Brevet FR2292544A1 — publié le 19760625

La présente invention est relative à un nouveau produit métallique, a savoir un produit métallique en paillettes convenant à la production d'une poudre métallique pour la métallurgie des poudres, et à un procédé de fabrieation de ce produit métallique en paillettes. I1 est déjà connu de fabriquer une poudre métallique pour la métallurgie de poudres en distribuant.finement ou en "atomisant" un métal fondu, les petites gouttes produites étant amenées à,se solidifier pour former des petits granu-lest dont chacun constitue un lingot de métal fondu. Ces petits granules peuvent ensuite. etre introduits par exemple dans un récipient dans lequel en fait le vide et qu'on scelle, après quoi un cempactage par. chauffage est exécuté de manière à réunir les petits granules en. un métal solide compact ayant la composition du métal fondu..Ce procédé s'est avéré extre mement intéressant pour la production de matériaux homogènes à partir d'alliages fondus suseeptibles de liquation, par exémplé les aeiers fortement alliés, tels que les aciers a coupe rapide, ét d'autres matériaux fortement alliés tels que la stellite. L'atomisation souhaitée du métal fondu en petites gouttes est généralement provoquée par un gaz inerte tel que l'argen ou l'azote, qui heurte BOUS forme de jets à vitesse élevée une coulée de.métalr.mais l'eau et la vapeur ont aussi été utilisées. C@pendant, l'eau et la vapeur ne sont pas apprepriées pour un acier. à coupe rapide par exemple., car elles provoquent une oxydation importante des granules.. I1 est également connu d'atomiser la coulée de métal, l'aide d'un disque rotatif et de faire solidifier les petites. gouttes ou les lingots formés par eontact avec l'atmosphère environnante ou en les faisant tomber dans l'eau de refroidis sement d'un bain d'huile, après qu'éventuellement ile aient. été soumis d'abord à une vaporisation de réfrigérant. Par exemple, le brevet britannIque n 519.624 est relatif à des produits métalliques en poudre.ou en grains constitués par des partieules métalliques solidifiées dérivées d'un.métal fondu; ce brevet décrit également un procédé de production. de ces produits. Les particules métalliques solidifiées cristallisent spontanément d partir d'un é.tat surfondu métastable à une température prédéterminée inférieure au point de solidification du métal mais proche de ce dernier,. lesdites particules ayant des dimensions sensiblement uniformes et une composition mutuellement uniforme.. Pour produire les particules, on décharge un métal fondu contenu dans un.réc.ipient approprié en.une ou plusieurs coulées sur une surfaee métallique de nature telle qu'une quantité de ehaleur suffisante soit prélevée au métal fondu pour abaisser sa temperature jusqu'au domaine.dit plastique, c'est-à-dire à un point. qui est légèrement inférieur au point de solidification du métal en particules, mais sans provoquer de solidification ou de cristallisation. Cette surface sur laquelle tombe le métal fondu est animée d'un mouvement rapide soit linéaire comme dans le eas d'une courroie, soit rotatif comme dans le eas d'un disque.Dans les deux cas, le métal fondu est immédiatement transformé en un écoulement ayant des.-dimensi.ons semblables a eelles d'une pellicule sur la surface et l'étendue de la surface de la courroie ou du disque est telle que le métal fondu est en contact avec cette dernière pendant une période suffisante pour passer à l'état -surfondu comme défini ei-dessus.Le métal fondu quitte ensuite la surface qui le supporte et continue son.trajet dans.la même direction et sensiblement à la même vitesse sur une distance suffisante pour provoquer la solidification, mais, étant donné que l'écoulement surfondu de dimensions semblables à celles d'une pellicule a une résistance propre.faible ou-nulle-, il se brise immédiatement en une multitude de fines particules de liquide qui, lorsqu'elles se solidifient. comme mentionné ci-dessus, aboutissent à la formation d'un métal en poudre. Ces opérations peuvent etre exécutées sous vide.ou dans une atmosphère appropriée et on peut faire passer la multitude de fines petites particules de liquide à travers un réfrigérant. de manière à accélérer la solidification des particules ou à réduire la distance sur laquelle elles doivent etre projetées pour se solidifier. Etant. donné que la solidification a lieu après que le métal fondu ait quitté la surface de la courroie ou du disque, la.tension superficielle amène les particules à prendre une forme sensiblement sphérique et même si la vitesse de refroidissement peut être relativement élevée, elle n'est pas assez élevée pour empêcher une formation considérable de dendrites, comme expliqué cidessous. Dans un procédé intéressant de production d'une poudre d'acier à coupe rapide (voir par exemple Teknisk Tidskrift, 1974:16, p. 18-23), une coulée de métal est atomisée au sommet d'une tour haute à l'aide de jets d'argon et on laisse retomber les petites gouttes formées dans la tour remplie d'argon. Tout en tombant, les gouttes se solidifient en granules essentiellement~sphériques ayant des dimensions allant jusqu'à environ.700 /umc La tour doit etre suffisamment élevée, environ.10 mètres, pour que les petites sphères aient le temps de se solidifier en tombant et ne s-'agglo- mèrent pas en une poudre lorsqu'elles atteignent le bas de la tour.De manière à éliminer le risque d'agglomération, il a été proposé que les sphères solidifiées soient recueillies dans un récipient contenant un gaz liquéfié, placé au bas de la tour. Les granules produits par les procédés usuels susmentionnés se solidifient beaucoup plus.rapidement que les gros lingots habituels et cela a permis d'atteindre des vitesses de refroidissement allant jusuqu'à environ 103eC/s. Cependant, les granules.produits ne peuvent.pas remplir les exigences de.qualité élevée qu'on leur impose. D'une part, ils contiennent.des dendrites, bien que de dimensions inférieures à eelles obtenues au eours de.la solidification de gros lingots, et d'autre part, ils contiennent le gaz inerte utilisé pendant l'atomisation et/ou le refroidissement qui est dissous et/ou emprisonné dans le métal fondu. En outre, dans certains procédés de production, la surface des granules est altérée ehimiquementX par exemple par oxydation ou décarburation. Les dendrites sont des cristaux à croissance rapide comportant de nombreuses ramifications et une structure semblable à celle d'un arbre, qui se forment durant la solidification d'un lingot. Un métal fondu ayant une composi- tion différente de celle des dendrites est enfermé entre les ramifications, ee qui conduit à des inhomogénéités dans le lingot. La présente invention a pour objet un nouveau produit métallique qui convient parfaitement à la fabrication de poudres métalliques sensiblement exemptes de dendrites destinées à la métallurgie des poudres, qui possède une structure amorphe à granulaire compaete et une surface chimiquement non altérée et est exempt de gaz dissous et/ou emprisonné. Conformément à la.présente. invention, ce nouveau. produit est un produit métallique en paillettes eonstitué une multitude de paillettes de métal relativement. minces,' fragiles et s'écrasant facilement, sensiblement exemptes de dendrites, ayant une structure amorphe. à granulaire eompac.te. Conformément à l'invention, le produit métallique en. paillettes peut. être fabriqué en fai-sant tomber le métal fondu, qui a une composition teile qu'un refroidissement rapide de couches minces du métal fondu aboutisse à la formation de pellicules relativement fragiles et pouvant etre éerasées, sous vide ou dans une atmosphère de gaz protecteur, sur au moins une surface métallique relativement. froide ayant une grande capacité de refroidissement, animée d'un mouvement rapide, généralement transversalement à la direction d'écoulement du métal fondu, pour former. au. moins une couche discrète,, relativement mince, sous forme de paillettes de métal fondu s.ur la surface métallique, et en provoquant une solidification extrêmement rapide de la couche relativement mince sur la surface métallique froide ayant une grande capacité de refroidissement pour foep.mer -des paillettes de métal relativement minces, fragiles et s'écrasant facilement, sensiblement exemptes de dendrites, de strueture amorphe granulaire, compacte.La poudre métal- lique peut ensuite être produite simplement en éerasant ou en broyant les paillettes métalliques, par exemple dans un broyeur à boulets. Parce que le métal fondu est amené former une couche ou une pellicule mince sur la surface métallique froide ayant une grande eapaeité de refroidissement, une solidi- fication beaucoup.plus rapin peut etre atteinte que par -les. procédés usuels susmentionnés de production d'une poudre métallique à particules sphériques à partir de métal fondu Grâce à la. solidification extrêmement rapide, on obt-i.ent une structure en principe complètement exempte de dendrites, formée de grains.fins à amorphe, et des quantités seulement négligeables de gaz protecteur ont le temps de se dissoudre dans le métal fondu. I1 est également possible d'exécuter la solidification si rapidement- qu'on obtient.des paillettes complètement exemptes de dendrites et en opérant sous vide, le risque d'absorption de gaz protecteur dans le métal fondu pet être éliminé.Lorsqu'on utilise le procédé conforme à l'invention, la vitesse de refroidissement doit être d'au meins 104 C/s, de préférence d'au moins environ. 10 50C/s, et avantageusement d'au moins environ 10@ C/s, du moins dans l'intervalle de températures de la solidification. Pour faciliter la rupture des paillettess métalliques en poudre de granulométrie requise, les paramètres qui déterminent les dimensions dea paillettes au cours de la fabrication doivent être mutuellement ajustés de sorte que ''épaisseur des paillattes soit au maximum d'environ 0,5.mm, de préférence au maximum d'environ 0,1 mm. Avantageusement, les paramètres sont aussi ajustés mutuellement de sorte que le rapport de la longueur des paillettes à leur épaisseur soit d'au moins 100, le rapport de la largeur des paillettes a leur épaisseur soit dtau moins environ 2O et le rapport de la longueur des paillettes à leur largeur soit.d'au.maximum environ 5. L'invention est décrite plus en détail ci-dessous avec référence au dessin annexé, sur lequel la fig. 1 est une vue en coupe transversale verticale d'un mode de réalisation schématique d'un dispositif de mise.en @euvre de procédé selon l'invention et les fig. 2 et 3 sont respectivement une vue en plan et une vué latérale d'une paillette de métal obtenue par le procédé de l'invention. Le dispositif représenté sur la fig. 1 pour la fabrication de paillettes métalliques comprend un récipient .1 qui, dans le.mode de réalisation représenté, est cylindrique et comporte une chemise 2 et un fond 3. La chemise 2 et le fond 3 sont tous deux refroidis par eau, bien qu'aucun détail ne soit représenté sur la.manière dont est effeetué le refroidissement par eau lui-même. Le récipient 1 comporte aussi un couvercle 11 avec un orifice d'admission 6, auquel est relié un certain type d'entonnoir de coulée 12. L'entonnoir de coulée 12 contient un métal fondu 7 ayant une composition telle qu'un refroidissement rapide de couches minces de métal fondu produise des pellicules relativement .fragiles et pouvant s'éeraser.Un eonduit 10 relié au couvercle 11 permet au récipient 1 d'être placé sous vide à l'aide d'une pompe à vide qui n'est pas représentée, et/ou..d'etre alimenté avec un.gaz.proteeteur provenant d'une source appropriée non représentée. On fait tomber le metal,fondu..7 provenant de l'enton- ncir de coulée 12 sur une surface métallique 14 dure et relativement froide ayant une grande capacité de refroidis sement, animée d'un mouvement rapide sensiblement transversalement à la direction d'écoulement du métal fondu, pour former au moins une couche de métal fondu diserète relati-. vement mince, sous forme de paillettes, sur la surface métallique 14. Dans 1 mode de réalisation du dispositif représenté, la surface métallique 14 est la face supérieure d'un disque 4 refroidi intérieurement, qui est disposé sous l'orifice d'admission 6 et peut tourner dans le récipient.. Le disque est monté sur un arbre moteur 15 s'étendant hors du récipient It Le disque 4 et l'arbre moteur 15 comportent des conduits intérieurs 5 pour le passage de l'eau. de refroidissement et forment ensemble une unité de refroidissement dutype "doigt frsid" comportant une partie externe 16. et une partie interne 17, la partie externe 16 au moins étant animée d'un mouvement.de rotation par un moteur qui n'est pas représenté. Le disque 4 qui dans le mode de. réalisation représenté est plat, circulaire et disposé dans un plan. horizontal, a son axe de rotation 18 déplacé latéralement par rapport à la coulée de métal 8, s'écoulant goutte a goutte de l'entonnoir de coulée 12, de sorte que la coulée 8 tombe sur le disque rotatif refroidi 4 de. façon excentrée. De cette manière, une multitude de couches de métal fondu. espaeées entre elles, relativement minces, et sous forme de paillettes, se forment sur la surface métallique refroidie 14 et grâce à la grande capacité de refroidissement de la surface métallique refroidie 14 se solidifient extrêmement rapidement sur cette dernière pour former des paillettes de métal relativement minees, fragiles et s'écrasant facilement, en principe complètement exemptes de dendrites, de strueture amorphe a granulaire compacte Les paillettes métalliques sont projetées contre la paroi de la chemise 2 refroidie par eau puis évacuées à l'aide de dispositifs appropriés non représentés par des trous de sortie 9 ménagés dans le fond 3 du récipient. Puisque les paillettes fragiles ne sont pas destinées à etre utilisées telles quelles mais constituent un produit intermédiaire, il est sans importance que le dispositif de déeharge provoque un certain écrasement des paillettes. Grâce à la capacité de refroidissement importante de la surface métallique refroidie 14, la solidification a lieu extrêmement rapidement, dans l'intervalle de temps débutant lorsqu'une goutte de métal fondu atteint la surface métallique refroidie 14 et se terminant lorsque la goutte, trans for- mée en une paillette mince et solidifiée, quitte la surface métallique refroidie ou a au moins été refroidie par la surface métallique 14 à une température inférieure au point d'agglomération, la vitesse de refroidissement est extrêmement élevée, c'est-à-dire est d'au moins environ 104 C/s, de préférence d'au moi@@ environ 105 C/s, et avantageusement d'au moins environ 106 C/s. Les dimensions des paillettes produites dépendent de nombreux paramètres, dont les plus importants sont. la température du métal fondu 7, la vitesse de coulée, la hauteur de coulée et la vitesse de la surface métallique refroidie 14 au point d'impact de la couvée de métal 8 Ces paramètres sont ajustés mutuellement de sorte que l'épaisseur des paillettes métalliques soit au maximum d'environ 0,5 mm, de préférence au maximum d'environ 0,1 mm. Dans le dispositif représenté, une faible vitesse de rotation du disque 4 produit des paillettes relativement épaisses et une vitesse de rotation plus élevée des paillettes plus minces.Ceci peut être expliqué par le fait que, loraque le métal fondu frappe la surface métallique refroidie 14, il se solidifie d'abord à l'interface avec la surface métallique refroidie 14 et est amené par cette dernière par friction en rotation autour de lgaxe 18, tandis que le métal fondu se trouvant à la surface est projeté vers l'extérieur plus facilement en raison de l'inertie. Les paillettes solidifiées n'adhèrent pas à la surface refroidie 14, mais la matière est projetée entièrement vers l'extérieur. I1 est également avantageux que les paramètres susmen- tionnés soient ajustés mutuellement de sorte que, comme représenté sur les fig. 2 et 3, le rapport de la longueur "1" à l'épaisseur "t" des paillettes métalliques 2G soit d'au moins 100, le rapport de la largeur "b" à l'épaisseur "t" des paillettes soit d'au moins environ 20 et le rapport de la longueur "1" à la largeur "b'!- des paillettes soit au maximum d'environ 5. Ces paillettes sont faciles à fabriquer, à stocker et à transporter et à éeraser ou à. broyer en poudre.Les paillettes métalliques 20 représentées sur les fig. 2 et 3 sont principalement ovales ou elliptiques et présentent une légère torsion à la manière d'une hélice autour de leur axe longitudinal. L'une des extrémités de la paillette a un bord relativement régulier, tandis que le bord à l'autre extrémité est relativement irrégulier, cela résultant du procédé de solidification décrit ci-dessus- La fig. 2 montre également que la surface de la paillette métallique 20 est relativement inégale.. Au sours d'une expérience réalisée avec le dispositif. représenté sur la fig. 1, le métal fondu 7 est constitué d'acier à coupe rapide à une température de 1600 C, la coulée du métal a un diamètre d'environ 10 mm et la hauteur de coulée est de 500 mm. Le disque refroidi 4 a.un diamètre de 250.mm et tourne à.3O s-1, et la coulée de métal 8-tombe sur le disque circulaire 4 à environ 70 mm de la périphérie de ce dernier.Ceci produit,des paillettes principalement elliptique, s semblables 8 celles des fig. 2 et 3 et qui ont une longueur "1" environ 70.mm., une largeur "b" d'environ 12 mm et une épaisseur "t" d'environ 0,1 mm. tes paillettes se solidifient extrêmement rapidement, la vitesse de refroidissement est d'environ 106 C/s et les paillettes sont eomplètement exemptes de dendrites et ont une structure amorphe, elles sont aussi tres fragiles et très faciles à broyer. On broie la moitié des paillettes dans un broyeur à boulets en une poudre métallique constituée,de particules à angles irréguliers (la majorité des partieules peuvent être considérées comme des micro-paillettes), on introduit la poudre métallique dans ut récipient cylindrique puis on procède au compactage par vibrations. On introduit l'autre moitié de paillettes direetement dans un récipient identique et on dispose au. sommet des paillettes un poids ayant la forme d'un disque cylindrique, après quoi on procède au compactage par vibrations. Les paillettes sent ainsi écrasées les unes sur les autres et la matière éerasée est compactée jusqu'à atteindre une densité apparente prédéterminée.On fait le vide dans les deux récipients, on les seelle, puis on les ehauffe à la température de compactage voulue (environ 1150 C) et on les transfère dans une chambre haute pression dans laquelle on procède à un compactage par soufflage isostatiquement par l'action directe sur les récipient de gaz obtenus à partir d'un explesif faible introduit dans la chambre haute pression Après refreidissement, on peut établir que les.deux pièces dPaeièr'à coupe rapide produites ont des structures complètement exemptes de pores, uniformes et à grains extrêmement Tins Un très gros avantage du procédé selon la présente invention est la possibilité d'opérer sous vide, ee qui permet d'obtenir des teneurs en oxygène trè.s fables. Dans l'exemple déerit ci-dessus avec un acier à coupe rapide, la teneur en oxygène est seulement de 16 ppm. L'invention. n'est pas lim@tée à l'exemple décrit, mais peut être modifiée de différentes manies sans sertir du eadre des revendications ci-dessous. Le disque peut, par.. exemple, être sous forme, de,cuve au@lieu d'être plat.,et il peut faire un angle avec le plan horizontal. En outre, on peut utiliser des corps de refroidissement métalliques autres que des disques rotatifs à condition qu'ils aient une température suffisamment basse et une capacité de refroidissement importante et qu'ils soient animés d'un mouvement suffisamment rapide, sensiblement transversalement. à.la direction d'écoulement du métal fondu pour produire des paillettes métalliques se solidifiant extrêmement rapidement. Lorsqu'on opère sous vide, une eertaine fragmentation de la coulée de métal. a lieu avant même que cette coulée tombe sur le disque rotatif refroidi et cette fragmentation est due au dégagement du gaz dissous dans le métal fondu. REVENDICATIONS 1. Produit métallique en paillettes cenvenant à la prcduction dtune po .e métallique pour la métallurgie de poudre, caracterisé par le fait qu'il est constitué d'une multitude de paillettes métalliques relativement minces, fragiles et s'écrasant facilement sensiblement exemptes de dendrites, ayant une structure amorphe à granulaire compacte.. r. Produit métallique en paillettes selon la-revendi- ration 1, caractérisé par ie fait que les paillettes métal liques sont complètement exemptes.de dendrites. 3. Produit métallique en paillettes selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'épaisseur des paillettes est au maximum d'environ 0,5 mm. 4. Produit métallique en paillettes selon la rexendi- cation 3., caractérisé par le fait que l'épaisseur des paillettes est d'environ 0,1 mm. 5. produit métallique en paillettes selon la revendi- cation 3 o 4, caractérisé par le fait que le rapport de la longueur à l'épaisseur des paillettes est d'au moins 100, le rapport de la largeur à l'épaisseur des paillettes est d'au moins environ 20 et le rapport de la longueur à la largeur des paillettes est au maximum d'environ 5. 6. Produit métallique en paillettes selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les paillettes métalliques sont des paillettes d'acier. 7. Poudre métallique pour. la métallurgie des poudres, caractérisée par le fait qu'elle est produite par écrasement ou broyage du produit métallique en paillettes seler l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Procédé de fabrication du produit métallique en paillettes selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, convenant à la production d'une poudre métallique pour la métallurgie des poudres, caractérisé par le fait qu'on fait tomber un métal fondu, qui a une composition telle qu'un refroidissement rapide de couches minces de métal. fondu produise des pellicules relativement fragiles et pouvant être broyées, sous vide ou en atmosphère de gaz proteeteur, pour au moins une surface métallique relativemeqt froide de grande capacité de refroidissement, se déplaçant rapidement et sensiblement transversalement à la direction d'écoulement du métal fondu, pour former au moins une couche discrète, 30US forme de paillettes relativement minces, de métal fondu sur la surface métallique et on provoque une solidification extrêmement rapide de la couche relativement mince sur la surface métallique froide de grande capacité de refroidissement, pour former des paillettes métalliques relativement mines, fragiles et s'éerasant facilement, sensiblement exemptes de dendrites, de structure amorphe à granulaire compacte. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'on exécute la solidification tellement rapidement qu'on obtient des paillettes complètement exemptes de dendrites. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par le fait que la vitesse de refroidissement est d'au moins environ 104 C/s, de-préférence d'au moins environ 106 C/s, du moins dans l'intervalle de températures de solidi fication. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé par le fait qu'on ajuste mutuellement les paramètre qui déterminent les dimensions des paillettes métalliques de manière à obtenir une épaisseur de paillette.s atteignant au maximum environ 0,5 mm. 12. Procéda selon la revendication 11, caractérisé par le fait qu'on ajuste mutuellement les paramètres de manière àtobSenir une épaisseur de paillettes d'environ 0,1 mm. 13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé par le fait qu'on ajuste mutuellement les paramètres de manière à obtenir un rapport de la longueur à l'épaisseur des paillettes d'au moins 100, un rapport de la largeur à l'épaisseur des paillettes d'au moins environ 20 et un rapport de la longueur à la largeur des paillettes atteignant au maximum environ 5. 14. Procédé selon l'une. quelconque des revendications .8 à 13, caractérisé par le fait que le métal fondu est de l'acier fondu.