Brevet FR2533943A1 — publié le 19840406

PR()îDE DE FABRICATION D'ALLIAGES COMPOSITES A BA 1 SE D'ALUMINIUM ET DE BORE ET SON APPLICATION La présente invention est relative à un procédé de fabrication d'alliages comtposites à base d'aluminium allié ou non et de bore et à son application. Il est courant chez les fondeurs d'aluminium d'ajouter du bore au métal fondu pour faire apparaître des cristaux de Ti B 2 qui jouent un rôle impor- tant sur la germination des cristaux d'Al à la solidification et consti- tuent un excellent moyen d'affinage du grain à la coulée. Il est connu également de doper les alliages d'aluminium avec cet élément pour précipiter le titane sous forme de cristaux de Ti B 2 et améliorer ainsi leur conductibilité électrique. Dans ces applications, les additions de bore à l'aluminium se font suivant des concentrations relativement faibles et voisines de quelques centaines de ppm et si l'introduction de quantités aussi petites a pu poser des pro- blères à une certaine époque, elle a été résolue depuis par l'utilisation d'alliages mères tels que l'AT 5 B Il n'en est pas de même lorsqu'il s'agit d'atteindre des concentrations en bore de l'ordre de plusieurs pour cent. On sait, en effet, que la solubilité du bore dans l'aluminium est très faible et de l'ordre de 300 ppm au point de fusion de l'aluminium de sorte que si on cherche à fabriquer des alliages chargés en bore par la voie classique fusion-coulée en lingots, on se heurte-à des difficultés' dues à la fois à une mise en solution incomplète, à des pertes en bore inportan- tes et à une forte ségrégation du bore Ce qui a pour effet de conduire à des alliages composites ne répondant pas globalement aux compositions at- tendues et présentant une structure hétérogène. C'est pourquoi, des chercheurs et des sociétés ont cherché à remédier à ces défauts et proposé diverses solutions plus ou moins intéressantes. Dans le brevet français 1 265 089 concernant un alliage d'aluminium conte- nant 2,5 à 10 % de bore, l'inventeur rappelle que jusqu'alors on avait été amené à préparer de tels alliages soit en ajoutant le bore à l'aluminium fondu, soit en réduisant un composé du bore tel que le borax avec l'alu- minium fondu Cependant, dans le premier cas, les alliages ne contenaient qu'une très faible quantité de bore sous forme alliée et nécessitaient des périodes de dissolution excessivement longues tandis qule dans l'autre cas, l'utilisation du borax se traduisait par des occlusions d'une valeur indé- sirable d'oxygène et d'autres impuretés L'inventeur préconise alors d'in- corporer le bore par réduction d'un fluoborate d'un métal alcalin en con- tact avec l'aluminium fondu Cependant, il faut savoir qu'un tel procédé outre 1 ' installation onéreuse qu'il nécessite pour sa mise en oeuvre con- duit à de mauvais rendements, une partie du bore étant perdue à la fois sous forme de KBF 4 et de BF 3 composé éminement toxique en raison des émis- sions de HF auquel il donne lieu en atmosphère humide. Par ailleurs, l'alliage ainsi produit sert d'alliage rmère pour l'affinage de l'aluminium, c'est-à-dire qu'il est introduit en quantité très faible dans le bain à affiner et par suite le problème de son homogénéité n'est pas d'une importance capitale, car ce qui compte avant tout c'est d'obte- nir une concentration moyenne en bore dans le bain. Le problème devient plus difficile quand les alliages riches en bore sont destinés par exemple à la-confection de-pièces qui doivent avoir soit une bonne résistance à l'abrasion soit une capacité convenable d'absorption de rayonnements neutroniques car il -faut alors que-le bore soit régulie- rement distribué de -façn à pouvoir 'exercer sa fonction uniformément dans l'ensemble de la pièce - Aussi, les solutions proposées à ce jour, s'écartent-elles du procédé d'obtention des alliages mères et s'orientent plutôt vers la métallurgie des poudres C'est ainsi que le brevet français 2 231 764 revendique un procédé de fabrication de produits métalliques borés destinés à 1 ' indus- trie nucléaire, caractérisé en ce que la matière métallique et le corps à base de bore sont à l'état de poudres, ces poudres étant mélangées, pressées et frittées. C'est là évidement un moyen d'atteindre l'homogénéité souhaitée, cepen- dant, elle nécessite la mise en oeuvre de poudres dont l'obtention cons- titue une étape supplémentaire par rapport à la voie classique fusion- roulage et ne permet pas toujours de donner aux pièces les formes sou- haitées. Une autre solution consiste à faire des alliages composites aluminium- carbure de bore (B 4 C) mais,on éprouve de sérieuses difficultés pour couler de tels alliages sans parler des médiocres caractéristiques mécaniques et de 1 ' inusinabilité des produits obtenus En milieu aqueux, ces alliages doivent souvent être protégés par un placage aluminium. C'est pourquoi, la demanderesse estimant que les solutions proposées n'é- taient pas satisfisantes, a cherché et mis au point un procédé de fabri- cation d'alliages composites à base d'aluminium allié ou non et contenant jusqu'à 30 % de bore,de structure homogène, présentant des caractéristi- ques mécaniques convenables, procédé dans lequel les pertes en bore sont pratiquement nulles et dont la mise en oeuvre ne nécessite pas de maté- riel complexe et cher. Ce procédé est caractérisé en ce que l'on introduit le bore dans l'alumi- nium liquide à l'état de borure d'aluminium On recourt donc à la méthode la plus classique d'obtention des alliages en métallurgie; toutefois, à la différence des procédés antérieurs, le bore n'est plus à l'état élé- mentaire ou d'oxydes ou de sels tels que le borax et les fluoborates mais à l'état de borure d'aluminium. Ce borure qui est soit le diborure A 1 B 2, soit le dodécaborure Al B 1 i, soit un mélange des deux est un composé bien défini, de grande stabilité à l'air, peu volatil, présentant l'avantage de ne pas produire d'émana- tions nocives Il peut être préparé de différentes façons connues de l'homme de l'art et mis sous forme de particules de granulométrie moyenne comprise entre 5 et 30 pm enrobées d'aluminium pour faciliter le mouil- lage et 1 ' introduction dans l'aluminium liquide. Il est introduit dans un bain d'aluminium ou d'un quelconque de ses al- liages appartenant aux séries 2000 à 8000 ayant de préférence été soumis au préalable à un traitement d'affinage au moyen d'AT 5 B par exemple Ce bain est protégé en surface par un flux désoxydant utilisé de façon clas- sique dans la métallurgie de l'aluminium et maintenu sous agitation pendant la durée d'introduction du borure. La vitesse d'introduction du borure est réglée de manière à maintenir le bain d'aluminium ou d'alliage au-dessus de sa température de solidifi- cation. Il peut être utile de procéder à ces opérations dans une installation maintenue sous une atmosphère de gaz inerte tel que l'azote U par exemple de façon à parer à toute contamination par l'air ou l'humidité. Lorsque la quantité de borure nécessaire à l'obtention de la concentra- tion souhaitée dans l'alliage composite a été ajoutée, on procède alors à un dégazage du bain sous azote ou sous vide et on coule rapidement l'alliage soit dans un moule pour obtenir directement une pièce de forme convenable, soit dans une lingotière pour donner un produit-qui est ensuite soumis à l'une au moins dés opérations de transformation telle que le laminage, le forgeage, le filage, l'étirage, etc A titre d' exemple, on a préparé par le procédé suivant l'invention un alliage composite du type A-Sl OB 3 qu'on a ensuite transformé par moulage en paniers destinés au transport de matières radioactives Un examen micrographique de l'alliage a montré une répartition régulière du borure dans la matrice d'alliage d'aluminium Des essais métallurgiques coupa- ratifs avec l'A-Sl O normal, on déduit que la présence du bore n'affecte pas les qualités de la matrice qui garde une bonne partie de ses propri- étés qu'elles soient physiques masse volumique, conductibilité thermi- que, coefficient de dilatation, intervalle de solidification; mécani- ques: résistance et allongement bien que cette dernière caractéristique soit légèrement abaissée; technologique: bonne aptitude au forgeage, au laminage, à l'étirage, au roulage, au soudage, à l'usinabilité et à l'étanchéité. Par ailleurs, des essais d'hydrolyse se traduisent par une bonne stabilité de cet alliage dans l'eau déminéralisée à 40 C et l'absence de toute trace de corrosion. Le procédé selon l'invention trouve son application dans la fabrication d'alliages composites dont on attend une bonne résistance à l'abrasion ou au frottement. Il trouve également son application en raison de la présence du bore, élément capteur de neutrons et de ses autres propriétés, dans la confection de barrières neutroniques utilisées dans le domaine de l'énergie nucléaire sous forme de paniers de stockage et de transport de déchets nucléaires, que ce soit dans l'air ou en-milieu aqueux. Cet alliage composite remplace ainsi avantageusement toutes les fabrica- tions mécanosoudées ou moulées avec insert en matière borée à la fois du point de vue facilité de mise en oeuvre et prix de revient notamment quand on fait la comparaison avec les plaques de cuivre borées ou les casiers en acier inoxydable boré. REVENDICATIONS 1 / Procédé de fabrication d'alliages composites à base d'aluminium allié ou non et contenant jusqu'à 30 % en poids de bore, caractérisé en ce que l'on introduit le bore dans l'aluminium liquide à l'état de borure d'alu- minium. 2 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le borure d'aluminium appartient au groupe constitué par le diborure A 1 B 2 et le dodécaborure AIB 12. 30/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le borure est introduit sous forme de particules de granulométrie moyenne comprise entre et 30 Vm et enrobées d'aluminium. / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on procède à un affinage de l'aluminium par l'AT 5 B avant introduction du borure. / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on protège l'aluminium liquide par un flux désoxydant pendant l'introduction de borure. 6 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on soumet l'aluminium liquide à une agitation pendant l'introduction du borure. 7 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse d'introduction du borure est réglée de manière à maintenir 1 ' aluminium au-dessus de sa température de solidification. 8 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on procède à un dégazage avant de couler l'alliage conposite. 9 / Application du procédé selon la revendication 1 à la fabrication d'alliages composites résistant à l'abrasion. / Application du procédé selon la revendication 1 à la fabrication d'alliages composites formant des barrières neutroniques. / Application du procédé selon la revendication 1 à la confection de pièces par mise en forme des alliages composites suivant l'une des tech- niques appartenant au groupe constitué par le laminage, le forgeage, le filage, l'étirage et le moulage.