Brevet FR2524001A1 — publié le 19830930

PROCEDE DE REFROIDISSEMENT MINIMISANT LES DEFORMATIONS DES PRODUITS METALLURGIQUES Cette invention est relative à un procédé de refroidissement économi- que de produits métallurgiques qui minimise les déformations de ceux- ci, tout en préservant leurs propriétés d'emploi. Le refroidissement des produits métallurgiques intervient dans un grand nombre d'opérations telles que la coulée et solidification, après la transformation à chaud sur divers outils (laminoirs, presses à fi- ler, etc) ou-encore dans le cas de la trempe métallurgique. Pour des raisons de productivité (en particulier pour le refroidisse- ment des produits en continu au défilé), et/ou de qualité métallurgique (solidification, trempe), il est souvent nécessaire que ces refroidis- sements soient effectués avec des vitesses élevées, par exemple par pulvérisation d'eau sous forte pression ou pulvérisation biphasique (aireau) On sait que la densité de chaleur extraite des produits peut atteindre 1 à 5 MW/m 2 pour des débits d'eau de l'ordre de 20 kg/m 2 sec, soit 1200 l/m 2 minute. Cependant, ces procédés présentent les inconvénients suivants a) la pulvérisation d'eau à fort débit (> 2000 l/m 2 min) et sous for- te pression (p > 1,5 M Pa ou 15 bar) entraîne des consommations d'eau importantes et nécessite des équipements onéreux (surpresseur de très forte capacité). De plus, elle n'est pas adaptée au refroidissement des produits min- ces, notamment à celui des tôles ou bandes minces en alliages légers car la force d'impact du jet entraîne des déformations importantes de ces produits; b) dans la pulvérisation pneumatique d'eau et d'air sous pression, ces deux fluides sont introduits simultanément dans les buses à pulvéri- sation pneumatique à faible débit d'eau, ou séparément par soufflage d'air comprimé en sortie de buse de pulvérisation mécanique d'eau, à débit élevé. La pulvérisation pneumatique présente l'inconvénient d'être onéreuse en raison du prix des buses (dix fois plus élevé que celui des -2- buses mécaniques) et du coût élevé d'investissement et de fonction- nement des compresseurs d'air De plus, ce système est dangereux à cause des risques d'éclatement des conduites d'air comprimé et est excessivement bruyant. De plus, avec des vitesses de refroidissement élevées, les produits sont le siège d'un niveau de contraintes internes élevées s'ils sont épais, ou de déformations très importantes s'ils sont minces, ces deux effets étant néfastes: Les déformations ou distorsions des produits refroidis imposent sou- vent leur redressage ou leur remise en forme à l'aide de moyens puissants tels que presses, planeuses à rouleaux, bancs de traction, etc opérations qui, à leur tour, induisent dans ceux-ci des con- traintes internes néfastes, par exemple, distorsions lors d'un usi- nage chimique ou mécanique ultérieur. L'utilisation de dispositifs spéciaux limitant ou supprimant les dis- torsions lors du refroidissement, par exemple, lors de la trempe, tels que cadres, brides, trempe sous presse, etc est d'une certai- ne efficacité, mais cependant limitée car, de toute façon, et malgré toutes les précautions prises, le niveau de contraintes internes reste élevé. La méthode selon l'invention, qui élimine, ou du moins, minimise ces distorsions, consiste à refroidir le produit métallurgique avec un mode de refroidissement différent entre approximativement deux moitiés adja- centes de sa surface extérieure, chacune d'elles s'étendant selon le sens long ou le plan principal du produit, quand il(s) existe(nt). Ainsi, pour une barre rectangulaire, on applique un refroidissement différent entre les deux faces latérales adjacentes du produit et les deux faces opposées Pour un tube ou une barre cylindrique, on appli- que un refroidissement différent entre les deux surfaces hémi-cylin- driques opposées de la surface latérale Pour une tôle ou une bande, on applique un refroidissement différent entre ses deux faces opposées. Bien sûr, la méthode est généralisable aux autres produits métallurgi- ques matricés, filés, forgés ou moulés pourvu qu'ils ne soient pas auto-bridés par leur forme et/ou leurs dimensions lors durefroidisse- ment. -3- Le refroidissement différencié peut être assuré par divers moyens tels que: dans le cas d'un refroidissement par immersion dans un milieu refroi- disseur par enduction de la moitié environ de la surface externe par un revêtement constitué d'un produit isolant ou nettement moins con- ducteur de la chaleur que l'alliage à refroidir (exemples: placage acier/alliage d'Al, poteyage isolant et réfractaire); dans le cas du refroidissement par aspersion ou pulvérisation, par arrosage différent des deux moitiés du produit, celui-ci étant immobile ou non (au défilé) ?Parrosagc différencié fles deux moi- tiés est réalisé par la différence de nature, de composition, de pression, de températurede débit surfacique et/ou de vitesse d'impact du fluide d'arrosage ou bien par une différence de l'état de surface des deux moitiés considérées (exemple: surface brute et décapée, surface revêtue ou non d'un enduit peu ou pas conducteur de la chaleur, etc) En particulier, il a été constaté, de façon surprenante, que le refroi- dissement unilatéral par aspersion ou pulvérisation classique de la moitié de la surface du produit, celle-ci étant préalablement enduite d'un revêtement isolant ou mauvais conducteur de la chaleur, conduisait à des vitesses de refroidissement élevées des produits minces sans dis- torsion notable Le fluide de refroidissement généralement utilisé est essentiellement constitué d'eau, éventuellement additionnée de certains adjuvants (anticorrosion, antimoussant, etc). Le revêtement peut être effectué à un stade quelconque de la gamme de fabrication, antérieur au refroidissement pourvu que celui-ci reste ad- hérent et conserve son efficacité au colirs de la gamme (par exemple, le produit peut être revêtu avant le chauffage de mise en solution qui pré- cède la trempe). Il est préférable, dans tous les cas, que l'arrosage se fasse par la partie inférieure des produits, le sens long de ceux-ci étant sensible- ment horizontal. Comme indiqué, le procédé s'applique principalement, mais non exclusi- -4- vement aux produits métallurgiques longs (fils, barres, tubes, prof iléê) ou plats (bandes, tôles, méplats) de relativement faibles dimensions transversales ou épaisseurs. Pour l'Al et les alliages d'aluminium, l'épaisseur des produits plats est, de préférence, inférieure ou égale à 15 mm (ce qui correspond sen- siblement à un diamètre de 30 mm pour une barre ronde pleine). Pour le cuivre et les alliages de cuivre, l'épaisseur est,de préférence, inférieure ou égale à 35 mm (ou à un diamètre de 70 mm environ). Pour les aciers ou les alliages ferreux, l'épaisseur est, de préférence, inférieure ou égale à 8 mm (ou à un diamètre de 15 mm environ). On considérera que deux produits ont des sections transversales équiva- lentes si le rapport surface latérale extérieure/volume est le méme. La méthode s'applique particulièrement bien à la trempe des alliages d'Al à haute résistance pour lesquels les-caractéristiques d'emploi (ré- sistance mécanique et/ou à la corrosion) ne sont pratiquement pas modi- fiées par rapport à la trempe classique, avec, cependant, des déforma- tions très faibles. Lorsque le refroidissement est assuré par pulvérisation ou aspersion à l'aide de buses, il est important que les zones d'impact des jets cou- vrent l'ensemble de la surface refroidie du produit, soit directement, soit indirectement par ruissellement, rebonds, etc Les défits sur- faciques d'eau restent inférieurs à 200 oltm min et, de préférence, 800 lmi min; les buses sont placées à une distance inférieure à 15 cm de la surface de produit, et la pression d'injection est in Fdrieure è 1,5 M Pa ( 15 bars), et de préférence, i M Pa ( 10 bars). Le procédé suivant l'invention offre, par rapport aux méthodes de re- froidissement classiques, les avantages suivants Produits minces (voir dimensions ci-dessus): absence de distorsions notables ou meilleure planéité (ou rectitu- de) et contraintes résiduelles faibles après refroidissement; -5élimination ou simplification des opérations de planage, dressage ou remise en forme ultérieure (par exemple: traction ou compression con- trôlée des alliages d' Ai avant revenu ou maturation). Pour les produits de dimensions quelconques; conservation des propriétés optimales (résistance mécanique, tenue à la corrosion) à l'état d'utilisation; diminution des consommations ou volumes de fluide de refroidisse- ment mises en jeu; meilleure fiabilité ou répétabilité des opérations de refroidisse- ment; possibilité de contrôle et de modulation des vitesses de-refroidis- sement des produits. L'invention sera mieux comprise à l'aide des dessins et exemples sui- vants: La figure 1 représente une vue en bout de produits ( 1) (a) barre rectangulaire (e) cornière (côté intérieur) (b) barre ronde (f> cornière (côté extérieur) (c) tôle (g) profilé en T (d) tube cylindrique (h) profilé quelconque munis ou non d'un revêtement isolant ( 2), sur environ la moitié de leur surface extérieure et refroidi soit à l'aide de buses de pulvéri- sation ( 3), soit par immersion dans un milieu refroidisseur ( 4) contenu dans un bac ( 5). La figure 2 représente les caractéristiques de déformation après re- froidissement: flèche (f) et tuile (t), d'un produit nlat rectangulai- re, initialement plan. EXEMPLE 1 Trois tôles de dimension 400 x 400 x 10 mm en alliages d'aluminium ( 7075) , ont été trempées par immersion verticale dans l'eau froide ( 200 C) ou chaude ( 600 C) après mise en solution de 4 h à 4700 C en four à air ventilé. Les tôles A et B, non revêtues, ont été trempées dans des bacs d'eau à des températures respectivement égales à 200 C et 600 C. -6- La t 8 le (C>aété trempée par irmmersion dans l'eau à 60 C après déca- page des surfaces et revêtement d'une seule grande surface au moyen d'une couche continue isolante de faible effusivité thermique, cons- tituée essentiellement d'un mélange de silicate de sodium en solu- tion dans l'eau, de sulfate de baryum et d'oxyde de titane. Le tableau I ci-dessous donne les vitesses de trempe mesurées entre 400 et 250 C à 1, 5 mm sous chaque surface au moyen de thermocouples places au centre des grandes faces des t 8 les ainsi que les déforma- tions macroscopiques mesurées après trempe (flèche maximum le long de l'axe horizontal tuiie maximum le long de l'axe vertical des t 8 les) et les caractéristiques mécaniques de traction longitudinales à mi- épaisseur au centre des t Cles, mesurées après revenu à l'état T 6 ( 24 h à 120 C On constate, en particulier, que la t Sle (C) trempée selon l'invention par refroidissement dissymétrique, est dotée à la fois des caractéristiques mécaniques de traction équivalentes à celles des ta- les trempées le plus rapidement de façon symétrique dans l'eau froide (pratique actuelle) et de déformations de trempe nettement plus fai- bles que les autres t 18 les y compris la t 8 le (B) trempée symétrique- ment avec des vitesses de refroidissement pourtant relativement lentes. TABLEAU I Repère Températ Etat des kit de trem-IDéformations Caractéristiques tôle ea ( C) surfaces e sous les lde trempe de traction Isurfaces Flèche Tuile état T 6 ( C/sec) f (mm)t(mm) Rpo,2 Rm A l (I Pa) (M Pa) % A 20:2 faces 165 I A 20 2 faces 165 + 17,1 -5,3 551 613 8,1 nues 185 l B 60 2 faces 86 -3,5 515 580 8,9 nues 93 C 60 1 face dé 8 llcapée l 89 1 face re + 1,2 -1, 2 547 612 8,3 vêtue | 17 l I i I _ __ __ -.7- EXEMPLE 2: Des tôles minces de dimension 630 x 350 x 2 mm (épaisseur totale) en alliage 7475 plaquées de 70 m d'alliage 7072 sur chaque face, ont été trempées après mise en solution de 30 minutes à 475 C, soit par immer- sion verticale dans un bac d'eau à 18 C selon la pratique habituelle, soit par pulvérisation d'eau à 180 C sur la seule surface inférieure horizontale statique d'une tôle non revêtue, et d'une tôle revêtue sur sa seule surface inférieure d'une couche constituée du même revêtement & base de silicate de sodium que dans l'exemple n 1. La pulvérisation était assurée sur toute la surface inférieure horizon-. tale des toles par des buses à jets adjacents à cône plein, d'angle en- viron 60 , délivrant un débit surfacique de 145 l/mn/m 2 sous une pres- sion de 3 bars ( 0,3 M Pa). Le tableau II ci-dessous donne les déformations des toles après trempe, la conductivité électrique superficielle des toles cinq jours après trempe (qui est d'autant plus basse à l'état trempé-mri que la trempe est plus rapide), la vitesse de refroidissement moyenne des tôles dans l'intervalle critique de trempe ( 400 250 C) et les caractéristiques mécaniques sur éprouvettes de traction traitées par revenu à l'état -T 76 ( 6 h à 1070 C + 16 h a 160 C) après décapage du revêtement et trac- tion contrôlée des toles avant revenu: TABLEAU II Mode de Revête Vit de re L'foria Ccnductivi Caractéristiques méca- trempe ment froidisse f t té électr ques de tract Etat T 7 d ment)(m) (% IACS) Rp O,2 2 Rm A (M Pa) (M Pa) (%) Immirsion non 350 C/s 31 4 29,6 428 492 15,4 (tôles nues) Pulvéri Face inf. sation ânon re 54 C/s 2, 2 30,2 402 478 16,3 unilaté vêtue rale sur face in lce inf 2300 C/s 3, 2 29,6 432 495 15,7 férieure Fevêtue -8- On constate que les tôles trempées suivant l'invention présentent des déformations résiduelles notablement plus faibles que celles obtenues par trempe symétrique, tout en conservant des propriétés mécaniques sensiblement égales et bien que les débits surfaciques utilisés ici soient relativement faibles. EXEMPLE 3: Nous avons trempé, par pulvérisation horizontale au défilé ou en stati- que, des tôles de dimension 650 x 350 x 4 mm en alliage 2024 après mise en solution de 30 minutes à 4950 C en four à air ventilé. L'installation de trempe comportait une fenêtre de trempe longue de 700 mm, constituée de rampes de pulvérisation situées de part et d'au- tre d'un chariot destiné à supporter et translater les tôles avec une vitesse de passage modulable, de façon à simuler la trempe horizontale symétrique ou dissymétrique au défilé en sortie de four à passage Les buses de pulvérisation étaient constituées de pulvérisateurs en jets à cône plein, d'angle 601 C, alimentés par un débit d'eau à 151 C pressu- risée à 6,5 bars Une tôle a été trempée par pulvérisation symétrique sur les deux faces non revêtues, selon la pratique habituelle Les autres tôles ont été trempées par pulvérisation unilatérale horizonta- le sur la face inférieure avec le même débit surfacique avec ou sans poteyage de la surface à arroser par un revêtement isolant à base de silicate de sodium. Le tableau III ci-dessous donne les conditions d'essai, les vitesses de refroidissement moyennes mesurées entre 400 et 2500 C par therm O cou- ples au centre des tôles, les déformations des tôles après trempe (flèche longitudinale tuile transversale) ainsi que la sensibilité à la corrosion intergranulaire des tôles trempées et débarrassées du re- vêtement évaluée d'après le test d'immersion en solution de chlorure de sodium et d'eau distillée selon la norme AIR 9048. Voir tableau III ci-après -9- TABLEAU III Trempe 1 Symétr. sans revite- ment o 10 Unila- térale s/face infér. Revêt. Non vit de Débit sur- )assage facique d' (caisec) e a/mn/m 2) Face Face sup inf. 1250 250 Unila- térale i s/face | infer. Vit de refroid. (t C/sec) Défor- matiois (mm) Sensibilité à la corrosion inter- granulaire Forte if+ 15 lt+ 2 On constate que la trempe dissymétrique au défilé de la tôle revêtue selon l'invention améliore à la fois les vitesses de trempe (x 2 env) et la résistance à la corrosion intergranulaire de l'alliage ainsi que la planéité des toles tout en augmentant la productivité de l'installa- tion (x 3) et en diminuant les consommations d'eau nécessaires (: 2 en- viron) par rapport à la trempe symétrique des toles nues. EXEMPLE 4: Nous avons trempé par mise en solution de 1 et de longueur 600 mm pulvérisation mécanique au défilé à 25 cm/s, après h à 500 C, des cornières de section 50 x 50 x 5 mm en alliage d'aluminium 6061. Deux cornières ont été trempées à l'eau à 18 C, soit par pulvérisation symétrique (sur leurs deux faces) ou unilatérale (sur leur face infé- rieure) au moyen de rampes de pulvérisation longitudinales à buses dis- tantes de 100 mm du sommet des cornières, de façon à refroidir directe- ment l'ensemble de la cornière par les deux faces ou par la face infé- rieure seule, revêtue préalablement d'une couche uniforme de silicate -10de sodium (Na 20: 3,3 Si O 2) en solution dans l'eau à densité 1,08 (voir figure le). Les buses donnaient des jets à cône plein, d'angle 601 C, avec un débit surfacique de 580 1/mn/m 2 sous une pression d'eau de 6 bars ( 0,6 M Pa). Le tableau IV ci-après donne les conditions d'essais ainsi que les vitesses de refroidissement et les déformations longitudinales moyennes (flèches) après trempe Les résultats montrent que la cornière trempée par pulvérisation unilatérale sur la surface revêtue selon l'invention, présente un meilleur compromis vitesse de refroidissement-rectitude que les cornières refroidies par refroidissement symétrique classique par pulvérisation au défilé ou par immersion. TABLEAU IV page suivante TABLEAU IV unilatérale sur la face in Non férieure eau C, 1,5 0 290 0,0 Pulvérisation i -t unilatérale sur la face in oui 30 0,6 O 580 227 0, 6 férieure eau C Immersion eau Non sans 232 2,5 C q- CD CD Ir. CMJ Lni g-12- Il est à remarquer que la vitesse critique de trempe du 6061 étant de - 'C/sec environ, la pulvérisation unilatérale sans revêtement conduit à une rectitude parfaite sans altération des propriétés d'emploi Le revêtement permet d'augmenter notablement la productivité REVENDICATIONS 1/ Méthode de refroidissement de produits métallurgiques ( 1) essen- tiellement longs ou plats, en vue de minimiser les distorsions géomé- triques sans altération de leurs propriétés d'emploi, caractériséeen ce qu'on applique entre, approximativement, les deux moitiés de leur surfa- ce latérale, un mode de refroidissement notablement différent. 2/ Méthode selon la revendication 1, caractériséeen ce que sensible- ment, l'une des deux moitiés de la surface latérale est recouverte par un revêtement ( 2) adhérent isolant ou plus mauvais conducteur de la chaleur que le produit à refroidir ( 1) avant mise en contact du pro- duit revêtu ( 1,2) avec un milieu de refroidissement approprié ( 4). 3/ Méthode selon la revendication 2, caractérisdeen ce que le refroi- dissement se fait par immersion dans un fluide (ou mélange de fluides) ou une suspension appropriée. 4/ Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que le re- froidissement du produit revêtu se fait par aspersion ou pulvérisation avec un fluide ou un mélange de fluides à l'aide de buses. / Méthode selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'asper- sion ou la pulvérisation sont limitées à la surface latérale revêtue ( 2) du produit. 6/ Méthode selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le sens long du produit ( 1) est sensiblement horizontal. 7/ M 4thode selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le refroidissement du produit se fait par sa (ou ses) face(s) in- férieure"s). 8/ Méthode selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le milieu de refroidissement ( 4) est essentiellement aqueux. 9/ Méthode selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce -14- que le produit ( 1) est un produit en alliage d'Al à traitement thermi- que dont la section transversale est équivalente à celle d'un produit plat d'épaisseur inférieure ou égale à 15 mm. 10/ Méthode selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le produit ( 1) est un produit en cuivre ou alliage cuivreux dont la section transversale est équivalente à celle d'un produit plat dont l'épaisseur est inférieure ou égale à 35 mm. 11/ Méthode selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le produit ( 1) est en alliage ferreux dont la section transversale est équivalente à celle du produit plat dont l'épaisseur est inférieure ou égale à 8 mm. 12/ Méthode selon l'une des revendications 4 à 11, caractérisée en ce que le débit surfacique des buses est inférieur à 2000 lmn min et, de préférence, à 800 lin min 1 13/ Méthode selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisée en ce que la pression d'alimentation des buses est inférieure à 1,5 M Pa ( 15 bars) et, de préférence, inférieure à 1 M Pa ( 10 bars) - 14/ Méthode selon l'une des revendications 4 à 13, caractérisée en ce que la distance des buses au produit est inférieure ou égale à 15 cm.