Brevet FR2425916A1 — publié le 19791214

La présente invention concerne des produits métalliques plaqués multiples ainsi que leur procédé de réalisation et plus précisément un produit à âme de cuivre et placage d'aluminium et d'acier inoxydable. L'utilisation de produits métalliques stratifiés ou plaqués à trois couches ou moins est bien connue dans l'industrie. Ainsi, on connaît l'utilisátion d'ustensiles d'acier inoxydable ayant une couche inférieure de cuivre, de même que les aciers inoxydables ayant une âme d'aluminium. Ces produits sont disponibles depuis un certain temps et on les a beaucoup utilisés pour la fabrication des ustensiles de cuisson. L'un des problèmes constants posés par ces matières connues est qu'elles ne permettent pas une transmission rapide et régulière de la chaleur sur toute la surface de l'ustensile.Ces matières connues sont en général bien supérieures à des métaux sous forme d'une seule couche mais encore bien loin de la perfection; L'invention concerne un nouveau produit métallique plaqué ayant une âme d'aluminium plaquée de cuivre ou une âme de cuivre placée entre deux couches d'aluminium et plaquée par une ou plusieurs couches d'acier inoxydable. Le produit obtenu permet la résolution des problèmes fondamentaux posés par les matières connues comme indiqué précédemment. Il répartit très rapidement et régulièrement la chaleur. Il élimine le problème de l'oxydation désagréable à la vue présentée par le cuivre dans les ustensiles d'acier inoxydable plaqués de cuivre, lors de l'utilisation sous forme d'une âme. Il assure une excellente répartition de la chaleur, meilleure que celle de l'aluminium plaqué d'acier inoxydable. Il combine toutes les propriétés thermiques avantageuses du cuivre et de l'aluminium aux propriétés de résistance à la corrosion et à l'abrasion de l'acier inoxydable. Une qualité originale et tout à fait imprévue des produits métalliques selon l'invention et des ustensiles de cuisson formés à partir de ces produits, est qu'ils réduisent l'adhérence des aliments à la surface. Tous les ustensiles métalliques de cuisson posent le problème du collage des matières alimentaires sur les surfaces, à la suite d'un chauffage. On a appliqué du "Teflon" et d'autres revêtements synthétiques destinés à remédier à ce problème jusqu a présent. Cependant, la matière selon l'invention présente des propriétés pratiquement égales à celles des ustensiles revêtus de "Teflon". en ce qui concerne la suppression du collage. On a réalisé des essais destinés à déterminer les diverses caractéristiques thermiques de nombreux métaux utilises dans le domaine des ustensiles de cuisine, afin que les différences qui peuvent exister dans leur aptitude à la transmission régulière de la chaleur soient déterminées On utilise les procédures suivantes d'essai pour l'évaluation des matières destinées à la formation d'ustensiles de cuisine. Une source de chaleur unique, chauffée au gaz et analogue à un bruleur Bunsen, est placée à une même distance sous chacun des ustensiles. La quantité de gaz disponible pour le bruleur est constante. La flamme vient frapper directement le centre du fond externe de l'ustensile et donne un contact circulaire de 7,6 cm. Des thermocouples sont fixés à la partie centrale interne du récipient, vers le bord externe, tous les 12,7 mm, y compris le long de la paroi latérale. Tous les ustensiles ont la même forme, c'est-à-dire celle d'une poêle à frire de 25 cm de diamètre. Les températures mesurées aux points d'incidence sont indiquées sur la figure jointe des dessins annexés qui représente graphiquement la variation de la température portée en ordonnéesen fonction de la distance du centre, portee en abscisses, le trait horizontal représentant le diamètre de la zone chauffée. Sur la figure, les croix désignent la position de changement de couleur, la flèche di rigée vers le haut représente un changement complet plus important et une flèche tournée vers le bas représente un changement plus faible ou nul, c'est-à-dire moins important. Le trait horizontal représente la distance de la partie inférieure du bord latéral au thermocouple. Il faut noter les excellentes caractéristiques de transmission de chaleur des produits d'aluminium plein, d'acier inoxydable plaqué de cuivre et d'aluminium et d'aluminiumcuivre plaqué d'acier inoxydable ainsi que le produit compre nant deux couches d'aluminium plaqué d'acier inoxydable Comme on considère que le cuivre est la meilleure matière au point de vue de la conductlilité thermique et comme on lui donne en général un coefficient de 100 % pour cette propriété, son aptitude à la transmission de la chaleur est bien connue. L'aluminium à l'état pur est en général considéré comme la seconde matière pour la transmission de la chaleur, et correspond à 57 environ de la valeur du cuivre La fonte qui est aussi utilisée pour les ustensiles de cuisson, correspond à 16,6 % environ en ce qui concerne la conductibilité#thermi- que, par rapport au cuivre, alors que l'acier au carbone utilisé comme âme de produits à base d'acier au carbone plaqué d'acier inoxydable, fabriqués comme décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 2 718 690 et 2 758 368, correspond à 15,1 % de la conductibilité du cuivre pur. En outre, la conductibilité thermique de l'acier inoxydable 304 (18 % de chrome et 8 % de nickel) correspond à peu près à 3,83 % de celle du cuivre pur.Les matières céramiques analogues au verre résistent beaucoup à la transmission de la chaleur et leur conductibilité thermique correspond à 1 % à peu près de celle du cuivre pur. Un calcul direct des pourcentages des différents métaux utilisés dans l'épaisseur du métal plaqué, potentiellement utilisable pour la formation d'ustensiles de cuisson, combinés au pourcentage de conductibilité thermique présenté par le cuivre donnent les valeurs de transmission de chaleur nécessaires à la détermination de la conductibilité thermique du métal plaqué après association des couches. L'épaisseur ou la masse des métaux utilisés dans le corps de l'ustensile a aussi son importance en ce qui concerne les caractéristiques de cuisson et on recommande en conséquence une épaisseur minimale de 1,2 mm dans une telle application. On effectue des essais destinés à déterminer les caractéristiques de séparation des aliments, sur diverses ma tières. On place des ustensiles de dimensions analogues sur un fourneau à gaz ou électrique ayant un thermocouple central qui peut toucher exactement le centre de l'extérieur du fond de l'ustensile. L'intérieur de ce dernier est préparé par dis position d'une faible couche d'une huile de cuisson. On saupoudre de la farine à la surface de l'ustensile revêtu de l'huile de cuisson. On retire l'excès de farine par chute par gravité. On observe alors la couleur de la mince couche résultante de farine à la surface de l'ustensile. On place celui-ci sur le brûleur muni du thermostat et on chauffe par réglage du brûleur à 1770C. On soumet au chauffage les ustensiles pendant un temps de 2,5 min et on les retire alors du brûleur.Un essai de retrait de la farine chauffée de la surface de l'ustensile est alors réalisé par disposition de l'ustensile sous un robinet d'eau à une pression de 2,4 bars. La température de l'eau utilisée pour le rinçage est d'environ 430C. On enregistre le moment du retrait de la farine par l'opération précitée de rinçage. On obtient la résistance de collage qui est directement reliée au temps de retrait par rinçage à l'eau. La couleur de la farine dépend de la concentration thermique. Plus cette dernière est importante et plus la farine a un aspect grillé sombre. Les métaux des ustensiles de conductibilité élevée ne donnent pas de teintes thermiques ou faiblement seulement à la surface de la farine.Les résultats, corrigés pour une base d'épaisseur uniforme égale à 3,18 mm, sont indiqués dans le tableau qui suit. Produit Couleur apparente Temps de re de la farine trait 1. Cu/Al/Al (3,18 mm) crème 22 s 2. AI revêtu de "Teflon" (3,18 mm) crème 23 s 3. Al (3,18 mm) crème 25 s 4. Al plaqué AI (3,18 mm) crème 29 s 5. Al/Al/Cu/Al/Al (2,79 mm) crème 33 s 6. AI/AI/AI (2,79 mm) jaune 37 s 7. Fond Al AI (0,89 mm AIZ 2,79 mm Al) brun-jaune 48 s 8. Acier émaillé (2,16 mm) brun-jaune 39,4 s 9. Acier au carbone.AI (âme de fonte) (1,48 mm) brun foncé 63 s 10.Verre réfractaire brun foncé 105 s AI = acier inoxydable Les caractéristiques de séparation des aliments obtenues avec les ustensiles du type acier inoxydable-aluminium cuivre sont bien meilleures que celles de toutes les autres surfaces de métal et de verre. Les caractéristiques de séparation des surfaces synthétiques augmentent avec l'épaisseur et sont les mêmes lors de l'utilisation d'une épaisseur d'aluminium de 3,18 mm.Les ustensiles d4épaisseur égale formés à partir de cuivre-aluminium-acier inoxydable possèdent des caractéristiques de séparation des aliments#supé- sieurs; à celles de l'aluminium revêtu de "Teflon" de même épaisseur et les ustensiles d'acier inoxydable, d'aluminium cuivre,d'aluminium, d'acier inoxydable sont dans la même plage que ceux d'aluminium revêtu de "Teflon". Les excellentes propriétés thermiques des métaux plaqués, mis en oeuvre selon l'invention, sont décrites dans la suite. Ces caractéristiques sont extrêmement importantes pour l'établissement de la supériorité de la combinaison des métaux selon l'invention. Dans le présent mémoire, les termes "feuilles", "tôles" et "feuillard" sont utilisés de façon interchangeable. Selon l'invention, on utilise du cuivre plaqué d'aluminium, sur une face ou les deux faces du cuivre. L'aluminium plaqué de cuivre ou l'aluminium.à âme de cuivre peut alors être plaqué d'acier inoxydable sur une face de l'aluminium ou sur les deux. L'aluminium utilisé peut être de l'aluminium pratiquement pur, par exemple des types 1100, 3003, 3004 ou un alliage d'aluminium. Il est avantageux qu'il s'agisse d'aluminium, par exemple du type 1145, revêtu d'une couche plaquée sur une face au moins, d'aluminium tel que d'un type 1100, 3003 ou 3004. Tous les organes de la matière composite sont de préférence nettoyés et préparés en surface par meulage abrasif destiné à retirer tous les oxydes mais l'opération peut être éliminée pour l'acier inoxydable mais doit être utilisée sur l'aluminium.Le produit peut être forme de préférence par réalisation d'une matière composite préalable, à base d'aluminium et de cuivre, la matière préalable comprenant l'association du cuivre plaqué d'aluminium d'un côté ou des deux côtés sur l' me, puis l'association d'acier inoxydable par placage~ sur une ou deux faces d'aluminium.Cette âme ou placage préalablement formé est de préférence nettoyé et préparé à la surface de l'aluminium par abrasion, à la brosse métallique ou par tout procédé mécanique convenable qui retire tous les oxydes, mais l'opération peut être éliminée dans le cas de l'acier inoxydable Au cours de cette opération, le cuivre revêtu d'aluminium ou l'âme de cuivre plaqué d'aluminium a été nettoyé comme décrit précédemment, assemblé à froid sous pression, par exemple par réduction importante de l'ordre de 40 à 80 % en une ou plusieurs passes au la minoir, puis traité thermiquement le cas échéant afin que la résistance mécanique de l'assemblage obUnu soit accrue L 'âme ou placage préalablement forme d'aluminium et de cuivre est chauffé avec l'acier inxoydable à une température d'environ 150 a 4250C, puis 1 'épaisseur est réduite de 20 à 70 e en une seule passe ou elle peut être réduite jusqu'à 5 % dans une première cage, puis de 10 à 25 % dans une seconde cage avant réchauffage à 315-4250C et de préférence à 3700C permettant la diffusion entre les couches métalliques adjacentes. Cette diffusion provoque une augmentation de la résistance de la liaison entre les trois métaux dissemblables et provoque une certaine relaxation des contraintes. Le produit résultant peut être facilement mis en forme de récipients de cuisson par emboutissage profond. Dans une seconde variante, le produit peut être formé par mise en forme d'une âme ou d'un placage composite préalable d'aluminium et de cuivre, puis par application du placage r d'acier inoxydable sur une face dtaluminium ou les deux. Selon ce procédé, les feuilles d'aluminium et de cuivre sont nettoyées par abrasion et préparées, mises en contact, chauffées à 150-3700C puis soumises à une réduction d'épais- seur de 30 à 70 %. La matière composite préalablement formée par l'aluminium et le cuivre peut subir un chauffage postérieur destiné à accroître la résistance mécanique de leur assemblage. La matière résultante compacte cuivre-aluminium est alors nettoyée par abrasion sur sa ou ses faces d'aluminium et elle est utilisée comme placage ou âme pour une opération de plaquage d'acier inoxydable. Au cours de cette étape, l'ensemble formé par l'âme ou placage et par l'acier inoxydable subit à nouveau un chauffage à 1504250C environ, puis avantageusement une première réduction d'épaisseur d'environ 2 à 5 %, et une seconde réduction d'épaisseur de l'ordre de 5 à 25 %, l'épais- seur de l'ensemble pouvant être aussi réduite en une seule passe d'environ 20 à 70 %. Le produit est alors traité thermiquement à 3700C environ afin que lesoperations de recuit et de diffusion aient lieu comme indiqué précedemment. Dans une troisième variante, une ou deux feuilles d'aluminium sont nettoyées mécaniquement, chauffées entre 150 et 4250C puis mises au contact d'une ou deux faces d'une feuille de cuivre à température ambiante, avant réduction d'épaisseur au cours d'une ou deux étapes de réduction comme indiqué précédemment. La matière composite préalablement formée par l'aluminium et le cuivre peut subir un traitement thermique le cas échéant, accroissant la résistance mécanique de l'assemblage. Cette âme ou revêtement est alors placé entre des feuilles d'acier inoxydable, son épaisseur est réduite par laminage, et l'ensemble subit un recuit suivant les procédés indiqués précédemment. Une quatrième variante comprend la réalisation d'un plaquage d'aluminium préalablement formé sur une ou deux faces de cuivre, par assemblage à froid ou à chaud comme indiqué suivant la première variante, et l'assemblageàfroid de l'élément préalablement formé par l'aluminium et le cuivre, sur une ou deux faces, avec de l'acier inoxydable, est réalisé par une opération de réduction importante d'épaisseur entre 30 et 70 % en une seule ou deux passes. La matière composite résultante formée d'acier inoxydable, de cuivre et d'aluminium subit alors un traitement thermique comme décrit pour la première variante. Dans une cinquième variante, tous les organes utilises, c'est-à-dire le cuivre, l'aluminium et l'acier inoxydable, dans la matière composite, sont de préférence nettoyés et préparés sur leur surface exposée par meulage qui retire tous les oxydes mais cette opération peut être éliminée pour l'acier inoxydable. Les différâtes pièces sont chauffées séparément et sont associées avant chauffage puis portées à une température de l'ordre de 150 à 4250C avant réduction d'épaisseur de 20 à 70 % en une seule-passe ou réduction de 5 % environ au maximum dans une première cage puis réduction de 10 à 25 % dans une seconde cage, avant réchauffage entre 315 et 4250C (de préférence à 3700C) de manière que la diffusion puisse se manifester entre les couches adjacentes de métal. La diffusion provoque une augmentation de la résistance mécanique de la liaison entre les trois métaux dissemblables. On consid#maintenant des exemples de procédé et de produit selon l'invention1 donnés à titre purement illustratif. EXEMPLE 1 On nettoie par abrasion une feuille de cuivre de 0,25 ma d'épaisseur, avec une brosse métallique, et on la place entre deux feuilles d'aluminium de type 1100 de 1,91 mm d'épaisseur chacune, qui sont elles-mêmes nettoyées par abrasion de manière analogue. Le cuivre et l'aluminium subissent alors une réduction d'épaisseur d'environ 50 à 65 % afin qu'ils soient liés. L'élément préformé de 1,27 mm d'épaisseur de cuivre plaqué d'aluminium est alors nettoyé par abrasion à la surface d'aluminium puis placé au contact de deux feuilles d'acier inoxydable 304 de 0,25 mm d'épaisseur, l'acier inoxydable étant placé contre les surfaces nettoyées d'aluminium.L'ensemble des métaux est chauffé à 3700C, et passe dans un laminoir qui réduit l'épaisseur à 1,65 mm puis dans un second laminoir qui réduit l'épaisseur à 1,27 mm. Le produit résultant est alors réchauffé à 3700C pendant un temps qui suffit à la diffusion entre les couches métalliques adjacentes, sur toutes les interfaces. Le produit final recuit subit alors un emboutissage profond sous forme de récipients de cuisson, par exemple de casseroles et de poêles à frire de 3 1. Lorsque l'une des surfaces doit être formée d'acier inoxydable et l'autre de cuivre, l'élément préformé comporte une matière à base d'aluminium plaqué de cuivre, traité suivant les procédés indiqués précédemment. EXEMPLE 2 On nettoie par abrasion une feuille de cuivre de 0,25 mm d'épaisseur et on la place entre deux feuilles nettoyées par abrasion de 3,18 mm d'épaisseur, d'aluminium de type "Alelad" 3003. Les métaux sont chauffés à 2320C puis subissent une première passe de laminage avec une réduction d'environ 2 %,puis une passe finale à 2,79 mm environ d'épaisseur. Le produit laminé est réchauffé à 3700C si bien que la diffusion peut avoir lieu entre les couches métalliques. Le produit final est découpé en flans qui subissent un emboutissage profond sous forme de rotissoiresde 5 1. Lorsqu'une des surfaces doit être formée d'acier inoxydable et l'autre d'aluminium du de cuivre, on peut suivre les procédés indiqués précédemment. EXEMPLE 3 On nettoie par abrasion une feuille de cuivre de 0,25 mm d'épaisseur, avec une brosse métallique, et on la place entre deux feuilles d'aluminium de type 1100 de 1,91 mm d'épaisseur chacune, et on nettoie par abrasion de manière analogue. On nettoie alors par abrasion deux feuilles d'acier inoxydable type 304 de 0,25 mm d'épaisseur et on les place des deux côtés des feuilles d'aluminium. On chauffe l'ensemble à 3700C et on le fait passer dans un laminoir qui réduit l'épaisseur à 3,05 mm. On réchauffe alors le produit à 3700C pendant un temps suffisant pour que la diffusion s'effectue aux interfaces des couches métalliques adjacentes. Le produit final recuit subit alors un emboutissage profond sous forme de récipients de cuisson, par exemple de casseroles et de poêles à frire de 3 1. On constate que le produit préparé selon l'invention peut être utilisé dans le domaine des récipients de cuisson de diverses manières et en diverses combinaisons. Par exemple, on peut utiliser une matière à cinq couches comprenant une âme de cuiveplaquée des deux côtés par de l'aluminium revêtu à son tour des deux côtés d'acier inoxydable pour la formation de récipients de cuisson qui ont les caractéristiques souhaitables de l'acier inoxydable sur les surfaces exposées mais qui donnent une transmission uniforme de chaleur que ne donnent pas les matières connues. Une matière à quatre couches ayant une âme de cuivre revêtue des deux côtés d'aluminium et ayant une couche externe d'acier inoxydable donne tout à fait satisfaction pour la realisation de récipients de cuisson qui doivent être émaillés ou revêtus après formation à la surface d'aluminium exposée ou quidoimtetre utilisés comme disques fixés sous des ustensiles formés de façon classique à partir d'un métal plein ou plaqué. Là encore, on obtient une excellente transmission de la chaleur. Enfin, on peut préparer une matière à trois couches par les procédés indiqués, avec une couche de cuivre revêtue sur une face d'une âme d'aluminium et ayartune couche d'acier inoxydable fixée à la face d'aluminium, l'ensemble formant un produit qui peut constituer des ustensiles de cuisson ayant une surface externe de cuivre donnant un aspect décoratif et facilitant la transmission de chaleur, l'autre face externe étant formée d'acier inoxydable, l'âme étant constituée d'aluminium. On a décrit la composition des produits selon llin- vention essentiellement pour les ustensiles de cuisson car il s'agit du domaine qui utilise des plus grandes quantités de tels métaux, mais la composition décrite peut aussi être utilisée dans des applications industrielles très diverses dans lesquelles la transmission de chaleur est importante et dans lesquelles la -résistance à la coloration, à l'oxydation, etc., sont souhaitables. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Produit métallique plaqué, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement une âme formée par un organe choisi dans le groupe qui comprend le cuivre et les alliages de cuivre, et au moins une couche d'un organe choisi dans le groupe qui comprend l'aluminium et les alliages d'aluminium, l'âme formant la plus grande partie de l'épaisseur de la matière composite formée, et au moins une couche externe de placage formée d'acier inoxydable fixee à l'aluminium à la face opposée a celle qui est fixée au cuivre ou à l'alliage de cuivre, le produit étant formé par nettoyage mécanique des surfaces de contact du cuivre et de l'alliage d'aluminium au moins, par assemblage des feuilles sous pression suffisante pour que l'épaisseur totale des feuilles soit réduite d'une valeur com priseentre environ 20 et 70 %, etparrelaxation des contraintes des feuilles assemblées à une température comprise entre environ 315 et 4250C, afin que les-métaux diffusent entre les feuilles 2. Produit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une couche d'aluminium sur chaque face du cuivre, et une couche externe de placaged'acier inoxydable sur 1'une des couches d'aluminium. 3. Produit selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'âme est formée par une couche de cuivre ayant des couches d'aluminium sur les deux faces, et l'âme est plaquée, sur ses deux faces, par une couche d'acier inoxydable.