Brevet FR2507933A1 — publié le 19821224

La presente invention concerne la métallurgie et a notamment pour objet un procédé d'obtention de lingots en alliages légers par coulée continue, ainsi que les lingots obtenus par ce procédé. L'invention peut etre appliquée avec succès à la coulée d'alliages légers destinés notamment à la fabrication de demi- produits par déformation, tels que, par exemple plaques, ébauches forgées, divers profilés, etc. Dans la fabrication des alliages légers, dont l'une des particularités distinctives est la haute activité chimique à 17 état liquide, une grande attention est accordée à l'élimination des inclusions non métalliques se trouvant dans l'alliage en fusion. Les prescriptions de pureté du métal en ce qui concerne l'hydrogène et, surtout, les inclusions non métalliques solides d'oxydes, deviennent de plus en plus sévères. Ainsi, dans une série de produits en alliages d'aluminium, tels que, par exemple, les feuilles d'aluminium pour la fabrication de condensateurs, la présence d'inclusions d'oxydes de plus de 10 A m est inadmissible. Or les lingots en alliages à haute résistance mécanique, de section moyenne ou, surtout, de grande section (par exemple d'un diamètre de 650 mm ou plus ou d'une section de 400 x 1200 mm ou plus), sont caractérisés par une structure flabellée à grains grossiers, une concentration accrue d'hydrogène et une certaine porosité, même en cas de coulée d'un métal traité sous vide. Les particularités de la formation de la structure des lingots de grandes dimensions et l'apparition de porosités lors de cette formation se traduisent par un abaissement de la plasticité du lingot et une augmentation de sa tendance à la fissuration lors de la coulée, ce qui limite les dimensions des lingots pouvant être obtenus par coulée et en abaisse la plasticité lors de leur usinage ultérieur par déformation. Toutes ces particularités technologiques de la coulée continue des alliages légers ont entraîné l'application industrielle sur une grande échelle du traitement aux ultrasons de l'alliage en fusion,visant à obtenir un raffinage efficace du métal et un affinement de la structure de la pièce coulée. On connaît un procédé de coulée continue de lingots en alliages légers (cf. certificat d'auteur d'invention URSS nO 353 790, cl. B 06 b, publié en 1972) par admission de l'alliage en fusion et action d'ultrasons sur l'alliage en fusion à l'aide d'au moins un émetteur pour son raffinage et l'affinement de la structure du lingot en cours de solidification, avec extraction simultanée du lingot. Dans ce procédé, la coulée est réalisée à grande vitesse (par exemple 30 cm/mn), et le traitement de l'alliage en fusion aux ultrasons est de courte durée, ce qui permet d'obtenir des lingots de petites sections. Mais quand il s'agit de lingots de sections moyennes et fortes, l'application du procédé connu est limitée par le fait que la vitesse de coulée est réduite (jusqu'à 1-2 cm/mn) et que la durée du traitement est par conséquent plus grande, ce qui entraîne une surchauffe notable du bain de fusion et provoque la sortie de la partie liquide du lingot en cours de solidification au-delà des limites de la lingotière. En outre, quand les lingots à obtenir par ce procédé de coulée sont de grandes dimensions, l'uniformité de l'affinement de la structure en souffre. De plus, dans le procédé considéré, l'action des ultrasons est exercée pendant un court laps de temps sur un bain de métal peu surchauffé, ce qui n1 assure pas un raffinage efficace du bain en ce qui concerne l'élimination des inclusions gazeuses et des impuretés non métalliques solides. On s'est donc proposé d'élaborer un procédé de coulée continue de lingots en alliages légers, dans lequel l'action des ultrasons sur l'alliage en fusion en vue de son raffinage et de l'affinement de la structure du lingot en cours de solidification, serait exercée de façon à assurer un accroissement de la plasticité des alliages légers pendant la coulée et au cours de leur déformation ultérieure. La solution consiste en ce que, dans le procédé de coulée continue de lingots en alliages légers par admission de l'alliage en fusion et action d'ultrasons sur l'alliage en fusion à l'aide d'au moins un émetteur pour son raffinage et l'affinement de la structure du lingot en cours de solidification, avec extraction simultanée du lingot, d'après l'invention l'action des ultrasons sur l'alliage en fusion pour son raffinage et l'affinement de la structure du lingot en cours de solidification est exercée unifor mément dans toute la section de l'alliage en fusion avec une intensité de 2 à 60 W/cm2 selon la valeur de la section du lingot en cours de solidification, et l'émetteur est plongé dans l'alliage en fusion à une profondeur comprise entre1/12 et 1/4 de la longueur d'onde A du son dans la matière de l'alliage en fusion, la température de l'alliage en fusion étant maintenue à une valeur de 10 à 1500C plus élevée que la température de liquidus (ou température de début de solidification) de la matière de l'alliage en fusion du bain. Il est avantageux que le raffinage de l'alliage en fusion s'effectue à travers un matériau poreux, la distance entre l'émetteur et le matériau poreux étant maintenue à une valeur comprise entre 1/12 et 1/4 de la longueur dionde A du son dans la matière de l'alliage en fusion. L'invention permet de diminuer de 2,0 fois la teneur en inclusions non métalliques solides et d'abaisser de 2 à 3 fois la teneur en hydrogène de l'alliage du lingot, ce cui accroit la plasticité des lingots obtenus en alliages légers, tant pendant la coulée qu'au cours de leur déformation ultérieure. L'invention assure également l'obtention de lingots en alliage légers ayant une structure de type particulièrement affiné, dans laquelle la grosseur des grains de l'alliage coulé est égale ou inférieure à la "maille" dendritique, ce qui confère une haute plasticité au lingot d'alliage léger pendant la coulée et au cours de sa déformation ultérieure. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront 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 unique annexé dans lequel -la figure 1 représente un dispositif bien connu pour la coulée continue de lingots en alliage léger, mettant en oeuvre le procédé proposé (vue en élévation et en coupe);; - la figure 2 représente un dispositif pour la coulée continue de lingots en alliage léger mettant en oeuvre le procédé proposé, avec raffinage à travers un matériau poreux (vue en élévation et en coupe) d'après l'invention - la figure 3 représente la structure d'un lingot en alliage du système Al-Cu-Mg de 650 mm de diamètre à l'état recuit, à grains subdendritiques, obtenu par le procédé proposé (grossissement xI00). Le procédé de coulée continue de lingots en alliages légers consiste à admettre l'alliage en fusion et à faire agir sur lui des ultrasons au moyen d'au moins un émetteur pour son raffinage et l'affinement de la structure du lingot en cours de solidification, uniformément dans toute la section du bain de fusion, avec une intensité de 2 à 60 W/cm2 selon la valeur de la section du lingot en cours de solidification. L'émetteur est plongé dans le bain à une profondeur comprise entre 1/12 et 1/4 de la longueur d'onde duson A dans la matière du bain, et la température du bain est maintenue de 10 à 1500C plus élevée que la température de liquidus de la mtière du bain. Au fur et à mesure que le lingot se solidifie, il est tiré hors de la lingotière. D'après l'invention, le raffinage s'effectue à travers un matériau poreux, la distance entre l'émetteur et le matériau poreux étant maintenue à une valeur comprise entre 1/12 et i/4 de la longueur d'onde A du son dans la matière du bain. Le procédé de coulée continue de lingots en alliages légers faisant l'objet de l'invention peut être mise en oeuvre à l'aide d'un dispositif connu quelconque, avec utilisation d'ultrasons agissant sur l'alliage en fusion pour son raffinage et l'affinement de la structure du lingot en cours de solidification. L'une des variantesconnues du dispositif pour la coulée continue de lingots en alliages légers comprend une lingotière I (figure 1), qutun chenal de distribution 2 alimente en alliage en fusion 3. Dans le bain de fusion 4 formant par la suite le lingot 5 est plongé un émetteur 6 d'ultrasons, la profondeur d'immersion de ce dernier étant égale par exemple à environ 1/8 de la longueur d'onde du son dans la matière du bain 4. La partie solidifiée 7 du lingot 5 est tirée hors de la lingotière 1. D'après l'invention, on place dans ce dispositif connu, sur le chemin de l'alliage en fusion 3, un matériau poreux 8 (figure 2). La distance entre l'émetteur 6 et le matériau 8 est, dans le cas considéré, égale à environ 1/8 de la longueur d'onde A du son dans la matière du bain 4. La figure 3 représente la structure 9 de la partie solidifiée 7 (figures 1, 2) d'un lingot 5 de 650 mm de diamètre en alliage du système Al-Cu-Mg. La structure 9 (figure 3) est constituée de grains subdendritiques 10 affinés jusqu'à 0,1 mm, de grosseur inférieure ou égale à la maille dendritique (non représentéesur la figure). Dans le dispositif connu pour la coulée de lingots en alliages légers, le procédé est mis en oeuvre de la façon suivante. L'alliage 3 en fusion (figure 1) est admis dans la lingotière 1 en passant par le chenal 2. L'alliage 3 en fusion arrivant dans la lingotière 1 y est traité à l'aide d'un émetteur d'ultrasons 6 pour son raffinage et pour l'affinement de la structure 9 (figure 3) du lingot 5 (figure 1) en cours de solidification. L'action des ultrasons est exercée uniformément dans toute la section du bain 4, de préférence avec une intensité de 2 à 60 W/cm2 et à une température de 10 à 1500C plus élevée que la température de liquidus de la matière du bain 4, selon l'aire de section transversale du lingot 5 en cours de solidification. D'après l'invention, pour débarrasser l'alliage en fusion 3 des impuretés non métalliques, on le fait passer à travers un matériau poreux 8 (figure 2), soumis à l'action des ultrasons produits par l'émetteur 6. Pour mieux fixer les idées,on décrit ci-après des exemples non limitatifs de réalisation de l'inventbn. Exeinle 1. Dans une lingotière 1 (figure 1) de 650 mm de diamètre, on a coulé par le procédé conforme à l'invention un lingot 5 en alliage léger du système Al-Cu-Mg, de composition suivante Cu = 3,84 ,', Mg = 1,45 %, Mn = 0,41 %, Fe = 0,11 ,', Si = 0,04 %, Ti = 0,04 ,', Zr - 0,15 %. On a étudié la structure des lingots 5 obtenus aux trois régimes indiqués dans le tableau 1 ci dessous. Tableau 1 Température Vitesse Intensité Profondeur Régine de coulée, de cou- des ultra- d'immer OC lée, sons, sion de cm/mn w/cm2 l'émetteur, mm I 760 1,5 2,0 20,0 (#/12) Il 745 2,5 3,0 30,0 ( h /8 ) III 725 4,0 5,0 40,0 ( > /6 ) Note. La température de début de solidification (de liquidus) est de 6380C. Ces études on montré que, comparativement à la méthode industrielle en usage, l'invention assure l'obtention de lingots 5 d'une plasticité accrue de 1,5 à 2,0 fois par rapport à la température normale, tant à l'état recuit qu'à l'étant homogénéisé, ce qui résulte de l'affinement uniforme des grains de l'alliage coulé 10 (figure 3), de la teneur abaissée en hydrogène et de la formation d'un genre par ticulier de structure subdendritique 9 à grosseur de grain 10 inférieure ou égale à la maille dendritique. Les résultats de l'étude de la plasticité de l'alliage du système Al-Cu-Mg constituant les lingots 5 (figure 1) de 650 mm de diamètre, obtenus par le procédé proposé aux trois régimes d'action ultrasonore sont donnés dans le tableau 2. Tableau 2 Régi- Grosseur de grain, Hydro- Plasticité, me m gène, 96 d'ac- cen- milieu péri- cm /100 g à à l'é- tion tre du phé- l'é- tat ho ul- du rayon rie tat mogé tra- lin- du du re néisé sonore got lin- lin- cuit got got Procé- I 100 90 80 0,10 6,0 9,0 dé II 100 110 75 0,08 6,0 9,0 suivant III 100 95 80 0,12 6,0 9,0 l'invention Les modifications indiquées de la structure 9 (figure 3) et des propriétés du matériau du lingot abaissent for tement la tendance à la fissuration pendant la coulée de lingots 5 de diamètre supérieur à 650 mm. Exemple 2. On a fait agir les ultrasons pour raffiner un alliage léger 3 en fusion du système Al-Cu-Mg (figure 2) pendant la coulée de lingots 5 de 204 mm de diamètre. L'action des ultrasons sur l'alliage 3 en fusion a été réaliséeà une fréquence de 18 kHz, à une température de 7400C, cfest-à- dire de 1000C supérieure à la température du liquidus, uniformément suivant toute la section de l'alliage en fusion 3, avec une intensité de 40 W/cm2. Le matériau poreux 8 était constitué par des couches de tissu de verre à mailles de 0,6 x 0,6 mm.La distance entre le matériau poreux 8 et l'émetteur 6 était maintenue à une valeur comprise entre 20 et 40 mm, c'est-à-dire entre 1/12 et 1/6 de la longueur d'onde A du son dans l'aluminium en fusion 3 (la longueur d'onde du son à la fréquence 18 kHz dans l'aluminium en fusion est indiquée dans les ouvrages de référence comme étant de 240 mm). Les résultats de l'étude de la pureté de l'alliage constituant le lingot 5 élaboré par le procédé conforme à l'invention sont indiqués dans le tableau 3 ci-dessous. Tableau 3 Nombre de Concentration des impuretés couches dans non métalliques le matériau poreux hydrogène, Au203, % en cm3/100 g poids Procédé 5 0,12 0,0066 conforme à l'inventjai9 0,10 0,0040 Note. L'oxyde d'aluminium Al203 a été dosé dans l'alliage constituant le lingot 5 par le procédé au bromure de méthyle ; l'hydrogène a été dosé par la méthode d'extraction sous vide. L'action des ultrasons par l'intermédiaire d'un matériau poreux 8 sous forme d'un tamis à couches multiples permet d'abaisser de 2 à 3 fois la teneur en hydrogène et en oxydes, comparativement à la méthode connue. Le procédé faisant l'objet de l'invention permet de couler des lingots de haute qualité, de grandes dimensions, en alliages légers à haute résistance de divers systèmes sujets à la fissuration pendant la coulée, grâce à un raffinage et à un affinement de structure efficaces. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention de lingots par coulée continue d'alliages légers, du type dans lequel l'alliage en fusion admis dans une lingotière est soumise à l'action d'ultrasons à l'aide d'au moins un émetteur en vue de son raffinage et de l'affinement de la structure du lingot en cours de solidification, avec extraction simultanée du lingot formé, caractérisé en ce que l'action des ultrasons sur l'alliage en fusion (3) en vue de son raffinage et de l'affinement de la structure du lingot (5) en cours de solidification est exercée uniformément suivant toute la section de l'alliage en fusion, avec une intensité de 2 à 60 W/cm2 selon la valeur de la section du lingot en cours de solidification, l'émetteur d'ultrasons (6) étant plongé dans l'alliage en fusion jusqu'à une profondeur comprise entre 1/12 et 1/4 de la longueur d'onde A du son dans la matière de l'alliage en fusion, et la température de l'alliage en fusion étant maintenue à une valeur de 10à1500C plus élevée que la température de liquidus de la matière de l'alliage en fusion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le raffinage de l'alliage en fusion est exécuté par l'intermédiaire d'un matériau poreux, la distance entre ledit émetteur et ledit matériau poreux étant maintenue à une valeur comprise entre 1/12 et 1/4 de la longueur d'onde X du son dans la matière de l'alliage en fusion. 3. Lingots en alliages légers, caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par le procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 et 2.