Brevet FR2623210A1 — publié le 19890519

PROCEDE DE PRODUCTION DE GELEES METALLIQUES THIXOTROPES PAR ROTATION ELECTROMAGNETIQUE La présente invention est relative à l'application d'un champ magnétique tournant pendant la solidification des alliages métalliques, dans un tinter valle de température compris entre le liquidus et le solidus, dans le but de préparer dans un creuset des gelées métalliques thixotropes. La technique ancienne et répandue, consiste à conduire un metal liquide et surchauffé dans un moule, dans lequel il se solidifie. Alors que la structure du métal, coulé en continu (billettes, ou plaques), subit d'importantes transformations lors du formage ultérieur (laminage, par exemple), la structure des pièces moulées ne peut être modifiée, que dans une très faible mesure, dès que la solidification est terminee (traitement thermique). Les pieces obtenues par ce procédé peuvent présenter de nombreux défauts : important phénomène de retrait, porosité excessive, remplissage défectueux, structure cristalline grossière, etc... Une autre technique, triés rarement adoptée, consiste en la préparation de gelées métalliques thixotropes. On appelle thixotropes, les corps fluides, ou pâteux, dont la viscosité apparente a tendance à décroître rapidement et significativement dans le temps, quant on les soumet à une contrainte de cisaillement constante. La technique d'obtention de ces gelées consiste en la combinaison d'une opération de brassage de l'alliage métallique et d'un refroidissement lent,en la présence simultanée de phases solide et liquide (c'est-à-dire dans un intervalle de températures compris entre le liquidus et le solidus). On obtient ainsi un mortier visqueux, ou gelée, composé de particules sans dendrites, de forme sphéroidales, en suspension . Cette gelée, lorsqu'elle est soumise à une intense agitation, estcaracterisée par un comportement visqueux non newtonien.Lorsque la fraction solide fs est comprise entre O et 10 %, la vitesse caractéristique de brassage diminue, puis augmente considérablement, pour f5 > 10 %, à condition qu'un certain seuil de force de cisaillement soit atteint. Autrement dit, la viscosité apparente de l'alliage diminue fortement lorsque les forces de frictions visqueuses augmentent. Cette gelée, dont les propriétés visqueuses rappellent celles d'unsorbet en préparation, peut ensuite être coulée, soit dans un moule, soit continuement sous forme de lingots. La coulée de cette gelée dans un moule de forme quelconque et selon une technique quelconque (par gravité, sous pression, etc...) se traduit par les avantages suivants - diminution marquée de la surchauffe initiale de l'alliage entraí- nant une économie d'énergie et une diminution de l'oxydation ; - meilleur remplissage des moules, - disparition du phénomène de retrait, - porosité tendant vers zéro, - amélioration très marquée de la structure cristalline du métal solidifié dans le moule, qui est constituée par des particules globulaires sans dendrites, dont le diamètre moyen est compris entre 10 et 100 microns. La production de ces gelées thixotropes a jusqu'ici été obtenue par l'utilisation d'agitateur à palettes, ou de rotor du type Couette (rotation d'un des cylindres d'un creuset annulaire). Ces dispositifs d'entrainement mécanique présentent les inconvénients importants - abrasion très rapide du rotor cylindrique, ou des palettes, qui doivent fréquemment être remplacés - pollution de l'alliage par le matériau constituant l'agitateur mécanique - production d'un faible volume de gelée (nettement inférieur au litre). Pour ces raisons, les avantages présentés par la production de telles gelées n'ont pu être exploités à l'échelle industrielle, ni pour les moules de grande capacité, ni pour les lingots de grandes tailles. La présente invention vise à remédier aux inconvénients énumérés cidessus, et à produire, à l'échelle industrielle, des gelées métalliques thixotropes, sans contact, ni avec l'alliage, ni avec le creuset. L'invention consiste à utiliser les propriétés d'un champ magnétique à répartition spatiale périodique, créée par des aimants permanents. Le dispositif selon l'invention consiste principalement en un rotor (ou inducteur) et un creuset annulaire constituant l'alliage. Le rotor est formé par un cylindre de matériau ferromagnétique doux, dans lequel a été fraise un nombre pair 2p de cannelures de largeur e , selon des génératrices du cylindre (c'est-à-dire, parallèlement à l'axe de révolution du rotor). Des aimants permanents, de largeur e et de longueur L sont encastrés dans ces rainures selon l'arrangement suivant - toutes les faces extérieures des aimants encastrés dans une rainure déterminée correspondent à des poles de même nom. L'ensemble des k aimants contenus dans une rainure constitue un pole magnétique (au sens large), de largeur e et de longueur kL .La loucur kL est de l'ordre de grandeur de la profondeur de l'alliage fondu contenu dans le creuset ; - les poles sont disposés alternativement selon une répartition azimutale sud-nord,lorsque l'on passe d'une cannelure à la cannelure immédiatement voisine. Le rotor comporte ainsi p paires de poles. Chacun de ces poles est surmonté par une armature, en matériau ferromagnétique doux, fixée par des vis au rotor. Cette armature'est destinée à diminuer la réluctance du circuit magnétique, ainsi qu'à eviter le détachement des aimants sous l'action des forces centrifuges. Les aimants permanents qui composent ces poles peuvent être de formes variées (parallélépipédiques, incurvés, en forme d'arceaux, etc...) et de compositions diverses et adaptées aux températures de fonctionnement (Férrites Cobalt-Terres rares, Alnico, etc...). La répartion spatiale périodique du champ magnétique est très grossièrement assimilable à une sinusoide. Cette distribution correspond plus preci sément à la composition de deux termes d'une série de Fourier limitée aux harmoniques 1 (Fondamental) et 3 Le rotor est entraîné dans un mouvement de rotation, autour de l'axe de révolution vertical du dispositif rotor-creuset, par un moteur électrique à vitesse variable. La liaison entre l'axe du rotor et le moteur est obtenue, soit par accouplement direct, soit par un système courroies-poulies. L'inducteur peut être refroidi, par exemple par une arrivée d'air sur pressé ; l'axe du rotor peut aussi être muni de pales, ou d'hélices, destinees au refroidissement par air. L'alliage est fondu dans un creuset annulaire, dont la position est fixe et dont l'axe de-révolution est confondu avec celui du rotor. Les matériaux entrant dans la construction du creuset peuvent être divers (graphite, acier inox, aluminum, etc...). Le rotor est logé dans la cavité cylindrique intérieure au creuset, tandis que le dispositif de fusion est disposé autour de la paroi extérieure du creuset. La fusion est obtenue par un des moyens classiques : résistance électrique, chauffage par induction à basse, moyenne ou haute fréquence, par exemple. Une trappe, située au fond du creuset peut, éventuellement, permettre l'évacuation de la gelée métallique. La gelée peut évidemment être aussi extraite au moyen d'une louche. Lorsque l'inducteur est en rotation, l'alliage fondu est soumis à un champ magnétique variable dans le temps, en chaque point d'une couche périphé- rique dont l'épaisseur est approximativement, celle de la peau électromagnéti- que 6 = ,/2/ray / ou a > , a et p sont respectivement la pulsation du champ magnétique, la conductivité électrique et la perméabilité magnétique de 1 'al- liage) ; il en résulte la création de courants électriques induits. Des forces électromagnétiques de volume, dues à l'interaction du champ magnétique et. des courants induits, entraînent alors le mélange diphasique constituant l'alliage dans le sens de la rotation de.l'inducteur. Il est évident, qu'en raison de la disposition verticale des pièces polaires, l'amplitude de la composante azimutale de la vitesse est très nettement privilégiée. La gelée métallique est préparée selon le processus suivant : l'alliage est d'abord fondu dans le creuset, puis surchauffé de 100C au dessus de la température du liquidus, à ce moment le chauffage du creuset est supprimé et la température de l'alliage décroît lentément (moins de 10C par minute). Lorsque la température du liquidus est atteinte, le rotor est mis en mouvement à vitesse moyenne, ce qui permet une bonne homogénéisation de la température du bain, puis à pleine vitesse, au tout début de l'état pâteux. Le dispositif selon l'invention présente de nombreux avantages - il est de conception et de réalisation simple et fiable, - il agit sans contact et donc sans risque de pollution du métal liquide ; - contrairement au cas des inducteurs polyphasés, les aimants permanents n'absorbent pas de puissance active, ni réactive ; il en résulte que l'énergie absorbée est faible, de l'ordre du kilowatt pour 30 kg d'alliage, de plus la durée de l'opération n'est que de quelques minutes ; - l'intensité de brassage peut être modulée avec souplesse, par variation de la vitesse du moteur d'entraînement ; - aucun élément du système n'est refroidi par eau, ce qui évite les risques d'explosion, en particulier avec les alliages d'aluminium - le volume de geleepréparée dans un creuset peut aisément dépasser une dizaine de litres, ce qui n'est pas le cas avec les brasseurs mécaniques cités plus haut ; - l'utilisation des gelées métalliques thixotropes permet d'améliorer la mise en forme et d'obtenir un meilleur remplissage des moules ; cette pro prieté est particulièrement intéressante dans le cas de la production de matériaux composites, constitués par l'alliage et une matrice en matériau organique, ou autre ; - il évite une surchauffe excessive de l'alliage, avant la coulée, ce qui se traduit par une nouvelle économie d'énergie et, de plus, réduit l'oxydation de l'alliage - une structure globulaire-très fine et homogène remplace la structure grossière, qui apparaît dans les lingots obtenus à partir des coulées traditionnelles et dans lesquels on trouve, successivement, à partir de la surface extérieure, une zone corticale puis, une zone colonnaire et une zone équiaxe constituée par de gros cristaux - il peùt être adapté à la coulée continue de gelees métalliques, par arrivée d'alliage (dont la température est de l'ordre de celle du liquidus) par le haut du creuset, tandis que la gelée préparée est évacuée par une trappe située au fond du creuset ; - il s'applique aux coulées de gelées métalliques thixotropes en moules, en lingotières et en coquilles, de plus, les différents procédés de mise en forme, sous pression, par gravité et par injection, peuvent être employés - il s'applique à tous les 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 réalisations et de mise en oeuvre de dispositifs selon l'invention. La figure 1 représente un exemple de coupe horizontale de l'ensemble creuset-rotor. La figure 2 représente un exemple de coupe verticale de l'ensemble creuset-rotor. Sur la figure 1, on distingue en coupe horizontale, les aimants permanents (1) disposés selon une répartition correspondant à une alternance répétitive sud-nord, encastrés dans le rotor (2). Ces aimants sont surmontés par une pièce en matériau ferromagnétique (3), destinée à les maintenir, ainsi qu'à canaliser les lignes de champ . Le rotor tourne autour d'un axe (4) assujetti au moteur d'entrainement. Le métal liquide (7) contenu dans le creuset, est maintenu par les parois verticales cylindriques (5) et (6), et entrainé dans le sens de rotation du rotor. La figure 2 représente, schématiquement, une coupe verticale où on distingue le creuset (8) contenant le métal fondu (9). Le système de chauffage (15) entoure le creuset (8). Le rotor (10) est mobile autour de son axe (11). Une seule pièce polaire, composée, ici, de neuf aimants permanents (12), dont les faces apparentes sont des poles nord, est présentée. L'armature superieure (13) confectionnée en matériaux ferromagnétique, qui maintient les aimants, est fixee au rotor (10), par des vis (14). L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple, non limitatif, qui suit. Une expérience a été réalisée dans un creuset annulaire en acier inox, dont les dimensions étaient les suivantes : diamètre intérieur 110 mm, diamètre extérieur 210 mm, hauteur 200 mm. Ce creuset contenait une hauteur de 10 cm d'un alliage plomb-étain, dont les caractéristiques étaient les suivantes : 85 % Pb, 15 % Sn, liquidus 288"C, solidus 183"C, densité voisine de 10. Le rotor comportait trois paires de poles de 28 mm de large et 114 mm de hauteur. Chaque pole était composé par six aimants permanents pa rallélépipédiques RECOMA 20 (Cobalt-Terres rares), de dimensions 28x19x11 mm. La valeur maximale du champ magnétique sur la paroi intérieure du creuset était de l'ordre de 0,16 T (ou 1600 gauss). L'alliage a d'abord été fondu dans le creuset à l'aide d'éléments chauffants Thermocoax, puis porté à la température de 300"C, à laquelle le chauffage a été interrompu. A partir de ce moment, le métal a commencé à se refroidir lentement, uniquement sous l'influence du milieu ambiant. Par ailleurs, le brassage électromagnétique a été établi lorsque la température du liquidus a eté atteinte.En raison de l'augmentation de la viscosite apparente du système diphasique solide-liquide, la vitesse moyenne qui etait initialement de l'ordre de 150 cm.s'' a diminué, pour atteindre 40 cm.s , vers 278"C. A partir de cette température, la vitesse de l'alliage a brusquement augmentée, pour atteindre un maximum d'environ 90 cm.s1-, indiquant ainsi un changement des propriétées visqueuses de l'alliage. La vitesse d'écoulement a ensuite recommencé à décrotte avec la température, tandis que le milieu diphasique prenait la consistance d'une gelée métallique thixotrope, caractérisée par la présence de petits cristaux sphériques, sans dendrites, en suspension. L'examen d'échantillons extraits de cette gelée a montré que le phénomène de retrait classique n' était pas perceptible et que les zones colonnaires et êquiaxes, formées par de gros cristaux, obtenus dans le cas des solidifications classiques, disparaissaient complètement et étaient remplacées par une structure unique constituée par des cristaux globulaires, dont le diamètre était compris entre 10 et 100 microns. Des expériences semblables, conduites avec un dispositif confectionné avec des matériaux différents (dont des aimants Alnico 1500), a permis d'observer des résultats analogues pour un alliage d'aluminium 2024. L'invention trouve son application dans tous les cas où on veut utiliser les propriétés des gelées métalliques thixotropes, pour améliorer la mise en forme ainsi que la structure des lingots, ou des pieces moulées, et aussi pour obtenir des matériaux composites à hautes performances. REVENDICATIONS 1. Procédé de production en creuset de gelées métalliques thixotropes caractérisé en ce que l'on utilise les propriétés magnétiques des aimants permanents pour créer des forces de cisaillement intenses, d'origine visqueuses, dans un alliage dont la température est inférieure à celle du liquidus. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gelée métallique thixotrope est produite dans un creuset annulaire immobile. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un champ magnétique tournant est produit par un rotor entraîné dans un mouvement de rotation1 autour d'un axe vertical, par un moteur électrique. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisée en ce que le rotor comprend p paires de poles, p étant au moins égal à un. 5. Procédé selon les revendications 1, 3 et 4, caractérisé en ce que chaque pole est formé par une association d'aimants permanents encastrés dans des cannelures verticales pratiquées sur le rotor. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé. en ce que les faces extérieures des aimants permanents encastrés dans une même cannelure correspondent à des poles magnétiques de même nom. 7. Procédé selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les cannelures sont taillées parallèlement à l'axe de révolution du rotor, afin de privilégier un écoulement rotatif, c'est-à-dire la composante azimutale de la vitesse de déplacement de l'alliage. 8. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les pièces polaires du rotor sont disposées alternativement selon une répartition sudnord, lorsque l'on passe d'une cannelure à une autre immédiatement voisine. 9. Procédé selon les revendications 4, 5 et 6, caractérisé en ce que les aimants permanents qui forment un pole sont maintenus par une armature en matériaux ferromagnétique. 10. Procédé selon la revendication 1,,caractérisé en ce que les aimants permanents qui composent les poles peuvent être de formes diverses (parallélépipédique, en forme d'arceaux, etc... 11. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rotor est logé coaxialement dans la cavité cylindrique intérieure au creuset. 12. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de fusion de l'alliage entoure, et épouse la forme, de la paroi extérieure du creuset. 13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase active de la production d'une gelee métallique thixotrope, pendant laquelle le champ magnétique tournant est appliqué, correspond au cas où la température de l'alliage est comprise entre celles du liquidus et du solidus. 14. Procédé selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce qu' aucun élement du dispositif n'est refroidi par un liquide. 15. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé de mise en forme peut être, soit sépare, soit associé au dispositif de préparation de la gelée métallique. 16. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'applique à tous les alliages.