Brevet FR2410272A1 — publié le 19790622

La présente invention concerne un procédé pour la mesure de la courbe de refroidissement d'un échantillon de métal ou d'alliage, particulièrement de fonte ou d'acier moulé, pour permettre l'analyse thermique différentielle, où on forme la difference entre la courbe de refroidissement de l'échantillon et une courbe de comparaison satisfaisant à la loi newt,onienne de refroidissement, bien définie, (U = UO x e t/RCavec les paramètres UO comme valeur maxima a t = O et RC comme constante de temps), courbe de comparaison que l'on amene en coincidence avec une portion de la courbe de refroidissement de l'échantil lon en réglant ces paramètres, de façon à pouvoir alors former la différence entre la courbe de comparaison, une fois réglée, et la courbe de refroidissement. On utilise l'analyse thermique différentielle pour pouvoir tirer des conclusions sur la composition des matériaux, en particulier également des -métaux et des alliages. Cette analyse fournit, en comparaison de l'analyse thermique normale (établissement des courbes temps-température > des données essentiellement plus vastes et plus précises au sujet de la composition de phase du matériau étudié. Le procédé lui-meme se met en oeuvre par mesure exécutée en laboratoire sur des échantillons d'une masse de quelques microgrammes jusqu't maximum 10 grammes.Avec les appareils existant dans le commerce pour analyse thermique différentielle, il n'est pas possible d'exécuter l'analyse thermique différentielle sur des échantillons d'une masse supérieure a 10 grammes, que l'on doit, en règle générale, employer pour un contrôle rapide en exploitation des métaux en fusion. De même, l'analyse thermique différen tielle classique, par suite de la limitation de masse mentionn8e, ne peut fournir aucune indication concernant le comportement a la solidification et la composition de phase des pièces moulées réelles. Dans un autre procédé connu, mais non utilisé de l'analyse thermique différentielle, on compare la courbe de refroidissement de l'échantillon avec la courbe faisant partie d'un faisceau de courbes déterminées et satisfaisant & la loi de refroidissement newtionienne U = UO x e -t/RC oQ UO correspond a la valeur maxima de la température à l'instant t = O et RC est la constante de temps de la courbe.Les courbes ainsi déterminées sont obtenues de façon empirique, selon les circonstances, sous prise en considération de tous les facteurs d'influence (modification des constantes concernant le matériau et des conditions de transfert thermique pendant le refroidissement de l'échantillon examiné) et sont mémorisées dans un calculateur, d'où on peut les extraire chaque fois selon la courbe de refroidissement attendue de l'échantillon a étudier, en particulier en fonte ou en acier. Dans un procédé de ce type d'analyse thermique différentielle, en règle générale, aucune courbe du faisceau de courbes ne recouvre parfaitement la courbe de refroidissement de l'échantillon en phase liquide De ce fait, ce procédé, pour les métaux et les alliages métalliques, particulièrement la fonte et l'acier, est par lui-même encore trop imprécis lorsqu' on interpole entre les courbes dont on dispose, pour obtenir un meilleur ajustement à la courbe de refroidissement de l'échantillon. Dans un autre procédé connu, on utilise comme courbe de comparaison une relation supposée entre la première et la dernière ( la fin du processus) transformations,caractérisées par les effets thermiques, de l'échantillon à examiner. Tous les résultats obtenus sur la base d'une telle courbe arbitraire sont entachés d'erreurs systématiques. Dans un procédé connu du type mentionné au début, la courbe de refroidissement est mesurée sur un échantillon solide avec un thermocouple. Mais la courbe de refroidissement d'un échantillon solide ne montre pas d'effets thermiques caractEris- tiques. Pour compenser ce désavantage, on a essayé d'élever la vitesse de refroidissement. Mais l'élévation de la vitesse de refroidissement amène alors d'autres difficultés pour l'ajustement de la courbe de comparaison.-L'information obtenue par ces procédés est également faussée par l'emploi du thermocouple comme organe de mesure. Les thermocouples ne peuvent en effet tracer la courbe de refroidissement de I'échantillon que de façon erronée, par suite d'influences auxiliaires gênantes. L'invention a donc pour objet de créer un procédé du type mentionné au début et un dispositif approprié à l'exécution de ce procédé, procédé et dispositif qui soient simples d'emploi et qui donnent des valeurs différentielles plus précises que les procédés et les dispositifs connus. Cet objet est atteint, selon l'invention, par le moyen qu' on mesure, en utilisant un récipient pour le métal en fusion, la courbe de refroidissement de l'échantillon en fusion sur la couche limite métal/récipient et que l'on utilise ces valeurs de mesure pour ajuster les paramètres de la courbe de comparaison. Avec le procédé selon l'invention on obtient des valeurs différentielles très précises, parce que les effets thermiques sont le moins fausses, avant tout, dans la zone de la courbe correspondant à la fusion, sur la couche limite métal/ récipient. On peut encore améliorer davantage la precision de la courbe de comparaison à ajuster du fait que les valeurs différentielles obtenues sont traitées par différence. Un dispositif pour l'exécution du procédé comprend un thermomètre et un comparateur qui indiquent l'écart de la courbe de refroidissement de l'échantillon par rapport à une courbe de comparaison bien définie, obtenues à partir d'un émetteur de signaux travaillant selon la loi newt.-onienne de refroidis se- ment (U = Uo x e -t/RC avec les paramètres Ug comme valeur maxima à l'instant t = O et RC comme constante de temps), émetteur auquel correspond un dispositif d'ajustement qui, sous prise en considération des paramètres définissant la courbe de refroidissement de l'échantillon sur une portion de courbe, ajuste les paramètres UO, RC correspondants de la courbe de comparaison fournie par l'émetteur de telle sorte que les deux sections de courbe se recourent et (dispositif d'ajustement) qui se caractérisent par le moyen que l'organe de mesure du thermomètre est un conducteur optique qui se raccorde par sa face de front a la face interne du volume creux d'une coquille de coulée de l'échantillon en fusion. De preférence, l'appareil de comparaison de l'écart des deux courbes est conçu sous forme d'un élément de sommation. On peut de plus disposer à la suite de cet élément de sommation un appareil de différeniation. Selon une autre caractéristique de l'invention, on peut disposer entre le conducteur optique et la coquille de coulée, une colle élastique. Cette colle doit d'un c8té opposer à la pression ferrostatique une résistance suffisante pour empêcher un décollement du conducteur optique et d'un autre ctX ne doit pas interdire le déplacement de ce conducteur optique en fonction du retrait du métal lors de la solidification et du refroidissement. On a constaté en fait que la face de front du conducteur optique adhère a la surface du bloc de métal solidifié, très probablement par suite de la formation précoce d'une étroite bavure métallique à la surface limite conducteur optique/coquille de coulée, bavure qui vient saisir le conducteur optique lors du retrait et lui communique les déplacements de la paroi métallique. Selon une autre caractéristique, le conducteur optique, pour des températures supérieures à 5000C est en quartz optique D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - La figure 1 représente un diagramme par blocs du dispositif pour exécution de l'analyse thermique et - La figure 2 représente le dispositif selon la figure 1, ainsi cru'un organe de mesure conçu comme conducteur optique. Un convertisseur de mesure 1 transforme la température Tp de l'échantillon donnée par une sonde thermométrique en une tension proportionnelle Up. Cette tension Up parvient, par l'intermédiaire d'un contacteur fermé 2, à un élément de sommation 3, auquel on amène, pour formation d'une différence, le signal de sortie UO x e t/RC fourni par un dispositif de régulation 4, de sorte que le dispositif de régulation 4 reçoit comme signal d'entrée la différence entre les deux signaux indiqués. Le dispositif de régulation comprend un émetteur de signaux qui fournit le signal de sortie U = UO x e t/RC et un dispositif d'ajustement qui ajuste les paramètres UO et RC de l'émetteur de signaux. Si, à l'instant t = O, le signal de sortie U du dispositif de régulation 4 s'écarte du signal Up correspondant la température T p de l'échantillon, ce qui se détermine dans l'élément de sommation 3, alors le dispositif de régulation reçoit un signal d'entrée qui s'écarte de zéro et ajuste, par 1'intermédiaire du dispositif d'ajustement, l'émetteur de signaux, de sorte que le signal de sortie devient U = Up = UO Immédiatement après cet ajustement, on commute le contacteur 2, de sorte que l'élément de sommation 3 reçoit & ses deux entres le signal de sortie du dispositif de régulation 4. Dans le dé roulement ultérieur le signal de sortie suit alors la loi U = UO x e t/RC Pour pouvoir maintenant ajuster également le deuxième paramètre RC (constante de temps) de l'émetteur de signaux aux fins d'une adaptation à la courbe de refroidissement de l'echan- tillon, on remet en circuit le contacteur 2 a l'instant t = tl. Cet instant tl doit de préférence se trouver en phase liquide de l'échantillon. Dans la mesure où on détermine à cet instant un écart entre le signal de sortie du dispositif de régulation 4 et le signal Up de l'élément de sommation 3, une adaptation de la constante de temps RC se fait par l'intermédiaire du dispositif d'ajustement, sous prise en considération de la valeur précédemment définie UO de sorte qu'à l'instant tl également le signal de sortie du dispositif de régulation 4 coïncide avec le signal Up de la température de l'échantillon. Après cet ajustement, le contacteur 2 est à nouveau commuté, de sorte que l'élément de sommation reçoit à nouveau à ses deux entrées le signal de sortie provenant du dispositif de régulation 4.En l'absence d'un écart, le dispositif de régulation fournit, pour la suite de l'établissement de la courbe, un signal de sortie qui satisfait à la loi de refroidissement UO x e -t/RC L'ajustement des constantes de temps RC se fait sur la résistance R, avec la plus grande capacité possible du condensateur. On obtient de ce fait une plage importante d'ajustement. Le signal de sortie provenant du dispositif de régulation 4 et formé de cette façon pour la courbe de comparaison est comparé, dans un autre élément de sommation 5, au signal Up correspondant à la température Tp de l'échantillon, aux fins de formation d'une différence. Le tracé, en fonction du temps, du signal différentiel constitue la courbe d'analyse thermique différentielle. Pour élever la précision, le signal différentiel est amené de préférence à un élément de différenciation 6, qui fournit la courbe d'analyse thermique différentielle souhaitée (courbe d'analyse thermique différentielle dérivée). Avec le dispositif selon l'invention, il est naturellement possible non seulement de procéder à un ajustement du signal de sortie du dispositif de régulation 4 pour la courbe de refroidissement de l'échantillon en phase liquide, mais également en phase solide. L'invention permet donc d'obtenir, pour chaque phase de la courbe de refroidissement, la courbe de comparaison, ce qui donne les valeurs de différence et les valeurs diffé- rentielles les plus précises possible. De préférence, le dispositif décrit s'emploie avec un conducteur optique représenté sur la figure 2. Le métal 8 qui se trouve dans la coquille 7 vient au contact de la face de front 9a du conducteur optique 9 exécute en quartz optique et traité en miroir et transmet son rayonnement, par l'intermédiaire de ce conducteur optique 9 et d'un autre conducteur optique 10 en fibre optique souple, à un pyromètre à rayonnement infrarouge il. De là, le traitement ultérieur des valeurs de mesure obtenues se fait par l'intermédiaire du convertisseur de mesure l et du dispositif d'analyse thermique différentielle 2 à 5 et de l'élément de diffdrentiation 6, comme déjà décrit en relation avec la figure l. La courbe d'analyse thermique différentielle dérivée obtenue de cette façon est enregistrée, en meme temps que la courbe de refroidissement normale, au moyen d'un enregistreur à canaux multiples tde préférence un oscillographe optique) 12. La coquille de coulée 7 est rendue étanche, à la sortie du conducteur optique 9, disposé en principe. avec possibilité de déplacement, à l'aide d'une colle élastique 13. L'avantage particulier du procédé selon l'invention et de l'utilisation du dispositif selon l'invention réside en ceci qu'il comporte les avantages de l'analyse thermique différentielle pour échantillons de plus de 10 grammes, pour atteindre l'ordre de grandeur de pièces moulées réelles et communique donc des informations significatives, qui servent à l'élaboration et à l'emploi des pièces moulées. I1 faut particulièrement mettre en évidence la mise en oeuvre du dispositif en liaison avec la mesure optique de la courbe de refroidissement de l'échantillon métallique à étudier. On a pu constater que les courbes de refroidissement tracées à partir de ce procédé optique suivent étroitement la loi newtzonienne de refroidissement dans les zones situées en dehors de la transformation de phase et représentent donc une base très- précise pour l'ajustement de la courbe de comparaison. Au total le procédé selon l'invention et le dispositif selon l'invention élèvent la précision de la mesure. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs et procédés qui viennent d'être décrits, uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS 1. Procédé pour la mesure de la courbe de refroidissement d'un échantillon de métal ou d'alliage métallique, particulièrement de fonte ou d'acier moulé, par analyse thermodifférentielle, où on forme la différence entre la courbe de refroidissement de l'échantillon et une courbe de comparaison satisfaisant à la loi newtonienne de refroidissement (U = UO x e t/RC avec les paramètres UO comme valeur maxima à l'instant t = 0 et RC comme constante de temps), courbe de comparaison que l'on amène, par ajustement de ces paramètres à coïncider avec une section de courbe de refroidissement de l'échantillon, de sorte que l'on peut alors former la différence entre la courbe de comparaison ainsi ajustée et la courbe de refroidissement, caractérisé en ce que, en employant un récipient pour métal en fusion, on mesure la courbe de refroidissement de l'échantillon en fusion à la couche limite métal/récipient et en ce que ces valeurs mesurées sont utilisées pour l'ajustement des paramètres de la courbe de comparaison. 2. Procédé selon la revendication l, caractéris8 en ce que, pour obtenir la courbe d'analyse thermique différentielle dérivée, on différencie les différences. 3. Dispositif pour la mesure de la courbe de refroidissement d'un échantillon en métal ou en alliage métallique, particulièrement en fonte ou en acier, comprenant un thermomètre et un comparateur, qui indique l'écart de la courbe de refroidissement de l'échantillon par rapport à une courbe de comparaison bien définie, courbe de comparaison qui est produite par un émetteur de signaux qui travaille selon la loi newtvonienne de refroidissement (U = UO x e t/RC avec les paramètres UO comme valeur maxima à l'instant t = O et RC comme constante de temps), émetteur auquel correspond un dispositif d'ajustement qui, sous prise en considération des paramètres définissant la courbe de refroidissement de l'échantillon sur une section de cette courbe, ajuste les paramètres correspondants UO RC de la courbe de comparaison pour la section de courbes correspondantes données par l'émetteur de signaux de telle sorte que les deux sections de courbes se recourbent, caractérisé en ce que l'or gane de mesure du thermomètre est un conducteur optique, qui est relié par sa face avant à la face interne du volume creux de la coquille de coulée ot se trouve l'échantillon en fusion. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'appareil de comparaison de l'écart des deux courbes est conçu comme élément de sommation. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, à la suite de cet élément de sommation, est disposé un élément de différenciation. s 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que entre le conducteur'optique et la coquille de coulée est disposée une colle élastique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le conducteur optique est entouré dans sa partie avant jusqu'à sa face de front d'une pièce qui fait partie de la coquille. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que le conducteur optique, pour des températures supérieures à 5000C est en quartz optique.