Brevet FR2534598A1 — publié le 19840420

PROCEDE DE FABRICATION DE MATIERES CONSTITUEES DE COMPOSANTS DIFFICILEMENT MISCIBLES ENTRE EUX. NOTAMMENT DES MATIERES METALLIQUES. La présente invention concerne un procédé de fabrication de matières constituées de composants difficilement miscibles entre eux, notamment des matières métalliques comme des alliages. Les matières métalliques sont généralement obtenues Par une methode impliquant une fusion. A partir du bain de métal en fusion, on coule des blocs, dans la plupart des cas des produits semi-finis, qui sont ensuite mis en oeuvre par déformation plastique. On produit de cette manière la majeure partie des aciers, des alliages .:d'aluminium et des alliages de cuivre. Rarement la matière fondue est coulée directement sous forme de pièces moulees. Le produit obtient cependant sa forme finale dans la plupart des cas par un usinage ultérieur avec en lèvement de copeaux. La plus grande difficulté rencontrée avec les technologies de coulée classiques consiste en ce que, lors de la cristallisation, il s'-établit, par suite des differences de composition et de temperature existant dans le bain de métal en fusion, des différences de densité et, en conséquence, des courants provoqués sous l'action de la force de gravite. Cela provoque dans la matière solidifiée des differences indésirables de composition, notamment des enrichissements localisés. Dans des conditions autrement identiques, ces enrichissements sont d'autant plus accentués que la difference de densité entre les divers composants est plus grande, que la masse de la matière solidifiée est plus importante et que le refroidissement est plus lent. Les dimensions des blocs ou des pièces moulées ne peuvent pas être réduites à volonté et, pour des raisons thermiques, la vitesse de refroidissement ne peut egalement pas être augmentée de façon illimitée. Le refroidissement des blocs d'acier classique, d'un poids de plusieurs tonnes, peut durer par exemple plusieurs heures. Un autre probleme consiste en ce que la matière se solidifiant lentement prend obligatoirement une structure cristalline grossière, ce qui est déjà défavorable d'une façon générale en ce qui concerne les propriétés. Un exemple caracteristique est constitué par des matériaux pour outils à base de carbures. Leur résistance à l'usure, leur durete et leur capacité d'usinage sont d'autant meilleures que les carbures métal liques sont répartis de façon plus fine et plus uniforme dans le materiau. Les aciers rapides sont coulés pour cette raison - ce qui correspond à une solution de compromis - sous forme de blocs aussi petits que possible et ces blocs sont ensuite forges, laminés et traités thermiquement en vue d'une meilleure répartition des carbures. On ne peut cependant pas également atteindre de cette manière l'optimum théorique. Pour améliorer la qualité, on a cherché différentes solutions. Surtout pour éviter autant qu'il est possible les enrichissements, on a mis au point d'abord pour des alliages d'aluminium et ultérieurement également pour des métaux lourds et des alliages de fer le procédé de coulée continue. Egalement, dans le but d'uniformiser la composition et la structure, on a utilisé des procédés de fusion électronique sous laitier, de fusion par faisceau électronique et d'autres procédés de fusion. En outre, on a utilisé très largement des procédés faisant appel à la metallurgie des poudres, et on a fabriqué entre autres de cette manière, des matériaux pour outils de grande capacité, correspondant aux metaux durs.Les matériaux de base - dans ce cas les carbures qui exercent l'effet de durcissement proprement dit - sont broyés à une finesse de l'ordredecelledela poudre et ils sont ensuite mélangés avec un liant, dans la plupart des cas du cobalt, se présentant également sous une forme finement divisée. Le mélange de poudres est amené à la forme désirée de l'coutil et il est recuit suffisamment longtemps pour que la formation de l'alliage désiré s'effectue par diffusion. Un autre problème non résolu concerne cependant la fabrication des alliages constitués de composants difficilement miscibles entre eux (et pratiquement pas suivant les circonstances), surtout lorsqu'il existe de grandes différences entre les densités et les points de fusion des constituants. Comme exemple caracteristique, on peut citer à cet égard les alliages cuivre-plomb.. Un groupe de ces alliages est utilisé d'une manière classique sous la designation "bronze au plomb" comme matériau pour des coussinets de paliers. Le cuivre et le plomb ne forment à l'état solide pratiquement aucune phase mixte.Dans les bronzes au plomb contenantKde 15 à 35% de plomb, la bonne capacité de charge et la conductibilité thermique du cuivre sont combinées avec les bonnes proprietés de glissement et de lubrification des gouttelettes de plomb réparties finement dans le cuivre. La fabrication des bronzes au plomb est rendue difficile par le fait que le cuivre et le plomb ne se dissolvent egalemenl l'un dans l'autre que d'une façon limite à l'état fondu, c'est-à-dire que. déjà lors de la coulée le bain de matière en fusion a tendance à former deux phases liquides de densites différentes. Alors que dans le cas du refroidissement le cuivre commence à cristalliser, le plomb a de plus en plus fortement tendance à descendre au fond du moule de coulée et à former dans cette zone une couche de plomb.Lors de la fusion et de la coulé, il faut pour cette raison assurer mécaniquement une agitation intensive du bronze au plomb. La repartition fine et uniforme du plomb, qui est souhaitable pour la fabrication de paliers, ne peut cependant pas être intégralement obtenue en pratique pour la raison précitée. La situation est encore plus mauvaise dans le cas des alliages aluminium-plomb qu'il est connu d'utiliser comme métaux pour paliers. L'aluminium et le plomb ne forment à l'état solide aucune phase mixte et ils sont en outre miscibles l'un avec l'autre qu'à un degré limité à l'étant fondu. A cause de la différence de densite extraordinairement grande, on n'a pas encore pu résoudre jusqu'à maintenant le problème posé par la fabrication industrielle de ces métaux, également en opérant par agitation mecanique et par d'autres -moyens, bien que l'élargissement de l'utilisation de ces alliages en pratique soit associée à des économies importantes de cuivre et à d'autres avantages techniques ou financiers. Il faut noter en -particulier que le melange d'une poudre d'aluminium et-d'une poudre de plomb, et le recuit de ce mélange de poudres par des techniques faisant appel à la métallurgie des poudres sont difficiles à réaliser en pratique; en effet, le plomb forme à l'état fondu, dans chaque cas, une phase indépendante, et il se rassemble dans les parties inférieures du systeme.Il n'y a aucune chance que les matières formées de constituants habituellement nonmiscibles entre eux soient de nos jours utilisables dans les domaines essentiels de la recherche spatiale A partir d'essais effectués dans l'espace, on sait qu'egalement sansproble degravitation et d'écoulements de gravitation, on rencontre des difficultés car la tension superficielle agit dans un sens tendant à augmenter la séparation des phases, c'est-à-dire à rendre la matière plus grossière. L'invention a pour but de remédier aux difficultés mentionnées ci-dessus. Selon l'invention, les constituants sont initialement fondus sous la forme d'un bain aussi homogène que possible. Ce bain de matière en fusion est ensuite refroidi à une température inférieure au point de solidification suffisamment rapidement pour qu'il ne puisse pas se- pro duire une séparation macroscopique de phases. Du fait que la vitesse critique de refroidissement nécessaire pour éviter la séparation de phases ne peut être obtenue qu'avec des matières ayant une grande surface spécifique, la matière encore liquide est placée pour le refroidic sement dans une situation présentant une grande surface spécifique. Il est clair que la matiere conserve, également à l'état de solidification, sa grande surface spécifique - par exemple sous la forme de poudre, de barre, de bande, etc. Lors de la préparation, l'alliage subit une augmentation de densité par voie mecanique (par exemple par compression) et, éventuellement, par un traitement thermique effectué simultanément ou séparément. La densité de nombreuses matières peut être augmentée d'une manière simple par traitement ther mique. Dans le cas ou les proprietés de la matiere doivent être modi fiées encore autrement que par compression, il faut faire intervenir à cet effet une déformation plastique et un traitement thermique.Le cas échéant, il peut être avantageux, pour produire l'augmentation de densité ou pour améliorer les proprietes de la matière compactée, d'ajouter des matières auxiliaires avant le processus de compactage. Le procédé va être decrit de façon plus détaillée dans la suite en référence à un exemple. EXEMPLE A partir d'un alliage à base d'aluminium contenant 10% de plomb, on doit fabriquer un tube de 40 mm de diamètre et de 3 mm d'épaisseur de paroi, dans lequel le plomb doit être uniformément réparti sous la forme de petites sphères d'un diamètre moyen de 0,5 mm. Dans ce but, on introduit l'aluminium et les 10% de plomb dans un creuset de forme appropriee, et on effectue un chauffage inductif jusqu'à 1200"C. A cette température, la matière constitue un bain de fusion macroscopiquement homogène, dont l'homogénéité est favorisée par les écoulements engendrés sous l'effet du chauffage inductif. Ensuite, on laisse couler le bain de matière en fusion par une buse sous forme d'un jet mince jusque sur un ou pl-usieurs cylindres froids tournants, sur lesquels 1-a matière en fusion se solidifie, sans séparation macroscopique de phase5, sous forme d'une couche mince. La matière solidifiée est collectée et elle est transforméeen briquettes dans un dispositif approprié.Les paquets de briquettes sont, le cas échéant, préchauffés, et les briquettes sont transformées en tubes de dimensions désirées dans une-presse à tubes. Lors de la compression, la matière sous forme de briquettes est encore plus compactée et elle constitue une matiere compacte sans que le plomb ait pu produire macroscppiquement un enrichissement enaucun endroit quelconque. Le plomb peut se séparer, en fonction de la température et de la durée du traitement thermique, au maximum sous la forme de particules microscopiques. Les plus grosses gouttelettes de plomb désirées initialement sont ensuite produites par un autre traitement thermique du tube, par recuit avec des paramètres de température et de temps-choisis de façon appropriée, essentiellement par un processus de transformation sphérotdale. Pour mettre en evidence la multiplicité d'applications du procéde selon l'invention, on va décrire à titre dssexemple comment la matière, lorsqu'elle ne se trouve pas sous forme d'un tube mais sous forme d'une bande de 1 mm d'épaisseur, doit être mise en oeuvre de maniere à pouvoir être également laminée à une plus grande vitesse que le refroidissement critique effectué. Dans des conditions choisies correctement, la compression et le compactage se déroulent également dans ce cas sans qu'il se produise des modifications indésirables de -répartition du plomb. I1 peut egalement être avantageux de fabriquer d'abord par étirage un produit initial, ayant par exemple une épaisseur de 8 mm, et de conditionner ensuite ce produit par laminage sous forme d'une bande. En conclusion, on peut dire qu'il existe dans llindustrie un besoin en matériaux (destinés entre autres à la fabrication de coussinets de paliers), dont les constituants sont habituellement non-miscibles entre eux, ou seulement difficilement. Notamment, dans le cas de constituants qui ne sont miscibles entre eux que d'une façon limite, également à l'état fondu, et qui présentent de grandes differences de densités et de points de fusion, on ne peut pas obtenir avec les procédés connus la fine répartition et la composition uniforme nécessaires. La séparation de phases est imputable surtout à l'influence de la force de gravité, et en partie egalement à la tension superficielle. Le procédé selon l'invention permet, à la différence des procédés connus, de fabriquer des produits initiaux macroscopiquement homogenes et qui sont ensuite amenés à la forme désirée. Un avantage particulier du procédé conforme à l'invention consiste en ce qu'il peut être mis en oeuvre avec des moyens connus dans des dispositifs technologiques existants. Pour cette raison, son application ne necessite généralement aucun investissement particulier. REVENDIcATIONS 1.- Procedé de fabrication de matières constituées par des composants difficilement miscibles entre eux, caractérisé en ce qu'on fond les composants sous la forme d'un bain de fusion au moins en partie homogène, en ce qu'on assure un refroidissement avec une vitesse de refroidissement qui est supérieure à la vitesse de refroidissement critique jusqu'à une température inférieure à la température de solidification, en ce qu'on ajoute, le cas échéant, des matières auxiliaires, en ce qu'on effectue ensuite le compactage de la matière par action mecanique et/ou thermique et en ce qu'on modifie en outre si nécessaire les propriétés de la matière - avantageusement par déformation plastique ou par traitement thermique. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fabrique le bain de matière en fusion au moins en partie homogène par échauffement inductif. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce qu'on refroidit le bain de matière en fusion au moins.en partie homogène à l'aide d'un ou plusieurs corps cylindriques et avec une vitesse de refroidissement dépassant la vitesse de refroidissement critique. 4.- Procedé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on compacte la matière refroidie par étirage (étirage de tubes) et/ou par laminage.