Brevet FR2590189A1 — publié le 19870522

1-. PROCEDE DE COULEE CONTINUE D'UN RUBAN RETALLIQUE La présente invention a trait à un procédé de couLée continue d'un ruban métallique particuLièrement facile à fabriquer, comportant une structure de solidification unidirectionneltle et caractérisé par une longueur sensiblement supérieure au le diamètre ou à L'épaisseur, par exemple, en forme de bande métallique ou de fil métallique. PLus particulièrment, L'invention se rapporte à un procédé de coulée continue d'une bande ou d'un ruban métallique par déversement d'un métal fondu sur La surface d'une plaque ou support de solidification se déplaçant d'une manière généraLe de façon continue dans une direction, en un endroit déterminé Le long de sa trajectoire, ce procédé étant caractérisé par le pré-chauffage du support de solidification, en amont de L'endroit o est reçu le métaL fondu, à une température au dessus du point de fusion du métal, ce qui empiche Le métaL fondu déversé de former des noyaux cristallins au contact avec La surface du support, et par Le refroidissement du métaL jusqu'à L'état soLide sur Ladite surface de support pendant son éLoignement de L'endroit de déversement, de manière à donner au ruban de métaL soLide une structure de solidification unidirectionneLLe particuLièrement faciLe à obtenir. Récemment, l'avance rapide de L'industrie électronique a poussé très fortement à la réduction en taiLle et à L'amélioration de la précision des machines et de leurs outillages. Dans cette perspective, on demande aux matériaux métaLliques utilisés de remplir Leurs fonctions de manière satisfaisante tout en ayant une épaisseur ou une largeur de plus en plus réduite et une qualité de plus en plus grande. -2- PLus précisément, iL est apparu un besoin de fils fins, de feuilles minces et bandes fines en matériau métallique possédant une structure de soLidifcation unidirectionnelLe exempte de porosité grossière, bulles ou frontières de grain cristallin sujettes à La formation de dépôts d'impuretés. D'une manière générale, on sait que lorsqu'un ruban métallique est soumis à un travail à froid, tel qu'un Laminage ou un étirage, il subit une trempe et, éventuellement, des cassures le long des frontières de grain cristallin primaire qui se sont formées au cours de la solidification du ruban métallique. Par suite, il est très désirable que Le ruban métallique utiLisé comme matériau de départ pour réaliser un fil extrêmement fin ou une feuille ou bande extrêmement fine, possède une texture exempte de frontières de grain cristallin primaire susceptibles d'initier La formation de tapures Lors d'une mise en oeuvre telle que mentionnée ci-dessus. Le but de la présente invention est de réaliser un procédé capable de produire de manière continue un ruban métallique possédant une structure de solidification unidirectionnelle bien adaptée au travail tel que le laminage ou l'étirage et ne comportant pas de défauts internes tels que porosité grossière ou bulles, au moyen d'une opération extrêmement simple de déversement d'un métal fondu par l'intermédiaire d'une buse sur la surface d'une plaque ou support de solidification se déplaçant de manière continue dans une direction déterminée. Jusqu'à maintenant, on a produit à grande échelle une bande métallique destinée à la fabrication de rubans amorphes en déversant de manière continue, à partir d'une buse, du métal fondu sur la surface d'une plaque ou support de solidification refroidie en forme de cylindre ou de tambour entraîné en rotation dans un sens déterminé, ce qui permet au métal fondu d'être refroidi et solidifié de manière brutale. Maintenant le même procédé est également utilisé, de manière générale, pour la fabrication de bandes métalliques fines. Cependant, la bande métallique obtenue de cette manière a une forme polycristalline à cause du fait que le métal fondu forme des noyaux cristallins lors du contact avec la surface du support de solidification refroidie. De plus, les cristaux -3- ainsi obtenus sont susceptibles de croître dans des directions parallèles sensiblement perpendiculaires à la surface du support de solidification. Puisque la bande métallique sous forme polycristalline est susceptible de présenter des tapures le long des frontières de grain cristallin lors du travail du métal, la fabrication d'une feuille très fine et sa transformation en revêtement extrêmement mince n'ont été atteintes qu'au prix de grandes difficultés. En particulier, une bande d'un alliage ayant une grande plage de température de solidification est tout-à-fait apte à présenter des tapures le long des frontières de grain cristallin. Par suite, il s'est avéré difficile d'obtenir une séparation douce de la bande de cet alliage de la surface de solidification incurvée sans créer des tapures dans la bande. La présente invention, tout-à-fait à l'opposé du procédé classique d'obtention d'une bande métallique de forme polycristalline par déversement d'un métal fondu sur la surface d'un support de solidification refroidi en forme de cylindre entrainé en rotation dans un sens en' sorte de permettre au métal fondu de se solidifier au contact avec ladite surface, se rapporte à un procédé de fabrication d'un ruban métallique ayant une structure de solidification- unidirectionnelle, consistant à maintenir la surface du support de solidification à une température au dessus du point de fusion du métal, en sorte d'empêcher le métal fondu de former des noyaux cristallins au contact avec la surface du support. D'autres objets et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre donnée ci-après en référence avec les dessins annexes sur lesquels: - Figure 1 est un schéma illustrant le principe du procédé de l'invention, - Figure 2 est une vue en coupe longitudinale montrant la partie essentielle d'un dispositif de coulée continue d'une bande métallique ayant une structure de solidification undirectionnelle, comportant un cylindre comme surface de solidification, et, - Figure 3 est une vue en coupe longitudinale montrant la partie essentielle d'un dispositif de coulée continue -4d'une bande métallique ayant une structure de solidification unidirectionnelle, comportant une bande sans fin comme support de solidification. La présente invention concerne plus particulièrement un procédé pour L'obtention de manière continue et facile d'un ruban métallique ayant une structure de solidification unidirectionnelle, par déplacement d'un support de solidification de manière continue dans une direction déterminée, pré-chauffage de la surface du support de solidification de manière que celui-ci soit à une température au dessus du point de fusion du métal à l'endroit du déversement sur le support du métal fondu, déversement du métal fondu sur la surface du support de solidification et, ensuite, refroidissement du métal fondu déversé pendant L'éloignement de ladite surface de l'endroit de déversement du métal. Par "support de solidification" on entend un dispositif comportant une surface adaptée à recevoir et solidifier du métal fondu déversé sur cette surface. En vue de L'obtention d'une bande métallique, le support de solidification peut être en forme de plaque Lisse, plane et allongée, de rouleau ou de bande sans fin. En vue de l'obtention d'un fil ou câble métallique, Le support de solidification peut être en forme de plaque lisse, plane et allongée, de rouleau ou de bande sans fin. En vue de l'obtention d'un fil ou câble métallique, le support de solidification peut avoir la forme d'un moule muni d'une ou plusieurs rainures ou d'un cylindre muni d'une ou plusieurs rainures à sa périphérie. Le principe de l'invention va maintenant être décrit en se reportant à la figure 1. Dans le dispositif représenté à la figure 1, un support de solidification 1 est constitué de graphite, d'un matériau réfractaire ou d'un métal à haute température de fusion et agencé de manière à être mobile dans le sens de la flèche à une vitesse déterminée. Une buse 2 est utilisée pour déverser un métal fondu sur le support 1 et est reliée à un récipient d'alimentation en métal fondu (non représenté). Un moyen de chauffage 3 est utilisé pour chauffer la buse 2 et est constitué d'un élément chauffant à résistance électrique ou d'une bobine d'induction haute fréquence. L'orifice de sortie de la buse 2 est constamment maintenu à une température supérieure à la température de solidification du métal coulé. Un dispositif de chauffage, 4 tel qu'un brûleur à gaz, est utilisé pour chauffer la surface du support de solidification en amont de la buse 2 et peut être également constitué par un élément chauffant résistant, une bobine d'induction haute fréquence ou un faisceau d'électrons. Du métal fondu 5 est amené, de manière continue, à partir du récipient d'alimentation en métal fondu, à l'intérieur de la buse 2. On a représenté en 6 une pulvérisation d'eau de refroidissement. En variante, le refroidissement peut être effectué en utilisant un gaz ou un brouillard de refroidissement. Enfin, en 7 on a représenté un ruban métallique solide évacué sur le support 1. Le support de solidification 1 est maintenu en mouvement dans le sens de la flèche et le brûleur à gaz 4 est agencé de manière à chauffer La surface du support à une température supérieure à La température de solidification du métal coulé. Lorsque le métal fondu sortant de la buse 2 est déposé sur la surface du support et est refroidi par le jet d'eau de refroidissement 6, les cristaux du ruban métallique 7 croissent de manière préférentielle dans le sens de la longueur du ruban métallique, en sorte que l'on obtient dans ce dernier une structure de solidification unidirectionnelle. Le front de solidification du ruban métallique 7, c'est-à-dire l'interface solide-liquide, est toujours située dans l'intervalle entre la sortie de la buse 2 et le support de solidification 1, comme illustré sur la figure 1. La bande métallique peut acquérir une structure de solidification unidirectionnelle parfaite n'entraînant la formation d'aucun noyau nouveau à partir des flancs latéraux, grâce au maintien de la température de la surface du support de solidification 1, sous la buse, au dessus de celle de la bande métallique en contact avec ladite surface et au réglage de la température du métal fondu, de la buse et de la surface du support. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale de la partie essentielle d'un dispositif de fabrication d'une bande métallique ayant une structure de solidification -6- unidirectionnelle, utilisant un cylindre comme support de solidification, conformément au principe de la présente invention. Dans le dispositif illustré par la figure 2, le support de solidification 11 a la forme d'un cylindre et est agencé pour tourner dans le sens de la flèche. Une buse 12 utilisée pour délivrer le métal fondu est maintenue, par un moyen de chauffage 13, à une température dépassant la température de solidification du métal coulé. Un brûleur à gaz 14 est agencé pour chauffer la surface du support de solidification 11 à l'endroit du déversement du métal fondu, à une température dépassant la température de solidification du métal coulé. La référence 15 désigne le métal fondu, la référence 16 une pulvérisation d'eau de refroidissement et la référence 17 une bande de métal solidifié coulé. Une lame 18 sert à séparer la bande métallique 17 du support de solidification 11. Le métal fondu délivré par La buse 12 sur la surface chauffée du support de solidification 11 se solidifie préférentiellement à la naissance de la bande métallique 17 et acquiert une structure de solidification unidirectionnelle. Par suite, la bande métallique solidifiée qui en résulte peut être séparée de la surface de solidification 11 sans provoquer de tapures, grâce à la lame 18, en vue de son enroulement sur un cylindre (non représenté). La figure 3 est une coupe longitudinale de la partie principale d'un appareil de fabrication d'un ruban métallique selon le principe de la présente invention, utilisant une bande sans fin comme support de solidification. Ainsi, le support de solidification 21 a la forme d'une bande métallique sans fin et est muni, sur sa surface, d'un revêtement réfractaire qui sert à empêcher la surface de la bande de réagir avec le métal fondu. La bande métallique se déplace dans le sens de la flèche au moyen de rouleaux 29,30. Un brûleur à gaz 24 chauffe la bande métallique 21. Une buse 22 alimente la bande métallique chauffée 21 en métal fondu 25 qui est de préférence solidifié à l'extrémité de formation d'un ruban métallique 27 qui est maintenu refroidi par une pulvérisation d'eau de refroidissement 26. Le ruban métallique -7- 27 se déplace sur des rouLeaux de guidage 31 en vue d'être enroulé sur une bobineuse (non représentée). La référence 32 désigne un moyen de soutien de La bande. En variante, ce moyen être remplacé par des routeaux de guidage. Dans Le procédé de La présente invention, la formation de nouveaux noyaux cristallins dans le métal fondu au contact de La surface du support de solidification est complètement évitée à cause du chauffage de La surface du support de solidification, Le nombre de cristaux se formant initialement dans Le ruban de métaL diminuant au cours de Leur croissance Lors de La coulée du ruban de métaL. De cette manière, Les cristaux tendent en fin de compte à former un monocristal. Par conséquent, La présente invention ne fournit pas seulement un procédé approprié à La fabrication d'un ruban métallique ayant une structure de solidification unidirectionnelle mais égaLement un procédé capable de produire aisément un ruban métalLique formé d'un monocristaL. De plus, Lors d'une coulée en coutinu d'un alliage avec une composition eutectique, Le procédé de La présente invention peut produire faciLement un ruban métalLique ayant une structure composée de cristaux eutectiques colonnaires régulièrement disposés dans une direction déterminée ou une structure composée d'un monocristaL eutectique. Lors de La mise en oeuvre de La présente invention, afin d'éviter que Le métaL fondu ne forme des noyaux cristallins, la buse chauffée doit rester aussi près que possible de la surface du support de solidification. De plus, la vitesse à LaqueLLe le ruban métallique est refroidi doit être réglée de telle manière que la température de La surface du support de solidification, au droit du front de solidification du ruban métallique, ne puisse descendre en dessous de La température de solidification du métal coulé. Lors de La mise en oeuvre du procédé de L'invention, on peut utiliser, comme matériau constituant La surface du support de solidification, une matière ne réagissant pas avec le métal fondu et choisie dans le groupe formé par Les caoutchoucs résistant à La chaleur, Le graphite, Les matériaux réfractaires et Les métaux résistant à La chaleur tels que l'acier inoxydable, lorsque le ruban métallique est constitué -8- d'un métal à bas point de fusion tel qu'un alliage d'étain ou de plomb.Si le ruban métallique est constitué d'un métal à haut point de fusion, comme l'aluminium, le cuivre, ou un alliage de fer, on peut choisir un matériau réfractaire ne réagissant pas avec l'oxyde fondu du métal formant le ruban métallique, dans le réfractaires tels que silicium,le nitrure de zircone. A des fins L'invention, il suffit constitué d'un support revêtement formé d'un m avec le métal fondu. solidification doit étr sans fin, on peut groupe comprenant les matériaux le carbure de silicium, le nitrure de bore,l' aLumine, la magnésie et la d'utilisation dans le procédé de que le support de solidification soit en métal- muni à sa surface d'un iatériau réfractaire ne réagissant pas En particulier lorsque le support de e constitué sous la forme d'une bande avantageusement utiliser une bande métallique pourvue d'un revêtement d'un matériau réfractaire ou de carbone incapable de réagir avec le métal fondu, afin d'éviter l'éventuel accrochage du ruban métallique avec la bande sans fin. Dans la fabrication d'un ruban métallique à point de fusion élevé, il suffit, en vue d'empêcher que le métal ne fonde ou que le métal fondu ne soit oxydé durant son déversement, de maintenir l'orifice de la buse entouré et protégé, si nécessaire, à l'aide d'un gaz inerte tel que l'argon ou l'azote ou d'un gaz réducteur tel que l'hydrogène ou l'oxyde de carbone. Afin de chauffer la buse et le support de solidification, on peut utiliser un élément chauffant à faible résistance tel que, par exemple, du nickel-chrome ou du carbure de silicium, Lorsque le ruban métallique est constitué d'un métal à bas point de fusion tel que l'étain, le zinc, le plomb ou l'aluminium. Lorsque le ruban métallique est constitué d'un métal à point de fusion élevé, on peut utiliser un élément chauffant à haute résistance tel que le tantale, le tungstène, le molybdène, le platine ou le carbure de silicium. Comme moyen de shauffage on peut utiliser une bobine d'induction haute fréquence, un brOleur à gaz, ou un dispositif de chauffage à faisceau d'électrons. Le front de solidification du ruban métallique d'une structure de solidification unidirectionnelle obtenue par le -9- procédé de L'invention ne peut former de noyaux cristallins au contact avec ta surface du support de solidification, grâce au maintien de La surface du support sous l'extrémité de sortie de la buse, à une température au dessus de La température de solidification. Par suite, le ruban métallique coulé peut acquérir une structure de solidification unidirectionnelle. Ainsi, le ruban métallique présente une qualité élevée exempte de défauts tels que porosité grossière, bulles de gaz et ségrégation de fusion macroscopique. Par suite, la présente invention peut être considérée comme un moyen remarquable pour produire, par une procédure simple et avec une très grande facilité, une matière telle que des matériaux magnétiques qui doivent posséder une structure de solidification unidirectionnelle et des feuilles très minces ainsi que des fils ou câbles extrêmement fins. Le procédé de l'invention élimine de manière aisée les défauts de coulée tels que porosité grossière et bulles de gaz, que l'on rencontre inévitablement dans le procédé de coulée conventionnel. Lorsque le métal fondu comporte une quelconque matière non métallique, cette matière est contenue dans le ruban métallique finaL. Afin que le ruban métallique final soit de haute qualité exempte d'une telle matière étrangère, celleci doit être enlevée du métal fondu, de manière appropriée, avant la solidification. Dans ce but, il est nécessaire que le métal fondu soit passé à travers un tamis à gaze en métal réfractaire ou un filtre en céramique poreuse, disposé soit à l'intérieur de la buse, soit en amont de celle-ci. Le métal, fondu au préalable, contenu dans le récipient d'alimentation en métal fondu et maintenu dans celui-ci à une température déterminée, peut être envoyé dans la buse en quantité déterminée, sous une pression plus ou moins forte. En variante, le métal peut être introduit dans La buse sous forme de poudre ou de fils, fondu dans la buse et ensuite déversé sur le support de solidification. On peut modifier à volonté la largeur et l'épaisseur du ruban métallique en faisant varier de manière appropriée la largeur de l'orifice de sortie de la buse ainsi que la distance entre la buse et le support de solidification. -10- On va maintenant décrire, ci-après, un exemple de mise en oeuvre de la présente invention. EXEMPLE Dans un dispositif tel que représenté à la figure 1, on a alimenté en cuivre fondu une buse d'aluminium ayant un diamètre interne de 3 mm à l'extrémité de déversement, le cuivre étant chauffé à 1.1000C. La buse a été disposée de manière à ce que son extrémité de déversement soit maintenue à une distance de 1 mm de la surface supérieure d'un support de solidification en aluminium en forme de bande de 30 mm de large et 2.000 mm de long. Ce support de solidification a été déplacé à une vitesse de 200 mm par minute en direction d'un dispositif de refroidissement. A ce moment, la surface du métal fondu avançant sous forme d'une couche, à partir de la buse, sur la surface du support de solidification, a été refroidie par de l'argon à 50C, projeté avec un débit de 10 litres à la minute, dans une direction en oblique en s'éloignant de la buse. Lorsque l'on a attaqué la surface du ruban métallique obtenu et que l'on a observé la texture exposée de ce ruban, on a trouvé qu'il présentait une structure de solidification unidirectionnelle parfaite. Ce résulat indique que le procédé de l'invention est remarquablement efficace pour produire un ruban métallique à structure de solidification unidirectionnelle. L'invention concerne un procédé permettant de couler un ruban métallique de petit diamètre ou de faible épaisseur, apte à être travaillé de manière satisfaisante, directement, à partir d'un métal fondu,par une opération très simple de déversement du métal fondu sur un support de solidification en mouvement suivant une direction déterminée. Même du point de vue des économies d'énergie et de temps, c'est à proprement parler un procédé remarquable et économiquement valable. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus mais en couvre, au contraire, toutes les variantes, sans sortir pour autant du cadre de l'invention tel que défini dans les revendications annexées. -11- R E V E N D I C A T I O N S :=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:: 1. Procédé de coulée continue d'un ruban métallique ayant une structure de solidification unidirectionnelle, caractérisé en ce qu'il consiste à déplacer, de manière continue, dans une direction déterminée, et le long d'une trajectoire déterminée, un support de solidification allongé (1,11, 21) comportant une surface agencée pour recevoir le métal fondu (5,15,25), à déverser le métal fondu sur ladite surface du support en mouvement, en un endroit déterminé le long de ladite trajectoire du support, à chauffer ladite surface en amont dudit endroit, de manière que sa température, à cet endroit, soit au dessus du point de fusion dudit métal déversé, et, en aval dudit endroit, à refroidir le métal se déplaçant en même temps que la surface, afin de le solidifier, grâce à quoi on empêche la formation de noyaux cristallins dans le métal au contact avec la surface dudit support. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support de solidification est formé d'une céramique réfractaire, d'un métal, de graphite ou de caoutchouc résistant à la chaleur. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que Ledit support de solidification est formé d'un métal revêtu d'un matériau réfractaire. 4. Procédé suivant La revendications 1, caractérisé en ce que Ledit support de solidification comporte une surface de forme générale plane audit endroit de déversement du métal fondu. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que Ledit support de solidification comporte au moins une rainure de réception dudit métal fondu. 6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support de solidification se déplace suivant une trajectoire en forme de boucle fermée. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit support sans fin comporte au moins une rainure formée à la périphérie de sa surface, dans le sens de son -12- déplacement, afin de recevoir ledit métal fondu. 8. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support de solidification est une bande sans fin (21) ou un cylindre (11). 9. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que Ledit métal fondu est déversé sur La surface dudit support à L'aide d'une buse (2,12, 22) et en ce qu' au moins L'extrémité de sortie de ceLLe-ci est maintenue à une température supérieure à La température de solidification du métal fondu. 10. Procédé suivant La revendication 1, caractérisé en ce que La surface dudit support de solidification (1,11,21), au droit du front de solidification du métaL solide se dépLaçant avec Le support de solidification en s'éloignant de L'endroit de déversement, est maintenue à une température supérieure à La température de solidification du métaL fondu. 11. Procédé suivant La revendication 9, caractérisé en ce que Ladite buse (2,12,22) comporte un bord avaL à distance au dessus de La surface dudit support (1,11,21) et définissant un intervaLLe pour La sortie du métaL déversé sur Ladite surface en mouvement, Le front de solidification dudit métal solide étant situé dans cet intervalle. 12. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal fondu est maintenu sous une atmosphère de gaz non oxydant. 13. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal solide est formé d'un monocristal. 14. Procédé suivant La revendication 1, caractérisé en ce que tedit métal soLide est formé d'au moins un cristal eutectique. 15. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une étape de filtration du métal fondu afin d'enLever les matières étrangères avant l'envoi dudit métal dans Ladite buse. 16. Procédé suivant La revendication 9 ou 11, caractérisé en ce que Ladite buse (2,12,22) est chauffée par une bobine d'induction haute fréquence. 17. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que Ledit support de solidification (1,11,21) est -13- chauffé à L'aide d'un brûLeur à gaz, d'un faisceau d'électrons ou d'une bobine d'induction haute fréquence. 18. Procédé suivant L'une des revendications 1,9,11 et 16, caractérisé en ce que Ladite buse (2,12,22) et La surface dudit support (1,11,21) sont constituées d'une matière ne réagissant pas vis-à-vis dudit métaL fondu.