Brevet FR2251628A1 — publié le 19750613

La présente invention est relative à un procédé perfectionné pour renforcer des pièces métalliques à l'aide de fibres. Le renforcement des métaux par l'incorporation de fibres est bien connu. Ces fibres peuvent être en métal, en Bore, en carbone, en silice, en verre ou en produits céramiques. Les procédés de renforcement qui ont été décrits jusqu'ici exigent deux stades de fabrication distincts, à savoir la préparation sous la forme d'une fibre de imagent de renforcement et l'incorporation des fibres dans la pièce métallique. Pour obtenir les meilleurs effets de renforcement dans le produit, il est essentiel que les fibres soient exemptes de défauts superficiels et ceci nécessite habituellement un autre traitement des fibres avant leur incorporation au métal. Un procédé connu pour la préparation de métaux renforcés par des fibres, consiste d préparer les fibres, par exemple des fibres de verre, à former un revêtement métallique sur les fibres par l'évaporation d'un métal sur la surface des fibres et ensuite à incorporer les fibres revêtues de métal au métal fondu. Ce procédé-est très comateux et a l'inconvénient de comporter un certain nombre de stades opératoires alors que le procédé suivant l'invention est un procédé en un seul stade ne requérant aucun stade de formation des fibres supplémentaires. Un autre procédé consiste à incorporer des barbes ou whiskers de la matière de renforcement au métal fondu. Ce procédé présente l'inconvénient que les barbes ont une longueur assez faible et qu'ainsi la résistance de la pièce métallique obtenue ntest pas aussi grande que c'est le cas pour une pièce fabriquée par le procédé suivant llinvention. L'invention vise une pièce métallique renforcée dans laquelle les fibres sont formées in situ pendant le processus de travail du métal. L'invention vise en outre à fabriquer des fibres pour le renforcement qui sont exemptes de défauts superficiels. te procédé de préparation d'un métal ou d'un alliage ductile renforcé par des fibres consiste à mélanger au métal ou l'alliage le constituant formant une fibre désirée, comme il sera défini ci-dessous, à mettre le mélange sous la forme d'une billette puis à soumettre la billette à un processus de formage, tel que défini ci-dessous, de sorte que sa section droite diminue dans au moins une direction. Le constituant formant une fibre peut être toute matière qui est amorphe ou non cristalline pendant le stade de formation de la fibre. Parmi ces matières figurent des métaux, un verre, un émail vitreux ou de porcelaine, un oxyde de bore, des sels métalliques et des produits céramiques. Le constituant formant une fibre doit avoir un point de ramollissement ou de fusion qui est inférieur à la température de formation de la billette et doit avoir de préférence un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du métal. Le constituant formant une fibre ne doit pas décomposer le métal ou réagir chimiquement avec celui-ci mais on peut tolérer et ce peut-etre même bénéfique un certain degré de réaction interfacial.Pour obtenir une dispersion homogène du constituant formant une fibre au sein du métal, la densité du constituant formant une fibre doit être similaire à celle du métal. Les constituants formant des fibres destinés à être utilisés dans le procédé suivant l'invention ont de préférence une dimension particulaire comprise entre 1 micron et 1 millimètre. Les particules plus grosses sont utilisées quand les billettes préparées sont extrudées sous pression pour obtenir des strictions au 1 millième de la section droite originale. On utilise des particules plus fines quand la strict ion est bien moindre. On peut incorporer jusqu'd 80 % en volume et mieux jusqu'a 50 % en volume du constituant formant a fibre au métal ou à l'alliage ductile pour obtenir les pièces renforcées désirées. Parmi les métaux ductiles et leurs alliages qui peuvent entre renforcés par des fibres suivant le procédé de l'in vention, figurent l'aluminium et ses alliages, le cuivre et ses alliages et le magnésium et ses alliages. Les alliages d'aluminium préférés sont les alliages de magnésium, de silicium et d'aluminium et les alliages de cuivre et d'aluminium. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on anodise les corps ou produits finis. On peut former la billette soit par mélange intime du constituant formant la fibre et du métal ductile ou de son alliage pulvérulent puis compactage du mélange avec ou sans chauffage à la température de frittage, soit par agitation du constituant formant la fibre dans le métal ductile fondu ou son alliage pour y former une dispersion, puis par coulage de la dispersion dans une lingotière et refroidissement de celle-ci dans des conditions qui évitent la coalescence de la phase dispersée. On peut mélanger une petite proportion de flux au métal ductile ou à son alliage et au consituant formant une fibre avant le compactage. Parmi les flux qui conviennent; figurent les sels de métaux alcalins de l'acide fluorhydrique, de l'acide chromique, de l'acide borique, de l'acide phospho rique ou de l'acide silicique ainsi que leurs mélanges. I1 peut être nécessaire ou souhaitable de recuire le métal ductile renforcé par une fibre ou son alliage après le stade de mise en forme. Par ltexpression processus de formage ou processus de mise en forme on entend, dans le présent mémoire, tout processus de formage dans laquelle la chaleur de formation est suffisante pour faire fondre ou ramollir le constituant formant une fibre. Le terme englobe des processus de formage dans les quels on applique de la chaleur au métal ou à son alliage non formé ainsi que des processus dans lesquels on engendre de la chaleur pendant le processus de formage. On préfère utiliser un processus de formage à chaud, tel qu'un étirage, une extrusion, un filage ou un laminage pour obtenir la pièce métallique renforcée par des fibres à l'état fini. Un exemple d'un procédé dans lequel on engendre de la chaleur pendant le formage est l'extrusion à froid de l'aluminium ou d'un alliage d'aluminium contenant de l'oxyde borique 1 titre de constituant formant une fibre. Dans ce procédé, la température d'extrusion est de 250 C ce qui est suffisant pour ramollir l'oxyde de bore. L'invention est illustrée au mieux en se référant à l'aluminium~ou à ses alliages. Dans ce cas, le procédé pour préparer des pièces métalliques renforcées est effectué en deux stades : dispersion d'une matière formant une fibre dans de l'aluminium fondu, suivie d'une extrusion à chaud. Une matière formant une fibre qui convient est un verre. Une dispersion d'un verre dans le métal peut être effectuée tandis que les deux phases sont fondues bien qu'il soit également possible d'utiliser un verre qui soit solide au point de fusion du métal mais suffisamment ramolli déjà pour s'écouler sous pression élevée à la température d'extrusion préférée du métal. Pour cette technique le verre doit avoir de préférence une densité semblable à celle du métal.En variant, un mélange comprimé de poudre des deux matières en les proportions préférées peut être chauffé à la température de frittage pour former une billette et refroidi avant réchauffage et extrusion à chaud. On peut également extruder à chaud directement la billette comprimée. En extrudant à chaud la billette préformée, la matière incorporée dans l'aluminium s'allonge longitudinalement pour former plusieurs fibres. I1 y a relativement peu de compositions de verre qui fondent ou se ramollissent à des températures inférieures au point de fusion de l'aluminium. Parmi celles qui le font figurent les diverses compositions d'émail vitreuses ou de porcelaine qui ont été mises en oeuvre pour les revêtements d'aluminium. Nombre de celles-ci peuvent être utilisées comme phase vitreuse suivant l'invention. Ces compositions présentent une solubilité mutuelle par rapport à l'alumine et ceci est un avantage supplémentaire qui favorise l'adhérence de la matrice d'aluminium quand on effectue le procédé en utilisant une billette pulvérulente comprimée. I1 importe également que le coefficient de dilatation thermique soit adapté à celui du métal de sorte que la phase de renforcement en fibres soit sous compression quand le produit composite renforcé est refroidi.D'une manière typique pour l'aluminium et ses alliages qui fondent entre 570 et 6600 C et qui ont des degrés de dilatation compris entre 24 et 28 x 10 / C, des émaux ayant des coefficients allant de 18 à 20 x 10'6/ C conviennent bien. La température de fusion de la phase vitreuse est avantageusement comprise entre 300 et 600 C, et mieux entre 400 et 6000 C. Des compositions pour émail qui contiennent de l'oxyde de lithium conviennent particulièrement ainsi que celles à base de borosilicates ou de phosphates ou des compositions telles que des frittes d-'Aluglas ainsi que celles décrites aux brevets britanniques N 665 881 et 824 527 et au brevet des Etats Unis d'Amérique 2 608 490.A l'inverse de l'émaillage superficiel de l'aluminium, toute la matière vitreuse utilisée à titre de renforcement dans l'invention est à l'abri de l'atmosphère, ce qui permet de mettre en oeuvre des formulations moins résistantes à l'eau, telles que des compositions exemptes de plomb à haute teneur en alcali, si des propriétés particulières, telles que de point de fusion et de module,spnt par ailleurs désirables. La température d'extrusion de la billette d'aluminium ainsi préparée est ajustée en fonction du point de fusion ou de ramolZissement de la composition vitreuse utilisée. Il est désirable, en particulier quand on incorpore des particules de grande dimension à l'aluminium, de chauffer la billette jusqu'à la température d'extrusion et de la maintenir à cette température jusqu'S ce que toutes les particules de verre se soient ramollies. On est sûr ainsi de former par extrusion une fibre uniforme exempte de défectuosité. Les exemples suivant illustrent l'invention. EXEMPLE 1 On prépare une billette contenant une fritte à l'état dispersé en agitant rapidement un mélange fondu des deux matières de manière à former une émulsion. I1 se révèle que la billette refroidie contient des gouttelettes de fritte finement dispersées. Extrudé, le produit se révèle contenir de fines fibres allongées. EXEMPLE 2 On mélange intimement 1000 g d'aluminium pulvérulent ayant une pureté de 99,9 % et une dimension particulaire allant de 0,25 à 0,05 mm à 50 g d'une fritte d'émaillage pulvérulente ayant la composition décrite au brevet des Etas Unis d'Amérique nO 2 608 490 dont la répartition des dimensions particulaires est similaire. On comprime le mélange de poudre dans une billette cylindrique de 73 mm de diamètre et de 100 mm de long qu'on transfère ensuite dans un creuset proche où on fait tout juste fondre la masse.Après refroidissement à température ambiante, on pince la billette à ses deux extrémités et on la chauffe à 6000 C en lui applicant une charge de traction L'éprouvette allongée se révèle entre après refroidissement plus rigide et avoir une résistance à la traction plus grande qu'un coulage correspondant- fabriqué sans la fritte. En coupant l'éprouvette on s'aperçoit que les particules de verre se sont allongées en fibres. EXEMPLE 3 On chauffe une billette préparée suivant le procédé de l'exemple 2 à une température de 600" C et on maintient cette température jusqu'à ramollissement complet des particules de fritte. On exsude sous pression la billette dans une filière en acier de manière à obtenir une striction représentant le centième de la section droite originale. A l'examen le produit se révèle contenir des fibres allongées semblables à celles que l'on a trouvées à l'exemple 2. EXEMPLE 4 On prépare et extrude suivant le procédé décrit à l'exemple 3 une billette d'aluminium ne contenant aucun produit additif. EXEMPLE 5 On prépare suivant le procédé de l'exemple 2 une billette d'aluminium contenant 10 % en poids d'une fritte telle que décrite au brevet britannique 824 527 ayant des dimensions particulaires comprises entre 0,25 et 0,10 mm et on l'extrude sous pression à 550" C dans une filière en acier pour obtenir une striction du centième par rapport à la section droite originale. EXEMPLE 6 On prépare et extrude suivant le procédé décrit à l'exemple 3 mais à une température de 5500 C une billette d'aluminium contenant 5 % d'oxyde boriqueetapant une dimension particulaire comprise entre 0,25 et 0,05 mm. EXEMPLE 7 On prépare et extrude suivant l'exemple 3 une billette d'aluminium contenant 20 % en poids d'une fritte telle que décrite à l'exemple 2. EXEMPLE 8 On prépare et extrude sous pression à 6000 C dans une filière en acier une billette d'aluminium contenant 20 % en volume d'une fritte telle que décrite à l'exemple 2 et ayant des dimensions particulaires comprises entre 1 et 0,05 mm jus qu'à obtenir une sricti EXEMPLE 9 On prépare et extrude suivant le procédé décrit à l'exemple 3 une billette d'aluminium contenant 25 % en poids d'une fritte telle que décrite au brevet britannique 824 527 ayant des dimensions particulaires comprises entre 0,076 et 0,030 mm. EXEMPLE 10 On prépare une billette d'aluminium suivant le procédé de l'exemple 5 mais en ajoutant 5 millilitres d'une solution aqueuse à 50 % de silicate de potassium. EXEMPLE li On lamine à chaud en feuilles des billettes dtalumi- nium préparées par les procédés décrits ci-dessus. Dans ce cas, le renforcement se présente sous la forme de rubans allongés plutôt quwen fibres mais néanmoins le produit est plus résistant qu'une feuille qui ne contient pas de produit de renforcement. On a mesuré et on rapporte au tableau ci-dessous les propriétés mécaniques de l'aluminium extrudé EXEMPLES 4 à 10 Limite d'élasticité correspondant à un allongement remanent Limite d'élas Exemple de 0,20 % en kg/mm ticité.en kg/mm Allongement % 5,98 ) 9,8 ) 35 4 6,71 moyenne 10,3 ) moyenne 33 7,16 5 6,61 10,7 ) 10,25 36 ) 8,8 ) 16,2 ) 22 ) 5 10,6 ) moyenne 16,7 ) moyenne 24 )moyenne 24 9,5) 9,13 16,55 24 16,8 ) 25 9,8 ) 19,1 ) 33 ) 6 10,2 ) moyenne 19,9 ) moyenne 25 )moyenne 10,6 ) 10,3 20,0 19 29 12,0 ) 24,8 ) 18 ) 7 12,6 ) moyenne 25,1 moyenne 19 moyenne 12,8 j 12,5 25,5 ) 25,1 21 ) 19 12,2 ) 24,6 ) 17 ) 8 12,5 ) moyenne 25,1 ) moyenne 20 )moyenne 12,8 ) 12,4 25,3 ) 25,0 20 19 15,6 ) 32,4 ) 13 ) 9 16,7 ) moyenne 34,0 ) moyenne 15 moyenne 16,7 ) 16,4 33,8 ) 33,2 15 5 14 9,3 ) 16,4 ) 24 ) 10 9,3 ) moyenne 16,7 moyenne 26 moyenne 9,5 9,37 17,0 ) 16,7 27 ) 26 EXEMPLE 12 On mélange 600 g d'un alliage d'aluminium contenant 0,25 partie en poids de silicium, 10,00 parties en poids de magnésium et 89,75 parties en poids d'aluminium à 400g d'une fritte, telle que décrite à l'exemple 2, dont les dimensions particulaires sont de 0,076mm. On prépare et extrude une billette suivant le procédé décrit à l'exemple 3. Limite d'élasticité correspondant à un allongement remanient Limite d'élas- Allongement de 0,2 % en kg/mm2 ticité en kg/mm2 48,7 ) 72,6 ) 6 ) 52,2 ) moyenne 70,2 ) moyenne 5 )moyenne 51,9 ) 0,9 72,1 ) 71,2 S ) REVEND ICAT IONS 1. Un procédé pour la préparation dlun métal ductile ou d'un alliage de ce métal renforcé par une fibre, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger à l'alliage ou au métal un constituant formant une fibre, à mettre le mélange sous la forme d'une billette et à soumettre cette billette à un processus de formage de sorte que sa section droite diminue dans au moins une direction. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le processus de formage est un processus de formage à chaud. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le processus de formage est un processus d'étirage, d'extrusion, de filage ou de laminage. 4. Procédé suivant l'une des revendication 1 à 3, caractérisé en'ce que le métal ductile ou son alliage est de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium est un alliage de magnésium, de silicium et d'aluminium ou un alliage de cuivre et d'aluminium. 6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la température de fusion du constituant formant une fibre va de 300 à 6000 C. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la température de fusion du constituant formant une fibre va de 400 à 600" C. 8. Procédé suivant l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le coefficient de dilatation thermique du constituant formant une fibre va de 18 à 20 x 10 6/oC. 9. Procédé suivant l'une des revendication 3 à 8, caractérisé en ce que le produit fini est anodisé. 10. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le métal ductile ou son alliage est du cuivre ou un alliage de cuivre. 11. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le métal ductile ou son alliage est du magnésium ou un alliage de magnésium. 12. Procédé suivant l'une des revendication 1 à 11, caractérisé en ce qu'il consiste à former la billette par mélange intime du constituant formant une fibre et du métal duc tile ou de son alliage pulvérulent puis à comprimer le mélange avec ou sans chauffage à la température de frittage. 13. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il consiste à former la billette en agitant le consituant formant une fibre dans le métal ductile ou son alliage fondu pour y former une dispersion, à couler la dispersion dans une lingotière et à refroidir la lingotière dans des conditions qui évitent la coalescence de la phase dispersée. 14. Procédé suivant llune des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le constituant formant une fibre est un métal, un verre, un'émail vitreux et/ou de porcelaine, de oxyde borique, un sel métallique ou une matière céramique. 15. Procédé suivant la revendication 14, caractérise en ce que le constituant formant une fibre est une composition d'émaillage à base d'un borosilicate ou d'une phosphate. 16. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le constituant formant une fibre a une dimension de particule allant de 1 micron à un millimètre. 17. Procédé suivant llune des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que jusqu'à 80 X en volume du constituant formant une fibre est incorporé au métal ductile ou à son alliage. 18. Procédé suivant la revendication 17, caractérisé en ce que jusqu'à 50 % en volume du constituant formant une fibre est incorporé au métal ductile ou à son alliage. 19. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le métal ou son alliage est de l'aluminium ou un alliage d'aluminium, le constituant formant une fibre est de l'oxyde borique et le processus de formage engendre une température de 250"C. 20. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 àl9, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger un flux au métal ou à son alliage ductile et au constituant formant une fibre avant le formage de la billette. 21. Procédé suivant la revendication 20, caractérisé en ce que le flux est un sel de métal alcalin de l'acide fluo ridrique, de l'acide chromique, de l'acide borique, de l'acide phosphorique ou de l'acide silicique ou un mélange de ceux-ci. 22. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 21, caractérisé en ce que le métal ou son alliage ductile renforcé par une fibre est recuit après le stade de formage. 23. Métal ou alliage ductile renforcé par une fibre, caractérisé en ce qu'il est préparé par un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 22.