des bulles dans la mousse. L'hydrogène qui remplit les pores ne provient donc pas de 1' addition d'un prosuit décomposable quelconque. Sa pression A l'intérieur des bulles est inférieure à la pression atmosphérique. L'invention a pour objet : - Un produit nouveau : les pièces moulées en alliage d'aluminium poreux telles que plaques, billettes, panneaux de fa çade, pièces comportant des inserts métallique, pièces composites, partie en alliage compact, partie en alliage poreux. Ces pièces sont caractérisées par leur structure poreuse entraînant une densité sensiblement plus faible que celle de 1' aluminium, par la présence dans les pores d'hydrogène sous basse pression, par la présence d' inclusiod' oxyde et par une composition chimique cours gai fl ii(i du magnésium. - Un procédé de préparation de ce produit nouveau, procédé comprenant deux étapes. La première étape consiste à élaborer un alliage d'aluminium contenant des quantités importantes d'hydrogène dissous et d'oxydes en suspension par injection dans le métal liquide d'air de préférence humide. La deuxième étape consiste à couler l'alliage d'aluminium ainsi obtenu, å le placer sous vide de façon à ce que l'expansion de la masse métallique provoquée par le dégagement de l'hydrogène sous vide permette au métal d' attein- dre sa forme définitive tout en se solidifiant progressivement. - Un dispositif pour le moulage du produit constitué essentiellement d'une partie inférieure dont au moins une portion de la surface plane est recouverte d'un revêtement isolant destiné à retarder la solidification du métal et d'une partie supérieure reposant sur la partie inférieure par l'intermédiaire de cales ménageant entre les deux parties une cavité prédéterminée et par l'intermédiaire de joints assurant l'étanchéité au vide du dit espace. L'une des deux parties, de préférence la partie supérieure est munie de tubulures raccordées à une pompe à vide. Il est connu que les alliages d'aluminium contiennent toujours de l'hydrogène dissous en quantitésvariables. Cet hydrogène dissous est considéré généralement comme une impureté génante : fragilité accrue du métal, formation de cloques sur les tôles au recuit. On admet communément qu'un alliage d'aluminium est correctement dégazé si sa teneur en hydrogène est inférieure à 0,2 cm3/100 g. ou meme 0,1 cm3/l0O g. Le cm3/loo g fréquemment utilisé comme mesure de la teneur d'un métal en hydrogène est de l'ordre de grandeur d'l ppm en poids. Cet hydrogène provient de la réaction de réduction de la vapeur d'eau par l'aluminium. La demanderesse a constaté que l'on peut atteindre des teneurs en hydrogène beaucoup plus considérables allant jusqu'à 5 cm3/lo0 G. A cet effet, on injecte de l'air dans un alliage d'aluminium ayant une teneur en magnésium comprise de préférence entre 0,3% et 5% et en particulier voisine de 2%, par exemple comprise entre 1,5% et 2,5%. Cet alliage peut contenir d'autres éléments d'alliage tels que du silicium, du cuivre, du zinc, etc... L'air peut être injecté à l'aide d'un tube d'acier, d'une dalle poreuse ou d'un bouchon céramique poreux. Un simple tube permet de traiter en une heure 40 à 50 kg de métal dans un four dont le rapport hauteur est de l'ordre de 1. diamètre Lrair injecté peut être enrichi de vapeur d'eau par barbotage à la température ambiante dans de l'eau. Toutefois, il a été observé qu'avec des débits d'air convenables, le contact renouvelé avec l'humidité de l'air atmosphérique permet un gazage efficace du métal. A titre d'exemple on arrive à augmenter la teneur en hydrogène jusqu'à 3 cm3/loo g en injectant à une température de 7oye0 3m3/heure pendant une heure sur une quantité -de 50 kg d'alliage d'aluminium. La demanderesse a trouvé que pour obtenir une porosité satisfaisante, des teneurs en hydrogène comprises entre 0,5 cm3 et 5 cm3/l0O g et de préférence entre lcm3 et 3 cm3/lOO g sont recommandées. Parallèlement à cette action de l'air humide sur le métal, une autre action a lieu : celle de l'oxygène sur le métal. La demanderesse a découvert que, s'agissant d'alliage aluminiummagnésium, l'oxyde qui se forme n'est pas de l'alumine, mais la magnésie MgO et le spinell A1203, MgO. Ces oxydes ont une morpho logie différente de celle de l'alumine ; ils ne se présentent pas sous forme de peaux continues mais plutôt sous forme d'inclusions. Loin d'être gênantes, ces inclusions régulièrement réparties dans le métal constituent des germes pour la formation des bulles, qui prenant naissance dans toute la masse du bain dès que l'on appliquera le vide, assureront une répartition régulière de la porosité La demanderesse a trouvé que les teneurs en oxygène favorables à cette homogénéité de répartition des bulles se situent entre 1 000 et 5 000 ppm, et de préférence de 2 000 ppm à 3 000 ppm. Cette augmentation de la teneur en oxydes entraîne une certaine augmentation de la viscosité de l'alliage de telle sorte que pour accroître sa coulabilité on a souvent intérêt à ajouter du silicium à l'alliage. La demanderesse a découvert un nouveau procédé et un nouveau dispositif de moulage s'appliquant à ce type de produits 10) Le moule de coulée est conçu de façon permettre au métal liquide ou pateux préparé selon la méthode décrite précédemment de se répandre sur le fond du moule sans se solidifier et sans remplir complètement la cavité du moule. A cet effet le moule se compose de deux parties au moins de préférence métalliques - La partie inférieure qui peut être en plusieurs éléments ou semelle du moule est garnie au moins partiellement de matériaux calorifuges résistant aux alliages d'aluminium liquides. On peut par exemple recouvrir le fond d'amiante, de produits à base d'amiante comprimée, de feutres et de tissus en fibres minérales réfractaires. - La partie supérieure qui peut être en plusieurs élé ments se pose, se fixe ou s'emboîte sur la partie inférieure. L'espace ménagé entre la partie supérieure et la partie inférieure constitue l'empreinte correspondant à la forme de la pièce. La partie supérieure, elle, n'est pas calorifugée ; elle est en général préchauffée le plus souvent vers et en dessous de 3000. Le degré de préchauffage de cette partie supérieure permet d'agir sur la vit-sse de solidification du métal expansé lorsqu'il arrivera au contact avec elle. Entre les parties supérieure et inférieure et sur leur pourtour est disposé un joint refroidi, en caoutchouc, par exemple assurant une étanchéité au vide de la cavité du moule. 20) Le procédé de coulée comprend deux phases. Au cours de la première phase, le métal liquide ou pâteux préparé d'après la méthode décrite plus haut est versé dans la partie inférieure du moule et se répand sur le fond sans se solidifier. On met alors en place la partie supérieure du moule qui ne touche pas le métal liquide : celui-ci ne remplit pas toute l'empreinte. Le joint entre la partie supérieure et la partie inférieure du moule assure une étanchéité au vide. Au cours de la deuxième phase, on fait un vide partiel avec une pression résiduelle inférieure à 50 torr et de préférence de l'ordre de 1 torr. Pendant cette phase, un dégagement gazeux important dû à l'hydrogène présent dans le métal se produit. Le métal se transforme en une mousse liquide qui gonfle et remplit progressivement toute l'empreinte.Arrivant en contact avec la partie supérieure du moule non calorifugée il commence à se solidifier. L'alliage rendu très pateux par sa teneur en oxydes et par le début de solidification freine la croissance et l'éclatement des bulles de gaz qui restent réparties dans la masse et la font gonfler jusqu'à ce que, au contact des parties de l'empreinte avec lesquelles la mousse métallique vient progressivement en contact, l'ensemble de la masse métallique soit progressivement solidifié. Ce procédé et ce dispositif de moulage, bien que s'appliquant de préférence au métal obtenu d' après la méthode d'élaboration qui vient d'être décrite peuvent également 8t appliquer au moulage de piècesen mousse d' aluminium obtenues par un des procédés décrits dans l'art antérieur. On peut, par exemple, l'utiliser pour mouler la mousse d'aluminium obtenue par addition à l'alliage liquide d'un composé volatilisable ou décomposable tel que l'hydrure de titane ou de zirconium. Dans ce cas, évidemment la quantité d'hydrure à ajouter est sensiblement plus faible à volume de porosité égal, puisque l'hydrogène dans les bulles se trouve sous une pression beaucoup plus faible. Les pièces obtenues avec le produit, la méthode et l'appareillage objet de l'invention ont des masses volumiques comprises entre 0,5 g/ci3 et 2,7 g/cm3 (masse volumique de l'aluminium). Parmi les types de pièces que l'on peut réaliser par cette nouvelle technique de moulage, trois se révèlent particulièrement avantageux 10) Pièces massives å caractéristiques mécaniques peu élevées mais pour lesquelles le facteur légèreté est primordial. Ce sont par exemple1 les panneaux moulés pour I' archi- tecture utilisés, ou corme cloisons, corne portes ou comme panneaux de façade. 2 ) Pièces mixtes composées d'une partie en alliage d'aluminium massif et d'une partie en alliage expansé. La réalisation du moule est dans ce cas extrêmement simple : il suffit que la zone du moule inférieur correspondant à la partie massive ne soit pas calorifugée. Le métal s'y solidifie alors avant la mise sous vide et conserve ultérieurement sa forme massive initiale. 30) Pièce comportant des inserts métalliques. I1 est tout à fait possible d'insérer des pièces métalliques dans un alliage d'aluminium expansé. L'insert est temporairement fixé au moule supérieur que l'on met en place de telle façon que l'insert ne soit pas immergé dans le métal versé dans le demi-moule inférieur. L'insert peut être constitué de tout matériau de température de fusion supérieure à 5000C même si sa tenue au contact de l'aluminium liquide est mauvaise. Les exemples développés ci-dessous sont cités à titre purement illustratif et ne limitent en aucune façon l'invention. Exemple 1. On fond dans un four muni d'un creuset cylindrique de hauteur environ 45 cm et de diamètre environ 30 cm, cinquante kilogrammes d'un alliage d'aluminium contenant 2% de magnésium, 13% de silicium et les impuretés habituelles contenues dans l'aluminium produit par électrolyse. La température du métal liquide est alors portée à 7000. A l'aide d'un tube d'acier, on injecte de l'air avec un débit de 50 litres par minute. Avant injection dans le métal liquide l'air barbote dans un récipient rempli d'eau de façon à augmenter sa teneur en vapeur d'eau à une valeur proche de la saturation. Un filtre arrete les gouttelettes d'eau entraînées. L'injection dure une heure ce qui correspond à une quantité totale de 3 m3 d'air mesurés dans les conditions normales de température et de pression. On obtient alors un alliage dont la teneur en hydrogène atteint 1,5 cm3/100 g et dont la teneur en oxydes, comptée en proportion pondérale d'oxygèneest de 3000 ppm. La viscosité apparente du métal a sensiblement augmenté. Exemple 2. On veut fabriquer à partir de l'alliage élaboré de la façon décrite dans l'exemple 1, un panneau de façade tel que celui qui est représenté en perspective sur la figure 1. La partie plane 1 de forme rectangulaire a une dimension de 2 mètres par 1 mètre et sera fixée verticalement contre l'ossature du bâtiment 4. La partie galbée 2 est ouverte à la partie supérieure 3, cette ouverture étant destinée à recevoir une vitre 5. Pour couler ce panneau de façade, on réalise un moule tel que représenté schématiquement en coupe sur la figure 2. Sur cette figure le repère 1 représente la partie infé rieure du moule en tôle de 2mm d'épaisseur ; les parties hori zontales du moule sont recouvertes d'une couche de feutre réfrac taire à base de fibres alumineuses d'une épaisseur de 2mm repère 2. La partie supérieure du moule repose sur la partie in férieure par l'intermédiaire de cales : repères4 et 5 dont au moins une partie d'entre elles (repère 5) servent également de joint d'étanchéité au vide. L'espace ménagé entre les moules in férieur et supérieur correspond à l'épaisseur de la piece à ob tenir. D'autres cales telles que 6 sont percées de trous permet tant le passage de l'air mais s'opposant au passage du métal. Elles servent à arrêter la montée de la mousse métallique pendant la phase d'expansion. Enfin les tubulures7 servent à faire le vide dans l'intervalle entre moule supérieur et moule inférieur. Avant de couler un panneau de façade, on commence par la préparation du moule ; cette préparation consiste recouvrir les parties métalliques du moule qui seront en contact avec le métal liquide d'un revêtement destiné à protéger ces par ties de l'action corrosive des alliages d'aluminium ; on peut uti liser, à cet effet, une suspension de carbonate de calcium dans une solution de silicate de soude. - à préchauffer jusque vers 3000 environ ces parties métalliques aussi bien sur le moule supérieur que sur le moule inférieur. Une fois cette préparation terminée, le métal préparé comme décrit dans l'exemple 1 est versé dans la partie inférieure du moule. Ce métal, en raison de la présence du calorifugeage dis posé sur les parties horizontales, ne se solidifie pas immédia tement. On a alors le temps de mettre en place le demi-moule supé rieur 3 qui repose sur le moule inférieur par l'intermédiaire des cales 4 et 5. La quantité de métal versé doit être telle que le demi-moule supérieur 3 ne vienne pas au contact du métal liquide mais se stabilise à un niveau intermédiaire 8. Par les tubulures 7, on fait alors un vide de 1 torr environ dans l'enceinte com prise entre les parties inférieure et supérieure du moule tandis que l'alliage commence à se solidifier.Du fait de la différence importante de solubilité de l'hydrogène dans la phase solide et dans la phase liquide, un dégagement important d'hydrogène se produit, la présence d'oxydes en suspension dans le métal assurant une germination homogène des bulles. Le métal, rendu très pateux sous l'effet de la teneur élevée en oxydes et du début de solidification est entraîné par le départ des gaz et gonfle en se transformant en mousse. Dans un premier temps, il remplit complètement la partie inférieure du moule en se solidifiant au contact du demi-moule supérieur. Dans un deuxième temps, le métal pris entre deux parois solides continue à gonfler et monte le long des parties inclinées du moule en se solidifiant au fur et à mesure le long des parois. Les cales 6 arrêtent la montée du métal à un endroit prédéterminé.Après solidification complète du métal, on casse le vide et on retire la pièce. Exemple 3 : On utilise maintenant un moule tel que représenté schématiquement en coupe sur la figure 3. Vue en plan, la pièce a une forme rectangulaire,Le fond de la partie inférieure du moule 1 est recouvert sur son pourtour d'un feutre réfractaire isolant 2 analogue à celui utilisé dans l'exemple précédent. la partie centrale du moule 3 est au contraire nue et réalisée en tôle épaisse de façon à servir d'accumulateur de chaleur pendant la coulée. Dans un autre mode de réalisation, il est possible de remplacer cette partie épaisse par une tole mince refroidie par un fluide de refroidissement adéquat. Les joints 4 assurent l'étanchéité au vide. La tubulure 5 est reliée à une pompe à vide non représentée qui permet de créer un vide de 1 torr environ à l'in térieur de l'enceinte. ha La cale 6 empêche le métal de monter dans la tubulure 5 en fin de coulée, tout en permettant l'aspiration de l'air. Au moment de la coulée, la partie inférieure du moule n'est remplie qu'entre le tiers et la moitié de la hauteur du moule avec du métal préparé comme décrit dans l'exemple 1. La partie supérieure du moule est alors mise en place. La solidification commence par le métal en contact avec la partie centrale du moue en métal massif ou refroidie. Lorsqu'une semelle suffisante a été solidifiée au contact de cette partie, on met l'empreinte du moule sous vide. Le métal non encore solidifié se met à gonfler et remplit toute la cavité interne du moule.On obtient ainsi une pièce composite dont la partie inférieure est en métal massif, la partie supérieure étant en métal expansé. Exemple 4 : On utilise enfin le moule représenté schématiquement en coupe sur la figure 4. Le fond de la partie inférieure du moule comprend des parties isolées 1 selon la technique décrite dans les exemples précédents et des parties refroidies par convection 2. A la partie supérieure du moule est fixé par des fils fins en alliage d'aluminium 3 un serpentin en cuivre 4 que l'on veut placer comme insert à l'intérieur de la pièce. L'alliage d'aluminium préparé selon 1' exemple 1 est versé dans la partie inférieure du moule sensiblement jusqu'à un niveau tel que, après mise en place de la partie supérieure du moule, le serpentin de cuivre ne soit pas immergé dans le métal. Le métal coulé commence à se solidifier dans les parties refroidies 2. On met en place la partie supérieure du moule et le serpentin qui y est attaché et on applique le vide å l'intérieur du moule par l'intermédiaire de la tubulure 5. L'alliage d'aluminius non encore solidifié commence à gonfler et remplit toute la cavité interne du moule en enrobant le serpentin de suivre, avec lequel le retrait assure un bon contact. On obtient ainsi un radiateur comprenant un serpentin pour la circulation de l'eau, un corps en alliage d'aluminium expansé et des ailettes en alliage d'aluminium massif. REVENDICATIONS 1) Pièces moulées en alliagesd'aluminium poreux contenant outre d'autres éléments d'addition, entre 0,3% et 5 % et de préférence entre 1,5 % et 2,5 % de magnésium, dont la masse volumique apparente est comprise entre 0,5 g/cm3 et 2,7 g/cm3 caractérisées par le fait qu'elles présentent une porosité due à une concentration d'hydrogène comprise entre 0,5 cm3/100 g et 5 cm3/100 g, la pression partielle d'hydrogène dans les bulles étant sensiblement inférieure à la pression atmosphérique, et par une teneur pondérale en oxygène comprise entre 1000 et 5000 ppm. 2;' Pièces moulées en alliages d'aluminium selon la revendication 1 caractérisées par une teneur en hydrogène comprise entre 1 et 3 cm3/100 g. 3) Pièces moulées en alliages d'aluminium selon les revendications 1 et 2 caractérisées par une teneur en oxygène comprise entre 2000 et 3000 ppm. 4) Pièces moulées en alliages d'aluminium selon les revendications 1, 2, 3, caractérisées en ce que les pièces sont des panneaux de façade de batiments. 5) Pièces moulées en alliages d'aluminium selon les revendications 1, 2, 3, caractérisées ence que les pièces sont des pièces composites en partie compactes et en partie poreuses. 6) Pièces moulées en alliages d'aluminium selon les revendications 1, 2, 3, caractérisées en ce que les pièces comportent des inserts métalliques. 7) Procédé d'obtention des produits selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que - on coule un alliage d'aluminium contenant : de 0,3% à 5% de magnésium et de préférence de 1,5% à 2,5%, de 0,5 cm3/lo0 g à 5 cm3/lO0 g d'hydrogdne, de 1000 à 5000 ppm d'oxygène. - on fait au dessus du métal coulé un vide d'au moins 50 torr et de préférence voisin de 1 torr. - on met en forme le produit par expansion du métal coulé, provoquée par le dégagement d'hydrogène. - on solidifie le métal coulé. 8) Procédé selon la revendication 7 caractérisé par le fait que l'alliage d'aluminium coulé est préparé par injection d'air de préférence humide dans l'alliage liquide jusqu'à ce que la teneur en hydrogène atteigne une valeur comprise entre 0,5 et 5cm3/100 g et de préférence comprise entre 1 et 3 cm3/100 g et que la teneur en oxydes atteigne une valeur comprise entre 1000 et 5000 ppm et de préférence comprise entre 2000 et 3000 ppm. 9) Appareillage pour le moulage de pièces en alliage d'aluminium poreux caractérisé en ce qu'il comporte deux parties principales pouvant être éventuellement constituées de plusieurs élé- ments de préférence métalliques - Une partie inférieure dont au moins une portion de la surface plane recevant le métal coulé est recouverte ou constituée d'un revêtement isolant destiné à retarder la solidification du métal. - Une partie supérieure conductrice de la chaleur reposant sur la partie inférieure par l'intermédiaire de cales destinées å ménager un espace déterminé entre les 2 parties et de joints assurant 1' étanchéité au vide du dit espace, et en ce que l'une des deux parties, de préférence la partie supérieure, est munie de tubulures permettant la mise sous vide de la cavité intérieure du moule.