Brevet FR3006695A1 — publié le 20141212

Procédé et dispositif de traitement d'un métal ou d'un alliage métallique en fusion par une substance additive La présente invention concerne le domaine du traitement d'un métal ou d'un alliage métallique en fusion par une substance additive. En particulier, la fonte est un alliage fer-carbone bien connu et largement utilisé pour la fabrication de pièces mécaniques. Sans traitement particulier, le graphite est inclus dans la structure sous forme de lamelles dans les pièces mécaniques en fonte, si bien que ces dernières sont très fragiles. Dans les brevets US 2 485 760 et US 2 529 346, il est décrit que l'introduction dans la fonte en fusion d'une substance qui se vaporise telle que du magnésium pur ou un alliage de magnésium adapté provoque une réaction violente qui permet d'obtenir des pièces mécaniques en fonte à graphite sphéroïdal ou en nodules présentant une ductilité accrue. Pour réaliser cette introduction, différentes méthodes sont aujourd'hui connues. Le brevet UK 1 503 226 évoque une méthode dans laquelle le magnésium déposé au fond d'une poche est recouvert d'une ferraille avant d'y introduire la fonte et décrit une méthode dans laquelle le magnésium est introduit dans une chambre délimitée par un double fond parallèle au fond de la poche et présentant une ouverture à une extrémité. Les brevets US 3 747 912, US 5 098 651 et EP 2 251 443 décrivent des poches de coulée munies, dans le fond, d'une chambre présentant des trous. Dans une première étape, la poche de coulée étant placée dans une position horizontale, on introduit du magnésium ou un alliage de magnésium dans la chambre et on remplit partiellement la poche de coulée avec de la fonte en fusion, ladite chambre étant située au-dessus du niveau de la fonte en fusion. Dans une seconde étape, on fait pivoter la poche de coulée, qui est fermée par un couvercle, pour l'amener en position verticale, de telle sorte que le magnésium ou l'alliage de magnésium entre en contact avec la fonte en fusion par les trous de la chambre et provoque la réaction souhaitée. Les brevets US 3 703 922 et FR 2 421 948 décrivent des méthodes dans lesquelles on réalise le traitement de la fonte en fusion par du magnésium ou un alliage de magnésium directement dans le moule de la pièce à obtenir. Une autre méthode connue consiste à plonger rapidement, dans la fonte en fusion, un récipient perforé contenant du magnésium ou un alliage de magnésium. Une autre méthode consiste à introduire progressivement, par la surface de la fonte en fusion, une gaine d'acier contenant du magnésium ou un alliage de magnésium. La fusion de la gaine d'acier engendre la mise en contact du magnésium ou de l'alliage de magnésium avec la fonte en fusion et la réaction. Certaines des méthodes ci-dessus peuvent être également appliquées au traitement d'un acier par du calcium, un ferro-silicium ou un silico-calcium permettant d'améliorer son aptitude à une mise en forme à froid. Des enseignements à ce sujet sont décrits dans les brevets FR 2 552 107 et WO 86/02949. La présente invention a pour but d'améliorer les conditions et les moyens de traitement d'un métal ou d'un alliage métallique par une substance additive. Il est tout d'abord proposé un procédé de traitement d'un métal ou d'un alliage métallique en fusion par une substance additive. Ce procédé comprend : déposer la substance additive dans au moins une cavité locale aménagée au fond d'une poche de traitement ; abaisser au moins un organe de fermeture au-dessus de la substance additive, de façon que cet organe de fermeture forme avec le fond de la poche de traitement une chambre incluant ladite cavité locale ; remplir au moins partiellement la poche de traitement avec le métal en fusion ; relever l'organe de fermeture de façon à mettre en contact le métal en fusion et la substance additive. Ainsi, notamment, la réaction se produit en profondeur dans le métal et se diffuse et son déclenchement peut être aisément contrôlé. Le procédé peut être appliqué au traitement d'une fonte en fusion par du magnésium pur ou un alliage de magnésium, au traitement d'un acier en fusion par du calcium métal, un ferro-silicium ou un silico-calcium, ou au traitement de l'aluminium ou d'un alliage d'aluminium par du titane, du bore, du sodium ou un alliage contenant au moins l'un de ces derniers. Il est également proposé un dispositif de traitement d'un métal ou d'un alliage métallique en fusion par une substance additive. Ce dispositif comprend une poche de traitement, dans lequel au moins une cavité locale est aménagée au fond de la poche de traitement et comprenant un équipement rapporté comprenant au moins un organe de fermeture et des moyens de déplacement pour déplacer cet organe de fermeture vers et depuis une position basse d'isolement ou de fermeture de ladite cavité locale. L'organe de fermeture peut comprendre un bras de suspension relié auxdits moyens de déplacement et une partie inférieure présentant un bord annulaire inférieur prenant appui, dans ladite position basse d'isolement, sur une zone du fond de la poche de traitement, s'étendant autour de ladite cavité locale. La partie inférieure de l'organe de fermeture peut comprendre une cloche de fermeture. Le fond de la poche de traitement peut présenter un muret annulaire en saillie délimitant ladite cavité locale. L'organe de fermeture peut s'étendre au travers d'un passage d'une portion de couvercle de fermeture au moins partielle de la poche de traitement. L'équipement rapporté peut comprendre des moyens de guidage de l'organe de fermeture. L'organe de fermeture peut être relié rigidement auxdits moyens de déplacement. Les moyens de déplacement peuvent comprendre des moyens pour exercer une force d'application de l'organe de fermeture sur la zone d'appui de ce dernier sur le fond de la poche de traitement. La zone d'appui de l'organe de fermeture sur le fond de la poche de traitement peut être munie d'une couche d'étanchéité. Des dispositifs de traitement vont maintenant être décrits à titre d'exemples non limitatifs, illustrés par le dessin sur lequel : - la figure 1 représente une coupe verticale d'un dispositif de traitement, selon une étape d'utilisation ; - la figure 2 représente une vue de dessus du dispositif de traitement de la figure 1 ; - la figure 3 représente une coupe verticale du dispositif de traitement de la figure 1, selon une autre étape d'utilisation ; - la figure 4 représente une coupe verticale du dispositif de traitement de la figure 1, selon une autre étape d'utilisation ; - la figure 5 représente une coupe verticale d'un autre dispositif de traitement, selon une étape d'utilisation ; - la figure 6 représente une vue de dessus du dispositif de traitement de la figure 5 ; - la figure 7 représente une coupe verticale partielle d'une variante de réalisation d'un dispositif de traitement ; et - la figure 8 représente une coupe verticale partielle d'une autre variante de réalisation d'un dispositif de traitement. Comme illustré sur les figures 1 et 2, un dispositif 1 A de traitement d'un métal en fusion par une substance additive comprend une poche de traitement 2 qui comprend une paroi périphérique 3, par exemple cylindrique ou tronconique, de section circulaire, carrée ou rectangulaire, et un fond 4, par exemple radial et plat. La paroi périphérique 3 et le fond radial 4 comprennent respectivement une enveloppe extérieure métallique 5a et 51) et un revêtement intérieur 6a et 6b en un matériau réfractaire. La poche de traitement 2 est munie d'une portion de couvercle 7 qui aménage une ouverture supérieure réduite 8 qui s'étend par exemple sur la moitié de la section de la paroi périphérique 3. La portion de couvercle 7 comprend une âme métallique 8, qui est fixée sur l'extrémité supérieure de l'enveloppe 5a, et un revêtement 9 en un matériau réfractaire au moins intérieurement à la poche de traitement 2, qui rejoint le revêtement 6a. Au fond de la poche de traitement 2 est aménagée, à distance de la paroi périphérique 3 et en vis-à-vis de la portion de couvercle 7, une cavité locale 10 qui est délimitée par un muret annulaire 11 en saillie au-dessus du fond 4 et formé par un prolongement vers le haut du revêtement intérieur 6b. La poche de traitement 2 est munie d'un équipement rapporté 12 qui comprend un organe de fermeture 13 et des moyens de déplacement 14 pour déplacer cet organe de fermeture 13. L'organe de fermeture 13 comprend un bras de suspension 15 qui s'étend dans la poche de traitement 2 selon un axe parallèle à l'axe de la poche de traitement 2 et aligné avec l'axe de la cavité locale 10 et qui traverse librement un passage 16 aménagé au travers de la portion de couvercle 7. A l'intérieur de la poche de traitement 2, l'organe de fermeture 13 comprend, à l'extrémité inférieure du bras de suspension 15, une partie inférieure de fermeture 17 en forme de cloche hermétique qui est destinée à fermer la cavité 10. Le bras de suspension 15 comprend une tige axiale métallique 18 entourée d'un revêtement 19 en un matériau réfractaire qui est prolongé de façon à former la cloche de fermeture hermétique 17. L'équipement rapporté 12 comprend un support 20 qui est fixé sur l'âme métallique 8 de la portion de couvercle 7, à l'opposé de l'ouverture 8. La partie supérieure de la tige 18, qui est exempte de revêtement réfractaire, s'étend au travers d'un passage de guidage 21 d'une partie radiale 22 du support 19 située à distance au dessus de la portion de couvercle 7, de telle sorte que l'organe de fermeture 13 peut être déplacé parallèlement à l'axe de la poche de traitement 2 en étant guidé par le passage de guidage 20. Lorsque l'organe de fermeture 13 est dans une position basse d'isolement de la cavité 10 (figure 1), la cloche de fermeture hermétique 17 recouvre et entoure à distance le muret 11. Le bord frontal de la cloche de fermeture 17 et le fond 4 de la poche de traitement 2, plus particulièrement la face interne 24 du revêtement 6b, créent entre eux une zone annulaire d'appui 23, autour et à distance du muret 11, de telle sorte que la cloche de fermeture hermétique 17 et le fond 4 de la poche de traitement 2 délimitent une chambre étanche ou hermétique 25 incluant la cavité locale 10, les matériaux étant choisis étant adaptés pour que cette chambre 25 soient étanche ou hermétique. Dans ladite position basse d'isolement, la partie supérieure du revêtement 19 du bras de suspension 15 s'étend dans le passage 16 de la portion de couvercle 7 et est à distance de la partie radiale 22 du support 19. Les moyens de déplacement 14 comprennent un câble 26 dont une extrémité est accrochée sur l'extrémité supérieure 18a de la tige 18 de l'organe de fermeture 13 et qui est issu d'un enrouleur 27 pouvant être entraîné en rotation par un motoréducteur 28 dont le carter est fixé contre la face extérieure de l'enveloppe 5a de la paroi périphérique 3 de la poche de traitement 2, du côté de la portion de couvercle 7, par l'intermédiaire d'une console 29. Le brin du câble 26, entre l'extrémité supérieure d'accrochage 18a et l'enrouleur 27, est dévié par des poulies 30 et 31 libres en rotation, portées par des axes parallèles 32 et 33 dont les extrémités sont montées sur les extrémités de paires de bras verticaux 34 et 35 du support 20, s'étendant vers le haut et reliés par des traverses 36. Les poulies 30 et 31 sont disposées de telle sorte que ledit brin du câble 26 présente une portion verticale 26a entre l'extrémité supérieure d'accrochage 18a et la poulie 30, une portion horizontale 26b entre les poulies 30 et 31 et une portion verticale 26c entre l'enrouleur 27 et la poulie 31. Dans ladite position basse d'isolement, le câble 26 est relâché. L'organe de fermeture 13 repose sur le fond 4 de la poche de traitement 2 et la chambre 25 est formée. En activant le motoréducteur 28 dans un sens, le câble 25 s'enroule dans l'enrouleur 27 et tire vers le haut l'organe de fermeture 13 en éloignant la cloche de fermeture 17 du fond 4 de la poche de traitement 2 depuis ladite position basse d'isolement, ce qui crée un passage entre le bord frontal 22 de la cloche de fermeture 17 et le fond 4 de la poche de traitement 2 et provoque en conséquence l'ouverture de la chambre 25. En activant le motoréducteur 28 dans l'autre sens, le câble 26 se déroule depuis l'enrouleur 27 et l'organe de fermeture 13 descend vers le fond 4 de la poche de traitement 2. Le dispositif de traitement lA peut être utilisé de la manière suivante. Comme illustré sur la figure 3, la poche de traitement 2 étant disposée substantiellement verticalement, on actionne le moto-réducteur 28 de façon à relever l'organe de fermeture 13 par rapport au fond 4 de la poche de traitement 2, jusqu'à une hauteur suffisante pour qu'une lance tubulaire 36 puisse être introduite dans la poche de traitement 2 par son ouverture supérieure 8 et être mise dans une position telle que son extrémité inférieure soit située juste au-dessus de la cavité locale 10. On peut alors utiliser la lance tubulaire 36 pour introduire dans la cavité locale 10 une quantité souhaitée d'une substance additive 37, par exemple du magnésium ou un alliage de magnésium, sous la forme d'une poudre, de grains ou de paillettes. Puis, on retire la lance tubulaire 36. Ensuite, comme illustré sur la figure 1, on active le motoréducteur 28 de façon à abaisser l'organe de fermeture 13 vers ladite position basse d'isolement. Quand l'organe de fermeture 13 atteint cette position, la chambre isolée 25 est formée et la substance additive 37 est enfermée dans cette chambre isolée 25. Selon une variante de réalisation, on pourrait prévoir un moyen pour maintenir fermement l'organe de fermeture 13 dans ladite position basse d'isolement. Par exemple, ce moyen de maintien pourrait comprendre une clavette conique amovible, mise en place manuellement, traversant la tige 18 et des oreilles prévues au-dessus de la partie radiale 22 du support 20 et de part et d'autre de la tige 18, de façon à agir vers le bas sur la tige 18. Selon un autre exemple, ce moyen de maintien pourrait comprendre un organe d'actionnement pouvant être commandé, par exemple un système à un ou plusieurs vérins agissant vers le bas sur un épaulement de la tige 18 en position basse d'isolement par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs culbuteurs, ces derniers pouvant être escamoté pour laisser passer cet épaulement lorsque la tige est déplacée vers le haut. L'organe de fermeture 13 étant dans ladite position basse d'isolement, on déverse dans la poche de traitement 2 une quantité souhaitée d'un métal en fusion 38 au travers de l'ouverture supérieure 8. Cette ouverture supérieure 8 pourrait être alors fermée par un couvercle (non représenté) rapporté ou monté sur la portion de couvercle 7 par exemple de façon articulée, pour fermer la poche 3 et par exemple réduire les pertes de chaleur, limiter les projections de métal, réduire les éventuelles oxydations et améliorer le rendement de la réaction. Ensuite et un moment souhaité, comme illustré sur la figure 4, on active le motoréducteur 28 de façon à relever l'organe de fermeture 13. Ce faisant, le métal en fusion 38 est mis en contact avec la substance additive 37. La réaction souhaitée entre le métal en fusion 38 et la substance additive 37 se produit. On peut alors, à un moment souhaité, incliner la poche de traitement 2 de façon à déverser le métal en fusion traité 38 par son ouverture supérieure 8, du côté opposé à la portion de couvercle 7, dans l'empreinte d'un moule ou de plusieurs moules en vue de la fabrication de pièces métalliques moulées. Lors des opérations ci-dessus, la poche de traitement 2 peut être portée par un chariot de transport par l'intermédiaire de moyens de support et d'inclinaison ou peut être portée par des moyens élévateurs tels qu'un pont roulant à câbles, munis de moyens d'inclinaison, par exemple à câbles. Il résulte de ce qui précède que l'écart de temps, entre le moment où l'organe de fermeture 13 est relevé pour provoquer la réaction entre la substance additive 37 et le métal en fusion 38 et le moment où le métal en fusion 38 est déversé, peut être choisi par l'opérateur et parfaitement maîtrisé, cet écart de temps étant indépendant des opérations antérieures de dépose de la substance additive dans la cavité locale 10 et de remplissage de la poche de traitement 2 par le métal en fusion 38. Dans le cas par exemple d'un traitement d'une fonte en fusion par une addition de magnésium ou d'un alliage de magnésium, il est souhaitable que cet écart soit le plus faible possible. Grâce à la position de la cavité locale 10 au fond de la poche de traitement 2, la réaction est initiée dans la profondeur du métal en fusion 38, ce qui est favorable à une diffusion de la réaction dans tout le volume du métal en fusion 38. En outre, le dosage de la quantité de la substance additive par rapport au volume du métal en fusion à traiter est facilité et peut être précis. En se reportant aux figures 5 et 6, on va maintenant décrire une dispositif de traitement 1B qui se différencie du dispositif de traitement lA par des moyens de déplacement 39 pour déplacer l'organe de fermeture 13, qui remplacent et sont équivalents aux moyens de déplacement 14. Les moyens de déplacement 39 comprennent un coulisseau 40 qui comprend un bras latéral 41 disposé latéralement à la poche de traitement 2 et parallèlement à l'axe de cette dernière et qui comprend un bras radial 42 qui s'étend au-dessus et à distance de la portion de couvercle 7. Le bras latéral 41 traverse des passages de guidage 43 et 44 aménagés au travers de consoles radiales espacées 45 et 46 qui sont fixées contre l'enveloppe 5a de la poche de traitement 2. Le bras latéral 41 est muni d'une crémaillère 47 parallèle à l'axe de la poche de traitement 2, en prise avec un pignon 48 porté par l'axe d'un motoréducteur 49 fixé sur l'enveloppe 5a de la poche de traitement 2 par l'intermédiaire d'une console 50. L'extrémité supérieure 18a de la tige 18 de l'organe de fermeture 13 comprend une plaque qui est fixée au-dessous de la partie d'extrémité libre du bras radial 42, par exemple par des vis 51, de telle sorte que l'organe de fermeture 13 est solidaire du coulisseau 40. Lorsque le motoréducteur 49 est activé, dans un sens ou dans l'autre, le pignon 48 agit sur la crémaillère 47 pour déplacer en translation le coulisseau 40 dans un sens ou dans l'autre, parallèlement à l'axe de la poche de traitement 2, et le coulisseau 40 déplace l'organe de fermeture 13 dans un sens ou dans l'autre. Les moyens de déplacement 39 peuvent alors être utilisés de façon équivalente à ce qui a été décrit précédemment à propos des moyens de déplacement 14 pour fermer et ouvrir la chambre 25. En outre, grâce à la liaison rigide entre l'organe de fermeture 13 et la crémaillère 47 en prise avec le pignon 46, le motoréducteur 49 peut générer une force souhaitée d'application de la cloche de fermeture 17 sur la face interne 24 du fond 4 de la poche de traitement 2 sur la zone d'appui 23, en particulier pour assurer l'étanchéité de la chambre 25. Cette force d'application peut être maintenue par exemple grâce à une non-réversibilité du motoréducteur 49. Selon une variante de réalisation illustrée sur la figure 7, la cavité locale 10 est approfondie de telle sorte que son fond 10a est à un niveau inférieur à celui de la face interne 24 du fond 4 de la poche de traitement 2. Selon une variante de réalisation illustrée sur la figure 8, l'organe de fermeture 13 peut se présenter sous la forme d'un cylindre et sa face inférieure 13a, qui peut présenter éventuellement un évidement central 13b, vient, dans ladite position de fermeture, en appui sur une face d'extrémité supérieure lla du muret 11 pour former la zone d'appui réciproque 23. Selon une variante de réalisation, les motoréducteurs 28 et 49 pourraient être remplacés par des vérins d'actionnement qui, dans le cas des moyens de déplacement 14, serait relié au câble 25 et, dans le cas des moyens de déplacement 39, serait relié au coulisseau 40. Selon une autre variante de réalisation, le muret 11 pourrait être supprimé et la cavité locale 10 pourrait être en creux par rapport à la face interne 24 du fond 4 de la poche de traitement 2. Selon une autre variante de réalisation, la zone d'appui 23 pourrait être recouverte d'une couche d'étanchéité en une matière réfractaire. Les dispositifs de traitement et leurs modes d'utilisation qui viennent d'être décrits peuvent être appliqués sans limitation, en particulier au traitement d'une fonte par du magnésium pur ou un alliage de magnésium ou au traitement d'un acier par du calcium métal, un ferro-silicium ou un silico-calcium ou au traitement de l'aluminium par un alliage de titane et de bore ou du sodium, généralement pour un effet sur leur structure métallurgique. La présente invention ne se limite pas aux exemples ci-dessus décrits. Bien des variantes de réalisation sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'un métal ou d'un alliage métallique en fusion par une substance additive, comprenant : déposer la substance additive (37) dans au moins une cavité locale (10) aménagée au fond d'une poche de traitement (2), abaisser au moins un organe de fermeture (13) au-dessus de la substance additive, de façon que cet organe de fermeture forme avec le fond de la poche de traitement une chambre (25) incluant ladite cavité locale, remplir au moins partiellement la poche de traitement avec le métal en fusion (38), relever l'organe de fermeture (13) de façon à mettre en contact le métal en fusion et la substance additive. 2. Application du procédé selon la revendication 1, au traitement d'une fonte en fusion par du magnésium pur ou un alliage de magnésium. 3. Application du procédé selon la revendication 1, au traitement d'un acier en fusion par du calcium métal, un ferro-silicium ou un silico-calcium. 4. Application du procédé selon la revendication 1, au traitement de l'aluminium ou d'un alliage d'aluminium par du titane, du bore, du sodium ou un alliage contenant au moins l'un de ces derniers. 5. Dispositif de traitement d'un métal ou d'un alliage métallique en fusion par une substance additive, comprenant une poche de traitement (2), dans lequel au moins une cavité locale (10) est aménagée au fond (4) de la poche de traitement (2) et comprenant un équipement rapporté (12) comprenant au moins un organe de fermeture (13) et des moyens de déplacement (14 ; 39) pour déplacer cet organe de fermeture vers et depuis une position basse d'isolement ou de fermeture de ladite cavité locale. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel l'organe de fermeture (13) comprend un bras de suspension (15) relié auxdits moyens de déplacement et une partie inférieure (17) présentant unbord annulaire inférieur prenant appui, dans ladite position basse d'isolement, sur une zone (23) du fond de la poche de traitement (2), s'étendant autour de ladite cavité locale (10). 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel la partie inférieure de l'organe de fermeture (13) comprend une cloche de fermeture (17). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel le fond (4) de la poche de traitement présente un muret annulaire en saillie (11) délimitant ladite cavité locale (10). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel l'organe de fermeture (13) s'étend au travers d'un passage (16) d'une portion de couvercle (7) de fermeture au moins partielle de la poche de traitement (2). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, dans lequel l'équipement rapporté comprend des moyens de guidage (21) de l'organe de fermeture (13). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, dans lequel l'organe de fermeture (13) est relié rigidement auxdits moyens de déplacement (40). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, dans lequel les moyens de déplacement (39) comprennent des moyens pour exercer une force d'application de l'organe de fermeture (13) sur la zone d'appui (23) de ce dernier sur le fond (4) de la poche de traitement. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 12, dans lequel la zone d'appui (23) de l'organe de fermeture (13) sur le fond (4) de la poche de traitement (2) est munie d'une couche d' étanchéité.