Brevet FR2603307A1 — publié le 19880304

L'invention concerne un alliage zinc cuivre destiné à la métallurgie des poudres. Cet alliage contient 56 à 64% en poids de zinc. Cet alliage a une structure métallurgique fine obtenue par atomisation du métal liquide à grande vitesse de solidification. Il est destiné aux applications classiques des laitons en particulier dans le domaine de l'appareillage électrique. Les laitons sont des alliages de cuivre et de zinc, base cuivre couramment utilisés dans l'industrie, principalement dans l'appareillage électrique pour leur bonne conductibilité électrique mais aussi en mécanique pour leur conductibilité thermique et leur résistance à l'oxydation. Signalons pour mémoire les zamak qui fondent vers 420Oc. La figure (1) montre la partie centrale du diagramme d'équilibre cuivre-zinc avec les valeurs en température et en composition qui sont les plus communément admises à ce jour. Il faut noter que ce diagramme est bien étudié et défini. Les valeurs portées sont précises à quelques 0,1 en composition et à 1 2 ou 3 Oc en température. Nous noterons poids Z, p/c et atome %, at%.R'appelons qu'un diagramme d'équilibre rend compte de transformations infiniment lentes dites réversibles et que toute opération de fusion industrielle les déforme considérablement. La partie qui nous intéresse montre trois horizontales Péritectiques BD, GH, LN qui ont respectivement pour coordonnées: Point Température Zinc Zinc Oc pX at % B 902 32,5 31,9 D 36,8 36,1 G 834 56,5 55,8 H 59,8 59,1 L 700 69,8 69,2 N 80,0 79,55 La partie industriellement utilisée pour la fabrication des laitons est très logiquement le début du triangle curviligne DGH, mettant à profit le très faible écart qui se maintient sur une grande étendue de compositions entre le liquidus DH et le solidus DG. Si on considère un petit volume de métal liquide cuivre à 36,8 p% de zinc, représenté sur la figure par le point 1, et qu'on le refroidit doucement, il solidifie entièrement en un petit volume de même composition. Si sa composition est inférieure à 36,8p%, et s il est représenté sur la figure par le point 2, le refroid,ssement lent va faire descendre son point représentatif sur le diagramme verticalemen: jusqu' la courbe liquidus AD vers D, l'appauvrissant en cuivre puis en D il descendra verticalement avec la même composition constante de 36,8 p%. Si le point représentatif de l'état de ce petit volume est en 3, le même phénomène le conduira en H par un appauvrissement en cuivre jusqu'à la teneur péritectique de 59,8 p% de zinc. Si le point représentatif de ce volume est en 4, il se produira le même phénomène conduisant à la teneur péritectique du point N soit 80,0 p% de zinc. Le refroidissement très lent correspond dans l'industrie au coeur des grosses pièces. Le cuivre qui se dépose plus vite que le zinc conduit à une hétérogénéité de la structure et de la texture métallurgique des pièces donc à une qualité inférieure.Celle ci est d'autant plus forte que le solidus et le liquidus sont plus éloignés, c'est à dire que l'écart de solidification est grand et que le refroidissement est lent, c'est à dire que la pièce est grosse, toutes choses égales par ailleurs. On remarque que le liquidus DH est presque confondu, à quelques degrés près avec le solidus DG, de 36,8 p% à 47 p% de zinc. Il est dans ces conditions logique que les laitons du commerce aient actuellement 36 ou 40 p% de zinc. Leur dénomination est par exemple UZ 36 ou UZ 40. La situation est comparable pour le liquidus HN et le solidus HL mais les deux courbes sont beaucoup plus éloignées rendant une fabrication industrielle de qualité, défavorable. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir un alliage industriel de base zinc de composition proche de 59,8 p% de zinc avec le cuivre, de haute qualité. Cet alliage contient 56 à 64 p% de zinc. L'élêment d'alliage est le cuivre.Dans la mesure où il est parfaitement homogène, de structure fine, ses caractéristiques électriques et thermiques sont très proches de celles des laitons à 36 et 40 p2 de zinc. Les caractéristiques mécaniques et de tenue à la corrosion sont comparables tandis que le prix et la densité sont inférieurs, le zinc étant plus léger et ayant actuellement un prix de l'ordre de la moitié de celui du cuivre. Toutefois, les caractéristiques de l'alliage se dégradent vite si l'homogénéité et la finesse de la structure sont mauvaises. L'aptitude à la déformation et à l'usinage baissent aussi. Ce défaut est accentué comme nous l'avons vu plus haut par l'écart des courbes HN liquidus et GL solidus qui est beaucoup plus fort que dans le cas des laitons. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des caractéristiques élevées par le moyen d'un refroidissement très rapide du liquide. L'alliage zinc cuivre est élaboré puis maintenu à l'état liquide dans un creuset qui le laisse s'écouler par le fond à travers une busette calibrée en un jet laminaire de diamètrepréférablement de 5 à 10 mm. La température de coulée est maintenue au dessus du liquidus de 834"c d'une valeur telle qu'elle n'excède pas la température d'ébulition du zinc qui est 907 Oc.Cela évite par rapport aux laitons, pollution, imprécision de la teneur et oxydation. L'écart de température avec le liquidus étant très faible,par rapport à une atomisation classique, le jet doit être maintenu à une température précise par chauffagedu jet lui même ou de la busette. Le jet de métal est alors pris dans un jet gazeux inerte d'argon ou argon -hélium à très grande vitesse de préférence égale à 1200 m/s et de débit massique égal G celui du métal pour atteindre une vitesse de refroidissement d'au moins 5 105 "c/s . Pour que le jet liquide puisse être traité par le jet gazeux, celui ci doit l'envelopper tangentiellement pour éviter que la pression dynamique ne le rejette et qu'ainsi les jets métallique et gazeux ne se mélangent que très partiellement. Etant donné la vitesse d'éjection de la tuyère, nécéssitée par la vitesse de refroidissement, la poudre dont la granulomètrie est inférieure à 150 micromètres ou microns, peut être recueuillie directement dans un cyclone ou tout séparateur convenable. L'alliage selon l'invention peut recevoir selon l'usage particulier auquel on le destine, les additions classiques des alliages de cuivre. Le phosphore, le phosphure de cuivre, le borure de titane comme affinants ne sont guère nécéssaires sur cet alliage qui a naturellement une structure fine. Par contre, plomb, bérillium, étain, nickel, fer ont des actions similaires à celles qui sont bien connues de l'homme de l'art. La poudre obtenue selon le procédé selon l'invention peut être frittée, forgée ou soumise à d'autres procédés deconsolidation mais les pièces de haute qualité seront préférablement obtenues par extrusion à basse température. La poudre compte tenu de sa faible oxydation, peut être extrudéepar un procédé classique mais préférablement dans un conteneur étanche sous vide en filage inverse et sous pression isostatique de façon à éviter de chauffer la poudre et le conteneur et de limiter la température de l'outillage à 450"c qui est la température de transformation de l'alliage. Le taux de réduction est préférablement au moins égal à 10 en section. De cette manière le métal obtenu a une structure fine et homogène tandis que sa texture métallurgique est une texture cubique à faces centrées comme pour les laitons et dont les paramètres sont très proches, alors que la présence de cuivre libre liée à un refroidissement lent conduirait à une texture partiellement rhomboédrique non souhaitable. REVENDICATIONS 1) Alliage zinc-cuivre à base zinc contenant de 56 à 64 % en poids de zinc. 2) Alliage selon la revendication 1 additioné des alliages d'addition classiques des alliages cuivreux soit plomb, béryllium, étain, nickel, fer. 3) Alliage selon la revendication l atomisé par un gaz inerte après chauffage à une température au plus égale à 907 Oc. 4) Alliage selon les revendications 1 et 3 atomisé avec une très grande vitesse de refroidissement soit au moins 105 Oc/seconde, par une tuyère enveloppant le jet de coulée dans un cone d'angle au sommet faible pour le forcer à pénétrer dans la zône de haute pression et vitesse du gaz. 5) Alliage selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce qu'il est extrudé sans chauffage de poudre ni de conteneur dans un outillage au plus à 458 "c.