Brevet FR2556251A1 — publié le 19850614

PROCEDE DE PRODUCTION DE CONVECTIONS FORCEES, DESTINE A L'AFFINAGE DU GRAIN DES METAUX ET ALLIAGES MOULES La présente invention est relative â l'application d'un champ magnétique variable, pendant la solidification de métaux et alliages dans les moules, dans le but d'ameliorer la structure métallurgique des pieces moulées. La technique, ancienne et répandue, consiste à conduire un métal liquide dans un moule, dans lequel il se solidifie Alors que la structure du métal, coulé en continu (billettes et plaques), subit d'importantes transformations lors du formage ultérieur, la structure des pièces moulées ne peut être modifiée, que dans une très faible mesure, dés que la solidification est terminée (traitement thermique). Le fondeur doit donc prendre toutes mesures utiles, pour obtenir une structure aussi favorable que possible lors de la solidification, et, en particulier, contrôler la solidification de la piece coulée. I1 est particulierement intéressant d'obtenir un affinage efficace du grain. Un grain fin est, non seulement, à l'origine d'une meilleure résistance mécanique de la pièce moulée, mais il influence aussi favorablement le comportement du métal à la solidification (pouvoir de remplissage, criquage à chaud, ségrégations majeure et mineure, etc...). La tendance actuelle consiste à procéder à de faibles adjonctions d'affinants (magnésium, titane, bore, par exemple) ; cette méthode conduit souvent à une hétérogénéité de la structure du grain et, par suite, à une détérioration des qualités mécaniques de la piece. La présente invention vise à affiner le grain de solidification des pièces coulées, sans ajout d'inclusions et sans contact, ni avec le métal (ou l'alliage) coulé, ni avec le moule. L'invention consiste à appliquer, un champ magnétique périodique B(t). Le champ magnétique périodique est créé par une ou plusieurs bobines constituees par des enroulements de fils. Ces bobines sont soumises à une tension alternative, de préférence sinusoidale, de basse ou moyenne fréquen ce. Lorsqu'on utilise une bobine unique, elle entoure, de préférence, le moule ; lorsqu'on utilise plusieurs bobines créatrices de champ magnétique variable, elles peuvent être disposées, soit au dessus et au dessous, du moule (c'est-à-dire dans une position voisine de celle, classique, d'Helmholtz), soit de manière à entourer le moule. Il est possible de concevoir aussi une combinaison de ces deux possibilités.Lorsqu'un moule, contenant le métal fondu, est soumis au champ B(t), des courants electriques induits, de densité J, prennent naissance dans un plan perpendiculaire à la direction moyenne du champ magnétique et se concentrent, ainsi que le champ magnétique B(t), dans une zone périphérique dont l'épaisseur est évaluée, arbitrairement, par la profondeur de peau 6 = (2/po)'/2, où U = 2 son est la pulsation du courant électrique (ou du champ magnétique), p et a étant, respectivement, la perméa bilité magnétique et la conductivité électrique du métal fondu.Il s'agit d'un phénomène très classique, connu sous le nom d'"effet de peau". I1 peut arriver, pour de basses fréquences d'alimentation et pour des pièces noulees peu épaisses (quelques centimètres), que ce dernier phénomène soit négligea- ble ; c'est-à-dire que la densité de courant électrique est alors sensiblement uniforme dans le métal moulé.Le champ magnétique et le courant électrique induits, tous deux variables, interagissent, dans tous les cas, pour engendrer des forces de Laplace par unite de volume J x B, dont la valeur moyenne dans la période n'est pas nulle, et qui possède une composante rotationnelle, causée par des effets d'extrémités (courbure de lignes de champ magnétique, à ltentree et à la sortie du moule), et responsable d'un intense mouvement du brassage. Ce brassage uniformise la temperature de la masse du bain et créé un fort gradient thermique au voisinage du front de solidification, ce qui favorise une réduction du diamètre moyen des cristaux. La forme de la section horizontale des bobines peut être quelconque : rectangulaire, circulaire, ovale, etc... ; elle peut aussi épouser, plus ou moins, la forme de la section horizontale du moule. En réalité, des bobines de sections relativement importantes pourront être utilisées avec des pieces moulees de format tres différents, à condition que le moule correspondant soit localisé dans une zone où le champ magnétique variable possède une in tensité suffisante. I1 faut noter, qu'à mesure que le front de solidification progresse vers le centre du moule, et dans le cas de pièces de grandes dimensions, la pénétration du champ électromagnétique diminue dans le volume du métal non encore solidifié. I1 en résulte une diminution de l'intensité du brassage, avec des consequences néfastes pour l'effet désiré : l'affinage du grain. Dans ce cas, il est possible de pallier à ces inconvénients, soit en augmen- tant progressivement les amperes-tours variables dans les inducteurs produisant le champ électromagnétique alternatif, soit en travaillant à des fréquences basses, de l'ordre de quelques Hertz, de manière à améliorer la pé- nétration des forces électromagnétiques dans le métal fondu. On dispose ainsi d'un système de réglage souple, n'ayant aucune influence sur une éventuelle corrosion du métal liquide, comme celui qui pourrait être produit par un dispositif partiellement immergé. Le dispositif selon l'invention présente ainsi de nombreux avanta ges - il est de conception et de réalisation simple et fiable ; - il agit sans contact et donc sans risque de corrosion du métal liquide ; - l'énergie qu'il absorbe est faible (inférieure au KWH pour une piece de grandes dimensions) ; - les (ou la) bobines peuvent étre très facilement remplacées en cas d'accident ; - l'intensité du brassage peut etre modulee avec souplesse, par variation de la tension d'alimentation ou (et) par variation de la fréquence du courant alternatif circulant dans les inducteurs ; - il permet d'affiner le grain de solidification, d;homogénéiser la structure métallique de la pièce et, ainsi, d'atténuer les défauts de solidification (inhérents à la coulée en moule) et d'améliorer les propriétés mécaniques ; ; - il s'applique aux procédés de coulée en moules, en lingotières en coquilles, par gravité, par injection et sous pression ; - il s'applique à tous les métaux et alliages. Cependant, l'invention sera mieux comprise à l'aide des dessins qui accompagnent la présente demande et qui représentent, sans caractère limitatif, des exemples de realisations et de mises en oeuvre de dispositifs selon l'invention. La figure 1 est une coupe verticale du dispositif conçu dans sa forme simplifiée. La figure 2 est une vue de dessus du dispositif représenté sur la figure 1. Les figures 3 et 4 sont des coupes verticales présentant des exemples d'associations d'inducteurs produisant le champ magnétique stationnaire. Sur la figure 1, on voit, en coupe verticale, te moule (1) contenant le métal, dont une partie est déjà solidifiée (2) et une partie a l'état liquide (3), l'inducteur (4) produisant le champ magnétique alternatif (5) et le mouvement de convection forcée (6). La figure 2 represente une vue de dessus du dispositif (déjà represente en coupe sur la figure 1) constitué par le moule (1), le métal solidifié (2), le métal liquide (3), l'inducteur (4) produisant le champ magnétique alternatif. La figure 3 présente un exemple du dispositif où les inducteurs (la et lb) produisant le champ électromagnétique alternatif sont placés, au dessus et au dessous du moule (2), approximativement dans la position d'Helmholtz. La figure 4 présente un exemple de dispositif où des bobines (1) productrices de champs magnétiques variables sont disposées en étage et produisent une convection forcee du metal en cours de solidification dans le moule (2). I1 existe, évidemment, un grand nombre de variantes relatives à l'obtention de champs magnétiques variables sensiblement colineaires. L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple, non limitatif, qui suit. Un alliage d'aluminium A 5 a éte coulé dans une lingotière, de forme parallélépipédique, et dont les parois, confectionnées en inox, avaient 5 mm d'épaisseur. Des lingots de 150 mm de hauteur, 110 mm de largeur et 50 mm d'épaisseur ont été ainsi obtenus. Une surchauffe de 40 C a été impo sée dans toutes les coulées. Le champ électromagnétique alternatif etait produit par une bobine, constituée par 340 tours de fil de cuivre émaillé de 4 mm de diamètre répartis sur 7 couches, et dont la hauteur était de 200 mm la largeur et la longueur intérieures de cet inducteur étaient, respectivement, de 120 et 185 m. On réalise la macrographie d'une coupe, selon le plan de symétrie vertical, d'un lingot produit sans adjonction d'afFinant et en absence de champ électromagnétique. On observe une structure classique, comprenant, successivement, en allant de l'extérieur vers le centre du lingot, une zone corticale, une zone colonnaire formée par de gros cristaux et, enfin, une zone équiaxe à grains relativement grossiers. On réalise, ensuite, la macrographie d'une coupe, selon le plan de symétrie vertical, d'un lingot produit sans adjonction d'affinant et en présence d'un champ magnétique variable. Dans ce cas, l'inducteur avait été soumis à une tension alternative de 220 volts, pour une fréquence de 50 Hz l'intensité parcourant l'inducteur était alors de 28 ampères. L'examen de cette macrographie montre que la zone corticale est trés fortement réduite, que la zone colonnaire disparaît totalement et que la quasi-totalité du lingot est constituée, ici, par des cristaux équiaxes fins, dont le diamètre moyen est de l'ordre de 200 à 300 microns. Le nombre de grains est ainsi multiplié par un facteur allant de 100 à 1 000. L'invention trouve son application dans tous les cas où on veut affiner le grain de solidification des metaux et alliages, dans le but d'améliorer leurs performances mécaniques. REVENDICATIONS 1. Procedé de solidification des métaux et alliages dans les moules, caractérisé en ce que l'on applique un champ magnétique alternatif dans le but de créer, dans le métal fondu, en passe d'être solidifié, des mouvements de brassage convectifs forces et intenses. 2. Procédé selon le revendication 1, caractérise en ce que le champ magnétique alternatif est crée par, au moins, une bobine inductrice. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le champ magnétique alternatif est susceptible d'être crée par plusieurs inducteurs disposés au dessus, au dessous et autour du moule. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la forme de la section horizontale-des inducteurs peut etre quelconque. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence du courant électrique qui circule dans chaque inducteur est comprise entre 0,1 et 500 Hertz. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réglage de l'intensité du brassage convectif est obtenu en modulant l'intensité du courant électrique qui circule dans les inducteurs. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réglage de l'intensité dutrassage convectif est obtenu en modulant la fréquence du courant électrique qui circule dans les inducteurs. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'applique à tous les procédés de moulage des métaux et alliages.