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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION Alliages à base de cuivre.
Cette invention est relative aux alliages et elle concerne plus particulièrement des alliages à base de cuivre qui ont de meilleures propriétés mécaniques, thermiques et électriques, ainsi que l'utilisation de ces alliages comme articles fabriqués.
On a allié certains métaux au cuivre pour produi- re un alliage ayant de meilleures propriétés mécaniques, mais généralement ces alliages se sont montrés inférieurs au cui- vre comme conducteurs d'électricité et de chaleur. Dans les alliages à base de cuivre qui ont été produits jusqu'ici et qui ont la conductibilité voulue avec la résistance mécanique,
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il est difficile de reproduire ces caractéristiques étant donné qu'on emploie habituellement un élément d'alliage trem- pant et qu'il faut régler étroitement la désoxydation des éléments. D'ordinaire l'élément trempant s'oxyde facilement et, par conséquent, il est difficile de le mettre en solution liquide, tandis que la récupération des éléments d'alliage introduits dans le cuivre fondu est malaisée.
La présente invention a pour buts : de produire un alliage à base de cuivre ayant une haute résistance physique et une conductibilité électrique et thermique élevée; de procurer un alliage à base de cuivre qui acquiè- re les caractéristiques de haute résistance physique et de conductibilité électrique et thermique élevée lorsqu'on le trempe par précipitation; d'employer un alliage à base de cuivre façonné, puis trempé par précipitation pour acquérir une haute résis- tance physique et une conductibilité électrique et thermique élevée;
et, plus spécialement, de produire, en employant des éléments d'alliage à faible solubilité dans le cuivre en phase solide, un alliage à base de cuivre qu'on puisse trem- per par précipitation pour lui conférer une résistance physi- que et une conductibilité élevées et qui conserve sa résistan- ce et son indéformabilité lorsqu'on le soumet à des tempéra- tures modérément élevées.
On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description suivante faite avec référence au dessin annexé, dans 'lequel: Fig.1 est un diagramme représentant les chiffres de dureté obtenus pour un alliage conforme à l'invention en le soumettant à un traitement thermique approprié,
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Fig. 2 est un diagramme représentant les carac- téristiques de dureté et de conductibilité conférées à dif- férents alliages conformes à l'invention en les soumettant au traitement thermique approprié, et .
Fig.3 est un diagramme représentant le résultat qu'on obtient en déterminant le produit de la dureté et de la conductibilité pour différents rapports des éléments d'al- liage dans des alliages contenant différentes proportions d'éléments d'alliage.
Afin de produire un alliage à base de cuivre qui ait les propriétés mécaniques et électriques voulues, on ajoute au bain de fusion de cuivre des métaux qu'on peut pré- cipiter par un traitement thermique approprié pour opérer une dispersion de particules fines dans toute la masse du cuivre.
Il a été découvert qu'un alliage à base de cuivre contenant même de faibles proportions de cobalt et de fer a d'excellen- tes propriétés mécaniques et électriques à condition d'avoir subi un traitement thermique approprié.
En préparant l'alliage, on peut ajouter les métaux cobalt et fer directement au bain de fusion de cuivre sous toute forme appropriée, par exemple en poudre ou en morceaux, étant donné que ni le cobalt, ni le fer ne s'oxydent facile- ment en comparaison du cuivre. De cette façon, la teneur en éléments d'alliage peut être maintenue sensiblement constante durant l'opération de façonnage à chaud car les éléments d'al- liage ne se perdent pas par oxydation à la surface de l'allia- ge.
En pratique, on peut préparer l'alliage en chauf- fant un bain de fusion de cuivre, tel que le cuivre électroly- tique industriel, sous une couverture de charbon de bois, dans un creuset de graphite et en ajoutant au cuivre fondu le cobalt et le fer sous toute, forme massive appropriée. Pour
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assurer une désoxydation complète du bain de fusion de cui- vre, cobalt et fer, on peut en maintenir la température en- tre 1150 et 1200 C. pendant un laps de temps suffisant pour achever la réaction du creuset en graphite avec l'oxy- gène. Si on le désire, on peut aussi préparer l'alliage en chauffant le bain de fusion de cuivre et d'éléments d'allia- ge dans un creuset céramique sous une couverture de charbon de bois en morceaux placée sur la surface du bain de fusion.
Bien que cela ne soit pas toujours nécessaire comme dans la production d'autres alliages à basé de cuivre, on peut éven- tuellement ajouter de faibles quantités de calcium, phospho- re ou d'autres désoxydants appropriés au bain de fusion de cuivre, cobalt et fer pour assurer une désoxydation complète du bain de fusion. Les métaux cobalt et fer sont facilement solubles dans le cuivre et entrent en solution en produisant un alliage dans lequel les éléments d'alliage sont uniformé- ment distribués dans toute la texture.
On peut couler l'alliage sous une forme massive, compliquée ou fine dans des moules de tout genre approprié, par exemple des moules de sable ou en coquilles. Si on le désire, on peut couler l'alliage directement à la forme pré- déterminée de l'article à fabriquer, après quoi on peut l'usiner facilement de la manière voulue, ou on peut le cou- ler suivant un modèle convenant pour le forgeage à la forme voulue. A l'état coulé, l'alliage de cuivre-cobalt-fer est relativement ductile et se prête facilement à un forgeage ou étirage à la forme voulue.
On a trouvé que des alliages contenant de faibles mais efficaces quantités, allant jusque 5% en poids, de cha- cun des métaux d'alliage cobalt et fer avec un restant consti- tué sensiblement de cuivre, lorsqu'on les traite thermique- ment, de la manière décrite ci-après, pour les tremper par précipitation ont une résistance physique élevée et des con-
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ductibilités électrique et thermique satisfaisantes.
Afin de développer la résistance mécanique et les qualités électriques de 1'alliage, on peut le soumettre à un traitement de trempe par précipitation qui consiste à soumet- tre l'alliage à une température élevée inférieure au point de fusion de l'alliage pour obtenir une solution solide concen- trée des métaux d'alliage dans le cuivre, à refroidir brus- quement l'alliage depuis la température élevée pour retenir les métaux d'alliage en solution solide, et à réchauffer l'alliage à une température inférieure ou température de re- venu et le maintenir à cette température pendant un laps de temps suffisant pour précipiter les éléments d'alliagede l'é- tat de solution solide.
En pratique, on trouve qu'un chauffa- ge à une température comprise entre 750 et 1075 produit une solution solide concentrée des métaux d'alliage dans le cui- vre, tandis qu'un revenu à une température comprise entre 450 et 600 produit une précipitation efficace des consti- tuants d'alliage.
Traités de la manière décrite, les alliages conte- nant du cuivre, du cobalt et du fer dans les limites citées ci-dessus ont un haut degré de dureté Rockwell B et une bonne conductibilité. Le traitement thermique décrit s'avère spécia- lement avantageux pour des alliages contenant 0,5 à 3% de chacun des éléments cobalt et fer avec un restant constitué sensiblement de cuivre. Des exemples spécifiques des alliages ainsi préparés et traités thermiquement, et des résultats ob- tenus, son réunis dans le tableau suivant. Dans ce tableau la teneur en cuivre est omise car il est sous-entendu que le res- tant de la teneur de l'alliage se compose de cuivre avec des impuretés occasionnelles éventuellement introduites durant le processus d'alliage.
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EMI6.1
<tb>
Alliage <SEP> Rapport <SEP> Somme <SEP> Dureté <SEP> Conductibilité <SEP> Produit <SEP> Dureté <SEP> de <SEP> revenu
<tb> No. <SEP> % <SEP> de <SEP> Fe <SEP> % <SEP> de <SEP> Co <SEP> %de <SEP> Co/%de <SEP> Fe <SEP> %de <SEP> Cot%de <SEP> Fe <SEP> RB <SEP> K <SEP> K <SEP> x <SEP> RB <SEP> en <SEP> heures
<tb>
EMI6.2
<tb> 10 <SEP> 1,75 <SEP> 1,04 <SEP> 0,6 <SEP> 2,79 <SEP> 81 <SEP> 65 <SEP> 5265 <SEP> 50
<tb> 11 <SEP> 0,98 <SEP> 0,98 <SEP> 1,0 <SEP> 1,96 <SEP> 70 <SEP> 59 <SEP> 4130 <SEP> 100
<tb> 12 <SEP> 2,01 <SEP> 2,07 <SEP> 1,12 <SEP> 4,08 <SEP> 80 <SEP> 60 <SEP> 4800 <SEP> 15
<tb> 12a <SEP> 2,01 <SEP> 2,07 <SEP> 1,12 <SEP> 4,08 <SEP> 79 <SEP> 62 <SEP> 4898 <SEP> 45
<tb> 12b <SEP> 2,01 <SEP> 2,07 <SEP> 1,12 <SEP> 4,08 <SEP> 76 <SEP> 63 <SEP> 4788 <SEP> 100
<tb> 13 <SEP> 3,00 <SEP> 1,77 <SEP> 0,59 <SEP> 4,77 <SEP> 80 <SEP> 60 <SEP> 4800 <SEP> 35
<tb> 13a <SEP> 3,
00 <SEP> 1,77 <SEP> 0,59 <SEP> 4,77 <SEP> 79 <SEP> 62 <SEP> 4888 <SEP> 100
<tb> 14 <SEP> 0,92 <SEP> 0,95 <SEP> 1,1 <SEP> 1,87 <SEP> 70 <SEP> 59 <SEP> 4130 <SEP> 100
<tb> 15 <SEP> 2,95 <SEP> 0,95 <SEP> 0,32 <SEP> 3,90 <SEP> 70 <SEP> 62.5 <SEP> 4340 <SEP> 35
<tb> 16 <SEP> 0,53 <SEP> 0,42 <SEP> 0,79 <SEP> 0,95 <SEP> 62 <SEP> 65 <SEP> 4030 <SEP> 35
<tb> 17 <SEP> 1,47 <SEP> 1,46 <SEP> 0,99 <SEP> 3,0 <SEP> 69 <SEP> 71 <SEP> 4899 <SEP> 25
<tb> 18 <SEP> 1,98 <SEP> 0,93 <SEP> 0,47 <SEP> 3,0 <SEP> 73 <SEP> 61 <SEP> 4453 <SEP> 25
<tb>
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Les alliages identifiés dans le tableau cité ci-dessus ont été soumis à un traitement thermique qui a consisté à les tremper depuis une température de 1000 C. et à les réchauffer ou faire revenir à une température de 500 C, pendant des durées différentes,
comme indiqué dans le tableau.
Le rapport entre les teneurs en cobalt et en fer de l'alliage et la somme des proportions de ces éléments d'alliage, indi- qués dans le tableau, sont donnés pour des raisons que l'on comprendra par la suite.
Si on reporte au dessin annexé, et plus particu- lièrement à la Fig.l, on voit que les courbes 10, 11, 12 et 13 représentent les chiffres de dureté conférés à l'alliage numéro 10 du tableau ci-dessus lorsqu'on le soumet à des traitements thermiques différents consistant à le tremper depuis les températures de 850, 900, 950 et 1000 C. respecti- vement, et lorsqu'on les fait revenir ensuite à une températu- re de 500 C. On remarque en examinant ces courbes, qu'au fur et à mesure que la température de trempe approche du point de fusion de l'alliage, les chiffres de dureté obtenus crois- sent.
Les courbes du diagramme de la Fig.l représentent quelques chiffres de conductibilité et de dureté obtenus en soumettant différents alliages, dans les limites indiquées, à un traitement thermique consistant à tremper l'alliage de- puis 1000 C et à le faire revenir à 500 C pendant des durées différentes allant jusque 100 heures. Dans ce diagramme, les courbes 15, 17 et 19 représentent les conductibilités obtenues par traitement thermique des alliages respectifs nunéros 13, 12 et 10, tandis que les courbes 16, 18 et 20 représentent les chiffres de dureté Rockwell B obtenus respectivement pour les alliages 13, 12 et 10. En examinant ces courbes, on remarque qu'un accroissement de la conductibilité s'obtient
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aux dépens d'une légère diminution de la dureté.
Toutefois, il est à noter que lorsqu'on a fait revenir ces alliages pendant 35 heures à la température de 500 C., chacun des àl - liages a une conductibilité de 60% ou davantage, tandis que les chiffres de dureté approchent de 80 Rockwell B.
Sur la Fig.3 du dessin, les courbes 22, 24 et
26 représentent une relation spéciale entre les teneurs en cobalt et fer des alliages conformes à l'invention. Dans ce diagramme, le produit de la dureté Rockwell B par la conduc- tibilité obtenu pour différents alliages conformes à l'inven- tion est rapporté en ordonnées en fonction du rapport entre les teneurs en cobalt et en fer des alliages. Etant donné qu'on désire avoir le plus haut degré tant de conductibilité que de dureté pour les alliages conformes à l'invention, le produit dureté par conductibilité, rapporté en ordonnées en fonction de la teneur en cobalt-fer représente le résultat obtenu, car il est possible de produire une variation de la dureté ou de la conductibilité sans changer la grandeur du produit, en prolongeant le revenu.
Une telle variation est possible, étant donné qu'un accroissement de la conductibili- té s'obtient aux dépens de la dureté. La courbe 22 correspond à une teneur combinée en cobalt et fer comprise entre 0,9 et
2 %, la courbe 24 correspond à une teneur combinée en cobalt et fer comprise entre 2,8 et 3,2 %, tandis que la courbe 26 correspond à une teneur combinée en cobalt et fer comprise entre 3,9 et 4,8 %.
A l'examen de ces courbes il devient évident qu'on peut obtenir les meilleures qualités avec des alliages dont le rapport entre les teneurs en cobalt et en fer est compris en- tre 0,5 et 1,25 et dont la proportion de cobalt plus fer est comprise entre 3,9 et 4,8 %. On notera pour chacune des cour- bestracées pour les différentes teneurs en cobalt plus fer,
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quil y a une pointe de valeur maximum du produit conducti- bilité par dureté pour un rapport entre les teneurs en co- balt et en fer sensiblement égal à 1. On note que pour des rapports plus élevés entre le cobalt et le fer, le produit conductibilité par dureté décrott rapidement pour les allia- ges dans chacune des gammes de teneur en cobalt plus fer.
Il semble que la raison en est que la teneur élevée en cobalt par rapport à la concentration de fer de l'alliage retarde les phénomènes de trempe et de précipitation. Une autre explication possible est que la solubilité du cobalt croit lorsque le rapport entre le cobalt et le fer augmente. En se basant sur ces courbes, on peut affirmer de manière géné- rale qu'on peut obtenir les meilleurs résultats pour les alliages à base de cuivre quand le rapport entre le cobalt et le fer approche de 1 et que la somme des teneurs en cobalt et fer est comprise entre 3,9 et 4,8 %.
Bien que les alliages produits suivant la présen- te invention aient une dureté Rockwell B extrêmement élevée une fois qu'ils sont traités thermiquement, ils sont parfai- tement ductiles après la coulée et on peut facilement les travailler à la forme voulue. Les alliages préparés au moyen des différents éléments d'alliages et dans les limites citées ci-dessus sont particulièrement utiles dans la fabrication de grandes pièces coulées, par exemple de lames de collec- teur. D'autres champs d'application de l'alliage sont les bouts d'électrodes de soudage ou galets de soudage ou d'au- tres articles pour lesquels une conductibilité de 60% ou davantage est requise conjointement avec une résistance phy- sique élevée.
On peut aussi employer efficacement ces allia- ges dans des applications telles que les culasses de cylin- dres de moteurs à combustion interne, où il est avantageux
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d'avoir une conductibilité thermique élevée combinée à une résistance physique élevée. On peut couler les alliages di- rectement à la forme prédéterminée de l'article fabriqué ou suivant un modèle convenant pour le forgeage ou l'étirage.
REVENDICATIONS l.- Alliage contenant du cuivre, du cobalt et du fer, dont la teneur en cobalt va d'une faible mais efficace proportion jusque 5 % et dont la teneur en fer va d'une faible mais efficace proportion jusque 5 %, le restant étant constitué en substance par du cuivre.