Brevet FR2520757A1 — publié le 19830805

La présente invention concerne un alliage de la famille Cu-Crl-Zr (ou UC1 Zr, désignation AFNOR), Cri signifie : teneur maximale en chrome de cet alliage : 1 % en poids. A l'heure actuelle, l'alliage UC1 Zr est utilisé à l'échelle industrielle pour ses bonnes propriétes électriques et thermiques alliées à des caractéristiques mécaniques satisfaisantes. L'addition de zirconium présente la particularité importante de conserver à l'alliage Cu-Cr des caractéristiques mécaniques élevées à chaud. Ce choix se justifie tout à fait dans le cas de pointes d'électrodes pour le soudage par points, et même dans le cas d'utilisation de l'alliage pour constituer des éléments de moteurs électriques ou de machines thermiques. Toutefois, cet alliage C1 Zr présente un inconvénient majeur qui provient du fait qu'il est à l'heure actuelle impossible de le réaliser autrement que par fusion sous vide, technique d'une mise en oeuvre complexe. En effet, si l'on applique la technique classique de coulée continue sous atmosphère d'azote à un alliage UC1 Zr, la présence de zirconium à raison de 0,1 % en poids ne permet pas de couler l'alliage UC1 Zr à l'air libre dans des conditions satisfaisantes. En effet, des analyses effectuées à la microsonde de Castaing montrent qu'il se forme une quantité importante d'oxyde à base de zirconium dont la répartition aux joints de grains, sous la forme de films continus, fragilise fortement l'alliage. I1 est alors impossible d'effectuer des traitements thermomécaniques et en particulier de procéder au filage de l'alliage. Le problème se posait donc d'élaborer un alliage appartenant à la famille UC1 Zr par coulée continue sous atmosphère d'azote et il est résolu par la présente invention. En outre, le procédé de fabricatidn selon l'invention conduit à une nouvelle nuance d'alliage UC1 Zr qui, suivant des variantes dans sa composition, conviendra mieux à telle ou telle application. Ces applications font également l'objet de la présente invention ; elles seront développées plus loin. L'alliage UC1 Zr peut dorénavant être obtenu par une simple coulée sous atmosphère d'azote, grace à la désoxydation du bain liquide par le phosphore, effectuée dans un four d'attente juste avant l'introduction du zirconium et la coulée continue, cette désoxydation étant suivie d'un forgeage qui est opéré avant le filage éventuel du lingot de coulée continue. On obtiendra notamment, par le procédé conforme à la présente invention, un alliage ayant la composition chimique suivante Cr : 0,4 - 1 % (en poids) Zr : 0,02 - 0,1 % P : 0,01 - 0,04 % Cu : complément à 100 %. I1 n'était pas évident d'avoir recours au phosphore, cet élément étant réputé diminuer la conductibilité thermique et électrique. Or, il est apparu dans le cadre de la présente invention que le phosphore était l'élément le plus judicieux, car en plus de son excellente efficacité comme désoxydant, il n'est présent qu'a l'état de traces dans la matrice, ce qui ne diminue ni la conductibilité électrique, ni la conductibilité thermique du matériau. Le durcissement de l'alliage résulte alors de la présence des précipités de durcissement structural à base de chrome, de zirconium et de phosphore. après élaboration par coulée continue, il est procédé à un forgeage de l'alliage qui modifie la répartition des films d'oxyde pouvant subsister à l'intérieur du matériau. Ce traitement the#o-mécanique supprime totalement la fragilité du lingot et il permet de réaliser ensuite le filage du cuivre allié dans de bonnes conditions. La gamme opératoire qui régit l'élaboration de cet alliage UC1 Zr exempt de défauts est la suivante four d'attente 'fusion Cu - 0,4 à 1 % Cr 0,02 à 0,1 % Zr désoxydation par P forgeage coulée continue ~ 140 Mn filage ~ 170 mm taux de transformation ~ 20 mm s s o S % = 30 % : : section initiale du lingot avant forgeage. S : section finale du lingot après forgeage. Les détails d'un mode opératoire qui s'est révélé intéressant sont donnés ci-après a) fusion La fusion du cuivre électrolytique est réalisée dans un four à induction avec creuset en graphite, et protégée par une atmosphère d'azote. La température du bain liquide est de 13000C. Une première désoxydation-à l'aluminium est effectuée juste avant introduction de 0,4 à 1 % de chrome. Ce dernier est introduit sous forme d'un alliage-mère Cu-5 8 Cr. b) four d'attente Dans le bain liquide protégé par une atmosphère d'azote, il est effectué l'addition de phosphore et de zirconium. La température atteinte est également de 13000C. Le phosphore est introduit sous forme de phosphure de cuivre contenant 15 % en poids de phosphore. La teneur en phosphore est suivie par prélèvements réguliers, analysés de façon à obtenir une teneur finale de 0,01 à 0,04 t suivant usage. Lorsque la composition en phosphore visée est obtenue,il devient possible de régler la teneur en zirconium entre 0,02 et 0,1 %. Le zirconium introduit a une pureté de 99 %. c) coulée continue Le lingot est ensuite obtenu directement par coulée continue horizontale, avec refroidissement continu du lingot, habituellement par jets d'eau annulaires, à la sortie du four de coulée. La coulée continue présente la particularité d'avoir une période d'arrêt pendant l'extraction du lingot. Cette phase d'arrêt ne peut pas être supprimée du cycle'car elle permet de décoller le lingot de la coquille. Pendant cette phase, le retrait du lingot consécutif au refroidissement facilite son extraction. Dans ces conditions, le cycle imposé entraine un front de solidification complexe. Pendant la phase d'extraction, la croissance des cristaux est basaltique, les axes sont normaux à l'interface solide/liquide. Pendant la phase d'arrêt, il y a formation de la zone a grains équiaxés, avec, dans un second temps, une zone à très gros grains. pour supprimer cette structure à gros grains, et avoir un front de solidification le plus régulier possible, le pas d'extraction doit être réglé à une valeur de 10 mm. Le régime de solidification est stationnaire et la structure périodique est évitée. Le zirconium est alors favorable pour diminuer la taille de la cristallisation. d) forgeage Le forgeage est réalisé à 9000C avec un taux de trans formation. s S o SO I1 permet une meilleure cristallisation. e) filage Le filage à 9600C permet la mise en solution des différents éléments d'alliage. La trempe à l'eau est réalisée en sortie du filage. Les propriétés mécaniques minimales pour la composition chimique selon l'invention, à savoir Cr : 0,4 - 1 % (en poids) Zr : 0,02 - 0,1 % P : 0,01 - 0,04 % Cu : complément à 100 % peuvent être résumées comme suit a) barres à l'état trempé-revenu-écroui 30 % (section # 5000 mm2): N/mm R b 490 490 N/mm2 (résistance à la rupture) Eo 2 # 390 N/mm2 (limite élastique mesurée à 0,2 % de 1'allongement de rupture). > 8 (allongement) HB 3 140 (dureté Brinell) b) pièces matricées ou forgées à l'état trempé-revenu R > 340 E012 > 240 N/mm2 AB 20 HB > 100 L'alliage selon la présente invention convient notamment pour la réalisation de pièces d'usage courant ainsi que pour le soudage par faisceau d'électrons. La composition optimale pour les pièces d'usage courant et pour les pointes d'électrodes pour le soudage par points est la suivante Cr : 1 % en poids Zr : 0,1 % P : 0,04 % " Cu : complément à 100 % Ce nouvel alliage UC1 Zr contenant 1 % Cr-O,l % Zr0,04 % P possède une meilleure tenue a chaud que la nuance UC1 c'est là un intérêt qui est clairement démontré par la durée de vie des pointes d'électrodes pour ce soudage par points l'introduction de zirconium dans l'alliage permet en effet d'augmenter cette durée de vie de 30 %. En ce qui concerne le soudage par faisceau d'électrons, il y a lieu de remarquer que le matériau conforme à la présente invention n'est soudable par la technique du bombardement d'élec- trons que si les quantités de chrome, de zirconium et de phosphore sont abaissées de façon a éviter le rassemblement de composés complexes insolubles lors du passage à 11 état liquide. I1 y a en effet à cette occasion une reprécipitation de l1eutec- tique (a + Cr) et du composé complexe à base de zirconium, en films continus aux joints de grains. La composition optimale pour cette application devient alors Cr : 0,4 % en poids Zr : 0,05 $ err poids P : 0,02 % @ Cu : complément à 100 % A titre d'exemples d'application de pièces soudées par faisceau d'électrons, on citera les pièces mécaniques en forme de couronne de grand diamètre (1 a 2 mm), utilisables en génie électrique. Ces pièces sont obtenues par moulage de méplats et soudage par la technique précitée. Ceci permet la réalisation de ce type de pièces dans des conditions techniques et économiques intéressantes. On citera également les bras de pinces à souder. La forme complexe des bras de pinces à souder pour le soudage par points est obtenue grâce au soudage par faisceau d'électrons des différents éléments. - REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un alliage du type Cu-Crl-Zr par coulée continue sous atmosphère d'azote, caractérisé par la désoxydation du bain liquide par le phosphore juste avant l'introduction du zirconium et la coulée continue, cette désoxydation étant suivie d'un forgeage qui est opéré avant le filage éventuel du lingot de coulée continue. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - fusion du cuivre et du chrome - addition de phosphore et de zirconium dans un four d'attente - coulée continue en vue de l'obtention d'un lingot - forgeage de ce lingot et le cas échéant filage. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les quantités introduites sont telles que l'on obtienne l'alliage suivant Cr : 0,4 - 1 % (en poids) Zr : 0,02 - 0,1 % n P : 0,01 - 0,04 % " Cu : complément à 100 % 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fusion du cuivre électrolytique est réalisée dans un four à induction avec creuset en graphite et protégée par une atmosphère d'azote, la température du bain liquide étant de 13000C,et en ce qu'une première désoxydation à l'aluminium est effectuée juste avant introduction du chrome. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le chrome est introduit sous forme d'un alliage-mère Cu-5 % Cr. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications l à 5, caractérisé en ce que l'addition de phosphore et de zirconium est effectuée dans le bain liquide Cu-Cr protégé par une atmosphère d'azote, la température atteinte étant de 13000C, la teneur en phosphore étant suivie jusqu'a obtention de la teneur finale désirée, a la suite de quoi on règle la teneur en zirconium. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le phosphore est introduit sous forme de phosphure de cuivre contenant 15 % en poids de phosphore. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caractérisé en ce que la coulée continue est une coulée horizontale, avec refroidissement continu du lingot à la sortie du four de coulée, permettant d'obtenir un lingot d'un diamètre de l'ordre de 170 mm, et en ce qu'une période d'arrêt est prévue pendant l'extraction du lingot, de sorte que le retrait de celui-ci consécutif au refroidissement facilite son extraction. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le pas d'extraction est réglé à une valeur de 10 mm. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications la 9, caractérisé en ce que le forgeage est réalisé à 9000C avec un taux de transformation 5o - S/SO % = 30 %, et permet l'obtention d'un lingot d'un diamètre de l'ordre de 140 mm. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 10, caractérisé en ce que le filage est réalisé à 9600C et permet l'obtention de barres filées d'un diamètre de l'ordre de 20 mm. 12. Nuances d'alliage de type Cu-Crl-Zr ayant la compositon suivante Cr : 0,4 - 1 % (en poids) Zr : 0,02 - 0,1 8 P : 0,01 - 0,04 % " Cu : complément à 100 % 13. Utilisation des nuances d'alliage de type Cu-Crl-Zr telles que définies à la revendication 12, pour la réalisation de pièces d'usage courant et de pointes d'électrodes pour le soudage par points, la composition optimale pour cette applica tion étant la suivante Cr : 1 % en poids Zr : 0,1 % n P : 0,04 % Cu : complément a 100 % 14. Utilisation des nuances d'alliage de type Cu-Crl-Zr telles que définies à la revendication 12, pour le soudage par faisceau d'électrons, la composition optimale pour cette application étant la suivante Cr : 0,4 % en poids Zr : 0,05 % n P : 0,02 % " Cu : complément à 100 % 15. Pièces soudées par faisceau d'électrons en alliage de type Cu-Crl-Zr tel que défini à la revendication 12 ou 14.