Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
. ' _ 2 0 3 3 2 3 2
P~OCEDE ET DISPOSITIF POU~ I,A COULEE CONTINUE DE COMPOSITES
A MAT~ICE MET~LLIQUE RENFORCEE PAR DES PARTICULES D ' UN
MATERIAU CE~AMIQUE REF~ACTAIRE.
Do~aine de l'invention.
L'invention concerne un procede de coulee en continu d'un
composite liguide à matrioe metallique renforcee par des
particules d'un materiau ceramique réfractaire.
..
Ces materiaux ceramiques réfractaires sont constitues par
des substances non metalliques, ayant une temperature de
fusion superieure ~ celle de la matrice à laquelle ils sont
incorporés,et qui sont inattaquables ou peu attaquables par
le metal en fusion de la matrice.
.
Ce sont,par exemple, du graphite, des carbures,oxydes,
nitrures,borures de metaux ou de certains métalloides,mais
aussi des composes tels gue silicates, aluminosilicates
etc...
Ces materiaux peuvent avoir la forme de fibres longues ou
courtes ou encore de particules ou ~e whiskerq de
granulometrie convenable.L'invention s'adresse à la
fabrication de composites ~ base de particules ou de
whiskers.
~ .
La fabrication de ces composites ~ matrice metallique
particulaires peut se faire par deux types de procedes:
. .
-des proced8s ressortissant de la metallurgie des poudres
dans lesquels le metal melange aux particules est mis en
orme,fritte,puis éventuallement file ou forgé.
-des procédes ressortissant des techniques de fonderie
dans lesquels les particules 50nt melangees au metal en
fusion.
,
-- -: . : . . .
..
.. . ~ - .
~: . ., . - ~
: :
:. : i
:.; . .. : . . -
:. ... . :
2 ~033232
~'in~ention s'adresse ~ ce deuxième type et en particulier ~
un procédé de coulee continue de composites preparés sulvant
une technique de fonderie.
Le prlncipal problbme rencontre dans les procédés
d'élaboration de composites ~ matrice métalliqua ( qui
seront désignés dans ce qui sui~ par CMM ) est celui du
mouillage des particules cl~ramiques par le métal,mouillage
gui conditionne la compacité des CMM et leur homogénéit~
c'est-~-dire finalement leurs caractéristiques d'usage
De nombreuses méthodes ont eté proposees pour résoudre ce
problème.
Une de ces méthodes a fait l'objet de la demande de brevet
français n 89-16000 déposée le 27 novembre 1989 par la
demanderesse.Cette demande concerne un procédé de
fabrication en continu d'un CMM renforcé par des partlcules
d'un matériau céramique caractérisé en ce que:
-on met en oeuvre dans une poche de coulée une masse
déterminée d'une dispersion homog~ne de particules dans un
bain de métal liquide,cette dispersion,qualifiée
d'initiale,ayant la composition du composite ~ fabriguer et
étant soumise à un brassage.
-on alimente en continu et avec un débit déterminé,un ou
- plusieurs postes de coulée à partir de la poche dont on
maintient le niveau constant par addition simultanée des
particules a l'état solide et du métal ~ l'état liquide dans
une proportion correspondant ~ celle du CMM à fabriquer,tout
en maintenant le brassage.
~ 3~ E~pos~ de l'invantion
Le caractere continu de l'élaboration du CMM exposée ci-
dessus se prete particulierement bien à la coulée continue.
On peut ainsi réaliser une ligne de fabrication continue
intégrant 1'élaboration du CMM et sa coulee en demi-
- produits
L'obiet de l'invention est de proposer un proced~ Qt un
,
:-.:. : . - . - - . -: -
-. . ::
. . - . .
:, . : - .... - : . . ... ...
: , : .
: ~,: - :
:: : - :-: . , .
3 2~33232
appareillage de coulee continue adaptés à la coulée de
CMM,c'est-~-dire dans lesquels le brassage nécessaire à la
mise en suspension des particules de céramique dans la
matrice liquide se poursu:Lt pendant la coulée du demi-
produit dans la partie encore liquide de ce demi-produit que
les spécialistes appellent le "marais".
Cependant le procédé de l'invention n'est pas limité ~ la
coulée d'un CMM liquide obtlsnu par le procédé de la demande
: lo de brevet francais 89-16000;il s'appligue ~ la coul~e de
tout CMM liquide préparé par un procédé quelconque.
Le procédé consiste à créer un brassage d'orig~ne
électromagnétique qui assure des mouvements de mélange
caractérisés par le fait qu'ils sont situés dans des plans
- méridiens contenant l'axe de coulée.Pour pouvoir assurer ce
brassage dans de bonnes conditions de mise ~n suspension et
de dispersion des particules,il faut que la zône brassee
soit suffisante.Pour cela,il est nécessaire ds faire
précéder la partie "lingotière" telle que l'on peut la
rencontrer de manière classique dans une coulée continue par
une partie amont isolée thermi~uement,qui constitue une zône
chaude et gui a pour effet d'accroitre le volume du marais.
2s Description de l'invention.
.
La figure 1 représente un exemple de realisation de
- l'invention.
On décrira successivement le dispositif destiné ~ la
coulée,a la solidification et à 1'extraction du CMM puis les
- trois types de dispositifs électromagneti~ues destin~s
assurer le brassage du métal.
: . .
La figure 1 et la description des dispositifs de coulee,de
solidification et des trois types de brassage
électromagnétique sont relatifs à un mode particulier de
réalisation de l'invention:celui de la coulée verticale.Des
dispositifs analogues,ayant la même fonction se retrouvent
dans un autre mode de r~alisation de 1'invention:celui de la
` :.. : :.: : : ' : -
-
-' ~ . , .-' , , .
: .. . . ,: ~ .
~ 2~332S^~C~
coulée horizontale.
Le dispositif de coulée,solidification et extraction est
proche de celui utilisé potlr la coulée continue en charge
(ou avec rehausse) de~ métaux et en particulier de
l'aluminium.Il comprend:
a) une partie chaude r~alisée en matériau isolant
thermiqu~ 1 qui renferme le m~tal liquide 2.Le mat~riau
isolant est du type utilisé couramment en fondarie pour la
confection de goulottes et de busettes.
b) une partie froide reliée à la partie chaude de manière
étanche au métal liquide.Cette partie froide comprend comme
élément essentiel une lin~otière 3 en métal conducteur de la
chaleur refroidie extérieurement.Ce refroidissement peut
être assuré par un film de fluide de refroidissement
,généralement de l'eau, 5 provenant d'une boite à eau 6,tel
que représenté sur la figure l.Il peut aussi être assuré
directement par une chambre d'eau accolée de mani~re connue
à la lingotière.Dans ce dernier cas,on formera de préférence
des ~ets ou une lame d'eau au bas de l'ensemble chambre
d'eau-lingotière qui viendront assurer par ruissellement le
refroidissement direct du produit en cours de coulée..Cette
lingotière peut être munie,à sa partie supérieure d'un
anneau de graphite 4 ~ouant un rôle de lubrifiant vis-à-vis
du métal coulé,en complément d'un agent de lubrification
dont 11 s'avère parfois n~cessaire de revêtir la paroi
interne de la partie aval pour faciliter la coulée de
certains métaux.Suivant une technique de l'art ant~rieur,il
est aussi possible d'amener en continu par la lingoti~re un
agent de lubrification qui traverse 1'anneau de graphite et
assure ainsi une lubrification en continu.Tou~ours dans la
perspective de lubrifier en continu,on peut,au lieu
- 35 d'utiliser un anneau de graphite,ins~rer dans la lingotière ~-
des crayons de graphite qui débouchent sur la ~ace interne
de la lingotière et sont connectés ~ leur autre extrêmlté
; une chambre où le lubrifiant est mis sous pression.
.~-- . - . , : . - . -
- ~: - ,................ .
: -
.- - . :.
. - : . . : ' . . :' -': - , . . - . ,
.. . , ,, , - :: , : :, - ~ . , ,. :
.: . , , . : . : . - :
. :. . . ~:
- . . . ~ . . -
.... : . -
~ - 2~3r~32
c) le syst~me d'extraction constitu~ d'un fond obturant la
partie inférieure ds la lingoti~re au demarrage,port~ dans
le cas d'une coulée verticale, par un plateau anime d'un
mouvement régulier vertica]. et vers le bas,réglable selon
les alliages et le format des produits coulés.Dans le cas de
la coulée horizontale,ce système est porté soit par un tapis
motoris~,soit par une table ~ rouleaux dont l'un eqt
motor~s~,un rouleau presseur venant garantir l'entrainement.
Après le démarrage,le produit dé~à solidifi~ sert de moule
pour la solidification du métal aliment~ en continu et l'on
arrive ~ un état d'équilibre représenté sur la figure 1:
.
A partir de la lingotière se développe une enveloppe
extérieure solidifiée tandis qu'à l'interieur du produit
coul~ s'établit un front de solidification 7 ayant la forme
approximative représentee sur la figure.Au-dessous de ce
front,le métal est complètement solide;au-dessus,dans ce que
l'on appelle le "marais",il y a un mélange de liquide et de
particules céramiques.
C'est en w e d'assurer une meilleure homogénéit~ de la
distribution des particules au sein du metal liquide qu'un
brassage électromagné-tique,provoquant des mouvements dans le
` 25 marais suivant des plans méridiens,est ad~oint.
- Le dispositif électromagnétique de brassage dont la
comblnaison avec le dispositif de coulée constitue
1'invention est préférentiellement l'un des trois d~crits
- 30 ci-après.
. . .
Le premier type consiste à faire passer un courant
electrique monophasé de fréquence ~nférieure ou egale à la
fr~quence industrielle au sein de la lingoti~re
constitu~e,au moins part~ellement par un ma~riau conducteur
- de l'électricité.La paroi de cette lingotiere doi~ alors
- . .
pr~senter sur toute son épaisseur et suivant au moins une -
génératrice un insert isolant ~lectrigue de part et d'autre
duquel sont fix~s les amenées de courant.Ainsi cette
.:
- .
; : -. : .. :- . .. .. .:
:
. . -. . .
. . - - : - ..
. .......... - . . .. . .
6 2~3'~'~3~
lingoti~re ~oue le rôle d'une spire et le courant qui la
traverse g~nère un champ magn~tique qui développe des forces
électromagn~tiques engendrant le mouYement souhaité.La paroi
lnterne de cette lingoti~re doit ~tre recouverte d'un film
lsolant pour éviter les courts-circuits par le m~tal coulé.
Les forces electromagnétiqu~s étant fonction de l'intensité
de courant,on choisira pour la confection de la lingotière
un metal bon conducteur du courant.Ce peut atre,par exemple
le culvre ou l'aluminium ou leurs allla~ss pour la coul~e
lo d'aluminium.
On peut aussi utiliser des assemblages de différents
matériaux dans lesquels la portion la plus proche de la
- partie amont est faite sinon en matériau isolant du moins
avec un matériau moins bon conducteur de l'~lectricité tel
un acier inoxydable.Dans ce cas, le mouvement du liquide est
amplifié.
- Le film isolant peut etre constitué d'une couche d'oxyde
obtenue par anodisation dans le cas de l'aluminium,d'un
émail,ou d'une résine fluocarbonéa.L'épaisseur d~ ce film
dépend de la tension de la paroi de la lingoti~re par
rapport au métal coulé.Une épaisseur d'oxyde de 1 microm~tre
convient pour une tension de l~O volts.
Dans le cas où la lingotière est munie d'une ba~ue en
graphite,cette bague peut ~tre partagée en au moins deux
secteurs pour évlter tout effet Joule dans une zône qu2 l'on
souhaite refroidir et une réduction de l'~nerg$e qui
limiterait les mouvements du métal.
.
En particulier,on peut utiliser une bague présentant un
insert plac~ en regard de l'insert de la lingotibre ;dans ce
- cas,on évite également l'effet Joule et on peut alors
fretter directement la bague sur la paroi lnterne de la
lingotière sans avoir besoin d'un film isolant
intermédiaire.
Le deuxi~me type de dispositif de brassage (figure 1)
,
. . , .- . ., . ~ .
.. . : ,, .
,. ~ . .
~33232
consiste ~ placer ~ l~extérieur de la lingotlere au moins
une spire métalllque 9 d'axe sensiblement parallèle ~ l'axe
du moula dans laquelle on ~ait passer un courant monophas~
de fréquence inférieure ou égale ~ la frequence
industrielle.Cette spire,isolée ~lectriquement de la paroi
de la lingotière crée un c~amp magnet~que parallè}e ~ l'axe
du moule qui d~veloppe des ~orces ~lectromagnétiques
e~gendrant le brassage selon les fl~ches 10 et ll.Ce
br~ssag~ est plus ou moins ample en or.rtion æa 1~ intensite
lo du courant dans la spire et selon d'autres facteur~ tels que
la compositlon et la structure de la llngotlère.En ce qul
concerne la composltion,il est préférable d'utiliser un
-matériau ayant une résistlvlté supérieure à 5
microohm.cm,par exemple un acier inoxydable amagn~tique,du
`-15 tltane,ou une céramlque ayant une conductibillté thermique
suffisante,ou encore un mat~riau composite tel un acier
inoxydable revêtu d'une mince couche d'aluminium.En ce qui
concerne la structure,on peut,afin de réduire l'intensité
n~cessaire au brassage,partager la lingoti~re suivant ses
génératrices en au moins deux secteurs séparés les uns des
autrss par un isolant électrlque tel le mica,ces secteurs
~tant assemblés entre eux par des goupilles en acier lnox et
des chevilles isolantes.
Tous ces types de lingotières peuvent ~galement être garnies
sur leur paroi interne au voislnage de la z8ne chaude d'une
bague en graphite coaxiale partag~e de préf~rence sulvant
`- ses génératrices en au molns deux sections,cela en vue
d'am~llorer l'efflcacité du courant électrigue pour le
brassage.
~ Les spires qui entourent la iingo~ière sont conçues et
mont~es de manière ~ s'adapter à n'lmporte quelle forme de
llngotière et ~ optlmiser le rendement courant-force et la
distribution des forces dans le métal afin de r~partir le
brassage ~ur toute la section et la hauteur du moule et
- obtenir la plus grande homog~néit~ pos~ible des particules
au sein du m~tal liquide.C'est ainsi que les spires peuvent
etre d~placées parallèlement ~ l'axe du moule ou ~tre
formées par un assemblage d'éléments démontables capables de
.; .
~ . . . . . -
~ - - . -. , - -: : . . .
: , : . ' ~ . ~ : . -: .
8 2~33232
: circonscrire des moules de toute section de façon
~quidistante,ou à des distances differentes.Ces assemblages
conviennent parfaitement aux sections rectangulaires.
Il est encore possible,selon l'lnvention,d'améllorer
l'efficacité du brassage par ad~onction autour de la zône
chaude d'une ou plusieurs ~spires parcourues par un courant
électri~ue et alimentées en serie ou en parallèle avec
celles de la zône. ~roide ou par un génér2teur de courant
lo d'intensité,de fréquence et/ou de phase dlff~rentes de
celles du courant alimentant les spires de la zône froide.
.
En vue de canaliser 18 champ magnétique créé par la ou les
spires,la zône froide peut être entourée d'él~ments de
` 15 culasse magnétique formés de feuilles métalliques isolées
: - les unes des autres et situées dans des plans passant par
l'axe du moule.
La zône chaude ou au moins sa partie la plus voisine de la
zône roide peut être entourée d'une gaine dans laquelle
circule un gaz sous presion et inerte chimquement vis-~ vis
du métal coulé;on constate alors que le produit coulé
présente un meilleur état de surface.
Le troisieme type de dispositif de brassage se compose de un
ou plusieurs inducteurs alimentés en courant polyphasé
entourant 1'ensemble du dispositi de coulée,z~ne chaude et
z~ne froide.En principe,on peut utiliser n'importe quel type
de courant ~ n phases;en pratique on utilisera évidemment le
courant triphasé:c'est ce qui est illustré sur la figure 2.
- -Sur cette figure,six bob~nages successis: A, B, C, D, E, F
- ont été représentes de haut en bas de la figure.Ces
bobinages sont placés dans des plans perpend1culalres
l'axe de coulée.Ils sont alimentes d'une façon analogue ~
Gelle de l'alimentation des moteurs l~néaires A induction
respectivement par les phases 1 ,-2 ,3 ,-1 ,2 ,-3 de manière
~ créer ~m champ glissant vertical ascendant,descendant ou
périodiguement ascendant puis descendant,suivan~ l'ordre
dans lequel sont allment~es les trois phases.De mani~re
:: -- .. :.: - . :
, ;.:: ,;, .. ,,: .: .. .:: : : . ~ , . : : , . . . - . - . : ,
9 ~3~232
classique,on utilise gênéralement une longueur de bobinage
qui soit un multiple du pas polaire,le pas polaira ~tant la
longueur des trois bobinage!~ de la sé~uence ~lêmentaira 1,-
2,3.Cela signifie en prati~ua qu'on utilisera 6, ~, 12,
15....bobinages mais rien n'interdit en theorie de couper
une sê~uence au milieu.De plus,des moyens sont connus de
1'homme de 1'art en êlectrotechnique consistant ~ utiliser
des bobinages particuliers ~lux extremitês en vue d'éliminer
les effets de bord dans les moteurs linêaires.L'interaction
de ce champ glissant avec les courants induits dans le métal
engendre des forces qui générent des mouvements dans des
plans passant par l'axe de la lingotière et donc du produit
coulé.Ces mouvements sont reprêsentes schématiquement sur la
figure 2 par les flèches lO et 11.
Il est clair que ces mouvements permettent l'entrainement
des particules cêramigues noyées dans le mêtal encore
liquide vers la partie supêrieure plus chaude du marais ce
qui assure une bonne homogênêisation des particules
céramiques.
Les inducteurs triphasés A ~ F décrits ci-dessus peuvent
~tra réalisés de deux façons:
- 25 1) de façon classique avec des bobinages sous forme de
galettes en fil de cuivre ou en tube de cuivre refroidi,les
diffêrentes galettes étant superposées et de pr~férence
placées dans les encoches d'une culasse magnétique
feuilletée 12 destinée a canaliser les lignes ds force du
champ magnetique.~figure 3 ).Les feuilles
- mêtalliques,isolêes êlectriquement les unes des autres,sont
-situêes dans des plans passant par l'axe du moule.Dans le
- cas où une chambre est accolêe a la lingotiere pour assurer
le refrolclissement de celle-ci,on peut placer les bobinages
à l'intérieur de cette chambre.Ils sont alors efflcacement`
refroiclis.
.
.
2) selon l'invention telle que représentée sur la ficJure 4:
. .
. : . .. . - . : ......................... ..
. : . - . . . .
- '~J~3323~
Le bobinage est constitu~ de disques mlnces d'épaisseur de
1'ordre du mm en metal bon conducteur,du cuivre par
exemple.Chaque disque 13 en orme d'anneau et muni d'~ne
fenta 14 constitue une spire du bobinage(figure 4a).Pour
constituer le bobinage,on empile les disques en d~calant
deux disques successi~s d'un angle donn~.Une feuille
d'isolant 15 est interpos~ entre deux disques de cuivre
successifs sauf dans la z~r,e entre les fentes de CQS deux
disque~ successifs.Ii y a donc dans cette ~ e une plage de
- 10 contact assurant la liaison ~lectri~ue entre deux disques
successifs et la continuit~ du bobinage.(~igure 4b).
,: .
Pour assurer le refroidissement des disques de cuivre,on a
imagine deux solutions selon le mode de refroidissement de
lS la lingotière.
Dans le cas de refroidissement de la lingotière par film
d'eau, on place les bobinages selon l'invention d~crite ci-
dessus dans une chambre d'eau annulaire entourant les
- parties amont et aval et laissant le passage pour le ~ilm
d'eau au niveau de la lingotière.Une demi-coupe de cette
chambre est representee sur la figure 5:
La chambre est constituée d'une paroi intarieure,cylindrique
ou prismatique,selon la forme du produit coul~,en matière de
préference isolante ou faiblement conductrice de
l'electricite,mais en tout cas amagnetique 16 et d'une paroi
extérieure,à surface interne également cylindrique ou
prismatique,qui peut être constitu~e d'une culasse
masnétique 12.
La chambre d'eau ast fermée à ses parties sup~rieure et
inf~rieure par deux pièces 18 et 19 reunies entre elles par
un tirant fileté ~0 dont le rale est d'assurer également le
serrage des disques formant le bobinage gr~ce ~ de~x ~crous
21 et 22.Sa partie centrale,au contact avec les disques de
cuivre est isol~e.
Une arrivee d'eau 23 et une sortie 24 sont dispos~es
- respectivement en bas et en haut de la chambre. Les empilages
de disques de cuivre 13 e~ d'isolant 15 sont dispos~s
1'interieur de la chambre.Les disques de cuivre et d'lsolant
sont percés de trous,~udicieusement répartis pour constituer
:: '. .' . -: ' :
:. :. , ,: . -
1 1 2 ~ 3 3 2d 3 2
les conduits de refroidissement 25 et permettre le passage
des tirants.
Dans le cas où le refroidissement de la lingoti~re est
assure par une chambre d'eau,on peut tirer profit de cette
solution en plaçant les bobinages directement dans ~ette
chambre.( Figure 6 )
La paroi interne de la chambre est dans ce cas la lingotibre
elle-m~me 26 qui. est rev~tue en amont (Partle chaude ) d'un
-1o matériau isolant thermiquement 27 et en aval (Partie froide)
d'un anneau en graphite 28.On retrouve la partie solide 29
du produit en cours de coulee délimitée par la front
- 30.L'eau qui arrive en 31 sert non seulement à refroidir les
bobinages 32 par l'intermédiaire des perçages 33,et la
lingotière par passage dans l'interstice 34,mais aussi ~
former la lame d'eau 35 qui ruisselle sur le produit 36.Une
vanne 37 situee sur le circuit de sorff e 38 du
refroidissement du bobinage permet de contrôler les
guantités respectives circulant dans chacun des passages.Le
reste de la technologie est similaire à ce qui a été décrit
pour la figure S.
Exemple
Une billette de diamètre 75 mm en alliage AS7Go,6
contenant 15% en volume de particules de SiC de 10
micromètres environ a été coulée selon le procede décrit ci-
dessus: -
-la lingotière était surmontée d'une zane chaude réaliséa
i d'un anneau en matériau isolant MONALITE de hauteur 70 mm.
-la lingotière étai~ entourée d'une sp~re aliment~e sous
~ une ~ension de 6,3 volts.
-la vi~esse de coulée etait de 200 mm/minute.
. . .
; Dans ces conditions,la billette obtenue pr~sentait,à
}'exception de l'extrême périphérie,ce qui est classique en
coulée continue d'alliage d~aluminium,une structure homogène
avec une bonne dlspersion -des particules au sein de la
-~ matrice,alors qu'en l'absence de brassage électromagn~tique
selon l~invention décri~e,de larges plages de matrice sanc
.; - .
,. . . . . .
. .. .
~....... . : . .
,: ~ , , , ., . - . - , . i
. - .: . . . .
- . ~ ~ . -
12 2 ~3 2 32
particules,ces plages pouvant atteindre 200 micromètres,ont~tb observees.
Un lopin de cette billette a étb ~crouté puis filé pour
S ~ormer de la barre de dlam~tre 20 mm.Dans cette barre ont
êté tirées des éprouvettes pour essais mecaniques qui,après
trempe et revenu(état T6) ont donn~ les resultats suivants:
Module d'~ lc1te: 97 ~Pa
10
~ Limite d'élastlcité ~ 0,2 % d'allongement: 312 MPa
.
Charge de rup~ure: 374 MPa
.
. 15 Allongement a la rupture: 6 %
.
. . , ' .
: ,... . . . . . . . . . .
: . . . . . . . ...
- - .. , . . - - . . ~ . .
