Brevet FR2410522A1 — publié le 19790629

La présente invention concerne la métallurgie, plus précisément les méthodes de coulée centrifuge de moulages cylindriques, et a notamment pour objet un procédé de coulée centrifuge de demi-produits ou ébauches bimétalliques, notamment tubulaires. L'invention peut autre appliquée à la coulée centrifuge pour la fabrication de demi-produits tubulaires bimétalliques. L'application de l'invention permet d'obtenir en particulier des tubes bimétalliques coulés par centrifugation, d'encombrement L/D) (8 à 10), en aciers de diverses nuances, tout en améliorant la résilience de la soudure, en abaissant les dépenses de main-d'oeuvre et en augmentant le rendement du processus comparativement aux procédés existants. Dans la majorité des pays industriellement développés, une grande extension a été donnée à la fabrication par coulée centrifuge, de demi-produits tubulaires bimétalliques comprenant une couche extérieure en acier au carbone et une couche intérieure en acier inoxydable à bas carbone, pour les besoins de différentes branches de l'industrie. Le procédé de coulée centrifuge de demi-produits bimétalliques tubulaires par coulée successive des métaux, suivie d'un traitement thermique, assure un rendement plus élevé et un prix de revient plus bas que le procédé de fabrication de ces tubes dans lequel la coulée est suivie d'un laminage. Toutefois, la plasticité de la zone de soudage des deux métaux est altérée par l'interdiffusion, aux températures élevées, du carbone et des éléments carburigènes d'un acier dans l'autre. Le problème, dans le domaine de la technique en question, est d'accrottre la plasticité de la soudure, d'abaisser les dépenses de main-d'oeuvre et d'augmenter le rendement de la coulée. A l'heure actuelle, il existe plusieurs procédés de fabrication de demi-produits bimétalliques tubulaires coulés par centrifugation, par coulée successive, avec un intervalle de temps déterminé entre les deux coulées, de deux aciers de compositions chimiques différentes. On connatt un procédé de coulée centrifuge de demiproduits bimétalliques tubulaires, comprenant la coulée successive, avec un intervalle de temps déterminé entre les deux coulées, de deux aciers de compositions chimiques différentes, procédé dans lequel l'intervalle entre les coulées de la première et de la seconde couche de métal est choisi de façon que la température de la surface intérieure du métal de la couche principale ait une température située dans l'intervalle entre son liquidus et son solidus. Un tel procédé ne permet pas d'obtenir un bimétal de qualité en aciers de différentes classes, à différents taux de carbone et d'éléments carburigènes, par suite de la formation, à leur interface, de carbures fragiles, affaiblissant la jonction. Pour prévenir la formation de carbures, il faut ou bien que le taux de carbone dans l'acier inoxydable soit un peu plus élevé que dans l'acier perlitique, faiblement allié, employé pour réaliser la couche extérieure, ou bien que le taux de carbone dans la couche extérieure en acier au carbone soit bien plus bas que dans l'acier fin. Or l'accroissement du taux de carbone dans l'acier de la couche intérieure altère fortement sa résistance à la corrosion, et l'abaissement du taux de carbone dans la couche d'acier extérieure provoque un fort abaissement de ses propriétés de résistance mécanique. C'est pourquoi le procédé considéré ne permet de fabriquer que des demi-produits bimétalliques tubulaires coulés par centrifugation à partir d'aciers ayant des taux de carbone presque égaux. A l'heure actuelle, le procédé de coulée centrifuge de demi-produits bimétalliques tubulaires le plus répandu est celui dans lequel la coulée successive, dans un moule en rotation, de métaux de compositions différentes est réalisée sous une couche de flux, la coulée de la seconde couche étant effectuée après que la couche de métal coulée précédemment se soit refroidie jusqu'à une température de 100 à 3500C inférieure à son solidus. Le métal du demi-produit bimétallique tubulaire obtenu par ce procédé a une structure coulée, c'est-à-dire que le coefficient d'anisotropie des propriétés mécaniques de la couche d'acier extérieure est bas. C'est pourquoi il est nécessaire, pour obtenir les tubes finis, de soumettre le demi-produit bimétallique coulé par centrifugation à une déformation, c'est-à-dire le laminer à des températures élevées, et seulement ensuite lui faire subir le traitement thermique au régime prescrit. Ce laminage contribue en l'occurence au changement de la structure coulée du demiproduit en une structure à grains fins, accroissant ainsi le coefficient d'anisotropie des propriétés mécaniques de l'acier, en le rapprochant de l'unité. Ce procédé permet actuellement de fabriquer des tubes bimétalliques à placage intérieur en acier inoxydable, dans lesquels la résilience de la soudure est a n = 3,2 kgf/cm2 sur éprouvette d'Izod. De la sorte, l'inconvénient du procédé considéré consiste en ce qutil requiert un façonnage supplémentaire (laminage), nécessitant un équipement supplémentaire coûteux et entratnant des dépenses d'énergie additionnelles. On sait que la structure d'un métal coulé peut être transformée en structure équiaxiale, à grains fins, sans passer par une déformation plastique, si l'on inocule le métal et qu'on le soumet àun traitement thermique spécial (recuit d'homogénéisation à haute température). Mais, parallèlement à ses effets favorables, un tel traitement thermique présente l'inconvénient de fragiliser la soudure (la résilience tombe jusqu'à an = 1,3 à 1,7 kgf/cm2 sur éprouvette d'Izod) et d'abaisser la résistance à la corrosion de la couche de revêtement, par suite de processus intenses. de diffusion, principalement du carbone se trouvant dans le métal de la couche extérieure. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués plus haut. On s'est proposé pour cela d'élaborer un procédé de coulée centrifuge de demi-produits bimétalliques tubulaires de grandes dimensions, qui permettrait d'augmenter la plasticité de la soudure tout en réduisant la durée du cycle de fabrication, les dépenses de main-d'oeuvre pour la fabrication et le prix de revient des tubes bimétalliques. Ce problème est résolu du fait que le procédé de coulée centrifuge de demi-produits, ébauches ou analogues, bimétalliques notamment tubulaires, du type consistant à couler successivement dans un moule tournant un métal de couche principale avec un flux et un métal de couche de revêtement est caractérisé d'après l'invention, en ce que, quand la surface intérieure du métal de la couche principale atteint une température de 100 à 200 C inférieure à son solidus, on coule dans le moule du nickel à raison de 2 à 3% de la masse de métal de la couche principale, après quoi on coule dans le moule un métal de couche de revêtement dans lequel le taux de nickel est compris entre Il et 18% du taux moyen de la nuance prescrite, la vitesse de rotation du moule étant, au début de la coulée du nickel, augmentée de 30 à 40% par rapport à la vitesse initiale. Il est avantageux de couler le métal de la couche de revêtement dans le moule du c8té opposé à celui de la coulée du nickel. Un tel procédé de coulée centrifuge de demi-produits bimétalliques tubulaires permet d'obtenir des demi-produits bimétalliques tubulaires de grand diamètre, d'encombrement L/D > (8 à 10), sans laminage ultérieur, tout en améliorant la soudabilité des deux métaux, en augmentant la résilience de la soudure (la résilience est augmentée jusqu'à an = 4,3kgf/cm2 sur éprouvette d'Izod) et en réduisant les dépenses de main-d'oeuvre et le prix de revient des demi-produits. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non; limitatifs, avec références au dessin non limitatif annexé dans lequel - la figure 1 est une vue schématique illustrant le déroulement du procédé de coulée centrifuge de demi-produits tubulaires conforme à l'invention - la figure 2 est une vue schématique montrant les étapes successives du procédé de coulée centrifuge de demi-produits bimétalliques tubulaires conforme à l'invention. Le procédé de fabrication de demi-produits bimétalliques tubulaires coulés par centrifugation, conforme à l'invention, consiste en ce qui suit. Le moule 1 (figure 1) assemblé est entraSné en rotation autour de son axe à l'aide de galets moteurs 2, à la vitesse à laquelle doit s'effectuer la coulée du métal de la couche principale. Ensuite, du c8té du flasque avant 3, on engage dans le moule 1, à travers le trou central 4 du flasque 3, à l'aide d'un monorail et d'un mécanisme réversible, un auget (non représenté sur le dessin) contenant une matière calorifuge pulvérulente ou analogue de revêtement 5. Quand l'auget arrive à sa position extrême, il bascule lentement autour de son axe dans le sens de la rotation du moule 1.Par suite du basculement lent de l'auget autour de son axe, la matière calorifuge pulvérulente de revêtement 5 qu'il contient se déverse à travers une fente de l'auget dans le moule 1, dans lequel les forces centrifuges la serrent contre la surface intérieure du moule 1. Une fois le revêtement calorifuge 5 déposé, on retire l'auget du moule 1 en le déplaçant dansle sens inverse du précédent. Ceci fait, on engage les dispositifs de coulée 8, 9 dans les trous centraux 4, 6 des couvercles avant et arrière 3, 7 du moule 1. A travers le dispositif de coulée avant 8 on coule le métal de la couche principale Il à l'aide d'une poche 10. Quand les premières portions de métal de la couche principale 11 ont parcouru toute la longueur du moule 1, c'est-à-dire quand elles atteignent le couvercle arrière 7, on admet sur le ået de métal de la couche principale 11, à partir d'un doseur à vis 12, un flux en poudre 13.Le flux en poudre 13 arrivé sur le jet de métal de la couche principale Il fond par suite de sa surchauffe, et, sous l'action des forces centrifuges, arrive sur la surface intérieure du métal de la couche principale 71 en débarrassant ce métal des inclusions non métalliques.Le dosage du flux en poudre 13 sur le jet de métal de la couche principale Il est choisi de façon qu'il soit admis pendant toute la durée de la coulée de ce métal.Smultanément avec l'admission de là première portion de métal de la colie prinr;ple 11, ai admet de l'eau surla surface extérieure du moule 1, pour assurer son refroidissement intense. Après achèvement de la coulée du métal de la couche principale 11, le pont roulant 14 évacue la poche 10 libérée.L'intervalle de temps entre le moment où la coulée du métal de la couche principale Il dans le moule 1 commence et le moment où la surface intérieure 15 (figure 2) du métal de la couche principale Il atteint une température de 100 à 200QC inférieure à son solidus, correspond à la première étape A du procédé de fabrication de demi-produits bimétalliques tubulaires coulés par centrifugation. Au moment où la surface intérieure 15 du métal de la couche principale Il atteint une température de 100 à 2000C inférieure à son solidus, les ponts roulants 14 et 16 (figure 1) ont amené à la machine centrifuge, respectivement, une poche (non représentée sur les figures) avec du nickel 17 (figure 2), à raison de 2 à 3% de la masse du métal de la couche principale 11, et une poche 18 (figure 1) avec le métal de la couche de revêtement 19 (figure 2), dont le taux de nickel se situe entre 11 et 18% du taux moyen prescrit pour ce métal. Quand la température précitée est atteinte par la surface intérieure 15 du métal de la couche principale 11, on verse à travers le dispositif de coulée avant 8 (figure 1), le nickel 17 (figure 2) à raison de 2 à 3% de la masse du métal de la couche principale 11.Dès le debut de la coulée, on augmente lentement la vitesse de rotation du moule 1 de 30 à 40% par rapport à sa vitesse initiale. Immédiatement après l'achèvement de la coulée de tout le nickel 17 dans le moule 1 (figure 1), à travers le dispositif de coulée arrière 9 on verse le métal de la couche de revêtement 19 (figure 2). Après solidification complète du métal de la couche de revêtement 19, on arrête le moule 1 (figure 1), on en extrait le demi-produit tubulaire bimétallique et on envoie celui-ci au traitement thermique. L'intervalle de temps entre le début de la coulée du nickel 17 (figure 2) et le début de la coulée du métal de la couche de revêtement 19 correspond à la seconde étape B du procédé de fabrication de demi-produits bimétalliques tubulaires, et l'intervalle entre le début de la coulée du métal de la couche de revêtement et la fin de sa solidification complète correspond à la troisième étape C. Dans le procédé de fabrication de demi-produits bimétalliques tubulaires faisant l'objet de l'invention, la coulée du nickel 17 entre le métal de la couche principale Il et le métal de la couche de revêtement 19 est dictée par le fait qu'il crée une barrière à la thermodiffusion du carbone lors du traitement thermique prolongé à haute température et qu'il contribue à l'accroissement de la plasticité de la zone de soudure des deux métaux. L'intervalle de température de la surface intérieure 15 du métal de la couche principale 11, dont la température est de 100 à 2000C inférieure à son solidus quand le nickel 17 est coulé sur elle, est choisi, d'après l'invention, en tenant compte du fait que lorsque la température de la surface intérieure 15 du métal de la couche principale Il est inférieure de 2000C à son solidus, il se soude mal au nickel 17, et lorsqu'elle est de moins de 1000C au-dessous de son solidus, le métal de la couche principale Il fond partiellement dans la zone frappée dans le moule par le jet de nickel 17 issu du dispositif de coulée et l'interface de soudure obtenue n'est pas nette. La quantité de nickel égale à 2-3% de la masse du métal de la couche principale Il adoptée dans le procédé de coulée centrifuge de demi-produits bimétalliques tubulaires conforme à l'invention, est choisie en partant de la possibilité de son étalement sur toute la surface intérieure 15 du métal de la couche principale Il quand la température principale de cette surface est de 100 à 2000C au-dessous du solidus, le flux devant être complètement chassé de cette surface et une couche 20 de nickel solide de 0,1 à 0,2 mm devant être formée sur toute la longueur dudemi-produit tubulaire. Le taux de nickel 17 dans le métal de la couche de revêtement avant sa coulée dans le moule, d'après l'invention, est égal à 11-18% du taux moyen de la nuance prescrite, et il est choisi de la façon suivante. Soit C3 le taux de nickel dans le métal de la couche de revêtement avant sa coulée dans le moule, et Q3, la masse de ce métal ; Q2, la masse de nickel coulé, et Q1, la masse du métal de la couche principale. Afin que le flux soit complètement chassé de la surface intérieure du métal de la couche principale11 et que le nickel s'étale sur toute cette surface, il faut couler dans le moule une quantité de nickel 17 égale à 2-3% de la masse du métal de la couche principale 11, c'est-à-dire Q2 = (0,02 à 0,03) Q1.En outre, dans les conditions réelles de la fabrication des demi-produits bimétalliques tubulaires coulés par centrifugation, la masse du métal de la couche de revêtement 19 est égale à 20-25% de la masse du métal de la couche principale 11, c'est-à-dire que Q3 = (0,2 à 0,25)Q1. Si les deux portions de métal sont à l'état liquide et se mélangent complètement, le taux moyen théorique de nickel dans l'alliage obtenu sera Etant donné que la coulée de métal de la couche de revêtement 19 commence immédiatement après la coulée de toute la masse du nickel 17, pendant un temps égal à la durée de la coulée du nickel 17 il se forme une couche 20 de nickel solidifié d'une épaisseur de 0,1 à 0,2 mm, dont la masse est Q2 = (0,002 à O,005)Q1. La masse du nickel 17 liquide, compte tenu de la couche 20 de nickel solidifié, sera donc égale à Q2 - Q- = (0,018 à 0,025)Q1. Le métal coulé de la couche de revêtement 19 d'une masse Q3 se mélange à la phase liquide du nickel 17 de masse Q2-Q .Si ces deux phases liquides se mélangent complètement, le taux moyen théorique de nickel dans l'alliage obtenu sera Le taux de nickel dans B métal à couler dans le moule pour former la couche de revêtement 19 sera donc Le métal de la couche de revêtement 19 de nuance requise contient 9 à 11% de nickel. En portant cette valeur dans l'équation (III), on voit que la teneur en nickel du métal à couler dans le moule 1 pour former la couche de revêtement 19, d'une masse de (0,20 à 0,25)qu, pour une quantité de nickel 17 coulée de 2 à 3% de la masse du métal de la couche principale 11, compte tenu de la formation de la barrière interdisant la thermodiffusion d'une épaisseur de 0,1 à 0,2 mm, est de 1,Q à 1,9%, c'est-à-dire de Il à 18% du taux moyen dans la nuance requise. L'augmentation de la vitesse de rotation du moule, d'après l'invention, de 30 à 40% lors de la coulée du nickel 17, comparativement à la vitesse de rotation lors de la coulée et de la solidification du métal de la couche extérieure, est dictéepar la nécessité d'un meilleur étalement du nickel 17 sur la surface intérieure du métal de la couche principale 11, d'une élimination complète du flux 13 se trouvant sur cette surface et d'un brassage plus énergique de la masse de nickel non solidifiée avec le métal coulé de la couche de revêtement 19. Une augmentation de la vitesse du moule inférieure à 30% par rapport à la vitesse initiale n'assure pas un étalement suffisamment rapide du nickel 17 sur la surface intérieure du métal de la couche principale 11, ni une élimination suffisamment complète du flux 13. Une augmentation de la vitesse de rotation du moule supérieure à 40% provoque l'apparition de fissures extérieures sur le demi-produit, par suite de l'augmentation de la vibration de la machine. La coulée du métal de la couche de revêtement 19, d'après l'invention, du côté opposé à celui de la coulée du nickel 17, permet de commencer la coulée de ce métal immédiatement après l'achèvement de la coulée du nickel 17 dans le moule 1 et contribue à un brassage plus énergique des deux métaux. La coulée centrifuge de demi-produits bimétalliques tubulaires par le procédé faisant ltobjet de l'invention permet d'obtenir des demi-produits bimétalliques tubulaires de grand diamètre, d'encombrement L/D > (8 à 10), sans laminage ultérieur, tout en améliorant la soudabilité des deux métaux, en accroissant la résilience de la soudure, en réduisant les dépenses de main-d'oeuvre et le prix de revient comparativement aux procédés existants. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé de coulée centrifuge de demi-produits, ébauches ou analogues bimétalliques, notamment tubulaires, du type consistant à couler dans un moule tournant, d'abord le métal destiné à former la couche principale dudit demi-produit, en même temps qu'un flux, et ensuite le métal destiné à former la couche de revêtement dudit demi-produit, caractérisé en ce que, quand la surface intérieure du métal de la couche principale atteint une température de 100 à 2000C inférieure à son solidus, on coule dans le moule du nickel à raison de 2 à 3% de la masse de métal de la couche principale, après quoi on coule dans le moule le métal de la couche de revêtement à teneur en nickel comprise entre Il et 18% du taux moyen de la nuance prescrite, et en ce que, dès le début de la coulée du nickel, on augmente la vitesse de rotation du moule de 30 à 40g par rapport à la vitesse initiale. 2. Procédé suivant'la revendication 1, caractérisé en ce que la coulée du métal de la couche de revêtement dans le moule s'effectue du côté opposé à celui de la coulée du nickel. 3. Demi-produits, ébauches ou analogues bimétalliques, notamment tubulaires, caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par le procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 et 2.