Brevet FR2615426A1 — publié le 19881125

La présente invention concerne l'électrométallur- gie et plus précisément des procédés de fabrication de produits bimétalliques. L'invention peut être utilisée pour la refusion sous laitier électroconducteur et pour la refusion à l'arc sous vide, ainsi que pour la fusion des métaux. On connaît un procédé de refusion sous laitier électroconducteur, qui consiste à refondre, sous une couche de laitier, une électrode dans un espace délimité par la cavité d'un lingot creux installé dans un cristalli- soir. Le matériau de l'électrode diffère du matériau du lingot (cf., par exemple, la revue "Stahlund Eisen", NO 17, 1975, Fritz Hachstein Metallurgische M6glichkeiten zur Verbesserung der Eigenschaften schwerer Schmiedest cke aus Stahl). Ce procédé ne permet pas d'obtenir des jonctions bimétalliques, par exemple de métaux acier-cuivre pour les causes suivantes: - le lingot fond sans former la seconde couche requise de jonction bimétallique; - lors de la fusion partielle du lingot apparait une zone de transition commensurable avec les dimensions de la jonction bimétallique; par ailleurs la présence d'une zone de transition de dimension quelconque entraîne une dégradation considérable de la qualité de la jonction entre les couches. On connaît un procédé de fabrication des pièces bimétalliques par une méthode de refusion sous laitier électroconducteur, qui réside en ce qui suit. Dans une douille de formage constituant la première couche de la pièce bimétallique, on arrange un bain de laitier et on accroche, à la douille, le matériau mis en fusion, provenant d'une électrode consommable par refusion sous laitier électroconducteur, en formant ainsi la seconde couche de la pièce bimétallique (cf., par exemple A.L.Andreev, G.S. Andreeva, L.A.Volokhonsky, V.B. Gutkin, M.A. Kisselman, S.V. Orlov, A.L. Tsikerman, "La refusion sous laitier électroconducteur des ébauches bimétalliques (acier-cuivre)" pages 15 à 17, revue "Elektrotekhnicheskaya promyshlennost", Elektrotermia NO 6 (24), 1980, Moscou). Le procédé connu n'assure pas une qualité suffisante de jonction des couches dans la pièce bimétalli- que, car on ne connait pas le caractère de la modification de la puissance de la refusion sous laitier électroconduc- teur, et les températures d'échauffement de la douille de formage ne sont pas contrôlées. Ce procédé n'assure pas une consommation écono- mique des métaux non ferreux en déficience. Les pièces obtenues sont peu solides et ne possèdent pas la résistance requise en service. La présente invention est basée sur le problème de la création d'un procédé de fabrication de pièces bimétalliques permettant d'améliorer notablement la qualité de jonction des couches dans une pièce bimétallique grâce au choix judicieux des paramètres optimaux de la refusion sous laitier électroconducteur. Ce problème est résolu du fait que, dans un procédé de fabrication de pièces bimétalliques par refusion sous laitier électroconducteur, qui consiste à arranger un bain de laitier dans une douille de formage constituant la première couche de la pièce bimétallique, et à lui accrocher, par refusion sous laitier électroconducteur, le métal mis en fusion provenant d'une électrode consommable, constituant la seconde couche de la pièce bimétallique, selon l'invention, au cours de la refusion sous laitier électroconducteur, on mesure en continu, dans la zone du bain de laitier, la température de la douille de formage et on la maintient dans les limites de 0,6 à 0,9 de la température de fusion du métal de cette douille de formage par modification de la puissance du bain éleceroconducteur, alors on accroît la puissance en cas de réduction de la température de la douille de formage au-dessous de 0,6 de la température de fusion de son métal ou bien on la réduit si cette température dépasse 0,9 de la température de fusion du métal de la douille de formage. Avant le début de la refusion sous laitier électroconducteur, il paraît raisonnable de réchauffer la partie inférieure de la douille de formage jusqu'à une' température choisie dans la gamme de 1,0 à 1,2 de la tempé- O10 rature de fusion du laitier, la hauteur de la douille de formage étant de 0,2 à 0,4 de la valeur moyenne du périmètre de la partie inférieure de la douille de formage. Sur la partie interne de la douille de formage peuvent être aménagés des creux de forme quelconque dans le but d'accroître la surface totale de la jonction des deux métaux de la pièce bimétallique. Il paraît avantageux d'introduire, dans la zone délimitée par la douille de formage, au moins un élément constructif en un matériau dont la température de fusion est supérieure à celle de l'électrode consommable. Après la refusion sous laitier électroconducteur, un ou plusieurs des éléments constructifs peuvent être enlevés, il est alors avantageux de les réchauffer. Au cours de la refusion sous laitier électro- conducteur, il est préférable de refroidir l'élément constructif. Il est raisonnable de former, dans la douille de formage, des compartiments, en installant des cloisons non refroidies et de réaliser la refusion des électrodes consommables d'abord dans deux compartiments, séparés par un compartiment libre, puis de remplir par coulée les compartiments restés libres. Lors de la fabrication d'une pièce bimétallique creuse, il parait avantageux de réchauffer la surface interne de la douille de formage creuse et d'amener le matériau de l'électrode consommable par fusion sur la surface externe de la douille de formage. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente le schéma technologique de l'installation pour réaliser le procédé de fabrication de pièces bimétalliques selon l'invention; - la figure 2 représente cette même installation, et plus particulièrement, la section A de la figure 1 à échelle agrandie; - la figure 3 représente cette même installation vue de dessus; - la figure 4 représente cette même installation avec plusieurs électrodes consommables, vue de dessus et en coupe, selon l'invention; - la figure 5 représente une pièce bimétallique obtenue par le procédé proposé selon l'invention; - la figure 6 représente un autre mode de réali- sation du schéma technologique de l'installation pour la fabrication de pièces bimétalliques, selon l'invention, en coupe longitudinale; - la figure 7 représente cette même installation vue de dessus; - la figure 8 représente la pièce bimétallique obtenue selon le procédé faisant l'objet de l'invention. Le procédé de fabrication de pièces bimétalliques par une méthode de refusion sous laitier électroconducteur consiste en ce qui suit. On arrange dans une douille de formage 1 (figure 1) non refroidie, en acier, un bain de laitier 2 et on refond, par une méthode de refusion sous laitier électroconducteur, une ou plusieurs électrodes consommables 3 en cuivre. Cela donne une pièce bimétallique 4 "acier-cuivre", dont la première couche externe est constituée par l'acier de la douille 1, tandis que la seconde couche interne en cuivre est formée par le métal mis en fusion de l'électrode consommable 3. Au cours de la refusion sous laitier électroco6- ducteur, on mesure en continu, dans le bain de laitier, la température t1 de la douille 1 au moyen du capteur de température 5 et on la maintient dans les limites de 0,6 à 0,9 de la température t2 de fusion du métal, dans lequel est réalisée la douille 1. Si, par exemple, la douille 1 est réalisée en acier, dont la température de fusion t2 peut être conventionnellement prise égale à 1450 C, la température t1 de la douille i sera maintenue entre 870 et 1305 C. Si la température de la douille 1 dépasse la valeur de 0,9 de la température de fusion de son métal au cours de certaines modifications de la puissance du processus en entier, il se produit une mise en fusion partielle ou la fusion de part en part de la douille 1, ce qui peut provoquer l'apparition d'une zone de transition indésirable entre les couches de la jonction bimétallique ou la création d'une situation d'avarie, due à l'écoule- ment du métal liquide d'électrode 3. Si la température de la douille 1 descend au- dessous de 0,6 de la température de fusion, la jonction des deux métaux pour la.formation d'un bimétal n'a pas lieu à cause du durcissement du métal de l'électrode 3 qui rend impossible sa diffusion dans le métal de la douille 1. Il est particulièrement avantageux de maintenir l'intervalle de température de la douille 1 par la modification de la puissance du bain de laitier 2. A cet effet, on fait accroître la puissance en cas de diminution de la température t1 de la douille 1 en-dessous de 0,6 t2 et on la fait diminuer si la température t1 croit au-dessus de 0,9 t2. Ceci est réalisé d'une façon connue quelconque, par exemple en modifiant l'échelon de tension du transfor- mateur de puissance de l'installation de refusion sous laitier électroconducteur (non représenté sur le dessin). Afin d'améliorer l'efficacité et la qualité de la jonction bimétallique, on réchauffe, avant le début de la refusion sous laitier électroconducteur, la partie inférieure de la douille 1 selon une méthode connue quelconque, par exemple avec un brOleur à gaz ou par chauffage électrique. La hauteur h1 de la section chauffée de la douille 1 est de 0, 2 à 0,4 de la valeur moyenne du périmètre de la douille 1 dans sa partie inférieure. Ainsi, par exemple, lors de la fabrication des pièces de forme cylindrique d'un diamètre de 0,5 m, la hauteur h1 de réchauffement préalable de la douille 1 est de 0,314 à 0,628 m. On a établi que la température t3 de réchauffe- ment était de 1,0 à 1,2 de la température t4 de fusion du laitier. Par exemple, lors de la coulée de la jonction bimétallique "acier-cuivre", on utilise un laitier possédant une température de fusion t4 égale à 900 C, alors la température t3 de réchauffement de la douille 1 est choisie dans la plage de 800 à960 C. Le réchauffement préalable de la douille 1 à ces températures assure une haute qualité de la jonction des couches dans le bimétal et, en conséquence, l'augmentation de la quantité de métal de qualité obtenu. Pour faire croître la surface totale de jonction des deux métaux dans le bimétal, on aménage sur la surface interne 6 (figure 2) de la douille 1, des creux 7 de forme quelconque, par exemple, des ouvertures borgnes. Une telle augmentation de la surface améliore notablement la diffusion du métal de l'électrode 3 (figure 1). Dans la zone 8 délimitée par la douille 1 et l'électrode 3, on introduit au moins un élément constructif 9 en un matériau, dont la température t5 de fusion est supérieure à la température de fusion des électrodes consom- mables 2. L'élément 9 peut, par exemple, être réalisé en graphite avec, par exemple, t5 égale à 1700 C. Après la réalisation de la refusion sous laitier électroconducteur, on enlève un ou plusieurs éléments 9 en libérant alors l'espace qu'ils occupaient. Avant de réaliser la coulée, on place, en tenant compte de la configuration de la pièce bimétallique à obtenir, les éléments 9 selon la géométrie requise de la pièce, en réalisant ainsi une économie de métaux non ferreux en déficience. L'élément 9 est refroidi au cours de la refusion sous laitier électroconducteur selon une méthode connue quelconque, ce qui permet de faciliter ses conditions d'utilisation et d'augmenter sa durée de vie. L'élément 9 peut être utilisé à plusieurs reprises. Le matériau de l'élément 9 n'entre alors pas en réaction chimique avec le métal de la seconde couche interne de la jonction bimétallique et ne l'encrasse pas. L'élément 9 est réchauffé selon un procédé quelconque connu, la refusion sous laitier électroconduc- teur étant terminée, ce qui facilite les conditions d'éva- cuation de cet élément 9 de la pièce. Ceci est nécessaire du fait qu'au cours du processus de coulée, l'élément 9 est compressé et coincé à cause du retrait thermique survenant au cours de la solidification de la couche interne de la jonction bimétallique. Ceci améliore la fiabilité de réalisation de la coulée. La figure 4 représente un autre mode de réalisa- tion du schéma technologique pour la coulée des pièces bimétalliques creuses. Une douille de formage 10 est située à l'intérieur d'une douille de formage Il et est coaxiale avec elle. L'espace formé entre les douilles 10 et 11 est séparé par des cloisons 12 en compartiments distincts 13 et 14. Des électrodes consommables 15 sont refondues d'abord dans les compartiments 13, séparés les uns des autres par les compartiments libres 14, dans lesquels sont placées ensuite des électrodes consommables 16 à refondre. On obt.ient une pièce bimétallique creuse 17 (figure 5) dont les parois internes et externes 18 et les cloisons 19 sont réalisées dans le même métal, par exemple en acier, tandis que l'espace entre elles est rempli d'un autre métal 20 ou de métaux, par exemple du cuivre, du bronze, du laiton. La séquence recommandée de remplissage par coulée des compartiments 13 et 14 permet d'améliorer la fiabilité du processus du fait qu'on exclut le percement par fusion des cloisons 12. Un mode du schéma technologique de refusion sous laitier électroconducteur est représenté sur les figures 6 et 7. L'installation comporte une douille de formage 21 (figure 6) avec une partie supérieure évasée pour y arranger le bain de laitier 22, dans lequel sont refondues des électrodes consommables 23. La douille 21 est creuse et à l'intérieur de celle-ci se trouve un mandrin 24. La douille 21 comporte plusieurs compartiments distincts 25 (figure 7), dans chacun desquels se trouve une électrode 23. Dans la partie inférieure 26 de la douille 21 est formé le lingot 27. A l'intérieur-du mandrin 24 (figure 6) se trouvent des éléments chauffants 28 solidaires d'un montant 29 sur lequel est installé un fléau 30. Le fléau 30 est raccordé à un appui 31, sur lequel sont montés les compartiments 25 de la douille 21. Les compartiments 25 sont montés sur un bâti 32. Les électrodes consommables 23 sont mises en fusion dans le bain de laitier 22 à l'intérieur des compar- timents 25, qui possèdent une partie évasée pour la fusion des électrodes 23 et une partie restreinte pour la forma- tion du lingot 27, constituant l'une des couches du bimétal obtenu. La surface interne du lingot 27 se forme sur le mandrin 24 et constitue la seconde couche du bimétal obtenu. La surface interne du mandrin 24 est réchauffée au niveau du bord supérieur de la douille 21 par l'élément chauffant 28 installé sur le montant 29. L'installation fonctionne de la façon suivante. Au début du processus, les électrodes 23 misesen fusion dans le bain de laitier 22 forment le lingot 27. La surface externe de la douille 21 est refroidie pour évacuer de celleci les surcharges thermiques survenant au cours de la refusion. Du fait que le mandrin 24 n'est pas refroidi,il s'échauffe fortement (600-800 C) au cours de la coulée. Cependant pour obtenir une haute qualité des couches de jonction du bimétal, un tel échauffement du mandrin, surtout au début du processus, est insuffisant. L'élément chauffant 28 se déplace au cours de la coulée par rapport au mandrin 24. L'échauffement de la surface interne du mandrin 24 est réalisé au niveau du bord supérieur de la douille 21. La figure 8 représente une vue de dessus en coupe de la pièce bimétallique 33 fabriquée sur l'installation représentée sur les figures 6, 7. Cette pièce 33 se présente comme un cylindre creux en un métal, sur la surface externe duquel sont réalisées des saillies 34 d'un autre métal. La forme des saillies 34 correspond à la forme des compartiments 25 de la douille 21 et peut être quelconque. Les exemples suivants sont donnés à titre d'illustration, et non de limitation, de l'invention. Exemple 1 On arrange, dans une douille de formage en acier non refroidie, un bain de laitier et on fait refondre dans celui-ci une électrode en cuivre. La température t1 de la douille est égale à 870 C. On forme une pièce avec une jonction bimétallique "acier-cuivre" dont la couche interne est en cuivre et la couche externe est en acier. Exemple 2 Le procédé de fabrication est réalisé comme à l'exemple 1. La température t1 de la douille est égale à 1300 C. Exemple 3 La partie inférieure d'une douille d'acier est réchauffée à une hauteur égale à 0,2 de son périmètre. Pour un diamètre de la douille égal à 0,5 m, la hauteur de chauffage atteint 0,314 m. La température de chauffage de la douille est égale à 800 C. Le bain de laitier arrangé-dans la douille est formé d'un laitier ayant une température de fusion de 800 C. On fait refondre, dans la douille, l'électrode consommable en cuivre. La température t1 de la douille est égale à 1000 C. La pièce possède une jonction "acier-cuivre", la couche interne de cette pièce étant en cuivre. il Exemple 4 Le procédé. est réalisé comme à l'exemple 3. La température de chauffage de la partie infé- rieure de la douille est égale à 960 C. Exemple 5 Le procédé est réalisé comme à l'exemple 3. La température de chauffage de la partie infé- rieure de la douille est égale à 900 C. La présente invention permet, en utilisant divers schémas technologiques, d'atteindre les buts suivants: - obtenir des pièces bimétalliques de forme géométrique quelconque avec divers couples de métaux; - assurer une haute qualité de jonction des couches de bimétaux; - accroître la quantité de métal de bonne qualité et économiser les métaux non ferreux en déficience; - réaliser le procédé par des moyens simples, sur n'importe quelle installation connue pour la refusion sous laitier électroconducteur sans avoir à la refaire. - REVENDICATIONS - 1. Procédé de fabrication de pièces bimétalliques par une méthode de refusion sous laitier électroconducteur, qui consiste à arranger un bain de laitier dans une douille de formage, représentant la première couche de la pièce bimétallique, et à lui accrocher, par refusion sous laitier électroconducteur, le métal mis en fusion d'une électrode consommable, constituant la seconde couche de la pièce bimétallique, caractérisé en ce qu'au cours de la refusion sous laitier électroconducteur, on mesure en continu, dans la zone du bain de laitier, la température de la douille de formage et on la maintient dans les limites de 0,6 à 0,9 de la température de fusion du métal de cette douille de formage par modification de la puissance du bain de laitier, ainsi on accroît la puissance, si la température de la douilile de formage descend au-dessous de 0,6 de la tempé- rature de fusion de son métal et on'réduit la puissance si cette température monte au-dessus de 0,9 de.la. température de fusion du métal de la douille de formage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant le début de la refusion sous laitier électroconducteur, on réchauffe la partie inférieure de la douille de formage jusqu'à une température choisie dans la plage de 1,0 à 1,2 de la température de fusion du laitier, la hauteur de la douille de formage étant de 0,2 à 0,4 de la valeur moyenne du périmètre de la partie inférieure de la douille de formage. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que suI la surface interne de la douille de formage sont réalisés des creux d'une forme quelconque dans le but d'accroître la surface totale de la jonction formée entre les deux métaux de la pièce bimétallique. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que, dans la zone délimitée par la douille de formage, on introduit au moins un élément constructif en un matériau, dont la température de fusion est supérieure à la température de fusion de l'électrode consommable. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'après la refusion sous laitier électroconducteur, un ou plusieurs éléments constructifs sont enlevés. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément constructif est refroidi au cours de la refusion sous laitier électroconducteur. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 4 à 6, caractérisé en ce que l'élément constructif est réchauffé après l'achèvement de la refusion sous laitier électroconducteur. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que dans la douille de formage sont formés des compartiments par installation des cloisons nécessaires, et on réalise la refusion des électrodes consommables d'abord dans deux compartiments, séparés par un compartiment libre, puis on remplit, par coulée, les compartiments libres. 9. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lors de la fabrication d'une pièce bimétallique creuse, on réchauffe la surface interne de la douille de formage creuse, tandis que le matériau de l'électrode - consommable est apporté par fusion sur la surface interne de la douille de formage.