Brevet FR2634677A1 — publié le 19900202

PROCEDE DE FABRICATION PAR COULEE CONTINUE DE PRODUITS KETALLIQUES THIXOTROPES Cette invention est relative à un procédé de fabrication par coulée continue de produits métalliques thixotropes. Dans ce qui suit, on entend par produits métalliques tout produit de forme allongée ayant une section circulaire ou polyédrique constitué par un métal comme l'aluminium par exemple ou un de ses alliages. Par produit métallique thixotrope, on entend toute composition métallique présentant une phase solide primaire non dendritique et plus particulière- ment une phase à dendrites dégénérées à un point tel qu'elle se présente sous forme de particules sensiblement sphéroïdales. Ces produits thixotropes procurent lors de leur mise en forme des avantages importants par rapport aux produits classiques. C'est ainsi que l'énergie nécessaire à cette opération est beaucoup plus faible, la durée de refroidiss- ement plus courte, la retassure formée a des dimensions réduites et l'action érosive du métal vis à vis des filières ou des moules de mise en forme est sensiblement atténuée. De nombreux brevets enseignent des moyens d'obtention de tels produits. On peut citer par exemple, 1'US 3948650 et son correspondant français n* 2141979 qui décrit un procédé de coulée consistant à élever la températu- re d'une composition métallique jusqu'à ce qu'elle soit à l'état liquide, à refroidir pour provoquer une certaine solidification du liquide et à agiter énergiquement le mélange liquide-solide jusqu'à ce qu'environ 65% en poids du mélange ainsi formé soit sous forme de solide présentant des dernJrites ou nodules dégénérés individuels. Ce procédé a été perfectionné par la suite pour devenir continu dans 1'US 3902544. Puis, suivant le processus sus-mentionné, on s'est attaché dans l'US 4434837 à réaliser un dispositif d'agitation convenable comprenant un stator à deux pôles qui crée un champ magnétique tournant se déplaçant perpendiculai- rement à l'axe du moule et génère des forces électromagnétiques dirigées tangentiellement au moule et telle qu'elles entraînent un taux de cisail- lement d'au moins 500 sec-1. On a également réalisé dans l'US 4457355 un moule formé de deux parties de conductibilité thermique différente et dans i'EP 71822 un moule formé d'une succession de tôles isolantes et conductrices. Dans des demandes de brevet plus récentes, les améliorations ont consisté dans l'US 4482012 à utiliser un moule formé de deux chambres reliées entre elles par un joint non conducteur, dont la première joue le rôle d'échangeur de chaleur et dans l'US 4565241 on a préconisé des conditions d'agitation telles que le rapport du taux de cisaillement sur le taux de solidification soit compris entre 2.103 et 8.103. Certes, cette voie d'obtention de produits thixotropes par coulée sous agitation a conduit à des produits convenables. Toutefois, on en est arrivé dans l'art antérieur à des dispositifs mettant en oeuvre des inducteurs électriques à champ tournant charges d'imprimer au métal en cours de solidification de grandes vitesses de rotation dans un plan perpendiculaire à l'axe du moule de façon à le brasser et casser les dendrites pour donner aux cristaux la forme de particules sphéroïdales, c'est-à-dire que la structure thixotrope est obtenue par un effet mécanique. De plus, comme l'indique 'US 4482012, il est indispensable de pouvoir contrôler étroitement l'extraction de chaleur de la masse en cours de solidification. D'o la réalisation d'échangeurs de chaleur fragiles et compliqués à régler formés par un assemblage savant de parties thermiquement conductrices et isolantes qui amènent le métal à une température la plus proche possible du liquidus tout en évitant la solidification sur les parois du moule. C'est pourquoi la demanderesse s'intéressant à la fabrication de produits thixotropes mais cherchant à s'affranchir des contingences des techniques de l'art antérieur a mis au point un procédé de coulée dans lequel, selon l'invention, on verse le métal liquide dans un moule muni à l'une de ses extrémités d'un fond mobile et constitué de deux parties adjacentes de même axe qui, suivant le sens de la coulée, forment une partie amont dite zone chaude dont la paroi est réalisée en un matériau isolant de la chaleur du moins sur sa face interne et une partie avale dite zone froide dont la paroi est réalisée, au moins partiellement, en un matériau conducteur de la chaleur et o la surface externe est refroidie par un fluide frigopor- teur de façon à provoquer par solidification au sein du liquide que contient ladite partie, l'apparition de cristaux et la formation au contact de la surface interne d'une croûte solide suffisamment rigide pour permettre l'extraction progressive du produit ainsi formé à I'aide du fond mobile, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on imprime au liquide en cours de solidification un mouvement assurant au moins un transfert de la zone froide vers la zone chaude et vice-versa de durée quer une refusion en surface des cristaux qu'il contient et assurer une dégénérescence des dendrites. Ainsi, l'invention consiste à introduire un métal liquide dans un moule composé d'une partie amont constituée par un matériau ayant des propriétés calorifuges du moins en ce qui concerne sa paroi en contact avec le métal. Ce matériau peut être, par exemple, du type de ceux qui sont utilisés couramment en fonderie pour la confection de goulottes ou de busettes. En raison des échanges thermiques réduits qui ont lieu dans cette partie, le métal se maintient normalement, c'est-à-dire sans aucune perturbation extérieure, à une température suffisante pour qu'aucune cristallisation ne se produise. D'o la désignation de cette partie par l'expression "zone chaude". Cette partie amont est reliée par l'intermédiaire d'un joint convenable à une partie avale laquelle, au contraire de la précédente, est très bonne conductrice de la chaleur au moins sur une portion de sa hauteur située la plus en aval et qui du fait de son aptitude à évacuer facilement les calories du métal qu'elle contient vers l'extérieur est désigné sous l'appel- lation de "zone froide". Cette partie est l'analogue de la lingotière dans une coulée classique continue et c'est en son sein que se déclenche le processus de cristallisation et que se développe à partir de la paroi refroidie extérieurement par un fluide frigoporteur une enveloppe cristalli- ne suffisamment rigide pour permettre l'extraction progressive à l'aide du fond mobile du produit coulé, tandis qu'à l'intérieur de cette enveloppe délimitée par le "front de solidification", surface ayant le profil général d'un ménisque dont le sommet est orienté vers l'aval, se forme 'un marais" constitué par un mélange de liquide et de particules solides généralement dendritiques, particules qui vont s'intégrer progressivement au front de solidification et permettront à la partie solide de se développer et à la coulée de progresser. On a ainsi un ensemble zone chaude-zone froide contenant respectivement un liquide et un liquide chargé en particules dendritiques et c'est à ce liquide que l'on imprime un mouvement tel que les particules. soient entraînées vers la zone chaude. Dans ces conditions, on constate que les particules perdent au moins une partie de leurs ramifications et ont tendan- ce à se sphéroïdiser. Toutefois, pour que ce phénomène soit suffisamment important, il faut que le transfert d'une zone à l'autre se fasse rapidement et en tout cas pendant une durée inférieure ou égale à une seconde. Plus petite est cette durée, meilleur est le taux de dégénérescence des dendri- tes. Il est évident que ce mouvement de la zone froide vers la zone chaude s'accompagne d'un mouvement inverse de sorte que les particules reviennent dans la zone d'origine et peuvent alors effectuer un nouveau cycle. Au cours de ces cycles, les particules sont amenées à entrer en contact avec le front de solidification et certaines à s'y accrocher de sorte que le produit obtenu se trouve formé au moins en partie de particules dégénérées qui vont lui conférer au moins partiellement des propriétés thixotropes. De préférence, le mouvement des particules s'effectue suivant au moins des boucles dont l'ensemble génère un tore d'axe sensiblement confondu avec l'axe du moule. Ces boucles sont situées dans des plans méridiens du moule, c'est-à-dire passant par son axe, et chacune est entièrement contenue dans le demi plan limité par ledit axe. De préférence, la portion de boucle suivant laquelle le liquide passe de la zone froide vers la zone chaude est la plus proche de l'axe, la portion correspondant au retour étant voisine de la paroi du moule. A partir de cette description, on-peut constater deux différencesofondamen- tales entre le procédé de l'art antérieur et celui de l'invention. Dans le premier, la circulation du liquide s'effectue par rotation autour de l'axe du moule, c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire audit axe et la dégénérescence est obtenue par cassage des cristaux maintenus à une température sensiblement constante. Dans le deuxième, la circulation princi- pale du liquide s'effectue parallèlement à l'axe du moule et la dégénéres- cence résulte d'un phénomène thermique et non mécanique. Cela permet de s'affranchir de la contingence du maintien des cristaux à une température toujours voisine du liquidus et donc de l'utilisation d'échangeurs de chaleur sophistiqués d'un réglage délicat et également de recourir à des moyens de production de mouvement beaucoup plus simples que les généra- teurs à champ tournant. De préférence, on utilise deux types de moyens: L'un d'eux consiste à faire passer un courant électrique monophasé de fréquence inférieure ou égale à la fréquence industrielle au sein de la partie avale du moule dont on sait qu'elle est constituée au moins partiel- lement par un matériau conducteur de l'électricité. Toutefois, la paroi de cette partie doit présenter sur toute son épaisseur et suivant au moins une génératrice un insert en matériau isolant de l'électricité de part et d'autre duquel sont fixées des amenées de courant. Ainsi, cette partie joue le rôle de spire et le courant qui la traverse génère un champ magnéti- que qui développe des forces électromagnétiques engendrant le mouvement souhaité. De plus, la paroi interne de cette partie doit être recouverte d'un film isolant de l'électricité afin qu'il n'y ait pas continuité électri- que entre ladite partie métallique et le métal coulé car si c'était le cas cela entraînerait un court-circuit et empêcherait le développement du champ magnétique propice au mouvement. Les forces électromagnétiques étant fonction de l'intensité du courant qui circule dans la spire, on utilise de préférence pour la confection de la partie avale des métaux de faible résistivité électrique mais de tenue mécanique néanmoins compatibles avec le métal coulé. Ce peut être, par exemple, le cuivre ou l'aluminium et leurs alliages dans le cas o on coule de l'aluminium. Mais on a aussi constaté qu'on pouvait utiliser des assemblages constitués de différents matériaux dans lesquels la portion la plus proche de la partie amont est faite sinon avec un matériau isolant du moins en un maté- riau moins bon conducteur de l'électricité tel qu'un acier inoxydable, par exemple. Dans ces conditions, le mouvement du liquide peut être amplifié. Quant au film isolant, il peut être constitué par une couche d'oxyde obtenue par anodisation dans le cas de l'aluminium ou un émail, ou encore une résine fluorocarbonée par exemple. L'épaisseur de ce film est fonction de la tension électrique sous laquelle se trouve la paroi par rapport au métal coulé. On peut se baser sur une épaisseur d'oxyd_ de 1 pm pour une tension de 100 volts. Les parties avales ainsi constituées peuvent être équipées sur leur face interne d'une bague de graphite de quelques millimètres d'épaisseur qui joue le rôle de lubrifiant vis à vis du métal coulé et peut amplifier le rôle d'un agent de lubrification dont il s'avère parfois nécessaire de revêtir la paroi interne de la partie avale pour faciliter la coulée de certains métaux. Cette bague peut être partagée suivant ses génératrices en au moins deux secteurs pour éviter non seulement tout effet Joule dans la zone o au contraire on souhaite refroidir, mais aussi une réduction de l'énergie qui limiterait le mouvement du métal. D'une manière tout à fait particulière, on peut utiliser une bague présen- tant un insert placé en regard de]'insert de la partie avale; dans ce cas, on évite également l'effet Joule mais, on peut alors fretter directe- ment la bague sur la paroi interne de ladite partie sans avoir besoin d'un film isolant intermédiaire. L'autre moyen de production du mouvement du liquide au sein du moule consis- te à placer à l'extérieur de la partie avale du moule au moins une spire métallique d'axe sensiblement parallèle à l'axe du moule et à la faire parcourir par un courant monophasé de fréquence inférieure ou égale à la fréquence industrielle. Cette spire isolée électriquement de la paroi de ladite partie crée en effet un champ magnétique parallèle à l'axe du moule qui développe des forces électromagnétiques engendrant le mouvement souhaité. Certes, ce mouvement est plus ou moins ample et fonction de l'intensité admise dans la spire mais il dépend également d'autres facteurs tels que la composition du matériau constituant la paroi de la zone froide ou la structure de ladite paroi. Selon le premier facteur, il est préférable d'utiliser un matériau ayant une résistivité supérieure à 5 p.L-.cm. Ce peut être par exemple un acier inoxydable amagnétique ou du titane ou encore une céramique pour autant qu'elle ait une conductibilité thermique suffisante. Dans le cas de la coulée de l'aluminium, la meilleure solution pour ne pas rompre avec les habitudes de la profession est d'utiliser de l'aluminium mais sous forme d'un alliage contenant en poids environ 1,8% Mn; 0,25% Cr; 0,2% Ti et 0, 1% V dont la résistivité est égale à 9,3 p.Q..cm au lieu de moins de 3 p. Q._.cm pour les alliages classiques. Cette résistivité peut cependant être augmentée par ajout de Mg jusqu'à 5% auquelcas, on atteint des valeurs de 11 à 12 p fl-.cm. L'ajout de Li jusqu'à 1% ou de Zr jusqu'à 0, 15% est également favorable. D'autres solutions consistent à utiliser des matériaux composites tels que par exemple un acier inoxydable revêtu intérieurement par une mince couche d'aluminium. Suivant le deuxième facteur, pour réduire l'intensité nécessaire au mouve- ment, on partage la paroi de la zone froide suivant ses génératrices en au moins deux secteurs séparés l'un de l'autre par un isolant électrique tel que le mica, lesdits secteurs étant maintenus assemblés entre eux au moyen de goupilles en acier inox et de chevilles en matière isolante. Tous ces types de réalisation de la partie avale peuvent également être garnis sur leur paroi interne et au voisinage de la zone chaude d'une bague en graphite coaxiale de préférence partagée suivant ses génératrices en au moins deux sections, toutes ces particularités ayant toujours pour but d'améliorer l'efficacité du courant électrique dans sa transformation en forces électromagnétiques génératrices de mouvement. Toutes les spires qui entourent la partie avale du moule sont conçues et montées de manière à pouvoir s'adapter à n'importe quelle forme de partie avale et à répondre au mieux à l'obtention à la fois d'un rendement courant-force optimum et d'une distribution de la force au sein du métal qui assure un mouvement du liquide sur toute la section et toute la hauteur du moule afin de provoquer la plus grande dégénérescence possible des dendrites sur le plus grand nombre possible de cristaux. C'est ainsi que ces spires peuvent être déplacées parallèlement à l'axe du moule ou encore formées par un assemblage d'éléments démontables capables de circonscrire des moules de toute section de façon équidistante, ou à des distances différentes. Ces assemblages conviennent parfaitement dans le cas de produits de section rectangulaire. D'autres particularités peuvent être incluses dans l'invention ayant tou- jours pour but d'améliorer l'efficacité du mouvement du métal tels que l'adjonction autour de la zone chaude d'au moins une spire métallique parcourue par un courant électrique, cette ou ces spires étant reliées soit à celle(s) de la zone froide, soit à un générateur de courant d'intensi- té, de fréquence et/ou de phase différente du courant alimentant la (ou les) spire(s) de la zone froide. En vue de canaliser le champ magnétique créé par la (ou les) spire(s), la zone froide peut être entourée d'éléments de culasse magnétique formés de feuilles métalliques isolées électriquement les unes des autres et situées dans des plans passant par l'axe du moule. Le refroidissement de la zone froide est obtenu comme il est connu soit par l'intermédiaire de boîtes à fluide intégrées à la paroi externe de ladite zone ou par application directe d'une lame de fluide périphérique sur ladite paroi. En fonction du degré de refroidissement souhaité et de sa localisation pour développer plus ou moins rapidement en un endroit donné la formation de cristaux et leur envoi dans la zone chaude à un stade d'évolution plus ou moins grand, on règle le fluide en débit et/ou en température tout en modifiant dans le cas du refroidissement direct les surfaces d'impact de la lame de fluide. La zone chaude ou du moins sa partie la plus voisine de la zone froide peut être entourée d'une gaine dans laquelle circule un gaz sous pression et inerte chimiquement vis à vis du métal coulé car dans ces conditions on constate que le produit coulé présente alors un meilleur aspect de surface. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la figure 1 qui représente une demie coupe verticale passant par l'axe d'un moule applicable à l'inven- tion. On y distingue: une partie amont 1 réalisée en un matériau isolant de la chaleur qui renferme le métal liquide 2 et forme la zone chaude, une partie avale 3 en matériau conducteur de la chaleur équipée intérieurement d'un anneau en graphite 4 et refroidie extérieurement par un film 5 d'eau issue d'une boîte 6 d'alimentation qui forme la zone froide. Sous l'effet du refroidissement dû à l'eau le métal se solidifie suivant le front 7 pour donner le produit 8 coulé. Une bobine 9 alimentée en courant alternatif entoure la zone froide et crée un champ magnétique qui induit des forces électromagnétiques de sorte que le métal liquide se déplace suivant la flèche 10 parallèlement à l'axe du moule vers la zone chaude et revient à la zone froide le long de la paroi du moule suivant la flèche 11 entraînant dans son mouvement les particules 12. L'invention peut être illustrée à l'aide des exemples d'application suivants: Exemple 1 Une billette de diamètre 70 mm en alliage d'aluminium du type AS7G0,3 (c'est-à-dire contenant en poids %: Si=7 et Mg=0,3) a été réalisée selon le procédé décrit ci-dessus - la partie amont était formée d'un anneau en MONALITE de hauteur 50 mm - la partie avale en aluminium était revêtue intérieurement d'une fine couche anodisée (5 pm) et d'une bague graphite sectorisée en 12 morceaux, et était fendue sur toute sa hauteur. Le courant circulait directement à travers la partie avale, à laquelle d'ailleurs deux amenées avaient été fixées de part et d'autre de la fente. La tension aux bornes de ces amenées était alors de 1,05V. La vitesse de coulée était de 200 mm/min, ce qui est classiquement utilisé pour ce diamètre de billette. Un exemple de structure obtenue à coeur de la billette examinée par micrographie (voir fig. 2 sous grossissement 50) permet de se rendre compte de l'efficacité du procédé à obtenir une structure à dendrites dégénérées. Exemple 2 Un alliage 2124 (suivant les normes de l'Aluminium Association) a été coulé sous forme de billette de diamètre 400 mm selon le procédé décrit. La conception globale de l'outillage était voisine de celle décrite dans l'exemple précédent, à l'exception du passage du courant; dans ce cas, il s'opérait à travers une spire indépendante de la partie avale. La vitesse de coulée était de 40 mm/min, ce qui est classiquement utilisé pour ce diamètre de billette. Après examen micrographique, on s'est aperçu qu'à l'exception d'une zone périphérique de l'ordre de 15 mm, la structure des grains était particulière- ment arrondie, sans pratiquement de bras de dendrites et de taille très fine, de l'ordre de 70 Pm. Exemple 3 Une coulée de plaques en format 800 x 300 mm en un alliage 7075 (suivant les normes de l'Aluminium Association) a été réalisée suivant le procédé décrit. Comme dans le cas de la billette 0 400 mm, une spire entourait la face externe de la partie avale, A faible distance (10 mm). Cette spire était constituée en fait de 4 éléments de barre de cuivre, refroidis intérieu- rement par de l'eau, ces éléments étant reliés entre eux dans 3 des coins et reliés aux amenées de courant dans le 4ème. La vitesse de coulée était de 60 mm/min. - L'examen macrographique du produit coulé a révélé une structure homogène et fine, à l'exception des coins, qui présentaient une structure encore plus fine. Par examen micrographique, on a pu constater une modification notable de la morphologie des grains qui prenaient des formes en "patates" au lieu des formes classiques 'en choux-fleur". Une attaque sélective destinée à révéler les bras des dendrites a montré que ceux-ci avaient presque complètement disparu. l1 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication par coulée continue de produits métalliques, thixotropes et, notamment, de produits en alliages d'aluminium ayant au moins partiellement une structure à dendrites dégénérées, dans lequel on verse le métal (2) liquide dans un moule muni à l'une de ses extrémités d'un fond mobile et constitué de deux parties adjacentes de même axe, qui, suivant le sens de la coulée, forment une partie amont (1) dite zone chaude dont la paroi est réalisée en un matériau isolant de la chaleur du moins sur sa face interne et une partie avale (3) dite zone froide dont la paroi est réalisée, au moins partiellement, en un matériau conduc- teur de la chaleur et o la surface externe est refroidie par un fluide caloporteur (5) de façon à provoquer, par solidification au sein du liquide que contient ladite partie, l'apparition de cristaux et la formation au contact de la surface interne d'une croûte solide suffisamment rigide pour permettre l'extraction progressive du produit (8) ainsi formé à l'aide du fond mobile, caractérisé en ce que l'on imprime au liquide en cours de solidification un mouvement assurant au moins un transfert de la zone froide vers la zone chaude (10) et vice-versa (11) de durée et assurer une dégénérescence des dendrites. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement s'effectue suivant des boucles situées dans des plans méridiens dont l'en- semble génère un tore d'axe sensiblement confondu avec l'axe du moule. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la paroi interne de la zone froide est recouverte d'un agent de lubrification. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement est obtenu par passage d'un courant électrique monophasé de fréquence inférieure ou égale à la fréquence industrielle au sein de la partie avale du moule dont la paroi présente sur toute son épaisseur et suivant au moins une génératrice un insert en matériau isolant de l'électricité de part et d'autre duquel sont fixées des amenées de courant, ladite partie étant revêtue intérieurement d'un film isolant de l'électricité. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la paroi interne de la zone froide est recouverte sur toute sa périphérie et au moins au voisinage de la zone chaude d'une bague en graphite de même axe que lesdites zones. 6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la bague en graphite est partagée suivant ses génératrices en au moins deux secteurs. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement est obtenu au moyen d'au moins une spire métallique placée à l'extérieur de la zone froide du moule dont l'axe est sensiblement parallèle à l'axe dudit moule et parcourue par un courant monophasé de fréquence inférieure ou égale à la fréquence industrielle. 8. Procédé selon la renvendication 7, caratérisé en ce que la zone froide est constituée par un matériau solide ayant une résistivité supérieure à 5 P-Lx cm. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la zone froide est partagée suivant ses génératrices en au moins deux secteurs séparés l'un de l'autre par un isolant électrique. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la zone froide est constituée par un assemblage de différents matériaux. 11. Procédé selon la revendication 7, caractérsé en ce que la paroi interne de la zone froide est recouverte sur toute sa périphérie et au moins au voisinage de la zone chaude d'une bague en graphite de même axe que lesdites zones. 12. Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que la bague en graphite est partagée suivant ses génératrices en au moins deux secteurs. 13. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on déplace la (ou les) spire(s) parallèlement à l'axe du moule. 14. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'on règle la distance de la (ou des) spire(s) par rapport à la paroi externe de la zone froide. 15. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone chaude renferme au moins une spire métallique alimentée en courant électrique. 16. Procédé selon les revendications 4 et 15, caractérisé en ce que la spire est reliée à la zone froide. 17. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la zone froide est entourée d'éléments de culasse magnétique feuilletés dont les feuilles sont situées dans des plans passant par l'axe des zones. 18. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidisse- ment de la zone froide est obtenu à l'aide d'un fluide frigoporteur de débit variable. 19. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidisse- ment de la zone froide est obtenu à l'aide d'un fluide frigoporteur de température variable. 20. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidisse- ment de la zone froide est obtenu à l'aide d'un fluide frigoporteur qui refroidit localement ladite zone. 21. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on injecte un gaz sous pression au niveau de la zone froide.