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Procédé et dispositif pour l'introduction d'éléments de renforcement dans un bain de métal fondu.
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour l'introduction d'éléments de renforcement dans un métal fondu, utilisables notamment dans le cadre de la fabrication d'un matériau composite à matrice métallique par voie liquide.
La description qui va suivre fera plus particulièrement référence à cette utilisation, mais il va de soi que le procédé et le dispositif de la présente invention peuvent également être utilisés dans d'autres procédés de fabrication.
Au sens de la présente demande, un matériau composite, ou plus simplement un composite, à matrice métallique est un matériau constitué essentiellement d'un métal dans lequel sont dispersés des éléments de renforcement tels que des fibres courtes ou des particules. A titre d'exemple, on peut citer un composite ayant une matrice en aluminium dans laquelle sont dispersées des fibres courtes ou des particules de carbures de silicium SiC.
Par fibres courtes, on entend ici des éléments filiformes ayant une longueur inférieure à 5 mm et un diamètre inférieur à 50 m ; de préférence, leur longueur est comprise entre 1 et 3 mm et leur diamètre est compris entre 10 et 25 Mm.
On connaît les avantages économiques liés à l'utilisation de matériaux composites, en particulier la diminution de poids des pièces individuelles et des assemblages mécaniques et la réduction de volume qui en résulte fréquemment, pour une même résistance mécanique.
Les avantages techniques des composites sont également bien connus.
Non seulement ces matériaux présentent des propriétés mécaniques
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spécifiques élevées et stables, ainsi qu'une bonne tenue à la fatigue et au fluage, mais encore certaines de leurs propriétés physiques peuvent être contrôlées en fonction de l'application à laquelle ils sont destinés. A cet égard, on peut notamment citer les propriétés thermiques, telles que la dilatation et la conductibilité thermiques, la tolérance à l'endommagement, notamment par choc, et la résistance à la corrosion. De telles propriétés peuvent être adaptées aux besoins en modifiant la proportion d'éléments de renforcement incorporés dans la matrice métallique.
On sait en outre que les matériaux composites du type envisagé ici se distinguent des matériaux conventionnels par leur hétérogénéité et leur anisotropie. Il est également possible d'agir sur ces caractéristiques pour influencer diverses propriétés secondaires telles que le coefficient de dilatation thermique dans une ou plusieurs directions, qui peut être important dans le cas de dispositifs fonctionnant à température élevée, ou encore la conductibilité thermique anisotrope, qui peut conditionner l'évacuation rapide d'une quantité de chaleur excédentaire.
Comme on le comprend aisément par les considérations qui précèdent, les propriétés d'un matériau composite et dès lors son aptitude à une mise en oeuvre optimale dépendent non seulement de la nature de la matrice et des éléments de renforcement mais aussi, dans une large mesure, du procédé de fabrication.
Il existe à cet égard plusieurs procédés de fabrication, dont le principe est bien connu. Parmi ceux-ci, un procédé par voie liquide consiste à préparer un bain fondu du métal de la matrice, à introduire dans ce bain les éléments de renforcement désirés puis à couler le bain dans un moule où il se solidifie à la forme désirée.
La mise en oeuvre de cette technique rencontre cependant de sérieux problèmes qui ne sont pas encore résolus de manière satisfaisante à l'heure actuelle. Il est très difficile d'assurer une bonne dispersion des éléments de renforcement dans le métal de la matrice à l'état fondu, en raison d'une forte tendance à l'amalgamation et à
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la floculation de ces éléments de renforcement. En outre, les éléments de renforcement, en particulier les fibres courtes, ne présentent pas toujours, à l'égard du métal de la matrice à l'état fondu, une mouillabilité suffisante pour assurer une liaison correcte entre la matrice métallique et les éléments de renforcement.
La présente invention a pour objet de proposer un procédé pour l'introduction d'éléments de renforcement dans un métal fondu, qui permet d'éviter les inconvénients précités et qui conduit à un matériau présentant une répartition homogène de ces éléments de renforcement et d'excellentes propriétés mécaniques. L'invention porte également sur un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé, ainsi que sur un matériau composite à matrice métallique fabriqué par ce procédé.
Conformément à un premier aspect de la présente invention, un procédé pour l'introduction d'éléments de renforcement dans un bain de métal fondu est caractérisé en ce que l'on porte ledit bain de métal à une température comprise entre sa température de fusion (TL) et (TL + 1500C), en ce que l'on agite ledit bain de métal de façon à y créer un vortex, en ce que l'on sépare les uns des autres lesdits éléments de renforcement, et en ce que l'on introduit lesdits éléments de renforcement séparés dans ledit vortex.
On peut continuer à agiter ledit bain de métal jusqu'à ce que la totalité desdits éléments de renforcement aient été introduits dans le bain de métal, et même encore au-delà de cette introduction totale. Il peut quelquefois être intéressant de cesser cette agitation avant d'avoir introduit la totalité dedits éléments de renforcement ; pour garantir une homogénéité satisfaisante du composite, il convient cependant de ne pas cesser d'agiter ledit bain de métal avant qu'au moins 90 % desdits éléments de renforcement aient été introduits dans ce dernier.
Les éléments de renforcement peuvent être introduits dans ledit bain de métal à la température ambiante. Il s'est cependant avéré
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intéressant de les préchauffer à une température comprise entre 25 % et 75 % de la température de fusion TL dudit métal, exprimée en degrés centigrades. Ce préchauffage permet d'éviter, ou au moins de réduire, le choc thermique que peuvent subir les éléments de renforcement lors de leur introduction dans le bain de métal. Le préchauffage peut d'ailleurs être opéré sous une atmosphère protectrice, notamment d'azote ou d'argon, pour protéger les éléments de renforcement contre le risque d'oxydation.
Enfin, les éléments de renforcement sont avantageusement revêtus d'une matière améliorant leur mouillabilité par le métal du bain ; cette matière peut par exemple être un flux, du type utilisé pour le brasage des métaux.
Préalablement à ce préchauffage, les éléments de renforcement peuvent subir un traitement de préparation destiné à nettoyer lesdits éléments de renforcement, notamment en éliminant les substances étrangères éventuellement présentes à leur surface ; un tel traitement de préparation consiste avantageusement en un maintien à une température comprise entre 500. C et 900*C pendant une durée de 30 à 90 minutes. La durée et la température de ce traitement dépendent bien entendu de la nature des éléments de renforcement. Par exemple, pour des fibres de carbure de silicium (SiC), le traitement consiste généralement en un maintien à 600*C pendant environ 1 h.
De façon connue en soi, la création d'un vortex dans le bain de métal est assurée par la mise en rotation de ce bain de métal au moyen d'un dispositif approprié, par exemple un mélangeur à pales.
Dans le cadre de l'invention, la vitesse de rotation du bain de métal doit être comprise entre des limites qui dépendent de la nature du métal, et en particulier de sa viscosité à l'état fondu.
Cette vitesse de rotation doit être suffisamment élevée pour assurer effectivement la création et le maintien d'un vortex ; elle doit en outre être suffisante pour créer l'aspiration nécessaire à l'introduction des éléments de renforcement dans le bain de métal, mais sans risque d'incorporation d'air ou de gaz dans le métal par succion à partir de l'atmosphère environnante. La valeur de ces limites de vitesse dépend également des dimensions, et notamment du diamètre, du récipient qui contient le bain de métal. En prati-
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que, ces limites peuvent être déterminées aisément dans chaque cas d'application particulier.
Par exemple, pour un bain d'aluminium ou d'alliage d'aluminium en fusion contenu dans un creuset de 300 mm de diamètre, la vitesse de rotation du mélangeur est avantageusement comprise entre 1000 t/min et 2500 t/min.
La séparation des éléments de renforcement, en particulier des fibres, peut en principe être réalisée par tout moyen connu en soi, par exemple par tamisage. On constate cependant que les moyens connus ne permettent pas de réaliser une séparation satisfaisante, car les éléments de renforcement ont une forte tendance naturelle à floculer. Cette tendance est encore plus marquée lorsque les éléments de renforcement ont subi un traitement de préparation du type qui a été décrit plus haut. En effet, les éléments de renforcement ainsi traités sont alors électrostatiques et ils forment des flocules que même une agitation mécanique importante du bain de métal ne parvient pas à disperser.
Selon une particularité du procédé de l'invention, on sépare lesdits éléments de renforcement par voie mécanique, avant de les introduire dans le bain de métal fondu, de préférence en utilisant un dispositif défibreur qui sera décrit plus loin.
Suivant une mise en oeuvre particulière, les éléments de renforcement séparés sont aspirés dans un courant de gaz protecteur, tel que l'argon, et soufflés à la surface du bain de métal fondu.
Un deuxième aspect de la présente invention concerne un dispositif pour l'introduction d'éléments de renforcement dans un bain de métal.
Le dispositif de l'invention doit permettre d'une part d'opérer l'agitation désirée du bain de métal et d'autre part d'effectuer la séparation requise des éléments de renforcement.
A cet effet, un dispositif pour l'introduction d'éléments de renforcement dans un bain de métal fondu contenu dans un récipient est
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caractérisé en ce qu'il comporte, en combinaison : a) des moyens de chauffage dudit bain de métal, capables de main- tenir ledit bain de métal à une température comprise entre sa température de fusion (TL) et (TL + 150*C) ; b) un agitateur mobile entre une position de travail immergée dans ledit bain de métal et une position de retrait en dehors dudit bain, ledit agitateur étant capable de créer un vortex dans celui-ci ; c) des moyens de préchauffage desdits éléments de renforcement ; et d) un défibreur, destiné à assurer la séparation mécanique desdits éléments de renforcement avant leur introduction dans ledit bain de métal.
Les moyens de chauffage dudit bain de métal peuvent être de tout type connu, mais ils comportent avantageusement au moins un inducteur équipant ledit récipient. De préférence, il est également prévu des moyens de réglage de la puissance du chauffage, et en particulier du chauffage par induction, afin de pouvoir modifier selon les besoins la température dudit bain de métal.
Dans une mise en oeuvre particulière, ledit agitateur est constitué par un mélangeur rotatif à plusieurs pales, à axe vertical ; au repos, l'agitateur est avantageusement disposé au-dessus du récipient contenant ledit bain de métal.
Le diamètre de la circonférence formée par l'extrémité des pales pendant la rotation du mélangeur est égal au moins aux deux tiers du diamètre du récipient, celui-ci ayant de préférence une section circulaire pour favoriser la formation d'un vortex.
Ledit mélangeur rotatif comporte au moins trois pales, disposées perpendiculairement audit axe vertical. Leur face antérieure, considérée par rapport au sens de rotation dudit mélangeur, présente une inclinaison comprise entre 300 et 600, et de préférence d'envi- ron 450, par rapport à un plan horizontal, ladite face étant orientée de bas en haut et d'avant en arrière.
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En plus d'une bonne résistance aux sollicitations mécaniques de traction et de flexion, les pales doivent présenter une résistance suffisante à l'érosion par le bain de métal ainsi qu'au choc thermique. Enfin, elles doivent résister à la corrosion par le bain de métal.
A cet effet, les pales peuvent être constituées d'un noyau en un métal résistant, tel que l'acier et de préférence l'acier inoxydable, et d'un enrobage en un matériau de protection tel qu'un ou plusieurs oxydes réfractaires, par exemple Cr203, TiO, AIOg, de préférence déposé par projection au plasma.
Une autre solution intéressante consiste à réaliser lesdites pales entièrement en un matériau réfractaire tel que l'alumine coulée et frittée.
Selon une caractéristique particulière du dispositif de l'invention, le défibreur comporte au moins une paire de rouleaux parallèles, de préférence horizontaux, garnis de cardes qui s'interpénètrent lors de la rotation des rouleaux autour de leur axe. Ces rouleaux sont de préférence disposés dans une enceinte, dans laquelle il est prévu un orifice supérieur d'introduction des éléments de renforcement floculés, situé au-dessus de la zone d'action des cardes. Cette enceinte présente également un orifice de sortie, dirigé vers le bain de métal, ainsi que des moyens d'injection d'un gaz protecteur.
Dans une réalisation particulière, cette enceinte peut avoir la forme d'une coiffe pouvant s'adapter hermétiquement sur le récipient contenant ledit bain de métal. Elle est alors pourvue de moyens de fermeture dudit orifice supérieur, ainsi que de moyens permettant de créer une surpression ou une dépression dans le volume situé au-dessus dudit bain de métal.
D'autres particularités intéressantes de la présente invention sont fournies par la description détaillée qui va suivre. Cette description est consacrée à une mise en oeuvre préférée du procédé de
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l'invention, au moyen d'un dispositif, également conforme à l'invention, qui est illustré dans les dessins annexés, dans lesquels la Fig. 1 est une vue du dispositif montrant le récipient avec le bain de métal et l'agitateur avec son système de manoeuvre ; et la Fig. 2 est une autre vue du dispositif montrant le même récipient avec le bain de métal ainsi que le défibreur.
Ces deux dessins ne constituent que des représentations schématiques de diverses parties du dispositif de l'invention, dans lesquelles on s'est volontairement limité aux éléments nécessaires à la compréhension de l'invention. De plus, des éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes repères numériques dans les deux figures.
Dans la Fig. 1 est représenté un récipient 1, constituant par exemple le creuset d'un four à induction, qui contient un bain d'aluminium 2 maintenu à une température de 700*C. Un agitateur rotatif 3, entraîné par un moteur 4, est plongé dans le bain d'aluminium 2 où, par rotation autour de son axe vertical 5, il crée un vortex 6. L'ensemble agitateur-moteur est porté par un bras 7 lui-même relié à la tige d'un vérin hydraulique 8. En période de repos, l'ensemble agitateur-moteur peut être relevé par le vérin
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hydraulique 8, jusqu'à une position 3'-4'représentée en trait mixte, dans laquelle l'agitateur 3'se trouve hors du bain d'alu- minium 2.
L'agitateur 3 comporte ici quatre pales 9 angulairement espacées de 90., dont seulement deux sont représentées dans la Figure 1 ; dans la réalisation représentée, les pales 9 sont inclinées d'environ 45. par rapport à un plan horizontal ; les extrémités distales des pales 9 sont très proches de la surface intérieure du récipient 1.
La Figure 2 illustre un autre composant important du dispositif de l'invention, à savoir le défibreur. Comme dans la Figure 1, le récipient 1 contient un bain d'aluminium fondu 2, dans lequel est plongé un agitateur rotatif 3 ; la rotation de ce dernier crée un vortex 6, dans le bain d'aluminium 2. Au-dessus du récipient 1 sont
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disposés deux rouleaux 10, 11 parallèles, à axe horizontal, dont la surface latérale est garnie de cardes 12,13 qui interfèrent l'une avec l'autre. Ces rouleaux 10,11 sont entourés d'une enceinte 14 pourvue d'un orifice supérieur 15 et se prolongeant vers le bas, par un conduit 16 dirigé vers le bain d'aluminium 2. A proximité de la naissance de ce conduit 16 est prévu un tube 17 d'injection d'un gaz protecteur.
Le déroulement du procédé de l'invention sera maintenant exposé en faisant référence aux Figures 1 et 2.
Un alliage d'aluminium ayant une température de fusion TL de l'ordre de 660. C a été fondu par induction dans le creuset 1. Les pales de l'agitateur 3, en acier inoxydable revêtu d'oxyde de chrome (Cr203), ont été descendues au-dessus du bain 2 pour les chauffer progressivement et réduire l'importance du choc thermique lors de leur introduction dans le bain d'alliage d'aluminium. Lorsque l'alliage a été fondu, on l'a maintenu à une température de 700. C, et on y a plongé l'agitateur 3, jusqu'à proximité du fond du creuset 1. On a alors fait tourner l'agitateur à environ 1800 t/min pour créer le vortex 6.
On a ensuite introduit des fibres courtes de carbure de silicium (SiC) par l'orifice 15 de l'enceinte 14, pour alimenter le défibreur (10,12 ; 11, 13). Les fibres séparées dans le défibreur tombent individuellement dans le bain liquide 2 grâce au courant d'argon injecté par le tube 17 et elles sont aspirées par le vortex 6.
Elles peuvent subir un certain préchauffage soit uniquement au cours de leur chute vers le bain d'alliage, soit déjà avant le défibrage, par exemple dans un panier (non représenté) qui peut être disposé au-dessus du bain d'alliage 2. Les fibres séparées se mélangent individuellement à l'alliage liquide et, dès que toutes les fibres ont été introduites, l'agitation est arrêtée. Le temps d'introduction des fibres dépend de la fraction volumique à introduire ; à titre d'exemple, l'introduction de 10 % en volume de fibres courtes de SiC dans un bain de 1,5 kg d'aluminium dure environ 45 minutes.
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Avant d'être introduites dans le défibreur, les fibres ont subi un traitement de préparation consistant en un maintien à 600 C pendant 1 h suivi du dépôt d'un film de flux de brasage.
On retire rapidement l'agitateur 3 et on coule l'alliage liquide, avec les fibres en suspension, dans un moule chauffé à environ 50toc, qui est par exemple en cuivre. Le moule est alors refroidi afin de solidifier rapidement l'alliage en évitant toute sédimentation des fibres. En variante, on peut encore appliquer une pression sur l'alliage liquide pendant sa solidification, afin d'éviter l'apparition d'une porosité importante.
L'invention permet de fabriquer des matériaux composites dans lesquels les éléments de renforcement sont bien séparés les uns des autres et présentent une bonne répartition dans la matrice métallique.
Bien que l'invention ait été décrite et illustrée en se référant particulièrement à des alliages d'aluminium et à des fibres de carbure de silicium, il va de soi qu'elle englobe également les diverses variantes qu'un homme de métier peut envisager dans le cadre des revendications qui suivent.
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Method and device for introducing reinforcing elements into a bath of molten metal.
The present invention relates to a method and a device for introducing reinforcing elements into a molten metal, which can be used in particular in the context of the manufacture of a metal matrix composite material by liquid means.
The description which follows will refer more particularly to this use, but it goes without saying that the method and the device of the present invention can also be used in other manufacturing methods.
Within the meaning of the present application, a composite material, or more simply a composite, with a metal matrix is a material essentially consisting of a metal in which are dispersed reinforcing elements such as short fibers or particles. By way of example, mention may be made of a composite having an aluminum matrix in which short fibers or particles of silicon carbides SiC are dispersed.
By short fibers is meant here filiform elements having a length of less than 5 mm and a diameter of less than 50 m; preferably, their length is between 1 and 3 mm and their diameter is between 10 and 25 mm.
The economic advantages associated with the use of composite materials are known, in particular the reduction in weight of the individual parts and of the mechanical assemblies and the reduction in volume which frequently results therefrom, for the same mechanical resistance.
The technical advantages of composites are also well known.
Not only do these materials have mechanical properties
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specific high and stable, as well as good resistance to fatigue and creep, but still some of their physical properties can be controlled depending on the application for which they are intended. In this regard, mention may in particular be made of thermal properties, such as thermal expansion and conductivity, tolerance to damage, in particular by impact, and resistance to corrosion. Such properties can be adapted to requirements by modifying the proportion of reinforcing elements incorporated in the metal matrix.
We also know that composite materials of the type envisaged here are distinguished from conventional materials by their heterogeneity and their anisotropy. It is also possible to act on these characteristics to influence various secondary properties such as the coefficient of thermal expansion in one or more directions, which can be important in the case of devices operating at high temperature, or even the anisotropic thermal conductivity, which can condition the rapid evacuation of excess heat.
As can easily be understood from the above considerations, the properties of a composite material and therefore its suitability for optimal processing depend not only on the nature of the matrix and of the reinforcing elements but also, to a large extent , of the manufacturing process.
There are several manufacturing processes in this regard, the principle of which is well known. Among these, a liquid method consists in preparing a molten bath of the matrix metal, in introducing into this bath the desired reinforcing elements then in pouring the bath in a mold where it solidifies to the desired shape.
However, the implementation of this technique encounters serious problems which have not yet been satisfactorily resolved at present. It is very difficult to ensure good dispersion of the reinforcing elements in the metal of the matrix in the molten state, because of a strong tendency to amalgamation and
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the flocculation of these reinforcing elements. In addition, the reinforcing elements, in particular the short fibers, do not always have, with respect to the metal of the matrix in the molten state, sufficient wettability to ensure a correct bond between the metallic matrix and the elements enhancement.
The object of the present invention is to propose a process for the introduction of reinforcing elements into a molten metal, which makes it possible to avoid the abovementioned drawbacks and which leads to a material having a homogeneous distribution of these reinforcing elements and excellent mechanical properties. The invention also relates to a device allowing the implementation of this method, as well as to a metal matrix composite material manufactured by this method.
According to a first aspect of the present invention, a method for introducing reinforcing elements into a molten metal bath is characterized in that said metal bath is brought to a temperature between its melting temperature ( TL) and (TL + 1500C), in that the said metal bath is agitated so as to create a vortex therein, in that the said reinforcing elements are separated from each other, and in that the said separate reinforcing elements are introduced into said vortex.
Said metal bath can continue to be agitated until all of said reinforcing elements have been introduced into the metal bath, and even even beyond this total introduction. It can sometimes be interesting to stop this agitation before having introduced all of the said reinforcing elements; to guarantee satisfactory homogeneity of the composite, it is however advisable not to cease agitating said metal bath before at least 90% of said reinforcing elements have been introduced into the latter.
The reinforcing elements can be introduced into said metal bath at room temperature. However, it turned out
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interesting to preheat them to a temperature between 25% and 75% of the melting temperature TL of said metal, expressed in degrees centigrade. This preheating makes it possible to avoid, or at least to reduce, the thermal shock which the reinforcing elements can undergo when they are introduced into the metal bath. Preheating can also be carried out under a protective atmosphere, in particular of nitrogen or argon, to protect the reinforcing elements against the risk of oxidation.
Finally, the reinforcing elements are advantageously coated with a material improving their wettability by the metal of the bath; this material can for example be a flux, of the type used for brazing metals.
Prior to this preheating, the reinforcing elements can undergo a preparation treatment intended to clean said reinforcing elements, in particular by removing any foreign substances present on their surface; such a preparation treatment advantageously consists in maintaining at a temperature between 500 ° C. and 900 ° C. for a period of 30 to 90 minutes. The duration and the temperature of this treatment naturally depend on the nature of the reinforcing elements. For example, for silicon carbide (SiC) fibers, the treatment generally consists in maintaining at 600 ° C. for approximately 1 h.
In a manner known per se, the creation of a vortex in the metal bath is ensured by the rotation of this metal bath by means of a suitable device, for example a paddle mixer.
In the context of the invention, the speed of rotation of the metal bath must be between limits which depend on the nature of the metal, and in particular on its viscosity in the molten state.
This speed of rotation must be high enough to effectively ensure the creation and maintenance of a vortex; it must also be sufficient to create the suction necessary for the introduction of the reinforcing elements into the metal bath, but without the risk of incorporating air or gas into the metal by suction from the surrounding atmosphere . The value of these speed limits also depends on the dimensions, and in particular the diameter, of the container which contains the metal bath. In practice
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that, these limits can be easily determined in each particular application case.
For example, for an aluminum or molten aluminum alloy bath contained in a crucible with a diameter of 300 mm, the speed of rotation of the mixer is advantageously between 1000 rpm and 2500 rpm.
The separation of the reinforcing elements, in particular of the fibers, can in principle be carried out by any means known per se, for example by sieving. It is noted, however, that the known means do not make it possible to achieve satisfactory separation, since the reinforcing elements have a strong natural tendency to flocculate. This tendency is even more marked when the reinforcing elements have undergone a preparation treatment of the type which has been described above. Indeed, the reinforcing elements thus treated are then electrostatic and they form floccules which even a significant mechanical agitation of the metal bath does not manage to disperse.
According to a feature of the method of the invention, said reinforcing elements are separated mechanically, before introducing them into the molten metal bath, preferably using a defibrator device which will be described later.
According to a particular implementation, the separate reinforcing elements are sucked in a stream of protective gas, such as argon, and blown on the surface of the molten metal bath.
A second aspect of the present invention relates to a device for introducing reinforcing elements into a metal bath.
The device of the invention must allow on the one hand to operate the desired agitation of the metal bath and on the other hand to perform the required separation of the reinforcing elements.
To this end, a device for introducing reinforcing elements into a bath of molten metal contained in a container is
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characterized in that it comprises, in combination: a) means for heating said metal bath, capable of maintaining said metal bath at a temperature between its melting temperature (TL) and (TL + 150 * C ); b) an agitator movable between a working position immersed in said metal bath and a withdrawal position outside said bath, said agitator being capable of creating a vortex therein; c) means for preheating said reinforcing elements; and d) a defibrator, intended to ensure the mechanical separation of said reinforcing elements before their introduction into said metal bath.
The means for heating said metal bath can be of any known type, but they advantageously comprise at least one inductor fitted to said container. Preferably, means are also provided for adjusting the power of the heating, and in particular of the induction heating, in order to be able to modify, as required, the temperature of said metal bath.
In a particular implementation, said agitator is constituted by a rotary mixer with several blades, with a vertical axis; at rest, the agitator is advantageously placed above the container containing said metal bath.
The diameter of the circumference formed by the end of the blades during the rotation of the mixer is at least two-thirds of the diameter of the container, the container preferably having a circular section to promote the formation of a vortex.
Said rotary mixer comprises at least three blades, arranged perpendicular to said vertical axis. Their front face, considered with respect to the direction of rotation of said mixer, has an inclination between 300 and 600, and preferably about 450, with respect to a horizontal plane, said face being oriented from bottom to top and d back and forth.
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In addition to good resistance to mechanical tensile and bending stresses, the blades must have sufficient resistance to erosion by the metal bath as well as to thermal shock. Finally, they must resist corrosion by the metal bath.
For this purpose, the blades can be made up of a core made of a resistant metal, such as steel and preferably stainless steel, and of a coating of a protective material such as one or more refractory oxides, for example Cr203, TiO, AIOg, preferably deposited by plasma spraying.
Another interesting solution consists in producing said blades entirely in a refractory material such as cast and sintered alumina.
According to a particular characteristic of the device of the invention, the shredder comprises at least one pair of parallel rollers, preferably horizontal, furnished with cards which interpenetrate during the rotation of the rollers around their axis. These rollers are preferably arranged in an enclosure, in which there is an upper orifice for introducing the flocculated reinforcing elements, situated above the area of action of the cards. This enclosure also has an outlet orifice, directed towards the metal bath, as well as means for injecting a protective gas.
In a particular embodiment, this enclosure may have the shape of a cap which can be hermetically fitted onto the container containing said metal bath. It is then provided with means for closing said upper orifice, as well as means making it possible to create an overpressure or a depression in the volume situated above said metal bath.
Other interesting features of the present invention are provided by the detailed description which follows. This description is devoted to a preferred implementation of the method of
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the invention, by means of a device, also in accordance with the invention, which is illustrated in the accompanying drawings, in which FIG. 1 is a view of the device showing the container with the metal bath and the agitator with its operating system; and Fig. 2 is another view of the device showing the same container with the metal bath and the shredder.
These two drawings are only schematic representations of various parts of the device of the invention, in which we have deliberately limited ourselves to the elements necessary for understanding the invention. In addition, identical or analogous elements are designated by the same reference numerals in the two figures.
In Fig. 1 shows a container 1, constituting for example the crucible of an induction furnace, which contains an aluminum bath 2 maintained at a temperature of 700 ° C. A rotary agitator 3, driven by a motor 4, is immersed in the aluminum bath 2 where, by rotation about its vertical axis 5, it creates a vortex 6. The agitator-motor assembly is carried by an arm 7 itself - even connected to the rod of a hydraulic cylinder 8. During the rest period, the agitator-motor assembly can be raised by the cylinder
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hydraulic 8, to a position 3'-4'represented in phantom, in which the agitator 3'is outside of the aluminum bath 2.
The agitator 3 here comprises four blades 9 angularly spaced 90., of which only two are shown in Figure 1; in the embodiment shown, the blades 9 are inclined by about 45. relative to a horizontal plane; the distal ends of the blades 9 are very close to the interior surface of the container 1.
Figure 2 illustrates another important component of the device of the invention, namely the shredder. As in Figure 1, the container 1 contains a bath of molten aluminum 2, in which is immersed a rotary agitator 3; the rotation of the latter creates a vortex 6, in the aluminum bath 2. Above the container 1 are
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arranged two rollers 10, 11 parallel, with a horizontal axis, the lateral surface of which is provided with cards 12, 13 which interfere with each other. These rollers 10, 11 are surrounded by an enclosure 14 provided with an upper orifice 15 and extending downward, by a conduit 16 directed towards the aluminum bath 2. Close to the birth of this conduit 16 is provided a tube 17 for injecting a protective gas.
The process of the invention will now be described with reference to Figures 1 and 2.
An aluminum alloy having a melting temperature TL of the order of 660. C was melted by induction in the crucible 1. The blades of the stirrer 3, made of stainless steel coated with chromium oxide (Cr203), have been lowered over bath 2 to gradually heat them and reduce the importance of thermal shock when they are introduced into the aluminum alloy bath. When the alloy was melted, it was kept at a temperature of 700 ° C., and the stirrer 3 was immersed therein, near the bottom of the crucible 1. The stirrer was then turned to around 1800 rpm to create the vortex 6.
Short fibers of silicon carbide (SiC) were then introduced through the orifice 15 of the enclosure 14, to supply the defibrator (10,12; 11, 13). The fibers separated in the defibrator individually fall into the liquid bath 2 thanks to the current of argon injected by the tube 17 and they are sucked up by the vortex 6.
They can undergo a certain preheating either only during their fall towards the alloy bath, or already before defibering, for example in a basket (not shown) which can be placed above the alloy bath 2. The separate fibers mix individually with the liquid alloy and, as soon as all the fibers have been introduced, the stirring is stopped. The introduction time of the fibers depends on the volume fraction to be introduced; by way of example, the introduction of 10% by volume of short fibers of SiC into a bath of 1.5 kg of aluminum takes approximately 45 minutes.
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Before being introduced into the shredder, the fibers have undergone a preparation treatment consisting in maintaining at 600 ° C. for 1 hour followed by the deposition of a film of brazing flux.
The stirrer 3 is quickly removed and the liquid alloy, with the fibers in suspension, is poured into a mold heated to about 50toc, which is for example made of copper. The mold is then cooled in order to rapidly solidify the alloy, avoiding any sedimentation of the fibers. As a variant, it is also possible to apply pressure to the liquid alloy during its solidification, in order to avoid the appearance of significant porosity.
The invention makes it possible to manufacture composite materials in which the reinforcing elements are well separated from each other and have a good distribution in the metal matrix.
Although the invention has been described and illustrated with particular reference to aluminum alloys and to silicon carbide fibers, it goes without saying that it also encompasses the various variants which a person skilled in the art can envisage in the scope of the claims which follow.