Brevet FR2556994A1 — publié le 19850628

La présente invention concerne une procédé et un dispositif pour l'élaboration sous vide d'un alliage Lé- tallique,. et pour sa mise en forme par centrifugation. La métallurgie sous vide a pour objet de per- mettre l'élaboration d'alliages dont certains constituants se combinent à la température du métal liquide avec l'un ou l'autre des constituants de l'air ( oxygène, azote, hydro- gène, etc...) ou encore de permettre une meilleure élabo- ration d'alliages qui peuvent être élaborés à l'air, mais dont les caractéristiques mécaniques,physiques etc.. sont améliorées par une élaboration en l'absence d'atmosphère. La fusion et l'élaboration sous vide des al- liages métalliques sont une technique connue. Dans une disposition classique, un four de fusion, généralement à induction électrique, est placé dans une enceinte étanche comportant un dispositif d'accès muni d'une fermeture également étanche. On introduit dans ce four une charge, composée de l'alliage à fondre ou des éléments métalliques ou alliages-mères permettant la cons- titution de l'alliage et, après avoir fermé l'enceinte et avoir extrait la masse gazeuse qu'elle contient à l'aide des pompes appropriées jusqu'à obtention d'un vide plus ou moins poussé, à appliquer l'énergie nécessaire à la fusion de 1' alliage. Une fois l'alliage fondu, et sa composition vérifiée,il est généralement transvasé du four dans un mou- le ou dans une lingotière, situés dans la même enceinte. Apres solidification du métal, on laisse entrer l'air dans l'enceinte jusqu'à y rétablir la pression atmosphérique. On peut alors prélever le lingot ou la pièce ainsi moulée Parmi les méthodes de mise en forme des al- liages par fusion, puis solidification,la centrifugation ou coulée centrifuge, est connue comme étant un procédé qui permet d 'obtenir des corps creux tubulaires ou annulaires voire des pièces de forme, particulièrement saines et pos- sédant de bonnes caractéristiques physiques et mécaniques. Elle consiste à introduire un métal liquide dans un moule généralement cylindrique, tournant généralement autour de son axe géométrique de sorte que l'alliage, en- trainé par la rotation du moule, vienne se plaquer sur les parois du moule, produisant ainsi un corps creux dont la solification intervient pendant la rotation, et ceci sous l'effet constant de la force centrifuge-. L'axe de rotation du moule, appelé géné- ralement coquille, peut être horizontal vertical, ou même oblique On peut, théoriquement, centrifuger sous vide un alliage liquide, en plaçant dans la même enceinte étanche, et après y avoir fait le vide, un four de fusion et une machine à centrifuger, et en transférant le métal liquide après fusion, du four dans la coquille de centrifu- gation. Cependant, cette méthode, valable au ni- veau du laboratoire, pour des pièces d'essai, ou de très petites séries de pièces, s'appliquerait mal à la produc- tion industrielle. En effet, plus généralement dans le cas des coquilles de centrifugation métalliques, une préparation du moule doit précéder la coulée centrifuge. Une séquence classique consiste à: 1 - Nettoyer les parois internes de la coquille 2 - Préchauffer la coquille pour lui conférer une géogra- phie thermique bien déterminée 3 - Poteyer ses parois internes, c'est-à-dire leur appli- quer un revêtement conducteur ou isolant, d'épaisseur et de nature très variées. Cette séquence prend fin peu de temps avant la coulée du métal dans la coquille. Les opérations ci-dessus ne peuvent pas être aisément faites sous vide, même par des automates, pendant la fusion de l'alliage En effet: 1. Le nettoyage produit des résidus pulvérulents qui pol- lueraient l'alliage en fusion 2. Le préchauffage ne pourrait être fait que par induction et de ce fait peu facile à moduler. 3. Le poteyage nécessite une application des enduits de pa- roi en phase liquide ou par pulvérisation, et le brouil- lard qui en résulterait, ainsi que les vapeurs dégagées, viendraient aussi polluer le vide requis pour la fusion du métal. Il faut donc procéder à ces opérations préliminaires sur les coquilles en atmosphère normale, et les mettre ensuite sous vide, sans perturber l'environnement du four de fusion, de façon à faire coïncider le moment de la coulée centrifuge avec celui de la fin de l'élaboration de l'alliage. La présente invention a pour but d'évi- ter les inconvénients précités, en facilitant le déroulement du processus de fabrication. Le dispositif selon l'invention comporte un premier matériel pour l'élaboration, la fusion et le con- trôle de l'alliage à centrifuge, ainsi qu'un second maté- riel pour mouler l'alliage par coulée centrifuge, et il est caractérisé en ce qu'il comprend par ailleurs: - une première enceinte étanche munie de sespropres moyens d' accès, d'obturation et de mise sous vide, cette première enceinte contenant le premier matériel; - une seconde enceinte étanche, munie de ses propres moyens d'accès, d'obturation et de mise sous vide, cette seconde enceinte contenant le second matériel; - un conduit étanche reliant la première enceinte à la seconde enceinte, et pourvu d'une vanne d'obturation étanche com- mandée depuis l'extérieur à l'ouverture et à la fermeture - et des moyens de transfert permettant, après ouverture de la vanne du conduit étanche, de déverser dans le second ma- tériel de la seconde enceinte, l'alliage liquide reçu du premier matériel de la première enceinte Le dessin annexé, donné à titre d'exem- ple non limitatif, permettra de mieux comprendre les carac- téristiques de l'invention. Figures:l et 2 montrent un dispositif per- mettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, pour la centrifugation horizontale de corps métalliques tubulai- res. Figures 3 et 4 correspondent à deux va- riantes pour la centrifugation horizontale. Figure 5 montre, en plan,une variante o les coquilles de centrifugation sont montées sur un carrou- sel. Figure 6 illustre une autre variante à deux enceintes opposées. Figure 7 montre une autre variante dont l' enceinte contient-plusieurs fours. Figure 8 illustre une variante supplémen- taire pour la centrifugation verticale. Le dispositif illustré sur les figures 1 et 2 est prévu pour centrifuger des pièces métalliques tubu- laires autour d'un axe horizontal. Pour cela, on utilise, à la manière con- nue, un four de fusion 1, dont le vidage s'effectue par une goulotte 2 lorsqu'on la fait basculer. Selon l'invention, le four 1 est logé à l'intérieur d'une première enceinte 3 dans laquelle on peut, à volonté, faire le vide. Par un conduit étanche 4 muni d'une vanne de fermeture étanche 5, la première enceinte 3 communique avec la deuxième enceinte 6 dans laquelle on peut faire le vide, indépendamment de la première encein- te 1 Les enceintes 3 et 6 possèdent chacune un dispositif d'ouverture et d'accès propre, permettant d'y faire pénétrer du matériel, des matériaux ou des person- nes, si nécessaire L'enceinte 3 est équipée de tout le maté- riel d'élaboration, de fusion et de contrôle de l'alliage à centrifuger. Dans l'enceinte 6, se trouve un dispositif mécanique pour l'entraînement d'une coquille de centrifu- gation 7. Ce mécanisme, en lui-même connu, peut être constitué par quatre rouleaux 8, dont l'un au moins est moteur, le tout ayant été conçu pour être apte à fonction- ner sous vide. La référence générale 9 désigne le dispo- sitif et le matériel nécessaires au nettoyage, préchauffa- ge, poteyage d'une coquille de centrifugation horizontale. Dans l'enceinte 3 se trouve également une goulotte 10, portée par un dispositif de translation pou- vant fonctionner sous vide, de sorte que le tube verseur 11 de cette goulotte puisse venir, après ouverture de la vanne 5, faire saillie dans l'enceinte 6, tandis que son réceptacle prend place sous le bec de coulée 2 du four 1 ( position en traits pleins, en figure 1). La translation horizontale de la goulotte 10 s'effectue entre cette posi- tion en traits pleins et celle que la figure 1 montre, en traits interrompus, Le fonctionnement est le suivant: Phase 1 - l'enceinte 3 est ouverte On charge les matériaux solides dans le four 1; - l'enceinte 6 est ouverte; -la coquille de centrifugation est placée sur le dispositif 9. Phase 2 - on ferme l'enceinte 3 - on ferme la vanne 5 - on fait le vide dans l'enceinte 3 - on applique la puissance au four 1, pour faire fondre le métal - on prépare la coquille de contrifugation sur le dispositif 9 ( nettoyage, préchauffage, poteyage). Phase 3 -un peu avant que le matériel ne soit prêt à être coulé, on introduit la coquille de centrifugation 7 dans l'en- ceinte 6 et on la place sur le dispositif destiné à la met- tre en rotation ( galets 8) - on ferme l'enceinte 6 - on fait le vide dans l'enceinte 6 Phase 4 - on ouvre la vanne 5, ce qui fait communiquer les deux enceintes vides 3 et 6 - on provoque le déplacement de la goulotte 10 de façon que son bec de versement 11 soit introduit dans la coquille de centrifugation, tandis que le réceptacle formé par son entonnoir vient se placer sous le bec de vidage 2 du fourl. Cette goulotte Il aura été préchauffée électriquement pendant la fusion du métal dans le four 1 Phase 5 - on met la coquille 7 en rotation, si la coulée doit s'ef- fectuer dans une coquille en rotation (Dans certains cas, en effet, la coulée s'effectue dans une coquille fixe que l'on met en rotation après remplissage) - on vide le four 1 dans la goulotte 10 qui fait passer 1' alliage liquide dans la coquille 7 - on centrifuge ainsi l'alliage métallique qui se solidifie sous vide. Phase 6 Après solidification, deux cas peuvent se produire: A - ou bien le four 1 contient encore du métal élaboré et fondu sous vide - on ramène la goulotte ll dans l'enceinte 3 - on ferme la vanne 5 - on laisse l'air rentrer dans l'enceinte 6 et on l'ouvre - on extrait la coquille 7 de l'enceinte 6 avec un dispositif approprié - on extrait la pièce centrifugée de la coquille 7 - on recommance le cycle concernant la coquille 7 avec la même coquille 7 jusqu'à épuisement du métal liquide dans le four; B - ou bien la totalité de la charge contenue dans le four 1 a été transférée vers la coguille de centrifugation 7 - on ramène si nécessaire la goulotte Il dans l'enceinte 3 - on laisse entrer l'air dans les deux enceintes 3 et 6 - on extrait la coquille 7 de l'enceinte 6 - on extrait la pièce centrifugée de la coquille 7 On recomnence ensuite tout le cycle ( six phases ci-dessus) pour fabriquer une nouvelle pièce Dans une autre variante, on a disposé au- tour d'une enceinte de fusion 1 contenant un ou plusieurs fours plusieurs enceintes de centrifugation qui peuvent être destinées à recevoir le métal liquide élaboré sous vide dans des machines à centrifuger horizontales ou verticales. On a représenté sur la figure 3 une varian- te o deux enceintes 6 sont situées d'un même côté de l'en- ceinte 3 et contiennent chacune une machine à centrifuger horizontale. Dans le cas de la figure 4,deux encein- tes 6 sont diamétralement opposées de part et d'autre de l'enceinte 3, et contiennent chacune une machine à centri- fuger horizontale. On a représenté sur la figure 5 une va- riante o le dispositif comporte un carrousel d'alimentation 12, permettant de présenter une à une les coquilles 7 de- vant la seconde enceinte 6. Si le four contient suffisamment d'allia- ges pour centrifuger plusieurs pièces sous vide, on peut utiliser plusieurs coquilles de centrifugation 7 identiques qui subissent alternativement les divers traitements préala- bles à la coulée centrifuge, refroidissement, nettoyage, préchauffage, poteyage sous vide dans la seconde enceinte On a ainsi constitué un carrousel 12 o chaque position d'une coquille 7 correspond à une opération de la gamme ci-dessus ou bien alors une série de dispositifs d 'attente identiques, sur chacun desquels chaque coquille 7 est l'objet de la suite des opérJations de la gamme avant et après mise sous vide. Dans la variante de la figure 6, deux enceintes 6 et 13 sont diamétralement opposées, mais de na- tures différentes: elles contiennent, l'une une machine à centrifuger horizontale, l'autre une machine à centrifu- ger verticale, ce qui donne à l'installation une large gam- me de possibilités. Dans une variante illustrée sur la figure 7, l'enceinte 3 contient plusieurs fours. tels que 1 et 21, de capacités identiques ou différentes, afin de disposer, soit d'une capacité accrue de métal, soit d'une grande sou- plesse, pour faire varier la masse de métal mise en oeuvre. Les fours 1, 21, sont disposés de telle sorte que leur bec de versement 2, 22, etc...en permette le vidage simultané ou successif, dans la même goulotte 10 en position oe travail. L'une des dispositions de cette variante consiste à alimenter les deux fours 1 et 21 avec des allia- ges différents et à réaliser ainsi par centrifugation un tube bimétallique en centrifugeant successivement les deux alliages; le premier constitue alors l'enveloppe extérieure du tube bi-métallique, le deuxième le revêtement interne. Dans une autre variante ( figure 8), on a représenté un ensemble tout à fait semblable, différent seulement par le fait que la deuxième enceinte 6 contient une machine à centrifuger verticale 14. Ici, la coquille est également préparée en dehors de l'enceinte 3, pendant la fusion de l'alliage, puis elle est introduite dans l'enceinte 6, fixée sur le plateau de la machine 14 par un dispositif de blocage rapide de type connu, et surmontée d'un entonnoir de coulée 15 préchauffé. Apres mise sous vide de l'enceinte 6, et ouverture de la vanne 5, la goulotte 10 est déplacée comme pour la centrifugation horizontale, de façon que son bec de versement ll vienne au-dessus de l'entonnoir 15, et l'al- liage est centrifugé sous vide dès que l'on procède au bascu- lage du four 1. Les différentes méthodes de travail sont, dans cette variante,tout à fait comparables à celles qui in- terviennent dans le procédé horizontal. Suivant encore une autre variante, on peut disposer autour d'une enceinte de fusion 3, contenant un ou plusieurs fours 1, 21,etc..., plusieurs enceintes de cen- trifugation 6, qui peuvent être destinées à recevoir le métal liquide élaboré sous vide dans des machines à centri- fuger horizontales ou verticales. REVENDICATIONS 1 -Dispositif de coulée centrifuge comportant un premier matériel pour l'élaboration, la fusion et le con- trôle de l'alliage à centrifuge, ainsi qu'un second matériel pour mouler l'alliage par coulée centrifuge, et caractérisé en ce qu'il comprend par ailleurs: - une première enceinte étanche (3) munie de ses propres moyens d'accès, d'obturation et de mise sous vide, cette première enceinte contenant le premier matériel (1), (2) - une seconde enceinte étanche (6) munie de ses propres moyens d'accès, d'obturation et de mise sous vide, cette seconde enceinte contenant le second matériel (7), (8); - un conduit étanche (4) reliant la premier enceinte (3) à la seconde enceinte (6), et pourvu d'une vanne d'obturation (5) commandée depuis l'extérieur à l'ouverture et à la fer- meture; -et des moyens de transfert (10), (11), permettant 5 après ouverture de la vanne (5) du conduit étanche, de déverser dans le second matériel de la seconde enceinte (6), l'al- liage liquide reçu du premier matériel de la première en- ceinte (3). 2 - Dispositif suivant la revendication 1,ca- ractérisé en ce que le premier matériel comprend, à l'inté- rieur de la première enceinte étanche (3),un four de fusion (1), dont le vidage s'effectue par une goulotte (2) lorsqu'on le fait basculer. 3 - Dispositif suivant la revendication 1,ca- ractérisé en ce que le second matériel comprend, à l'inté- rieur de la deuxième enceinte étanche (6), un dispositif mécanique à rouleaux (8), pour l'entrainement d'une coquille de centrifugation (7). 4 - Dispositif suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que, dans l'enceinte (3), se trouve égale- ment une goulotte (10), portée par un dispositif de transla- tion pouvant fonctionner sous vide, de sorte que le tube verseur (11) de cette goulotte puisse venir, après ouverture de la vanne (5), faire saillie dans l'enceinte (6), tandis que son réceptacle prend place sous le bec de coulée (2) du four (1). - Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce qu'autour de 1' enceinte de fusion (3) sont disposées plusieurs enceintes de centrifugation (6) qui peuvent être destinées à recevoir le métal liquide élaboré sous vide dans des machines à centrifu- ger horizontales ou verticales., chaque enceinte (6) com- muniquant avec l'enceinte (3) par un conduit (4) et une van- ne étanche (5). 6 - Dispositif suivant la revendication 5, ca- ractérisée en ce que deux enceintes (6) sont situées d'un mê- me côté de l'enceinte (3) et contiennent chacune une machine à centrifuger horizontale.(figure 3). 7 - Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que deux enceintes (6) sont diamétralement opposées, de part et d 'autre de 1' enceinte (3) et contiennent chacune une machine à centrifu- ger horizontale (figure 4). 8 - Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un carrou- sel d'alimentation (12), permettant de présenter une à une les coquilles (7) devant la seconde enceinte (6). ( figu- re 5) 9 - Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que deux enceintes (6) et (13) sont diamétralement opposées, mais de natures dif- férentes: elles contiennent, l'une (6) une machine à cen- trifuger horizontale, l'autre (13), une machine à cen- trifuger verticale, ce qui donne à l'installation une lar- ge gamme de possibilités (-figure 6). - Dispositif suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'enceinte (3) contient plusieurs fours tels que (1) et (21), de capaci- tés identiques ou différentes, afin de disposer, soit d' une capacité accrue de métal, soit d'une grande souplesse, pour faire varier la masse de métal mise en oeuvre ( figure 7) 11 - Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième enceinte (6) contient une machine à centrifuger verticale(14). l] 12 - Procédé pour la coulée centrifuge de pièces métalliques par mise en oeuvre du dispositif suivant l"une quelconque des revendications précédentes, caracté- risé en ce qu'il comprend en combinaison, les phases sui- vantes: Phase 1 - l'enceinte (3) est ouverte.On charge les matériaux solides dans le four (1); - l'enceinte (6) est ouverte; - la coquille de centrifugation est placée sur le dispositif (9). Phase 2 - on ferme l'enceinte (3) - on ferme la vanne (5) - on fait le vide dans l'enceinte (3) - onapplique la puissance au four (1), pour faire fondre le métal - on prépare la coquille de centrifugation sur le dispositif (9) ( nettoyage, préchauffage, poteyage) Phase 3 - un peu avant que le matériel ne soit prêt à être coulé, on introduit la coquille de centrifugation (7) dans l'en- ceinte (6) et on la place sur le dispositif destiné à la mettre en rotation ( galets (8) - on ferme l'enceinte (6) - on fait le vide dans l'enceinte (6). Phase 4 - on ouvre la vanne (5), ce qui fait communiquer les deux enceintes vides (3) et (6) - on provoque le déplacement de la goulotte (10), de façon que son bec de versement (11) soit introduit dans la coquil- le de centrifugation, tandis que le réceptacle formé par. son entonnoir vient se placer sous le bec de vidage (2) du four (1) Cette goulotte (11) aura été préchauffée électriquement pen- dant la fusion du métal dans le four (1). Phase 5 - on met la coquille (7) en rotation, si la coulée doit s' effectuer dans une coquille en rotation (Dans certains cas, en effet, la coulée s'effectue dans une coquille fixe, que l'on met en rotation après remplissage) - on vide le four (1) dans la goulotte (10) qui fait pas- ser l'alliage liquide dans la coquille (7) - on centrifuge ainsi l'alliage métallique qui se solidi- fie sous vide.