Brevet FR2758101A1 — publié le 19980710

PROCEDE D'AFFINAGE, PAR EFFET DE CAV ITATION ELECItROMAGNETIQUE, DE LA MICROSTRUCTURE DES METAUX ET ALLIAGES COULES EN CHARGE, PAR LA TECHNIQUE HOT TOP La présente invention est relative à l'utilisation des effets de cavitation, produits par des vibrations d'origines électromagnétiques pendant la coulée en charge avec rehausse, selon la technique dite Hot Top , dans le but d'affiner très significativement la microstructure des métaux et alliages. Dans le procédé Hot Top , une hauteur de métal liquide est isolée thermiquement et maintenue dans un réservoir en céramique situé au dessus de la lingotière proprement dite, qui inclut une boite à eau. Ce dispositif élimine des problèmes d'alimentation et de maintien du niveau de métal qui apparaissent dans les lingotières classique. Par ailleurs, les défauts de surface, les ségrégations des zones corticale et interne, ainsi que la distance entre les branches de dendrites sont considérablement réduits. Il est particulièrement intéressant d'obtenir un affinage efficace du grain. Un grain fin est, non seulement, à l'origine d'une meilleure résistance mécanique de la pièce moulée, mais il influence aussi favorablement le comportement du métal à la solidification (pouvoir de remplissage, criquage à chaud, ségrégations majeure et mineure, etc...). La tendance actuelle consiste à procéder à de faibles adjonctions d'affinants (magnésium, titane, bore, par exemple) ; cette méthode conduit souvent à une hétérogénéité de la structure du grain et, par suite, à une détérioration des qualités mécaniques et électriques des produits finis. Au cours des deux dernières décennies, et particulièrement en raison de leur impact sur les procédés de coulées industrielles, les études portant sur la solidification des alliages métalliques en présence de convections libres, ou lorsque des traitements dynamiques variés provoquant des convections forcées sont appliqués sur le bain en cours de solidification, ont rencontré un intérêt grandissant. Un grand nombre d'exemples peut être trouvé dans la littérature, où des forces d'origines extérieures sont appliquées pour provoquer des écoulements pcndant la solidification du métal, dc manière à rcduirc la taillc des grains. Ces méthodes comprennent principalement la rotation du moule, les brassages mécaniques ou électromagnétiques du bain, ainsi que le rhéocasting. Dans ces conditions, la microstructure colonnaire-dendritique des pièces coulées traditionnellement devient équiaxe-dendritique, ou globulaire, lorsqu'elles sont solidifiées en présence de convections forcées suffisamment intenses, qui, en général, favorisent l'évacuation de la surchauffe et l'homogénéisation de la température du bain. Par ailleurs, il a été établi que l'application de vibrations soniques, ou ultrasoniques, d'origines mécaniques, pendant la solidification des métaux et alliages, modifie les macrostructures et microstructures obtenues par des procédés traditionnels. L'effet le plus communément observé est la suppression de zones dendritiques et colonnaires indésirables, et le développement d'une fine structure équiaxe. En fait, les effets produits par la propagation d'ondes acoustiques de forte intensité dans un bain métallique sont de trois ordres affinage du grain, effets dispersifs sur les germes et cristaux en suspension, et dégazage, ce qui se traduit par une réduction de la porosité. Les mécanismes qui régissent ces phénomènes peuvent être interprétés par les effets principalement dus à la cavitation. La cavitation est le terme utilisé pour décrire la formation de bulles, ou de cavités dans un liquide. Ces cavités peuvent être remplies par de l'air, ou de la vapeur, ou être presque vide ; elles peuvent être produites dans les liquides par la passage d'ondes soniques, ou ultrasoniques, pourvu que leur fréquence et leur intensité soient convenables. En raison des oscillations du milieu, des régions de compressions et de raréfactions sont formées. Dans les régions de raréfaction une pression négative (tension) peut exister et des bulles d'air, ou de vapeur, apparaissent alors. Dans la plupart des métaux liquides une qualité non négligeable de gaz est présente sous la forme de très petites bulles qui, le plus souvent, germent à partir de poches de gaz préexistantes. Le liquide peut aussi s'évaporer dans le vide partiel produit par l'expansion soudaine des bulles de gaz non dissoutes. L'efficacité de la cavitation dans des procédés tels que la purification, la dispersion et l'affinage du grain de solidification, est due, en grande partie, aux pressions très élevées produites localement pendant l'implosion des cavités. Durant cette période d'implosion, les parois de la bulle se rétrécissent jusqu'à ce qu'elles rentrent en collision avec les petits germes de gaz, ou de vapeur contenus dans la cavité, qui à ce moment est extrêmement compressée. Il a été démontré que la pression dans les bulles, immédiatement avant leur implosion finale, peut atteindre plusieurs dizaines de milliers d'atmosphères. Ainsi, lorsque les bulles se désagrègent, des ondes de chocs extrêmement puissantes, responsables de la plupart des phénomènes observés dans les conditions de cavitation, apparaissent. En particulier, pendant la solidification des métaux et alliages, les forces mises en jeu par la cavitation provoquent la dislocation des cristaux en cours de croissance. Cette désintégration des cristaux produit un très grand nombre de germes autour desquels croissent de nouveaux cristaux, et il en résulte que ces cristaux ne peuvent croitrent au delà d'une certaine taille. L'irradiation sonique, ou ultrasonique, des métaux fondus est principalement réalisée à l'aide d'excitateurs magnétostrictifs ou piézoélectriques. Des tiges en quartz, graphite, ou céramiques reliées à l'excitateur sont utilisées pour communiques des vibrations au sein du métal fondu. Cependant, cette technique présente plusieurs désavantages. Les baguettes oscillantes sont très rapidement dissoutes lorsqu'elles sont immergées dans les alliages d'aluminium, ce qui provoque une indésirable contarnination des matériaux. De plus, I'intensité des phénomènes vibratoires décroît rapidement à partir de l'excitateur; ; ainsi, I'adoption d'un tel système n'est justifié que pour le traitement de mixtures métalliques de faible volume. De plus, en raison du coût et de l'encombrement inhérents à cet équipement, la production de gros lingots en coulée continue d'alliages d'aluminium, par exemple, apparaît comme irréaliste. En conséquence, la transmission de. vibrations soniques, ou ultrasoniques à un bain métallique en cours de solidification n'est pas une tâche facile ce qui limite, en grande partie, le potentiel d'application pour améliorer la microstructure des matériaux coulés. L'apparition de la cavitation dans un métal liquide dépend du pourcentage de gaz le plus volatile non dissous dans le liquide ; il a été établi que, dans le cas des alliages d'aluminium, la teneur en hydrogène contrôle l'apparition du phénomène. La solubilité de l'hydrogène dans l'aluminium dépend de la pression partielle du gaz et de la température du bain. A température constante la concentration d'équilibre de gaz en solution est proportionnelle à la racine carrée de la pression partielle. A titre d'exemple, pour une température du bain de 650"C, la teneur en hydrogène est de l'ordre de 0,3 p.p.m., et la pression d'équilibre correspondante est de 0,29 bars. La cavitation se produit à pleine efficacité pendant la pression négative d'une période, ou d'une série de périodes et il en résulte des nucléations causées, soit par la modification de la température d'équilibre, soit par le refroidissement de la surface des bulles par évaporation pendant leur croissance. Dans ces conditions, la cavitation peut apparaître en plusieurs points dans le liquide et sur les parois du moule, 50 fois par seconde. Dans le cas des alliages d'aluminium, le pic de pression négative doit être, au minimum égal à la différence entre la pression atmosphérique et la pression d'équilibre de l'hydrogène, c'est-à-dire de l'ordre de 0,8 Bar. La présente invention vise à affiner le grain de solidification des pièces coulées, sans ajout d'affinants, en produisant des vibrations électromagnétiques d'amplitudes suffisantes pour conduire au phénomène de cavitation sans contact, ni avec le métal coulé, ni avec les parois des lingotières. La méthode consiste à appliquer simultanément, dans une région du marais d'un lingot, en cours de coulée par le procédé Hot Top , un champ magnétique stationnaire Bo et un courant électrique sinusoïdal de fréquence N et d'intensité maximale Io, (I(t) = lo sin o)t), horizontaux et perpendiculaires entre eux. Ces conditions sont d'abord réalisées, dans des conditions de vibrations forcées, par une pompe à conduction électromagnétique alternative, formant une cavité rectangulaire de largeur a, de longueur L et de hauteur h, contenant le métal fondu. Il apparaît une force électromagnétique, F = BotoL sin (i) t, qui crée une pression électromagnétique vibratoire P = Bouda sin (i) t, dont l'amplitude Po = BOIO/a doit être de l'ordre du Bar (105 Pascals) pour donner efficacement naissance aux phénomènes de cavitation. A titre d'exemple, pour une distance de l'ordre de 10 cm, cette valeur est atteinte pour Bo = 1 Tesla et Io = 10.000 Ampères. Afin d'éviter l'injection de courant d'intensité aussi élevée, une technique consistant en l'ajustement continu de la fréquence des vibrations électromagnétiques, de manière à maintenir le bain dans une situation de résonance, à été adoptée. Dans ces conditions, l'intensité du champ magnétique et du courant électrique sont significativement réduits, le coût de l'installation et la dépense d'énergie se trouvent alors très nettement restreints. Ce résultat est atteint au moyen de l'extension du principe du résonateur d'Helmoltz (cavité résonante) à la magnétohydrodynamique. Le résonateur d'Helmoltz consiste en une cavité enfermant presque complètement un volume d'air, avec un petit orifice qui constitue un couplage entre l'air de la bouteille et celui de la pièce. La forme de la cavité n'a pas d'importance, elle peut être sphérique ou cylindrique, pourvu que sa plus petite dimension soit plus grande que celle du goulot. De plus, les dimensions du résonateur sont petites par rapport à la longueur d'onde de résonance. Le principe du résonateur magnétohydrodynamique est très voisin de celui d'Helmoltz. Ce nouveau résonateur consiste en une cavité contenant un métal liquide, et dont le goulot est couronnée par une pompe à conduction électromagnétique alternative, semblable à celle déjà décrite. Cette pompe joue le rôle d'un excitateur pour la cavité résonante. Un voltage alternatif de fréquence N est appliqué entre les deux électrodes, tandis qu'un champ magnétique stationnaire Bo est imposé perpendiculairement au courant électrique variable. Le comportement de ce résonateur MHD a d'abord été étudié au moyen d'un modèle de laboratoire. Les dimensions intérieures de la pompe électromagnétique étaient: largeur a = 30 mm, longueur L = 100 mm, hauteur h = 65 mm. Les dimensions internes de la cavité résonante cylindrique remplie d'aluminium fondu de 150 mm pour le diamètre, et de 145 mm pour la hauteur. La valeur maximale de la pression électromagnétique dans la cavité, mesurée par un capteur piézo-électrique, et correspondant à la fréquence de résonance, a été détectée par variations de la fréquence du courant électrique réalisé par un générateur de fréquence. La résonance a été atteinte pour N = 217 Hz, et il a été observé que toutes les autres conditions restant inchangées (c'est-à-dire, même champ d'induction magnétique et même intensité de courant électrique), l'amplitude de la pression électromagnétique vibratoire dans la cavité était accrue dans un rapport P* de l'ordre de 40, par rapport à la pression créée par une tension alternative de 50 Hz. A titre d'exemple, une pression alternative dont l'amplitude maximale était d'un Bar a été atteinte pour Bo = 0,25 Teslas et Io = 1000 Ampères, qui sont des performances aisées à atteindre. Par ailleurs, le système a été amélioré par l'adjonction d'une bobine mono- ou multispire alimentée par un courant électrique sinusoïdale de fréquence N', entourant la lingotière, et placée soit juste au dessus de la boite à eau, soit à l'intérieur même de la boite à eau. Cet inducteur génère dans le marais un champ magnétique axial périodique B(t). Lorsqu'un moule, contenant le métal fondu, est soumis au champ B(t), des courants électriques induits, de densité J, prennent naissance dans un plan perpendiculaire à la direction moyenne du champ magnétique et se concentrent, ainsi que le champ magnétique B(t), dans une zone périphérique dont l'épaisseur est évaluée, arbitrairement, par la profondeur de peau 6 = (2/ct)'cxil)"2, où co'= 2 zN' est la pulsation du courant électrique (ou du champ magnétique), 4 et (n étant, respectivement, la perméabilité magnétique et la conductivité électrique du métal fondu. Il s'agit d'un phénomène très classique, connu sous le nom d' effet de peau . Le champ magnétique et le courant électrique induits, tous deux variables, interagissent, dans tous les cas, pour engendrer des forces de Laplace par unité de volume J x B, dont la valeur moyenne dans la période n'est pas nulle, et qui possède une composante rotationnelle, causée par des effets d'extrémités (courbure de lignes de champ magnétique, à l'entrée et à la sortie du moule), et responsable d'un mouvement de brassage. Ce phénomène apparaît dans les fours à induction à creuset et dans de nombreux procédés d'affinage de la microstructure des métaux et alliages. Il a été décrit particulièrement dans les brevets n" 83 01999 (inventeur Charles Vivès) et n" 83 19971 (inventeur Charles Vivès). Ici un brassage doux, de l'ordre de quelques cm.s", uniformise la température du bain et favorise le mouvement des germes, tout en évitant l'érosion des parois réfractaires, ce qui pourrait être une source de pollution du métal. Le dispositif selon l'invention présente de nombreux avantages: - il est de conception et de réalisation simples - sa consommation d'énergie est faible (inférieur au kW.h-' pour les gros lingots - l'intensité des phénomènes vibratoires peut être modulée avec souplesse, soit par variation de l'amplitude du champ magnétique Bo, soit par variation de l'intensité ou (et) de la fréquence N du courant alternatif traversant la pompe électromagnétique - il permet d'affiner très efficacement le grain de solidification et d'homogénéiser la microstructure des lingots et, en conséquence, d'améliorer considérablement les performances mécaniques et électriques de produits finis - il s'applique à tous les métaux et alliages, produits en coulée continue, selon le procédé dit Hot Top . 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 mises en oeuvre de dispositifs selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement le principe de la pompe électromagnétique alternative, susceptible de provoquer des phénomènes de cavitation (ici par vibrations forcées). La figure 2 représente schématiquement le principe de la cavité résonante magnétohydrodynamique, susceptible de provoquer des phénomènes de cavitation (ici par vibrations à la fréquence de résonance). La figure 3 représente une coupe du dispositif d'affinage du grain, associé à la coulée Hot Top , caractérisé par la localisation de la bobine inductrice au-dessus de la boite à eau. La figure 4 représente une coupe du dispositif d'affinage du grain, associé à la coulée Hot Top , caractérisé par la localisation de la bobine inductrice à l'intérieur de la boite à eau. Sur la figure 1, on distingue la surface libre du métal liquide (1), les électrodes (2), les connexions d'arrivée du courant alternatif (3), ainsi que les paramètres périodiques (densité de courant électrique J(t), force électromagnétique F(t), ainsi que la vitesse du métal liquide U(t)). Sur la figure 2, on distingue la surface libre (1), la cavité résonante contenant le métal fondu (2), la pompe électromagnétique (3), le champ magnétique stationnaire Bo (4) et le capteur de pression (5). Les figures 3 et 4 présentent, en coupe, deux exemples de dispositifs associés au procédé Hot Top et relatifs à deux variantes concernant la localisation de la bobine inductrice ; on distingue le chenal d'arrivée de métal fondu (1), la surface libre (2), la lingotière supérieure en céramique (3), la boite à eau (4), la pompe électromagnétique alternative (5), la cavité résonante (6), la partie solidifiée du lingot (7), la bobine inductrice (8), la structure des écoulements (9). L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple suivant. Un alliage d'aluminium A 356 contenu dans une lingotière de 150 mm de diamètre a été soumis à des pressions électromagnétiques alternatives d'amplitudes croissantes produites par la pompe dans la cavité résonante, tandis que la bobine inductrice était excitée par une force magnétisante constante, dans tous les essais, de 1000 ampères-tours. Après irradiation (une minute pour deux kg de métal liquide solidifié), des échantillons ont été prélevés, polis et attaqués chimiquement, afin de révéler leurs microstructures. La figure 5 représente la micrographie d'un échantillon non-irradié, caractérisé par une microstructure colonnaire-dendritique classique. La figure 6 correspond à des pics de pression électromagnétiques voisins de 0,5 bars, insuffisants pour atteindre le phénomène de cavitation, mais capables d'imposer des taux de cisaillement visqueux convenables pour homogénéiser la température du marais et favoriser la germination. Cette multiplication des germes se traduit par un affinage du grain de solidification caractérisé par la présence de cristaux globulaires, dont le diamètre moyen est d'environ 150 microns. La figure 7 correspond à des pics de pression électromagnétique alternative de 1,16 bar, imposé 192 fois par seconde. L'observation de cette microstructure, obtenue dans les conditions d'existence de la cavitation, montre que les grains sont plus fins (30 microns de diamètre moyen) et moins globulaires que ceux produits en absence de cavitation (fig. 6), par ailleurs, on note la disparition des agglomérats. Par rapport à la figure 6, le nombre de grains est approximativement multiplié par 500, ce qui établi la supériorité de la technique d'affinage du grain de solidification au moyen de la cavitation par rapport aux techniques dynamiques, basées sur la convection forcée. Enfin, les essais ont montrés que le sens des écoulements convectifs étaient inversés lorsque la bobine inductrice était placée à l'intérieur de la boite à eau. Dans ce dernier cas, l'écoulement est descendant dans la zone centrale du marais, ce qui est préférable, car la couche d'oxyde qui recouvre généralement la surface libre ne risque pas d'être entraînée vers l'intérieur du lingot, évitant ainsi toute pollution du métal. L'invention trouve son application dans tous les cas où on veut obtenir une microstructure très fine et homogène, dans le but d'améliorer les performances mécaniques et électriques des métaux et alliages produits par la technique de coulée continue en charge, dite Hot Top . REVENDICATIONS 1. Procédé de solidification des métaux et alliages, appliqué au procédé de coulée en charge, dit Hot Top , caractérisé en ce que l'on applique un champ électromagnétique alternatif dans le métal fondu, ou en passe d'être solidifié, dans le but de générer des phénomènes de cavitation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ électromagnétique alternatif est créé par une pompe électromagnétique à conduction alternative, traversée par un courant alternatif de fréquence N. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence N du courant électrique traversant la pompe est comprise entre 1 et 10 000 Hertz. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence N peut être ajustée de manière à atteindre les conditions de résonance, dans la zone liquide du lingot en cours de solidification, qui joue le rôle d'une cavité résonante. 5. Procédé de solidification dans lequel on fait agir une bobine inductrice mono- ou multispire, alimentée par un courant électrique de fréquence N', afin d'obtenir une convection forcée de faible intensité. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bobine inductrice se trouve sous la pompe électromagnétique. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bobine inductrice peut être localisée au-dessus, ou à l'intérieur de la boite à eau.