Brevet FR2500335A1 — publié le 19820827

La présente invention concerne un procédé pour isoler des matières métalliques chauffées. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé pour isoler des matières métalliques que l'on chauffe pour le travail à chaud. Dans le travail à chaud d'une matière métallique, par exemple l'acier, il se produit un dégagement spontané de chaleur par la matière métallique chaude même pendant le travail, ce qui provoque un refroidissement de la matière métallique. Ceci accroît la tension de déformation de la matière métallique et rend le travail peu à peu plus difficile. A ce moment, il est donc nécessaire de réchauffer la matière. Comme la perte d'énergie pendant le chauffage et le travail répétés est importante, il est souhaitable du point de vue de l'économie d'énergie d'éviter le dégagement de chaleur pendant le travail de façon a accroître la quantité de travail que l'on peut effectuer avec un seul chauffage. Dans le cas des matières qui se transforment en des- sous de la température à laquelle on effectue le travail à chaud, telles que l'austénite, lorsque le nombre des chauffages répétés augmente, il se produit une croissance des grains réduisant la qua- lité du métal. Il est donc également nécessaire pour garantir la qualité de réduire au minimum le nombre des chauffages répétés en évitant le dégagement de chaleur lors du travail à chaud. De plus, lorsque la vitesse de refroidissement est élevée, la baisse de température sur les bords de la matière métal- lique est plus rapide que dans les autres régions. Ceci provoque une diminution rapide de la ductilité et par conséquent facilite la for- mation de défauts tels que des criques et des amorces de criques pen- dant le travail. On connaît diverses tentatives pour limiter le dégage- ment de chaleur lors du travail à chaud, y compris un procédé dans lequel on emploie une enveloppe isolante faisant partie de l'appa- reillage utilisé dans le travail à chaud et un procédé dans lequel on place directement une enveloppe isolante sur une matière métal- lique chaude à travailler (ce procédé est décrit dans la demande de brevet japonais publiée non examinée n 947f5/1980). Cependant l'enveloppe isolante utilisée dans le premier procédé n'a qu'un faible effet isolant. Le second procédé a pour inconvénients qu'il est nécessaire de préparer de nombreuses enveloppes isolantes diffé- rentes selon la forme de la matière métallique à travailler et que ces enveloppes isolantes gênent le àradal à chaud de la matière. Un des objets de lS'invention est un procédé pour isoler de façon efficace une matimre métailique chaude, ne presen- tant pas les inconvénients précitds de l'art antérieur. La présente invention concerne un procêd pour 1so- ler une matière métallique chaude que i'on chauffe pour la travailler à chaud, ce procédé consistant à appliquer un mélange de 10 à 75à en poids (ci-après tous les pourcentages (t) sont exprimas en poids) de phosphate acidle d'aluminium, 5 A 70% d'une poudre d'oxyde, hydroxyde, silicate ou carbonate de mtael polyvaleunt et 20 à 80% d'eau sur la surface de la matière métallique;haude et à laisser la chaleur de la matière métailique chaude chauffer le mélange pour le transformer en une matitre durcie poreuse pour que la surface de la macière métallique chaude soit recouverte d'un rev-tement isolant. Le procédé d'isolement selon l1 inver san diffère com- plètement des procédés classiques prcdeédement décrits en ce qu'un revêtement isolant est appliqué directement a la surface d'une matière métallique chaude juste avant son travail. De plus, ce pro- cédé est remarquable par la façon dont on forme le revêtement isolant. Le procédé de l'invention va maintenant être décrit en détail. Le terme "phosphate acide d'aluminium' désigne ici les sels solubles dans l'eau et acides de l'aluminium et d'acides phos- phoriques ayant un nombre d'oxydation de 5, par exemple l'acide ortho- phosphorique, l'acide métaphosphorique et l'acide polyphosphorique, c'est-à-dire les sels d'aluminium portant encore un atome d'hydro- gène de tels acides phosphoriques pouvant être substitué. Il est facile de se procurer les sels acides d'alumi- nium de l'acide orthophosphorique et de plus ils produisent de bons résultats. En particulier, on préfère les sels acides ayant un rapport molaire de Al 203/P 05 de 0,3/1 à 0,5/1 (ci-après tous les rapports de A1203/P205 sont des rapports molaires). Lorsque le rapport molaire Al 203/P?5 est inférieur à 0,3/1, la réaction entre le phosphate acide d'aluminium et la poudre de composé de métal polyvalent sur les matières métalliques chauffées est trop rapide et par conséquent tend à se produire irré- gulièrement. Donc on ne peut pas obtenir un élément isolant constitué d'une matière cellulaire uniforme et uni fortement à la matière métal- lique. Au contraire, lorsque le rapport molaire de A 203 /P205 est supérieur à 0,5/1, la réactivité du phosphate acide d'aluminium, avec la poudre de composé de métal polyvalent est mauvaise et par consé- quent on obtient un revêtement isolant ayant des propriétés isolantes et une force d'adhésion insuffisantes. On peut citer comme exemples d'oxydes, hydroxydes, silicates et carbonates de métaux polyvalents que l'on peut utiliser en combinaison avec le phosphate acide d'aluminium, les oxydes, hydroxydes, silicates et carbonates de zinc, magnésium, aluminium, béryllium, titane, baryum, calcium, étain, cuivre, cadmium, nickel, plomb, fer et zirconium. Donc des poudres composées d'un ou plusieurs de ces oxydes, hydroxydes, silicates et carbonates de métaux poly- valents ou des minerais en poudre constitués principalement (à 50% ou plus) d'un ou plusieurs de ces oxydes, hydroxydes, silicates et carbonates de métaux multivalents peuvent être utilisés dans l'in- vention. On préfère particulièrement les poudres d'oxyde d'aluminium, d'hydroxyde d'aluminium, de silicate de calcium, d'oxyde de zinc, d'oxyde de titane, de silice, de mulite, de kaolin, de bentonite, de wollastonite, de talc, de calcaire et de dolomite. De préférence, la taille des grains de la poudre est comprise entre environ 0,1 ?m et environ 10 ym. On peut ajouter des matières auxiliaires inertes au phosphate acide d'aluminium et à la poudre de composé de métal poly- valent. Des exemples de telles matières auxiliaires inertes com- prennent des matières minérales capables d'expansion par chauffage, par exemple la perlite, la vermiculite, le graphite expansible, des matières de renforcement fibreuses, par exemple des trichites de titanatede potassiumetdes fibres céramiques fines ainsi que des colorants pour la coloration. De plus, on peut ajouter en petite quantité, en particulier 10% ou moins, du phosphate de sodium, de l'acide borique, de l'acide citrique et de l'acide oxalique, car ils ont pour effet de stabiliser l'expansion. On applique un mélange de 10 à 75% du phosphate acide d'aluminium, 5 à 70% de la poudre de composé de métal polyvalent et à 80% d'eau (le phosphate d'aluminium est dissous dans l'eau) sur une épaisseur uniforme d'environ 1 à 3 mm selon des techniques telles que la pulvérisation, le trempé et l'enduction au rouleau, sur la surface des matières métalliques que l'on doit chauffer pour les travailler à chaud. Lorsque le mélange vient en contact avec les matières métalliques chaudes et qu'il est chauffé par elles, la réaction démarre immédiatement. A ce moment il semble qu'une partie de l'eau participe à la réaction. Lorsque la réaction progresse, l'eau s'évapore et lorsque des matières auxiliaires capables d'expansion à chaud, par exemple de la perlite, sont combinées, il se produit une expansion simultanée. Ceci provoque la formation d'une matière cellu- laire très-visqueuse et finalement d'une couche de revêtement poreuse et durcie composée principalement de phosphate à la surface de la matière métallique chaude. Ce n'est que pour le rapport de mélange précédemment décrit du phosphate acide d'aluminium, du composé de métal polyva- lent et de l'eau qu'il se forme facilement une couche de revêtement dure comme précédemment décrit, suffisamment poreuse, bien unie aux matières métalliques chaudes et robuste. Cependant, comme le rapport optimal de mélange varie selon la nature des matières utilisées, il est souhaitable de le déterminer expérimentalement. La couche de revêtement poreux formée sur la surface de la matière métallique chaude n'est pas sujette au retrait, à un délaminage provoqué par une altération des propriétés physiques, etc. au cours du temps, bien que sa température présente une légère varia- tion. Donc la couche de revêtement poreux présente d'excellentes propriétés isolantes pendant le travail à chaud des matières métal- liques. La couche de revêtement poreux formée selon le procédé de l'invention empêche une baisse importante de la température d'un acier par suite du dégagement de chaleur, non seulement avant le travail à chaud, mais également pendant le travail à chaud, car elle continue à conserver son pouvoir isolant bien qu'elle soit aplatie par le travail à chaud. En plus des avantages précédemment décrits, le procédé de l'invention présente les avantages suivants: (1) il n'est pas limité par la taille et la forme de la matière métal- lique, (2) comme il se forme une couche de revêtement en contact étroit avec la matière métallique, l'effet d'isolation thermique est très important, (3) la couche de revêtement ne gêne pas le travail à chaud et il n'est pas nécessaire de modifier l'appareillage existant. Donc dans le travail à chaud des matières métalliques le procédé de l'invention assure une économie d'énergie, une diminu- tion du nombre des stades, réduit le temps nécessaire au travail et accroit la qualité des produits travaillés à chaud. L'invention est illustrée par les exemples non limi- tatifs suivants. Exemple 1 On chauffe à 1 250C dans un four, une pièce en acier au carbone ayant un diamètre de 600 mm et une longueur de 3 000 mm et on l'en retire. On pulvérise immédiatement sur la pièce en acier au carbone chaude à raison d'environ 3 kg/m avec un pistolet de pulvé- risation, un mélange de 35% d'hydrogéno-orthophosphate d'aluminium (Al 203/P 205 = 0,33), 5% de poudre d'oxyde d'aluminium (taille moyenne des grains 2,5 pm), 8% de poudre de silice superfine (taille moyenne des grains 0,2 Pm), 2% de vermiculite non calcinée (taille moyenne des grains 0,3 mm), 5% de fibres de titanate de potassium, 0,5% d'oxyde de titane et 45,5% d'eau. Le mélange ainsi pulvérisé sur la pièce d'acier au carbone chaude s'expanse et en une minute durcit pour former une couche de revêtement poreux ayant une épaisseur d'en- viron 10 mm. On laisse refroidir pendant une heure la pièce d'acier au carbone portant la couche de revêtement poreux. A la fin de cette période, la température de la pièce en acier au carbone déterminée mm en dessous de sa surface est de 980C. A titre comparatif, on laisse refroidir dans les mêmes conditions que cidessus, sans application du traitement isolant, une pièce en acier au carbone semblable chauffée à 1 250C. La température de la pièce en acier au carbone, 20 mm en dessous de la surface, est de 790'C. Z500335 On chauffe une pièce en acier au carbone semblable à celle utilisée ci-dessus a 1 250 C puis on lui applique le même trai- tment isolant que ci-dessus. On soumet immédiatement la pièce en acier au carbone traitée à un allongement par forgeage de 50 mm: on fait passer le diamètre de la pièce en acier au carbone de 600 mm à 500 mm. La couche de revêtement n'est pas séparée, bien qu'elle soit aplatie et par conséquent on peut poursuivre le travail d chaud en conservant l'isolation. Exemple 2 Orn chauffe à 1 100 C dans un four une pièce d'acier inoxydable SUS 304 (450 mm x 450 mm x 5 000 mn) et on l'en retire. On rev&t immddiatement la pièce d'acier inoxydable chaud, à raison de 2,5 kg/m avec un enducteur à rouleau, d'un mélange de 35% d'hydro- gêno-orthophosphate d'aluminium (A 1203/P05 0,45), 6% de poudre d'hydroxyde d'aluminium (taille moyenne des grains: 1,4 pm), 30% de poudre superfine de mulite (taille moyenne des grains: 0,3 Pm), 4% de graphite capable d'expansion par chauffage (taille moyenne des grains: 0, 2 mm), 1% d'acide oxalique, 1% de blanc de zinc et 25% d'eau. Le mélange ainsi appliqué sur la pièce d'acier inoxy- dable chaud s'expanse et en une minute durcit pour former une couche de revêtement poreux ayant une épaisseur d'environ 12 am. On laisse refroidir pendant une heure la pièce d'acier inoxydable chaud portant la couche de revêtement poreux. A la fin de cette période, la cempé- rature de la pièce d'acier inoxydable, mesurée 20 mm en dessous de la surface, est de 925 C. A titre comparatif, on chauffe à 1 00OC une pièce d'acier inoxydable semblable et on la laisse refroidir dans les manes conditions que cidessus sans application du traitement isolant. La température de la pièce d'acier inoxydable, 20 mm en dessous de la surface, est de 720 C. On chauffe à 1 100 C une pièce d'acier inoxydable semblable à celle utilisée ci-dessus puis on lui applique le même traitement isolant que cidessus. On soumet immédiatement la pièce d'acier inoxydable ainsi traitée à un allongement par forgeage de mm, c'est-à-dire que l'on fait passer l'épaisseur de la pièce d'acier inoxydable de 450 mm A 400 mm. La couche de revêtement ne se sépare pas, bien qu'elle soit aplatie, et on peut donc poursuivre le travail à chaud en conservant l'isolation. Bien entendu diverses modifications peuvent être appor- tées par l'homme de l'art aux dispositifsou 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 0 N S 1 - Procédé pour isoler une matière métallique chauf- fée, caractérisée en ce qu'il consiste à appliquer un mélange de à 75% en poids de phosphate acide d'aluminium, 5 à 70% en poids d'une poudre d'oxyde, hydroxyde, silicate ou carbonate de métal polyvalent et 20 à 80% en poids d'eau sur la surface de la matière métallique chauffée et à laisser la chaleur de la matière métallique chauffée chauffer le mélange pour le transformer en une matière durcie poreuse pour former une couche de revêtement isolant sur la surface de la matière métallique chauffée. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le phosphate acide d'aluminium est un hydrogéno-orthophos- phate d'aluminium ayant un rapport molaire de A1203/P205 de 0,3/1 à 0,5/1. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit mélange comprend de plus une matière minérale inerte capable d'expansion par chauffage choisie parmi la perlite, la vermiculite, le graphite expansible, les matières fibreuses de renforcement et leurs combinaisons. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit mélange comprend de plus un agent de stabilisation du moussage choisi parmi le phosphate de sodium, l'acide borique, l'acide citrique, l'acide oxalique et leurs com- binaisons. 5 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit mélange comprend de plus un agent de stabilisation du moussage choisi parmi le phosphate de sodium, l'acide borique, l'acide citrique, l'acide oxalique et leurs combinaisons. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite poudre est choisie parmi l'oxyde d'aluminium, l'hydroxyde d'aluminium, le silicate de calcium, l'oxyde de zinc, l'oxyde de titane, la silice, la mulite, le kaolin, la bentonite, le talc, le calcaire, la dolomite et leurs combinaisons. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la taille des grains de ladite poudre de composé de métal polyvalent est comprise entre environ O,lm et environ lOm.