Brevet FR2458310A1 — publié le 19810102

GENERALITES t'e. Rappels sur la métallothermie La métallothermie est une application des principes de dpla- la- cement de l'oxygène d'un létal ode vers un métal plus avide d'oxygène. Le procédé, connu depuis fort longtemps, a été peu étudié, et bien souvent peu appliqué du fait du prix de revient des matières premières. On s'arrange pour que le métal réducteur possède un oxyde de faible densité, pouvant surnager pour servir de laitier, et ayant très peu d'affinité pour le metal réduit. La réaction est alors suffisamment exothermique pour que le métal obtenu soit liquide, de grande fluidité. Il peut donc etre coulé, moulé, être utilisé comme métal d'apport en soudure, en brasure en rechargement etc... La réaction elle-même produit une grande quantité de chaleur et le dosage précis des divers constituants du mélange initial permet de fournir la quantité nécessaire de calories demandées. Il est ainsi possible par ce procédé d'effectuer des réactions ci haute température dans un temps très court, qui a'avéreraient incomplètes à basse température. 20 - Mise en oeuvre et limites des procédés actuels Le mélange initial qui sert à réaliser une réaction est compose de poudres dont la dimension des grains varie de quelques di xièmes de millimètres à quelques millimètres. Le mélange doit être très intime.. L'utilisation de poudres présente de gros inconvénients. Les manipulations font bouger les grains l'un par rapport à l'autre. Il se produit à force une ségrégation dûe aux différences de -masse volumique. La réaction n'est plus identique en tous points du mélange. D'autre part une poudre prend la forme de son contenant, ce qui oblige son utilisation dans des récipients spéciaux généralement en matériaux réfractaires. Nous voyons immédiatement les difficultés entraînées par la mise en oeuvre de ce procédé, par les densités différentes des produits en présence et l'éloignement relatif des grains qui doivent entrer en réaction. Pour améliorer la fiabilité des réactions, la présente ipven- tion vise > rendre le u:ilnnnl mI d'énergie possible en rappro chant plus ou moins intimement les grains devant entrer en r act cn, tout en rendant l'ensemble parfaitetnent homogène et indéforìilabie . DESCRIPTION DU P R O C E D E En fonction des critères à obtenir (quantité et nature du métal, quantité de chaleur) des constituants initiaux, il est effectué un dosage précis des matières entrant en réaction-comme dans les procédés actuels. Après un mélange intime des poudres et granulés, on opère la formation d'un bloc solide par une opération de pastillage. Il est impératif lors de cette opération de veiller à ce que l'homogénéité du produit ne soit pas perturbéepar l'écoulement des grains de densité différente (dans le cas contraire, on procède tout simplement à un mélangeage dans le moule avant pastil lage). 1 Formage On peut ainsi obtenir des pastilles ou blocs de quelques millimètres à plusieurs dizaines de centimètres dans la configuration géomètrique voulue. L'agglomération peut se faire avec ou sans liant. On peut utiliser un procédé par pression continue en une seule opération, par compactage, par chocs répétés et successifs sur une face mobile du moule, par vibration dans un récipient aux formes voulues, ou par vibro-compactage. Certains cas de pièces en grandes séries permettent d'utiliser des machines à fabriquer des moules utilisés en fonderies, machines à souffler ou à tirer. 2 Liants Certains mélanges contenant un matériau particulièrement ductile l'aluminium, le magnésium, etc... peuvent être moulés sans liant, par pression directe. Les conditions opératoires sont telles qu'il faut rechercher un colslproulis entre la pression et la température rouir obtenir la pastille finale. Lorsqu'on utilise des liants, il y a lieu de rechercher des produits ne laissant pas de résidus miscibles dans le létal fondu, ou alors dans un taux acceptable. I1 est préférable de rechercher un liant dont le produit de décomposition dépend du ccefficient de partage, en fonction de la températul-e, entre le métal et le laitier. Enfin lorsque la réaction vise a produire de la chaleur le liant recherché peut participer à la réaction et produire par sa décomposition unc rouvelle quailtite ae chaleur. Les liants sont choisis de préférence en fonction de leur faible teneur ou absence de molécules d'cas (CH). Le liant a naturellement l'effet inverse désiré. de propagation rapide de la réaction et doit être utilisé dans le pourcentage le plus faible possible. Exemple : silicate concentré à moins de 35o'. Les liants sont incorporés soit sous forme liquide par mélange et séchage, soit sous forme solide par adjonction dans le mélange avant compression. 30 conséquences sur les réactions a) Effets de la compression Les blocs ou pastilles conformés peuvent être de densité apparente variable. Ainsi, si on veut obtenir une réaction très vive, une forte compression, éventuellement effectuée à chaleur modérée, entraînera une réaction à propagation très rapide libérant le maximum de chaleur par l'augtnentation de l'énergie interne du système. Les grains des différents constituants sont alors intimement imbriqués l'un dans vautre, ce qui augmente les surfaces de contact et limite la présence d'air ambiant facteur de ralentissement des réactions. Un excés de compression peut toutefois conduire à des réactions trop vives, voire explosives pour les raisons évoquées cidessus et il faudra alors incorporer des constituants neutres destinés à absorber une partie de l'énergie produite. A l'inverse, pour obtenir des réactions plus lentes et parfai teent controlées, on préférera une faible compression de quelques dizaines de grammes par centimètre carré - quelques kilos avec adjonction d'un liant pour conférer au pastilles une rigidité mécanique suffisante. b) Présence d'éléments d'addition La diminution des pertes de chaleur dans la réaction, permet un apport plus important de métaux d'addition ou une combinaison de differents oxydes en vue de la production directe d'un alliage homogène. Exemples : alliages de fer, nickel, cuivre, chrome etc... La très haute température atteinte permet d'obtenir des réacs tions complètes ou accélère les réactions lentes. On voit donc les grands intérêts de la présente invention de pouvoir garantir l'homogénéité de tous les produits de densité variable avant la réaction : certains produits légers comme la silice, la chaux, la magnésie, des produits désoxydants, désulfurants etc... qui ont tendance à s'éliminer immédiatement dans le laitier dans les procédés actuels, vont agir plus longuement sur les constituants de base en augmentant leurs propriètés respectives (désoxydation, décarburation etc...). c) Réactions avec des gaz Pour certaines applications où la présence de gaz dissous doit être controlée, la présentation sous forme de pastilles oublocs permet une insuflation d'un gaz déterminé à l'aide d'une ventouse juste avant la réaction. C'est ainsi que certaines sensibilisations des aciers aussi~ nitiques lors de soudage pourrait être évitées. Les réactions d'oxydo-réduction sur des poudres se font actuellement à l'air libre. Ceci implique constamment un équilibre renouvelé entre la pression partielle de l'oxygène de l'air et les produits d'oxygènation ou de réduction présents dans le bain. Or la thermodynamique des réactions montre que la tempe- rature de dissociation des oxydes varie en fonction de la pression partielle de l'oxygène de l'air. d) Réactions à basse pression D'autre part, une diminution de pression entraine une vaporisation des métaux autre température. On staperçoit donc du double intérêt de la méthode de réaction à faible pression ou sous vide que permet la présente invention : les poudres étalées ou dispersées conduisent en effet très mal la flamme et ne peuvent réagir quten présence de l'oxygène de l'air. Ce procédé de pastillage, eri réalisant un contact ilitimC entre les grains1 permet une réaction continue en l'absence d'oxygène. L'invention permet donc d'effectuer sous vide des affinages poussés, ou dans certains cas des métallisations. De plus l'absence des gaz habituellement présents permet d'éviter les grandes élévations de pressions, la seule pression existant étant celle des métaux en phase vapeur en équilibre avec leur phase liquide. e) Applications diverses du procéde D'autres applications de pastilles agglomérées peuvent être enfin envisagées pour des problèmes de réciiauffage ou de pr(- chauffage par la facilité de mise en oeuvre d'une forme géometrique adaptée, en comparaison des difficultés rencontrées à contenir un mélange de granulés ou de poudres. Les pastilles facilitent en outre le transport et suppriment toute ségrégation des produits entre la fabrication et l'utilisation. t V- E N D I C A T I C N S 10 - préparation de mélanges métallothermiques sous formes de pastilles, blocs, morceaux de formes géomètriques et dimensions quelconques, avec ou sans adjonction d'un liant selon les proprictés mécaniques désirées, par pression directe1 ou com pactage, ou ciiocs répétés sur une face du moule1 ou vibration, vibro-compactage, ou soufflage par air comprimé dans des machines à mouler. 20 - Diminution du volume occupé par les produits entrant en réactions métallothermiques selon la revendication 1. 30 - Contrôle de la rapidité des réactions de soudure selon application de la revendication 1 par modification de la pression d'agglomération du mélange. 4 - Elaboration directe de métaux et alliages selon les revendications i, 3, et 6 avec adJonction intime possible de produits favorisant les caractéristiques mécaniques tels : désulfuration désoxygènation etc... 50 - Contrôle des gaz en présence lors de la réaction par insuflation d'un gaz connu dans le mélange préparé selon la revendication i. 60 - Réaction sous vide ou à trés faible pression en vue d'obtention d'alliages spéciaux. 70 - Fabrication de mélanges de réchauffage ou pré chauffage selon la revendication i, en empochant notamment la ségrégation des éléments constitutifs de densités différentes.