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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de BREVET d'INVENTION "Perfectionnements aux appareils pour la fabrication de produits à partir de matière fondue".
La présente invention est relative à la fabrica- tion de produits tirés de matière fondue métallique ou non métallique,
L'invention a pour objet la formation de produits métalliques et non métalliques de diverses sortes à partir de matières soumises à un refroidissement réglé ou se trouvant à l'état plastique, mais ne se trouvant pas à leur état fondu normal,
L'invention se rapporte également à la formation
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de tels produits ayant une structure cristalline primaire fine, uniforme et homogène.
La plupart des produits métalliques obtenus jus- qu'ici provenaient de métal fondu qui avait été versé dans une lingotière, dans un moule de coulée au sable, dans une matrice ou entre des cylindres de formation pendant que ce - métal se trouvait à l'état liquide.
T,orsque la température diminuait, le métal fondu. passait à l'état solide, les cris- taux solides se formant tout d'abord contre les parois du moule de la matrice ou des cylindres et se propageant vers la partie intérieure du produit, à travers le noyau encore liquide, ce qui donnait au produit coulé une structure pré- sentant trois zones distinctes ayant des caractéristiques différentes, à savoir :
1 / une enveloppe ou couche solidifiée à la péri- phérie du produit, cette couche étant formée de petits cristaux non orientés (c'est-à-dire di.sposés au hasard) et analogues à des filets ou veinules; les propriétés physiques de cette couche solidifiée et refroidie sont généralement beaucoup meilleures que celles des autres parties du produit et du produit fini après travail mécanique;
cela est dû au fait que sa composition chimique est homogène, exempte de séparation ou ségrégation et correspond exactement à la com- position du métal fondu, ce dernier étant homogène dans le four ou dans la poche de coulée;
2 / une couche de longs cristaux en forme de co- lonnes (également appelés aiguilles) orientés suivant l'axe de croissance des cristaux qui est opposé au sens d'écoule- ment de la chaleur;
3 / une zone centrale de grands cristaux à axes équidistants.
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Cette structure cristalline hétérogène est en outre caractérisée par une séparation sélective des consti- tuants de l'alliage et des impuretés, par des occlusions de gaz, par des retassures, par des cavités de diverses sortes ainsi que par d'autres phénomènes connus sous le nom général de "lingotisme". Ce lingotisme est principalement dû à la structure cristalline hétérogène que présentent tous les produits métalliques obtenus jusqu'ici dans l'industrie.
Ce procédé commun de fabrication de produits mé- talliques a une influence déterminante sur les propriétés et caractéristiques physiques et autres des produits industriels soit lorsqu'ils sont coulas, soit lorsqu'ils sont travaillés mécaniquement, par exemple aprs forgeage, laminage, extru- sion ou formation mécanique, soit lorsqu'ils ont été traités au point de vue thermique. On admet généralement .que cela est dû au fait que la structure du produit final (ou struc- ture secondaire) conserve encore certaines des caractéristi-- ques de sa formation cristalline primitive hétérogène au mo- ment de la solidification du métal fondu ou est affectée par certaines de ces caractéristiques, ce qui a pour effet d'em- pêcher l'obtention des propriétés théoriques optima.
Le but de la métallurgie pendant des années a été d'obtenir dans les produits métalliques une structure cris- talline vraiment homogène et uniforme et de rechercher des procédas sûrs pour obtenir cette structure.
Diverses recherches récentes dans la cristallisa- tion des métaux ont montré que la structure cristalline non orientée de la couche solidifiée d'un lingot était due au refroidissement important (ou sous-refroidissement) résultant du contact de la matière fondue avec les parois froides du moule, contact qui crée pratiquement une cristallisation spontanée exempte de toute ségrégation ou séparation dans la
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couche solidifiée en question; cette cristallisation ou solidification, provoque le changement de la structure cris- talline orientée en une structure cristalline non orientée @ filets ou veinules.
La section des cristaux dans la cou- che solidifiée diminue lorsque la vitesse de cristallisation augmente.' D'une façon générale, la structure primaire de tout métal est commandée par les deux facteurs suivants : a) le nombre de noyaux cristallins par unité de poids et de temps à une température déterminée; b) la vitesse de cristallisation qui dépend de la rapidité de dissipation de la chaleur latente de fusion.
Le terme "sous-refroidissement" ci-dessus utilisé indique une condition qui se présente lorsque, à la tempé- rature définie voisine du point de cristallisation ou infé- rieu.re à ce point, les conditions d'équilibre ne sont pas atteintes, c'est-à-dire lorsque la phase solide n'apparaît pas. Ainsi le métal se trouve dans un état meta-stable.
Des recherches faites au sujet du sous-refroidissement des mé- taux et alliages ont montré que cette condition pouvait se présenter pour certains métaux sous-refroidis à des tempe- ratures allant de 0,1 à 0,3 ; pour d'autres métaux tels que l'or, le cuivre, le bismuth, l'antimoine, le plomb, l'étain et un certain nombre d'alliages sous-refroidis, ces tempé- ratures peuvent atteindre 30 à 45 ; ainsi tous les métaux et alliages peuvent être placés à un état de sous-refroidis- sement dans lequel ils conservent en grande partie la mo- bilité d'un liquide, bien qu'une partie de la phase solide puisse être précipitée; dans cet état, les métaux et allinges peuvent s'écouler dans des moules ou matrices et prendre d'eux-mêmes leur forme.
Pour rendre claire la distinction entre l'état fondu et l'état sous-refroidi ci-dessus indiqué, on peut dire
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que l'état fondu est celui dans lequel le métal ou alliage fondu est liquide et capable de s'écouler librement par gravite; sa chaleur totale est la quantité de chaleur nécese saire pour l'amener à son point de fusion, plus la quantité de chaleur nécessaire qui correspond '-- sn chaleur de fusion, plus la quantité de chrileur supplémentaire utilisée comme surchauffage dans les traitements industriels, surchauffage qui peut aller d'un petit nombre de degrés jusqu'à 100 et 150 dans le cas d'acier, d'acier spécial ou d'autres métaux ou alliages à point de fusion élevé.
L'état de sous-refroi- dissement appliqué aux métaux ou alliages, état que l'on propose d'établir et de contrôler, est une condition qui résulte du traitement de métal ou alliage fondu tel que ce dernier est produit dans les fours industriels actuels, dans le but d'enlever de ce métal ou alliage toute sa super-cha- leur de fusion et toute sa chaleur latente de fusion ou la plus grande partie de sa chaleur latente, dans le but d'a- mener sa température soit au voisinage de son point de cris- tallisation, soit légèrement au-dessous pour des métaux ou alliages ayant une échelle de plasticité assez grande avant que le métal ou alliage traité soit introduit, forcé ou poussé dans un moule ou dans une matrice ou des cyentre lindres à une vitesse déterminée.
Ce métal ou alliage sous- refroidi introduit dans des moules ou des matrices ou entre des rouleaux dans cet état a encore beaucoup de la mobilité d'un liquide et, sous l'action de la vitesse à laquelle il est pousse, il se façonnera facilement de lui-même au con- tour des moules ou matrices. Le métl en question est en outre caractérise par le fait que chacune de ses particules de composant les plus petites a déjà un noyau cristallin qui s'étend à une partie ou à la totalité de chaque particule suivant l'importance de la phase solide qui a été précipitée
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et suivant par conséquent le degré de soun-refroidissement.
Ces particules sous-refroidies entraînées dans un courant, dans un moule ou dans une matrice se conformeront simultané- ment au contour du moule ou de la matrice pour le ou la rem- plir et cristalliseront en pratique spontanément à partir d'un nombre infini de noyau:: cristallins dans toute la masse du produit formé, ce qui créera dans ledit produit une struc- ture cristalline faite de très petits cristaux non orientés (c'est-à-dire disposés au hasard) et analogues à des filets ou veinules, cristaux qui sont distribués d'une façon homo- gène et uniforme à travers toute l'étendue du produit métal- lique solide; cette structure est complètement différente de la structure primaire décrite précédemment pour les mé- taux ou alliages fondus antérieurs.
Il résulte des recherches ci-dessus indiquées faites par divers savants que si un métal ou alliage peut être introduit ou forcé dans un moule ou une matrice ou en- tre des rouleaux de formation en étant sous-refroidi, de telle manière qu'il pfésente le nombre maximum de noyaux cristallins par unité de poids et à une température telle que sa chaleur latente de fusion ait été partiellement ou totalement enlevée, ce %et,-il ou alliage, lorsqu'il s'é- coule et se conforme de lui-même dans le moule ou dans la matrice cristallisera spontanément à travers toute la masse du produit fini d'une manière analogue a. ce qui se produit dans la cristallisation spontanée de la couche refroidie et solidifiée d'un lingot,
ce qui a pour effet de donner à toute la masse du produit la même structure cristalline for- mée de petits cristaux non orientés et analogues à des filets ou veinules et également de donner audit produit les pro- priétés physiques optimum.
Le demandeur a observé ce qui suit :
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Si une goutte de liquide, soit de l'eau, soit de / d'une l'huile, soit du métal ¯ fondu, tombe sur une surface, se dé- plaçant rapidement, substance qui est mouillée par le liqui- de, chaque portion de la' goutte liquide, lorsqu'elle vient en contact avec la surface se déplaçant rapidement, mouille la surface et adhère à celle-ci; elle s'allonge et est por- tée par la surface en question de façon qu'elle forme une traînée ou une pellicule allongée d'épaisseur uniforme et ayant deux extrémités plus ou moins paraboliques, la forme, la largeur, la longueur et l'épaisseur de cette pellicule ou traînée étant déterminées par la vitesse relative de la goutte qui tombe et de la surface mobile.
En outre, dans /-en le cas d'une goutte de métal fondu, l'allongement de cette goutte et sa cristallisation ou solidification 'une pelli- cule ou d'une bande solide sont pratiquement simultanés. Le procédé qu'on utilise pour réaliser le sous-refroidissement est tiré de l'observation qui précède, niais au lieu que ce soit une goutte de liquide qui soit utilisée, c'est un cou- / en rant de métal fondu tel qu'il est obtenu dans des fours in- dustriels.
Un courant de métal fondu se déversant sur une surface se déplaçant rapidement, surface qui doit être mouil- lée par ledit métal, donne naissance à certains phénomènes déterminés, Lorsqu'un tel courant de métal fondu ou de tou- te autre substance fondue s'écoulant d'un trou de coulée ou d'une tuyère de coulée aux températures normales de coulée qui sont utilisées industriellement et à une cer- taine vitesse (déterminée par la hauteur du métal dans le récipient, dalla la poche ou dans le four qui la contient ou déterminée par des ,pompes ou valves mécaniques qui pous- sent ledit courant hors du récipient), est intercepté par une surface solide métallique ou non métallique, plus froi-
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propre de,
exempte d'humidité et se déplaçant à une vitesse uniforme supérieure à la vitesse d'écoulement de métal- fondu, une surface continue de contact est créée à l'endroit où le mé- tal liquide et librement mobile s.e conforme instantanément de lui-même à la surface mobile solide. C' est ce qu'on ap- pelle dans le présent mémoire l'action de mouillage. Dans ces conditions, le métal fondu ou liquide est éloigné ins- tantanément et d'une façon continue de la partie principale du courant liquide, étant poussé de dessous ledit courant sous la forme d'une couche qui adhère à la surface mobile.
Cette couche se nivelle d'elle-même au point de'vue hydros- tatique pendant qu'elle est transportée en travers du courant de métal fondu; ladite couche porte par elle-même autant de métal ou de substance fondu qu'elle peut en attirer sous l'action de ses forces intrinsèques d'attraction atomique et de cohésion moléculaire. Ainsi se trouve formée à partir du courant de métal fondu une pellicule ou couche continue de section et d'épaisseur uniformes: couche qui adhère a la sur- face solide mobile et qui est portée par celle-ci, surface à laquelle la pellicule ou couche cde de la chaleur depuis le moment où le contact s'est établi avec elle.
La section transversale de cette couche de métal fondu est réglée et déterminée directement par la relation suivante : surface de la section transversale de la couche multipliée par la vites- se de la surface métallique mobile qui la porte = section transversale du courant de métal fondu multipliée par sa vitesse d'écoulement. par exemple, si un courant de métal fondu sort d'u- ne fente rectangulaire (extrémité de sortie d'une tuyère, par exemple) ayant 5 cm, de large sur 1cm,25 d'épaisseur à la vi- tesse de 0m,60 par seconde, s'écoule et se dépose sur une sur- face métallique se déplaçant . une vitesse de 15 mètres par -
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seconde (soit vingt-cinq fois plus vite), la couche de mé- tal fondu aura une section déterminée de la façon suivante :
EMI9.1
5 x -25 x 060 Ocm 2 25 et* l'épaisseur de la couche sera de cm2
EMI9.2
Q....1.è?- = Ocra 05
Tous les métaux, alliages et substances fondus, lorsqu'ils se trouvent à l'état liquide et librement mobiles (à l'exception de certaines substances ou métaux qui ont une tension superficielle très élevée comme le mercure) , mouil- leront une surface métallique propre, sèche et plus froide et adhéreront à cette surface; ils pourront ainsi subir une accélération pour être amenés à la vitesse et dans la direc- tion du mouvement de la surface métallique sous la forme ci- dessus indiquée d'une couche ou pellicule. La force adhési- ve considérée a une valeur considérable car le mouillage en- tre le métal fondu et la surface métallique mobile empêche la présence d'air ou de gaz entre le métal fondu et ladite pellicule.
En outre, le contact parfait dû à ce mouillage donné pleine liberté à la force d'attraction interatomique de s'exercer entre le métal de la surface mobile et le métal ou alliage fondu utilisé, Cette force a également une très grande valeur par centimètre carré,
Les deux facteurs ci-dessus'indiqués, qu'il y en ait d'autres ou non, peuvent entrer facilement en ligne de compte pour considérer que la section métallique mobile et la pellicule de métal fondu qui y adhère agissent comme une seule section composite se déplaçant à la même vi- tesse et dans la même direction jusqu'à ce que la couche ou pellicule de métal fondu ait cessé d'adhérer complètement par suite de la contraction due à la solidification.
Même après cette perte de l'adhérence, la couche ou pellicule maintenant solidifiée conserve la vitesse et la direction
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primitives qui lui ont été communiquées par la surface métallique mobile.
Bien que la couche de métal fondu adhère encore à la surface mobile et soit portée par elle en contact in- time avec ladite surface, à la vitesse de cette surface et dans sa direction de mouvement, c'est-à-dire comme formant en fait une seule section b-métallique, l'échange de cha- leur à travers toute l'épaisseur de la couche de métal fon- du et de la surface solide mobile est directement propor- tionnel à leurs conductibilités thermiques respectives, à la transmission de chaleur de l'une à l'autre et à la durée de leur contact, Ces coefficients de conductibilité ther- mique sont des propriétés connues des métaux, alliages et de beaucoup d'autres substances.
On peut par conséquent déter- miner mathématiquement et établir les éléments des machines de fabrication, de façon que soit exactement réalisé n'im- porte quel refroidissement déterminé et de façon que soit réglée d'une manière absolue la. quantité de chaleur enlevée du métal ou substance fondu en couche ou pellicule.
D'après ce qui précède, on voit que toute quanti- té déterminée de chaleur peut être enlevée de n'importe quel métal fondu ou d'une pellicule soit pour le refroidir légèrement, soit pour le sous-refroidir à tout degré désiré, soit encore pour le solidifier complètement de telle manière que la pellicule puisse être utilisée d'une façon continue lorsqu'elle atteint la température ou l'état de sous-refroi- dissement désiré. Cet état, comme on l'a indiqué, résulte du temps et de la longueur déterminés de contact avec la surface mobile; la pellicule ou couche complètement formée est séparée d'une façon continue de la surface de refroidis- sement mobile en un point déterminé d'une façon précise après que cette couche a été sur une longueur déterminée en
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contact avec La surface en question.
Lorsque la couche ou pellicule est enlevée, elle est dirigée d'une façon continue vers un moule (ou une matrice) dans lequel elle est intro- duite et qui est destiné à la recevoir.
Dans ce qui va suivre, on va montrer comment de tels résultats peuvent être réalisés conformément à la pré- sente invention.
Lorsque la pellicule de métal doit être soumise à un. refroidissement réduit (par exemple lorsqu'elle doit être dirigée vers des matrices compliquées et frappées à grande vitesse pour le moulage sous pression), on utilise une surface métallique mobile faite en un métal ayant une conductibilité relativement faible, tel que l'acier; cette surface peut être oxydée, peinte ou recouverte d'une subs- tance non métallique pour réduire encore sa conductibilité diminuerthermique et pour @ la force interatomique d'adhé- rence de la couche de métal fondu à ladite surface pendant que se produit l'action de mouillage.
L'étendue et la durée du contact entre la couche ou pellicule et la surface mobile sont réglées pour assurer l'enlèvement de la quantité exacte désirée de chaleur. Immédiatement au moment où. cette opéra- tion s'accomplit, la direction de la surface mobile est brus.. quement et continuellement changée.
Cela oblige la pellicule à se séparer de la surface mobile au point ci- dessus indiqué et à conserver, pendant son déplacement, la vitesse et la direction primitives du mouvement qui lui a été communiqué. Dans cet état, elle passe directement dans l'orifice d'alimentation de la matrice et vient frap- per à grande vitesse la cavité de cette matrice,
Lorsque la couche ou pellicule doit être sous- refroidie à un état tel qu'elle présente le nombre maximum de noyaux cristallins et que sa chaleur latente de fusion
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soit pour la plus grande partie ou totalement enlevée, on utilise une surface métallique propre et sèche pour assurer une adhérence ,
un mouillage et un contact parfaits de la pellicule métallique et pour enlever rapidement la quantité de chaleur de la pellicule en question. La quantité exacte de chialeur à enlever de la pellicule ou couche métallique pour 1'amener à l'étatci-dessus indiqué de sous-refroidis- sement est calculée et déterminée mathématiquement; il en est de même de la longueur exacte du contact avec la. sur- face métallique mobile.
Si l'on prend en considération tous les facteurs nécessaires, la machine est établie de telle façon que la surface mobile forme la couche métalli- que à la longueur exacte requise et porte cette couche, de manière qu'immédiatement âpres,la direction du mouvement de la surface mobile soit changée brusquement et continuel- lement pour créer une force suffisante destinée à séparer la couche métallique et la surface mobile et à conserver à la couche métallique, pendant son déplacement, la direction et la vitesse qu'elle a acquises, dans le but de remplir le moule ou la matrice ou afin que la pellicule soit obligée de se déplacer sans être supportée dans le même sens et à la même vitesse après qu'elle a abandonné la. surface de sup- port.
Ou bien encore la couche de métal sous-refroidie peut être soulevée ou séparée d'une autre façon à partir de la surface de refroidissement par un dispositif mécanique et être dirigée vers lu moule ou vers la matrice. La couche ou pellicule peut également être associée et fixée avec une autre couche ou pellicule sous-refroidie formée d'une façon analogue, la couche composite étant obligée de continuer à se déplacer dans la direction et à la vitesse acquises, dans le but de remplir des moules ou des matrices.
On peut fa- cilement obtenir ces résultats puisque, comme on l'a noté,
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lorsque la couche de métal atteint l'état de sous-refroi- dissement ci-dessus indiqué,étan dans lequel la phase solide est partiellement ou totalement précipitée, la force d'adhérence à la surface métallique mobile est proportion- nellement si réduite que la couche se sépare pratiquement d'elle-même d'avec la surface;en conséquence, un change- ment de direction do cette surface dorme une séparation nutte et complète. Il est à remarquer que cette couche ou pellicule a encore la composition homogène primitive du mé- tal fondu sans ségrégation.
De la chaleur seulement a été enlevée de ce métal fondu pour créer cet état de sous-re- froidissement. Il y a une distribution uniforme des noyaux cristallins à travers toute la masse et aucun changement quel qu'il soit n'a été fait ou ne s'est produit dans sa composition chimique originale, par suite de l'absence de contact avec d'autres éléments ou de l'action de ces autres éléments susceptibles de réagir chimiquement avec la couche considérée, Par conséquent, los produits formés à partir de cette couche lorsqu'elle vient remplir des moules ou des matrices et cristallise spontanément auront tous les avanta- ges de la composition chimique primitive homogène du métal fondu combiné avec une structure cristalline uniforme exemp- te de ségrégation.
La formation ci-dessus décrite du courant de mé- tal ou autre substance fondue transformé en une pellicule ou couche mince, le sous-refroidissement de cette couche et le choc de celle-ci dans les moules ou matrices sans aucun contact avec l'air ou des gaz ou. sans contamination par cet air ou ces gaz présentent des avantages industriels extrême- ment importants et longtemps cherchés, mais qui n'avaient jusqu'ici jamais été obtenus à la connaissance du demandeur.
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Les opérations peuvent être exécutées très rapidement et sont directement applicables au traitement de la matière sortant des fours actuels de fusion à la vitesse à laquelle on peut disposer du métal fondu produit, ce qui permet de conserver la composition et la fluidité réglées dudit métal.
Par exemple, le courant nommai provenant d'une poche con- tenant de l'acier tel qu'il est coulé actuellement dans des lingotières de grandes dimensions à des vitesses variant de 500 à 1500 kg par minute peut, comme on l'a indiqué ci-des- sus, être transforme en une pellicule et être sous-refroidi une température constante et déterminée avant que cette pellicule soit dirigée dans les moules. L'équipement néces- saire est relativement simple et peu coûteux'et consomme une qualtité insignifiante d'énergie. Dans beaucoup de cas, l'en- semble du fonctionnement représente des économies réelles, car la chaleur provenant de la pellicule de métal fondu peut être facilement récupérée.
La présente invention se distingue des procédés antérieurs qui comportaient la fusion continue de fils ou d'objets analogues dans une flamme oxy-acétylènique ou oxhy- drique et l'atomisation de ce produit par un courant d'air sous forte pression. L'invention se distingue également des procédés dans lesquels un petit courant de métal à faible température est atomisé par un courant d'air ou de gaz sous forte pression et est dirigé vers une plaque ou matrice de réception.
Ni l'un ni l'autre de ces procédés ne permet d'utiliser des métaux fondus provenant des grands fours in- dustriels ot à la vitesse usuelle dont on peut disposer de ces métaux, En outre, la quantité d'air ou de gaz sous forte pression qui est nécessaire pour l'atomisation est très coûteuse par kilog de métal atomisé; de plus, le métal
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-et une épaisseur ainsi atomisé est inévitablement oxydé ou contaminé chimi- quement. Il en résulte une altération ou une détérioration d'une importance telle que le produit ou revêtement atomisé solide obtenu n'a aucune ressemblance réelle dans ses appa- rences ou dans ses propriétés avec le fil métallique solide ou le métal liquide à partir duquel il a été obtenu.
Conformément aux caractéristiques de l'invention, il n'est pas difficile dans les applications industrielles de réaliser la surface métallique mobile en un métal tel et ayant une longueur celles que la température de la section métallique mobile utilisée pour le refroidissement ne dépasse pas une température de 260 environ ou toute température suffisamment élevée susceptible de prpvoquer uno distorsion, une déforma- tion ou une détérioration de la surface du métal de refroi- dissement utilisé. A cet égard, les facteurs de contrôle ou les desiderata sont susceptibles d'être déterminés d'une façon précise ou d'être calculés mathématiquement d'une fa- çon exacte.
En outre, comme une longueur limitée et définie seulement de cette section métallique de refroidissement vient en contact avec une pellicule métallique fondue ayant une épaisseur désirée choisie, cette section de refroidissement peut être refroidie d'une façon continue par de l'air, de l'eau, du mercure ou par tout autre agent de refroidissement après que la pellicule métallique a été séparée de cette section et ello peut être ainsi ramenée à sa température primitive avant qu'elle reçoive de nouveau du métal fondu.
De cette façon, des conditions constantes de température sont assurées pour le refroidissement du courant de métal fondu et une opération véritablement continue est réalisée.-
La.plupart des métaux et alliages . l'état fondu contiennent des gas dissous ou occlus qui sont libérés lors- que la phase solide se précipite et que le métal se solidifie
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dans un moule . Certains de ces gaz sont enfermés à l'in- térieur des produits métalliques solidifiés sous la forme de bulles ou poches à gaz qui sont extrêmement nuisibles.
Conformément à l'invention, tous ces gaz ou sensiblement tous ces gaz sont libres de s'échapper, car ils sont libé- rés et enlevés pendant que la pellicule métallique qui adhère à la surface mobile se refroidit rapidement, Lorsque la phase solide commence à se précipiter avant que la pelli- cule sous-refroidie soit dirigée dans un moule ou dans une matrice, les produits formés , partir de ce métal ou de cet alliage sous-refroidi sont exempts do gaz.
Lorsqu' on sous-refroidit le courant de métal fondu provenant d'une pocha ou d'un four avant qu'il soit dirigé dans un moule, on peut provoquer une cristallisation spontanée à travers toute la masse du produit moulé, ce qui constitue un moyen efficace pour déterminer au point de vue physique, dans le produit solide formé, une dimension uni- forme des grains, Certaines variations peuvent être obte- nues dans la section des cristaux uniformes formés si l'on fait varier et si l'on règle l'importance et la température du sous-refroidissement.
Tout ce qui précède s'applique avec autant d'effi- cacité aux substances non métalliques ou organiques à l'état fondu telles que le verre fondu, les roches fondues et autres substances analogues, l'invention n'étant nullement limitée aux métaux ut alliages.
La présente invention rend possibles l'obtention et l'utilisation industrielles de la structure cristalline primaire nouvelle et spéciale qui est donnée aux produits métalliques conformément à ladite invention. Cette nouvelle structure primaire qui a une forte résistance et qui présente des propriétés physiques améliorées est obtenue sans travail
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mécanique ou sans traitement thermique; elle est caractéri- sée par de petits cristaux non orientés (c'est-à-dire dis- posés au. hasard), analogues à des filets ou veinules, de coupe et de dimension sensiblement identiques et distribués d'une façon homogène et uniforme à travers toute ].,et masse et dans chaque partie du produit solide.
L'invention permet également d'assurer une uniformité chimique dans toute la masse du produit et d'obtenir des propriétés physiques mé- liorées exemptes de tout effet d'orientation; ces qualités sont ducs au. fait que l'invention permet d'éviter les dé- fauts généralement inhérents à un lingot primaire ou à une pièce moulée, défauts tels que la ; suparation ou ségrégation, la composition chimique non uniforme, la concentration des impuretés et souillures à la limite des cristaux en forme de colonnes, la formation de cavités ou passages, les oc- clusions de gaz et défauts analogues et également les li- gnes d'écoulement qui se forment à la suite du travail mécanique et de l'écrasement des grands cristaux.
Cette nouvelle structure primaire spéciale conser- ve la plupart des caractéristiques ci-dessus indiquées après .travail mécanique tol que laminage, forgeage et extrusion et (ou) après traitement thermique, cette nouvelle structure se prêtant plus facilement que la structure des produits anté- rieurs à ces opérations en raison de son uniformité et don- nant au produit ainsi travaillé ou traité une structure dis- tinctive différente de celle des produits similaires tirant leur origine d'un lingot ou d'un autre métal fondu coulé à la façon habituelle.
En outre, l'effet de refroidissement et de solidification dû aux parois du moule (se produisant lorsque le métal fondu est versé dans un moule), la formation de la couche refroidie et solidifiée subséquente et les zones distinctes de cristallisation sont supprimés dans les produits
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faits à partir de métal ou alliage sous-refroidi.
L'invention permet également d'obtenir une nouvel- le structure cristalline dans des alliages et plus particu- lièrement dans les alliages à forte teneur en composants de l'alliage tels, par exemple, que l'acier rapide à outils et l'acier inoxydable. Dans ces alliages, tels qu'ils sont coulés et à l'état fondu soit pour le moulage au sable, soit dans les lingotières, une solidification sélective des mé- taux composants se produit inévitablement à l'intérieur des cristaux en forme de colonnes et à axes équidistants qui se forment.
Lorsque cela a lieu, cette solidification sélecti- ve donne aux cristaux une composition chimique plus hétro- gène avec ségrégation ou séparation de certains composants et des impuretés à la limite des cristaux, ce qui réduit considérablement les propriétés inhérentes particulières de ces alliages, propriétés en raison desquelles leur usage s'est développé, telles que résistance à la corrosion, aux acides, à l'abrasion, faculté de retrempe et de coupe, ainsi que d'autres propriétés physiques.
Par l'effet du sous-refroidissement de l'alliage fondu jusqu-'au point où il cristallise spontanément à travers toute la masse du produit solide formé, sous-refroidissement qui constitue l'une des caractéristiques essentielles de la présente invention, la composition homogène primitive de l'alliage à l'état fondu est complètement maintenue dans chacun des petits cristaux formés et cotte composition est encore maintenue après travail mécanique et traitement ther- mique. Cette structure cristalline entièrement nouvelle et différente de celle des autres produits augmente considé- rablement les propriétés intrinsèques connues de ces allia- ges et élargit le champ de leurs applications.
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/-de refroidisse- ment En obligeant un courant de métal fondu à venir frapper sur un disque ou une plaque refroidie tournant ra- pidement et à évacuer ledit courant à la périphérie hors du contact avec l'air ou dans une atmosphère spéciale, on oblige la pellicule plastique sous-refroidie ainsi formée à se bri- ser en fines particules uniformes de la même dimension, de la même forme et de la même composition, ces particules se dé- plaçant, sans être supportées, dans la même direction et à la même vitesse et venant se heurter les unes les autres dans un moule ,
Si l'on supprime le moule ou si l'on oblige les particules à se déplacer à une plus grande distance ou à travers un produit pulvérulent solide on obtient des produits de toute composition désirée susceptibles d'ê- tre utilisés pour la métallurgie des produits en poudre et pour d'autres applications.
Afin que l'invention puisse être bien comprise, on,4 va la décrire maintenant en se référant ah dessin annexé sur lequel :
La fig. 1 est une vue en plan par dessus d'un dis- que atomiseur rotatif et d'une partie d'un moule circulaire fixe de réception;
La fig. 2 est une coupe verticale de l'atomiseur rotatif et du moule représentés sur la fig. 1, ainsi que du récipient amenant le métal fondu au disque atomiseur;
La fig. 3 est une coupe verticale d'un disque atomiseur incliné associé à un moule différent qui peut être fixe ou rotatif et qui est destiné à recevoir les par- ticules atomisées suivant un jet en spirale;
La fig, 4 est une coupe d'un produit obtenu avec la machine représentée sur la fig. 3;
La fig. 5 est une coupe verticale du disque ato- miseur représente sur la fig. 1 et montrant les jets ou la
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pluie de métal atomisé dans un moule rotatif pour outils façonnés;
La fig, 6 est une coupe transversale d'un outil façonné formé de deux couches de métal;
La fig. 7 est une coupe transversale d'un outil façonne formé de trois couches d'acier;
La fig. 8 est une coupe verticale avec partie en élévation d'un appareil destiné à mouler ou à couler sous pression des produits individuels à partir d'un courant di- visé et recombiné do métal fondu ou d'une autre matière fondue;
La fig. 9 est une coupe verticale, avec partie en élévation, d'un a.ppareil analogue à celui qui est repré- senté sur la f ig. 8, mais dans lequel le produit moulé ou coulé sous pression est obtenu à partir d'un courant unique d'un métal fondu ou d'une autre matière fondue.
Si l'on se reporte aux fig. 1 et 2, on voit que le métal fondu 14 placé dans le récipient 13 s'écoule à travers une série d'orifices 15 dont le nombre, la dimension et la forme ont une influence sur le degré de sous-refroidissement désiré. Ce métal fondu vient en contact avec un disque rotatif 1 le long d'une ligne circonférentielle 2 (fig, 1), cette partie du disque ayant déjà. une vitesse périphérique considérable qui empêche le métal fondu d'adhérer au disque d'atomisation ou de le brûler, ce qui s@ produirait probable- ment si le métal venait en contact avec le centre du disque.
Le disque atomiseur 1 est formé de deux parties, une partie supérieure 6 et une partie inférieure 7 séparées l'une de l'autre de façon que soit ménagé entre elles un espace 8 dans lequel un fluide de refroidissement tel que de l'eau peut être amené. L'eau ou le fluidu de refroidissement est amené à l'espace de réception 8 par un tuyau 9 disposé à
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l'intérieur d'un arbre 91 sur lequel le disque est monté et sort de l'espace 8 par un passage 92 prévu dans l'arbre en- tre le tuyau, fixe 9 à eau et l'alésage axial 93 de l'arbre.
L'écoulement d'eau, maintient le disque atomiseur à une tem- pérature sensiblement constante du fait qu'il absorbe la cha- leur qui a été communiquée au disque par le métal fondu.
Le disque atomiseur 1 peut tourner dans un palier à billes 10 et dans d'autres paliers appropriés (non repré- sentés) et il ost entraîné à une vitesse de rotation élevée par un dispositif convenable non représenté qui est associé à l'arbre 91, Le métal fondu, tombant sur le disque rotatif suivant la ligne circulaire 2 forme une pellicule ou couche qui s'étend vers l'extérieur sur la surface de la partie supé- rieure 6 du disque depuis la ligne 2 jusqu'à la périphérie du disque; le métal, dans cet état de couche ou pellicule, perd de la chaleur par contact avoc la surface refroidie du disque et est sous-refroidi.
La couche ou pellicule de mé- tal ainsi sous-refroidie, lorsqu'elle abandonne la périphé- rie du disque, se rompt et se transforme en une pluie fine de particules atomisées qui sont entraînées à une vitesse élevéo dans une direction qui se trouve précisément à 90 par rapport à l'axe de rotation du disque. Les particules de métal se déplaçant sous forme de pluie ou de jet et à une vitesse élevée pénètrent dans le moule circulaire fixe 16' à travers une fente circulaire 18 qui se trouve exactement sur le trajet de déplacement des particules. Ces particu- 'les sont solidifiées et sont réunies l'une à l'autre par contact ou choc l'une avec l'autre dans le moule et elles remplissent la cavité 4 du moule.
Dans le mode do réalisation représenté sur les fig, 1 et 2, la quantité de métal fondu suffisante pour rem- plir la cavité du moule est versée dans le récipient 13.
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Lorsque tout le métal fondu a été atomisé et répandu par pluie ou jet, la partie supérieure 16 du moule 16' est soulevée pour être séparée de la partie inférieure 17, Le produit coulé, qui peut avoir la forme d'un élément circulaire formant une seule pièce ou être sous forme de deux ou plusieurs sections (trois ont été représentées sur la fig. 1), du fait que des pièces de séparation 5 sont placées dans le moule, est séparé de la partie 17.
Le moulage (pour les sections de celui-ci) peut présenter une nervure moulée sur l'objet, cette nervure correspondant à la fente d'alimentation, si du métal on excès a été versé; nais puisque la fonte a une largeur de l'ordre /-centième du de millimètre seulement ou même moins, cette ner- vure peut être facilement rompue ou découpée et les sections peuvent être dressées si cela est nécessaire dans des cylin- dres de redressement. Les plaques 11 et 12 pincées sur les parties 16 et 17 du moule complètent la fermeture de l'espace dans lequel tourne le disque, l'air n'étant pas admis dans cet espace pendant la coulée du métal fondu.
De cette panière, les particules atomisées, pendant qu'elles sont entraînées à vitesse élevée sous forme d'un jet ou d'une pluie à partir du disque et vers la cavité du moule, ne sont pas soumises à une oxydation possible; en outre, de préférence, l'air qui se trouve au voisinage du disque est aspiré au moyun d'un tuyau 19 de façon que le Bous-refroidissement, l'atomisation et le choc ou contact soient réalisés sous vide.
Si on le dési- re, de l'hydrogène, un mélange d'hydrogène et d'azote, du gaz d'éclairage ou du gaz connu aux Etats-Unis sous le nom de "blue gas" (gaz bleu) peut être forcé dnns l'espace adjacent au disque et dans 1,, cavité du moule; de tels'gaz sont avanta- geux pour le métal qui est divisé en gouttelettes et moulé,
Le sous-refroidissement du métal, la dimension des particules atomisées et la vitesse à laquelle les particules
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sont entraînées peuvent être réglés à volonté.
L'écoulement du métal fondu à partir du récipient 13 dépend du nombre et de la surface des sections transversales'des orifices 15 et peut être réalisé, quant aux dimensions et au nombre de jets de sortie,de façon qu'on puisse traiter de 25 à 50 kg de mé- tal fondu par minute . Lorsqu'on utilise un disque rotatif ayant un diamètre extérieur de 30 cm., le métal fondu peut tomber sur la ligne circulaire 2 de la partie supérieure 6, ligne circulaire dont le diamètre peut varier de 5 cm. à 25 cm.,ce qui a pour effet de faire varier le temps pendant lequel la pellicule ou couche do métal fondu en déplacement se trouve en contact avec la surface supérieure du disque 1.
La température de la surface 6 dudisque peut être réglée par variation de l'écoulement d'eau à travers l'espace 8 et elle peut être maintenue à une valeur faible ou à une valeur d'environ 150 . La vitesse du disque rotatif peut varier en pratique de 800 tours à 6000 tours par minute; plus la vitesse est élevée, plus est mince la pellicule formée et plus sont petites les dimensions des particules du métal fondu projeté ou divisé à partir du disque et plus sont gran- des également la vitesse et l'énergie de choc de ces parti- cules.
Grâce à ces différents réglages, la dimension des grains du métal produit peut être déterminée et on peut obtenir des produits ayant une densité plus grande et une résistance plus forte que les produits industriels actuels.
En outre, si l'on réduit l'écoulement du métal fondu venant du récipient et si l'on augmente la longueur de son dépla- cement sur la surface du disque, le métal est sous-refroidi, c'est-à-dire qu'il est refroidi à une température inférieure à son point le solidification et la pellicule se rompt alors en particules déjà en partie ou entièrement solides; ces
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particules, par suite de leur vitesse, s'unissent les unes aux autres par choc ou contact pour former un produit soli- de mais sppngioux comportant des vides uniformes entre les particules.
Si, par exemple, les particules solides sous-re- froidies ne se heurtent pas et ne se choquent pas les unes avec les autres à une distance faible après qu'elles ont abandonne le disque rotatif pour former un produit solide, mais si on les laisse se déplacer sur une distance de plu- sieurs mètres avant qu'elles viennent frapper contre les parois de la chambre, elles ne se heurtent pas les unes aux nutres, mais sont recueillies sous forme do poudre.
Suivant la vitesse qui est utilisée et suivant le degré de sous-re- froidissement, ces particules peuvent être forcées de granu- les de tout poids désiré, ou se présenter sous la forme d'une fine poudre métallique, le premier produit pouvant être utilisé pour les garnitures métalliques et le second pour la fabrication de peinture métallique ou pour 1(utilisation dans la métallurgie des produits en poudre. Cette pluie de particules atomisées sous-refroidies, comme on l'a représen- té sur la fig. 2, étant obtenue soit dans une chambre ou espace étanche à l'air, soit sous le vide, soit dans une chambre remplie d'un gaz neutre, les granules ou particules ne sont pas soumis à l'oxydation.
En outre, on peut utiliser un gaz spécial, tel que le gaz ammoniac, qui se dissocie sous l'effet de la cha leur des particules et, lorsqu'on utilise de l'acier ou un autre alliage susceptible d'être nitruré, les granules ou particules prennent une surface dure et ni- trurée qui est utile pour différentes applications.industriel- les.
L'appareil représenté permet le traitement de mé- taux ou alliages à faible point de fusion, aussi bien que
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des métaux ou alliages à point do fusion élevée; on règle les conditions d'écoulement, de sous-refroidissement et d'a- tomisation pour qu'elles conviennent aux divers métaux ou alliages. Il est en outre à noter que, pratiquement, aucune partie de métal fondu n'est perdue, par exemple dans les parties supérieures des produits coulés, dans les pnrties contenant des retassures ou des cavités ou dans les parties correspondant aux jets de coulée, parties qui, dans les pro- duits solides formés antérieurement, devaient être coupées.
La fig, 3 montre un disque atomiseur rotatif uti- lisé en connexion avec un moule à billette ou à produit ana- logue; mais dans cet exemple le disque, au lieu d'être placé à 90 par rapport à l'axe de l'arbre qui le fait tourner, est placé suivant une direction inclinée par rapport à cet arbre, l'importance de l'inclinaison dépendant de la hau- teur de In billette ou du produit analogue qui doit être faite dans le moule 20,21, moule dont la cavité est en plan perpendiculaire à l'arbre. Dans cette disposition, le jet ou la pluie de métal lorsqu'il abandonne le disque rotatif 1 se déplace en ligne droite,
comme on l'a indiqué par les flèches.exactement à 90 de l'axe de rotation de l'arbre pour former la section de la billette ou du produit analogue par distribution uniforme des particules suivant un trajet en hélice sur toute la hauteur ou largeur du produit formé. Les parties de moule 20 et 21 sont fixes ou peuvent tourner à. faible vitesse, Les billettes ainsi formées présentent des surfaces satisfaisantes, ont une structure uniforme, sont exemptes \le; retassures ou cavités forcées par contraction et sont prêtes à être éliminées.
Sur la fig. 4, on a représenté une section d'un produit ou pièce moulé tel qu'on l'obtient en versant suc- cessivement dans 10 récipient 13 de la fig. 1 d'abord un
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certain typo de métal (par exemple de l'acier inoxydable 24), puis un autre type de métal 25 (tel que de l'acier à faible teneur en carbone) et enfin de nouvonu du l'acier inoxydable 24 si on le désire, du façon qu'une billette ou produit analogue soit formé dans le moult.;
de la fig. 3, la billette nynnt un noyau 25 en acier à teneur en carbone et des faible faces 24 en acier inoxydable, les couches étant parfaitement liées les unes aux .autres par suite de la vitesse de choc, sans qu'il y ait aucune impureté, scorie ou oxyde à l'endroit de la jonction des différentes couches, Cette opération peut être réalisée comme on l'a représenté sur les fig. 1 et 2 en espace clos ou sous vide ou dans une atmosphère de gaz utiles.
De la même manière, des billettes ou autres pro- duits analogues à revêtement de cuivre comportant une mince couche de cuivre parfaitement liée à un noyau d'acier et dif- férentes sortus de billettes ou de produits analogues bi- métalliques peuvent être ohtonus, Dans chaque cas, la jonc- tion entre lus métaux ou alliages distincts est exempte de gaz, d'oxyde et autres impuretés; en outre, les produits peuvent être laminés ou forgés sans qu'il se produise aucune rupture ou séparation aux points de jonction des métaux dis- tincts.
La fig. 5 contre le même disque rotatif et le môme récipient de coulée que ceux qui ont été représentés sur les fig. 1 et 2, mais le jet atomisé est reçu dans un moule 27, 28 qui tourne égaleront sous l'action d'une poulie 32, 10 sens de la rotation étant le même quo celui du disque rotatif ou étant l'inverse du sons de rotation de ce disque. Le moule 27, 28 comporte des cavités dont chacune correspond à la forme des outils ou au produit formé, deux ou plusieurs de ces cavités recevant le jut provenant du disque rotatif.
Lorsqu'on fabrique des outils de coupe à deux couches d'acier,
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on verso d'abord dans le récipient 13 un acier rapide de tout type de composition utilisé dans l'industrie, cet acier étant transformé on une pellicule sous-refroidie et atomisée dont les particules, lorsqu'elles atteignent les cavités du moule et on raison de la rotation du moule 27-28, forment une couche 35 parallèle à l'axe de rotation du moule, Ensuite, un acier spécial, tenane, résistant, tel qu'unacier au
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ohJ.'():1:;-niokel ou un acier nu chrolTlc-vnnf1dium, est versé dans le ;;¯pic;nt l3 et est ég,11,UnICnt sous-refroidi et atomisé;
cet acier se transforme par projection en une couche 36 adhé- rant à la couche 35 en acier rapide jusqu'à ce que les cavi- tés à outil prévues dans le moule soient remplies. Le second acier est versé dans le récipient avant que l'acier rapide ait été complètement évacué, de façon que les partieules des deux sortes d' aciers soient mélangées à l'endroit de la jonction d'une couche avec l'autre sur une épaisseur de l'or- dre du d'un millimètre;
de cette façon, les deux cou- -centième chas sont liéos d'une façon tellement inséparable qu'elles ne peuvent pas être séparées par un dispositif mécanique quel- conque, Au récipient 13 peut être fixé un autre récipient 26 dans lequel on peut introduire de la matière finement pul- vérisée telle que de la poudre de diamant ou des carbures mé- talliques en même temps que l'acier rapide est versé, de telle façon quo la matière pulvérulente soit entraînée sur la pel- licule de métal fondu et soit dispersée d'une façon uniforme dans cette pellicule.
Lorsque le métal se rompt et se trans- forme en pluie ou jet, les particules métalliques atomisées et los cabbures en poudre sont tous doux entraînés ensemble dans la couche formée dans la matrice rotative ou le moule rotatif. On obtient ainsi un outil comportant des particules dures uniformément dispersées dans une masse soit d'acier rapide, soit de tout autre métal de liaison tel que le cobalt,
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le nickel ou de 'bronze à forte résistance.
Dans le récipient
26 peut être versé un autre métal fondu, par exemple du . plomb et dans le récipient 13 on peut verser du bronze, de façon qu'une quantité plus grande de plomb puisse être disper- sée, sous forme de particules finement divisées, à travers le bronze constituant le métal de base, dans le but d'améliorer les propriétés du bronze destiné à former les paliers ou supports. Du graphite finement pulvérisé peut être utilisé dans le même but et dispersé à travers le métal de base, Dans ce qui précède, on a décrit certains des produits qui peuvent être obtenus par formation desdits produits au moyen de par- ticules atomisées sous-refroidies, au lieu que ce soit à partir d'un métal fondu coulé donc un moule.
Des fraises de toutes norias, des forets, des per- feratrices, des scies circulaires et nutres outils peuvent être formés de la même manière et comporter à leur surface extérieure un acier spécial dur de coupe ou un alliage résis- tant à l'abrasion et un noyau fait en un acier tenace et résistant ou un autre métal disposé à l'intérieur. En outre, comme dans les machines ordinaires de coulée sous pression, des insortions en matières métalliques ou autres peuvent être faites dans les matrices pour former une partie de la pièce coulée âpres que les particules métalliques se sont consoli- dées sous l'action de la force du choc.
La fig. 6 montre un outil de façonnage, amoné à la cote de rectification et formé d'une couche en acier rapide
35 contenant ou non des carbures ou de la poudre de diamant dispersés dans ladite couche et une couche d'acier résistant
36 pour supporter l'outil.
La fig. 7 montre une barre pour mèches hélicoï- dales, cc;tte barre, comportant une couche centrale 37 on / secteurs acier rapide ou autre matière de coupe et deux 38
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en acier résistant qui empêchent la mèche de se rompre.
La fig. 8 montre un mode de réalisation modifié de mnchine de refroidissement et de choc dans laquelle les sur- faces de refroidissement utilisées sont les faces de deux cylindres rotatifs refroidis par de l'eau. Le bâti principal 51 supporte doux arbres fixes 52 et 53 nutour desquels peu- vent tourner des étriers 54 ot 55. Dans l'extrémité 56 de l'étrier 54 est supportée une bague 57 refroidie par de 1'eau, cette bague étant reliée par des bras creux 58 et 59 à un , moyeu 60 dont les extrémités se présentant sous la forme d'un arbre croux 61 sont supportées dans des paliers 62 que présente l'étrier 54.
Cet arbre 61 se prolonge à l'extérieur do l'étrier 54, le prolongement étant libre d'osciller dans l'échancrure 63 que présente le bâti principal 51. Une roue dentée 64 est clavetée pu fixée d'une autre manière sur l'ex- trémité prolongée de l'arbre 61; cette roue dentée a le même pas diamétral ou approximativement le même pas diamétral que la face cylindrique 57a de la bague 57. Lorsque la bague 57 et la roue dentée 64 sont en position de fonctionnement comme on l'a représenté, la roue dentée 64 engrené sur la roue dentée 65 d'un dispositif de commande à vitesse variable qui lui est associé et qui n'a pas été représenté. Ainsi, la bague 57 tournera dans le sens approprié et à toute vi- tosse périphérique choisie et désirée.
De l'eau ou un autre liquide de refroidissement est amené par les bras creux 58 à la partie de la bague 57 à double enveloppe; l'écoulement est limité par des cloisons 66 et 67 et l'eau est amenée par des conduits 68 et 69 dans chaque bras 59, Le liquide de refroidissement est a&nsi ra- mené à l'arbre 61 qui comporte des raccords d'entrée d'eau à une extrémité et des raccords de sortie d'eau à l'autre ex- trémité, ce qui permet de réaliser une circulation continue
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de l'eau ou autre liquide de rufroidissenient.
Do même, dans l'extrémité 70 de l'étrier 55 est supportée une bague 71 refroidie par de l'eau et reliée par des bras creux 72 et 73 à un moyen 74 dont les extraites ont
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la forme d'un arbre creux 75 ct sont supporté prtns des Pa- liers 76 que présente l'étrier 55. Cet arbre 75 se prolongo à l'extérieur de l'étrier 55, le prolongement étant libre
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d'osciller dans l' ûcL.;1.ncrI.U70 77 quc présente le bâti princi- pal 51. Sur l'extrémité prolongée do l'arbre 75 est clave-
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tée ou fixée d'une nutru fnçon une 1'OUO dentée 78 lynnt le même pas dinmE':tr(11 ou approximativcuint le n8me pas dianié- trial que In f<ie= cylindrique 7g de In bagne 71.
Lorsque cot- te bague 71 et la roue dà'ntéu 79 sont df'na leur position de ionetionneniont, comme on l' n roprésùnt, la roue dentée 78 engrène sur la roue dentée 64 dont 3.a rotf'tion entraînera l3 rotation de 1:'1 fnce périphérique 79 de 17- b<gu4 71 dans 1: sens opposé à celui du mouvulflcnt de In fnce périphérique 57a de 1 bague 57, ,)is à la nlûmo vitesse. La bague 71 est refroidie par une circulation d'eau do la mieric, nililibro que celle qui a été décrite à propos de la bague 57. Les étriers 54 et 55 présentent chacun un bras prolongé 54a et 55a res-
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pcetivec:nt comme on l'a représenté. Une tige 80, dont la partie inférieure supporte une plaque 80a, est fixée à chacun de ces bras.
Des poids rainures 81 reposent sur les plaques 80 et peuvent être réglés de telle façon qu'ils équilibrent le poids des étriers 54 et 55, des bagues 57 et 71 et de leurs engrenages sous une charge réglée d'une façon positive.
La largeur de la face périphérique 79 de la bngue 71 et de la face périphérique 57a de la bague 57 est convena- blement choisie dons chaque cas d'après In largeur de la pel- licule métallique que l'on désire obtenir. L'épaisseur de ces faces cylindriques et la matière dont elles sont faites (par
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exemple acier, fonte, cuivre ou autres métaux fortement con- ducteurs au point de vue thermique) sont choisies et détermi- nées de telle manière qu'une quantité déterminée de chaleur soit enlevée des pelliculles des divers métaux ou substances fondus de diverses épaisseurs qui doivent être formées sur lesdites faces et portées par olles pour réaliser des longueurs de contact réglables et déterminées par les facteurs qui ont été indiqués ci-dessus.
Comme on l'a antérieurement indiqué, l'état de la surface des parties 79 et 57a précitées peut être choisi de telle façon qu'il influe d'une façon appropriée sur la vitesse de transmission calorifique à partir de la pellicule de métal fondu, suivant les résultats que l'on dési- re obtenir dans n'importe quel cris déterminé. Le diamètre des bagues 57 et 71 est choisi suffisamment grand pour que la chaleur transmise à n'importe quelle portion des faces 57a et 79 soit dissipée à partir de cette portion par le système de refroidissement avant que la portion en question reçoive de nouveau du métal fondu.
Un récipient 82 est placé au-dessus de la.sorte de poche formée entre les bagues 57 et 71, ce récipient étant porté par des supports 83 faisant partie du bâti 51. Ce réci- pient est destiné à recevoir du métal fondu ou une autre substance fondue provenant d'un four de fusion ou d'une poche non représenté; ce récipient est destiné à maintenir une ali- mentation en matière fondue pour le fonctionnement de la ma- chine., Il peut comporter un clapet 84 actionna par un col de cygne ot levier de commande de construction connue, ce qui permet d'ouvrir et de fermer l'orifice de coulée ou tuyère 85.
Ainsi, un courant continu de matière fondue peut être évacué par la tuyère 25 ou bicn des quantités de métal fondu susceptibles d'être réglées successivement peuvent être déchargées d'une façon intermittente.
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Sous 10 récipient 82,on a prévu une pièce coulée 86 formant chambre de distribution ayant la forme d'un canal rectangulaire femme. Cette chambre est plus large que les faces des bagues 57 et 71 ct elle comporte deux faces dispo- sées on regard de cas bagues et qui sont usinées d'une façon complémentaire par rapport aux faces des bagues en question.
Une fonte est prévue au milieu de la chambre 86, cette, fonte correspondant à une largeur maximum de la pellicule qui loit être formée par la machine, mais étant plue étroito que la largeur des faces 57a et 59, de façon que les bords de la fente laissent une surface suffisante porter contre les fa- ces des bagues pour assurer un joint parfaitement étanche à l'air entre la pièce 86 et les faces des bagues précitées lorsque ces bagues tournent, Grâce à cette disposition, on forme une ouverture de dimensions déterminées entre les faces des bagues précitées 4 l'endroit de leurs points de contact.
Des parties latérales rainurées ou échancrées 87 sont prévues dans la pièce moulée 86, ces parties latérales servant à enfermer ou à ret,nir en place une garniture laté- rale, ce qui a pour effet de former encore d'une façon étan- che les bords des baguas 57 et 71. A l'intérieur de la pièce moulée 86 est prévue une pièce coulée 88 à noyau et qui forme une chambre rectangulaire présentant deux fentes 89 et 90 de longueur ut de largeur choisies.
Le courant de métal 91 sortant de la tuyère 85 s'écoule à travers la chambre rectangulaire qui est de pré- férencc. revêtue de matière réfractaire; ce courant se divise en deux courants égaux qui sont évacués par les fentes pré- citées 89 et 90. Chacun de ces deux courants vient en con- tact avec une des faces 57a ou 79, se conforme de lui-même à ladite surface et est porté par elle sous la forme d'une pel- licule distincte 92 ou 93 dont les dimensions correspondent
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aux fentes d'alimentation 89 et 90.
Les deux pellicules ou couches se déplacent à la même vitesse sur une longueur déter- minée de contact avec les faces cylindriques refroidissantes, cette longueur ayant été antérieurement calculée et étant alors obtenue par réglage approprié des positions des fentes d'alimentation 89 et 90, de ,telle façon que la quantité de chaleur nécessaire soit enlevée dos pellicules ou couches au /-Parcourue.
moment où la longueur prédéterminée a été Lors- qu'on atteint ce point, les doux pellicules distinctes sont amenées à s'agréger ou se réunir l'une à l'autre pour former une pellicule ou bande unique recombinée 94. Ce résultat pout être obtenu par réglage de l'espacement entre les faces 57a et 79 des bagues de façon que cet espacement soit égal à l'épaisseur totale dos doux pellicules. Le déplacement ulté- rieur de la pellicule réunie se fait le long d'une ligne droite verticale, comme on le voit sur la fig. 8.
La pellicule 94 se déplace dans la direction in- diquée à travers une chambre ou canal inférieur 94a où elle est absolument à l'abri du contact avec l'air et où elle ne frotte pas contre les parois dudit canal';' en conséquence, elle attaque souà une forme non brisée, non divisée et non oxydée l'ouverture d'alimentation d'un moule ou d'une matrice 95 pour venir frapper le contour des cavités ou empreintes 96 de ce moule ou de cette matrice et pour se conformer d'el- le-même, sous l'action de sa vitesse de déplacement, au con- tour desdites cavités ou empreintes.
Un tuyau 97 aboutit à l'espace 98 pour aspirer l'air contenu dans cet espace afin d'exécuter toute l'opération sous vide ou pour faire circuler ou introduire des gaz de différentes compositions dans l'espa- ce en question lorsqu'on désire agir dans une atmosphère spé- ciale pour développer une réaction chimique désirée avec la pellicule ou les pollicules de métal fondu.
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Bien que le moule ou la matrice 95 puisse être de toutes forme et construction convenables, on a représenté sur le dessin un moule ou une matrice faite en deux parties, chacune d'elles étant reliée par une tige 99 à un piston 100 à commande pneumatique ou hydraulique. La matrice comporte des plaques-noyaux 101 et des plaques d'éjection 102 Il ost à cependant que d'autres types de coules on. de ma- trices peuvent être utilisés avec la machine décrite, par exemple des lingotières, des moules à sable ou des moules con- tinus.
La machine représentée sur la fig. 8 peut être établie à des dimensions et avec une capacité telles qu'une pellicule épaisse obtenue par réunion soit formée, rofroidie et diri- gée à une vitesse relativement faible dans un moule, ou bien ladite machine peut être établie à des dimensions telles qu'elle résiste aux fortes vitesses périphériques des faces cylindriques pour former deux pellicules extrêmement minces centième de l'ordre d'un de milimètre d'épaisseir et pour Entraîner la pellicule formée par réunion des deux pellicu- les précitées, dans des cavités de matrice ou de moule sans qu'il y ait, sous l'effet du frottement, perte de vitesse,
les vitesses ainsi obtenues étant des vitesses qui n'ont pas pu jusqu'ici être réalisées dans les machines actuelles de coulée sous pression. Les produits coulés sous pression ou autres produits sont en outre caractérisés par le fait que toute leur masse présente la nouvelle structure primaire désirable qui a été décrite ci-dessus.
Sur la fig. 9, on a représenté un mode do réali- sntion modifié d'un appareil qui, à certains égards, est d'une façon générale analogue à l'appareil de la fig. 8 et qui est destiné à former d'une façon intermittente à partir d'un courant unique de matière fondue une succession de produits moulés ou coulés sous pression. Sur ladite fig. 9,
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la référence 117 désigne un récipient pour le métal fondu on autre matière fondue, ce récipient pouvant être fait en toute matière convenable susceptible de résister à la température de la substance fondue 118 qu'il contient.
Ce récipient 117 est muni d'un couvercle 119 ayant, d'un coté, une ou- verture de chargement 120 au moyen de laquelle) du métal fon-
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du :9(.1;::; être introduit dans le récipient à partir ù t 1'..;'1 four de f@sion, d'une poche ou d'un autre appareil analogue non représenté ou au moyen de laquelle du métal peut être intro- duit à l'état solide.
Il est à remarquer que le récipient 117 est entou- ré par uno pièce moulée 121 placée à une certaine distance du récipient 117 et ayant une forme générale analogue à celle du récipient lui-même; on forme ainsi une chambre 122 entre 10 récipient 117 et la pièce moulée 121. Dca gaz chauds peu- vent circuler dans cette chambre dans le but de main- tenir la matière contenue dans le récipient à l'état fondu ou dans le but de fondre cette matière si c'est une matière à faible point de fusion telle que le plomb, le zinc, l'alu- minium ou leurs alliages.
Cotte fusion ou ce maintien à l'état de fusion peut être obtenu au moyen d'un ou de plu- sieurs brûleurs 123 de tout type convenable, brûleurs qui sorit alimentés par du gaz ou par tout autre combustible con- venable dans le but de maintenir la chambre 122 remplie de gaz chauds de combustion, un carneau de sortie étant prévu en 14.
Au fond du récipient 117 est prévue une ouverture 125 dans laquelle est placé un tube de déchargement 126 dont le pansage s'évase vers l'extrémité supérieure en 129 pour former un siège pour la partie inférieure du clapet 129. Ce- lui-ci est fixé à une plaque 130 et descend à partir de cette plaque qui est supportée par une pièce verticale 131,laquel- le est associée à la pièce coulée 121 de telle manière- que
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les pièces 130 et 131, et par conspuent le clapet, puissent être soulevées et abaissées dans le but d'ouvrir et .de fermer respectivement l'orifice prévu nu fond du récipient.
Le sou- lèvement et l'abaissement posent être réalisés de toute' manière convenable, par exemple par l'utilisation, d'une tige 132 fixée à une extrémité à la plaque 130 et agissant dans un cylindre à piston,dans un dash-pet ou dans un solénotde 133.
La pièce moulée 121 fait partie, comme on l'a indiqué, de la pièce coulée principale 134 sur laquelle l'appareil est monté.
A partir de la portion inférieure de la pièce mou- lée 121 s'étend vers le bas une pièce coulée tubulaire 135 légèrement arquée; cette pièce comporte une paroi latérale continue 136 et une paroi latérale discontinue 137, les sur- faces interrompues de cette dernière étant formées suivant un arc de cercle et formant ainsi des surface de support dans un but qui sera indiqué par la suite, ces surfaces de support étant maintenues lubrifiées de toute manière convenable.
A l'extrémité inférieure de cette pièce moulée @r quée 135 est associé un moule ou une matrice convenable 138 qui peut être de toute forme désirée convenable, ce moule (ou cette matrice)ne faisant pas en lui-même partie de l'inven- tion. Ledit moule (ou ladite matrice) est formé en deux par- ties présentant les rainures ou les contours désirés à l'in- térieur de façon que lorsque los deux parties sont assemblées, les rainures ou évidements en question définissent la forme du produit à fabriquer,
Sur la pièce moulée principale 135 est monté un cy- lindre 139 relativement grand, ce cylindre étant muni de re- bords circulaires 140. Ce cylindre est entraîné par un arbre excentré 141 muni d'une poulie 141a.
Une roue à pignon ou un disque 142 de faibles dimensions est muni d'une poulie 143 et est entraîné par courroie au chaîne 144. Du fait de cette disposition, le cylindre 139 peut osciller autour de l'arbre
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141 pour venir dans la position indiquée on pointillés en 139a. La pièce 142 en même temps se déplace jusqu'à la position indiquée en pointillés en 142a. Dans ces positions, la machine est inopérante, mais elle peut être facilement mise on action de nouveau si l'on ramené les divers organes à leur position indiquée en traita pleins.
Dans les positions représentées en pointillé, des réparations ou des réglages peuvent être faits si cela est nécessaire ou bien encore la machine peut simple- ment rester au repos,,
Un cylindre 145 dans lequel agit un piston muni d'u- ne tige 146 ser à déplacer le disque 142 jusqu'à la position 142a et vice-versa. Pour chaque position du disque 142, le cylindre à rebords 139 n une position correspondante.
Un galet, une roue dentée ou un organe analogue 147'est prévu à l'extrémité de la tige de piston 146 pour permettre la comman- de, Puisque l'appareil fonctionne d'une façon intermittente ou discontinue, il est avantageux que le disque 142 et le oy- lindre à rebords 139 soient à la position de repos à partir de laquelle ils peuvent être rapidement et facilement ramenés à la position de travail lorsque la matière 118 s'écoule à tra- vers l'appareil pour produire une pellicule ou couche 147.
Lorsque l'apparcil représenté sur la fig., 9 fonction- ne, de la matière fondue est chargée dans le récipient 117 et la température de cette matière est maintenue suffisamment élevée pour qu'elle reste à l'état fondu, Le cylindre à re- bords 139 est alors déplacé dans la position indiquée en traits pleins, position dans laquelle ce cylindre ferme la partie discontinue 137 de ln pièce moulée 135; le cylindre tourne alors en sens inverse des aiguilles d'une montre à une vitesse convenable.
A ce moment, le clapet 129 est soulevé pen- dant une période de temps suffisante pour permettre à une quan- tité suffisante de matière fondue d'être déchargée par le tube
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126 pour remplir le moule ou la matrice 138, cotte quantité étant déjà connue ou ayant été calculée antérieurement, comme il est facile do le comprendre d'après la description qui a été donnée à propos de la fig. 8. Le clapet est ensuite abaissé pour fermer l'orifice après que la quantité désirée de matière fondue a été déchargée.
Lorsque la matière fon- due abandonne le tube 126, elle est interceptée par la surfn- ce métallique du cylindre à rebords 139 et elle subit immédia- tement une accélération pour prendre ln vitesso de ce cylin- dre. pendant ce temps, le métal prend une forme analogue à une pellicule et devient plastique ou semi-solide à un degré suffisant pour qu'il puisse être nettement et proprement sé- paré du cylindre comme on l'a représenté et pour qu'il puisse se déplacer à la vitesse qu'il a acquise et dans la direction qu'il a prise jusqu'aux cavités du moule ou de la matrice où, sous l'action de sa force de choc, un produit moulé ou coulé sous pression est formé, produit qui ait la structure primai- re refroidie et solidifiée et à composition uniforme telle qu'olle a été décrite précédemment.
Comme on l'a expliqué précédemment, on outre, la durée de contact du métal et du cylindre est déterminée à l'avance pour obtenir l'état requis du métal. Après le temps nécessaire désiré, le moule est ou- vert ot le produit est enlevé de ce moule, ce produit ayant des propriétés et des caractéristiques au moins égales à cel- les des produits obtenus par certains procédés ordinaires ot, dans beaucoup de cas, il a dos qualités qui dépassent celles des produits antérieurs.
Il a été indiqué précédemment que l' appareil des fig. 1 et 2 pouvait être utilisé pour la fabrication de pou- dres à pnrtir de la matière primitive. Il ust évident que cela est également vrai de l'appareil représenté sur les au-
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tres figures; pour ce dernier, il est simplement nécessaire d'éviter l'action de choc grâce à laquelle los particules sous- refroidies adhèrent les unes aux autres et de permettre aux dites particules de se déplacer sur une distance telle qu'el- les se solidifient individuellement pour former la poudre désirée constituée par do petites particules solides.
Les moules représentés sur le dessin peuvent être remplaces par des récipients convenables places dans une position telle qu'ils reçoivent et qu'ils recueillent la poudre en question.
Dans les divers modes de réalisation d'appareils représentés sur le dessin, on a montré des moules qui sont susceptibles de donner des produits coulés individuels de forme prédéterminée. Toutefois, il doit être entendu qu'on peut utiliser des moules à partir desquels le produit est enlevé d'une façon continue, par exemple.des moules ouverts nux extrémités peuvent être prévus pour la formation de ti- ges, de barres ou objets analogues, moules dans lesquels le produit est continuellement formé, à une extrémité, à partis de particules se choquant et est évacué à l'autre extrémité suivant une longueur continue du produit, par des rouleaux, galets ou autres organes analogues.
En outre, un dispositif susceptible de soumettre le courant de particules sous-refroidies à des forces de façonnage convenables à l'intérieur du moule peut être prévu, grâce à duoi des produits creux tels que des tubes peuvent être obtenus. Par exemple, un mandrin rotatif peut être placé au centre du moule tubulaire ouvert aux extrémi- tés et le courant de particules sous-refroidies peut être projeté dans le moule au voisinage de sa partie latérale, Le courant de particules est en conséquence conformé et consolidé lorsque le mandrin tourne pour se transformer en une pièce tubulaire correspondant à la partie annulaire pré-
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vue entre le moule et le mandrin; une longueur continue de tube peut être évacuée par, l'extrémité ouverte du moule.
Ce tube a une structure cristalline analogue à celle des pro- duits auxquels il a été fait allusion ci-dessus.
Il est évident que de nombreuses autres modifica- tions pourraient être apportées aux dispositifs décrits et représentés sans que l'économie générale de l'invention s'en trouve pour cela altérée.
REVENDICATIONS
1. Appareil pour la fabrication de produits à partir de matière fondue,appareil caractérisé par le fait qu'il comporte : un dispositif pour former une pellicule mince de matière fondue ; un dispositif pour sous-refroidir cette matière jusqu'à une température prédéterminée infé- rieure au point de solidification de la matière; enfin un dispositif pour soumettre cette matière à des effets de choc dans le but d'obtenir des produits individuels de forme dé- terminée.
2. Appareil tel que celui revendiqué sous 1 et caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif pour communiquer une certaine vitesse à la pellicule précitée afin qu'elle forme des particules de la matière sous-refroi- die précitée et un dispositif pour soumettre à des effets de choc les particules en question dans le but de former le produit considéré.
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DESCRIPTIVE MEMORY filed in support of an application for a PATENT OF INVENTION "Improvements to devices for the manufacture of products from molten material".
The present invention relates to the manufacture of products derived from metallic or non-metallic molten material,
The invention relates to the formation of metallic and non-metallic products of various kinds from materials subjected to controlled cooling or which are in the plastic state, but not in their normal molten state,
The invention also relates to the training
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such products having a fine, uniform and homogeneous primary crystal structure.
Most of the metal products obtained so far have come from molten metal which had been poured into an ingot mold, a sand casting mold, a die or between forming rolls while this metal was in the air. liquid state.
T, when the temperature decreased, the metal melted. solid state, the solid crystals forming first against the walls of the die mold or cylinders and propagating towards the inner part of the product, through the still liquid core, which gave the cast product a structure having three distinct zones having different characteristics, namely:
1 / an envelope or layer solidified at the periphery of the product, this layer being formed of small non-oriented crystals (that is to say, arranged at random) and similar to threads or veins; the physical properties of this solidified and cooled layer are generally much better than those of other parts of the product and of the finished product after mechanical work;
this is due to the fact that its chemical composition is homogeneous, free from separation or segregation and corresponds exactly to the composition of the molten metal, the latter being homogeneous in the furnace or in the ladle;
2 / a layer of long, column-shaped crystals (also called needles) oriented along the crystal growth axis which is opposite to the direction of heat flow;
3 / a central zone of large crystals with equidistant axes.
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This heterogeneous crystal structure is further characterized by a selective separation of the constituents of the alloy and of the impurities, by gas occlusions, by shrinkages, by cavities of various kinds as well as by other phenomena known as general name of "ingotism". This ingotism is mainly due to the heterogeneous crystal structure exhibited by all the metal products obtained so far in industry.
This common method of manufacturing metal products has a decisive influence on the physical and other properties and characteristics of industrial products either when they are cast or when they are mechanically worked, for example after forging, rolling, extrusion. or mechanical training, or when they have been thermally treated. It is generally accepted that this is due to the fact that the structure of the final product (or secondary structure) still retains some of the characteristics of its heterogeneous primitive crystal formation at the time of solidification of the molten metal or is affected. by some of these characteristics, which has the effect of preventing obtaining the optimum theoretical properties.
The aim of metallurgy for years has been to obtain in metal products a truly homogeneous and uniform crystalline structure and to search for safe procedures to obtain this structure.
Various recent researches in the crystallization of metals have shown that the unoriented crystal structure of the solidified layer of an ingot is due to the severe cooling (or sub-cooling) resulting from the contact of the molten material with the cold walls of the mold. , contact which practically creates a spontaneous crystallization free from any segregation or separation in the
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solidified layer in question; this crystallization, or solidification, causes the change of the oriented crystalline structure to an unoriented crystalline structure @ streaks or veins.
The cross section of the crystals in the solidified layer decreases as the rate of crystallization increases. In general, the primary structure of any metal is controlled by the following two factors: a) the number of crystal nuclei per unit of weight and time at a determined temperature; b) the rate of crystallization which depends on the rate of dissipation of the latent heat of fusion.
The term "subcooling" used above indicates a condition which arises when, at the defined temperature close to the point of crystallization or below this point, the equilibrium conditions are not reached, that is to say when the solid phase does not appear. Thus the metal is in a meta-stable state.
Research into subcooling of metals and alloys has shown that this condition can occur for some metals subcooled to temperatures ranging from 0.1 to 0.3; for other metals such as gold, copper, bismuth, antimony, lead, tin and a number of subcooled alloys these temperatures can reach 30 to 45; thus all metals and alloys can be placed in a subcooled state in which they largely retain the mobility of a liquid, although some of the solid phase may be precipitated; in this state, metals and allinges can flow into molds or dies and take their shape on their own.
To make clear the distinction between the molten state and the subcooled state above stated, we can say
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that the molten state is that in which the molten metal or alloy is liquid and able to flow freely by gravity; its total heat is the quantity of heat necessary to bring it to its melting point, plus the quantity of heat necessary which corresponds to '- the heat of fusion, plus the quantity of additional chrileur used as superheating in industrial treatments, superheating which can range from a small number of degrees up to 100 and 150 in the case of steel, special steel or other metals or alloys with a high melting point.
The state of sub-cooling applied to metals or alloys, a state which it is proposed to establish and control, is a condition which results from the treatment of molten metal or alloy such as the latter is produced in industrial furnaces. current, in order to remove from this metal or alloy all of its superheat of fusion and all of its latent heat of fusion or most of its latent heat, in order to bring its temperature to either in the vicinity of its crystallization point, either slightly below for metals or alloys having a sufficiently large plasticity scale before the metal or alloy treated is introduced, forced or pushed into a mold or into a die or cyentre linders at a determined speed.
This subcooled metal or alloy introduced into molds or dies or between rollers in this state still has a lot of the mobility of a liquid and, under the action of the speed at which it is pushed, it will easily shape. of itself around molds or dies. The metl in question is further characterized by the fact that each of its smaller component particles already has a crystal nucleus which extends to some or all of each particle depending on the size of the solid phase which has. been rushed
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and therefore depending on the degree of soun-cooling.
These sub-cooled particles entrained in a stream, in a mold or in a die will simultaneously conform to the contour of the mold or the die to fill it or it and will crystallize in practice spontaneously from an infinite number of. nucleus :: crystalline throughout the mass of the product formed, which will create in said product a crystalline structure made up of very small non-oriented crystals (that is to say arranged at random) and similar to threads or veins, crystals which are distributed homogeneously and uniformly throughout the full extent of the solid metal product; this structure is completely different from the primary structure described above for the previous molten metals or alloys.
It follows from the above indicated researches made by various scholars that if a metal or alloy can be introduced or forced into a mold or die or between forming rolls while being subcooled, in such a way that it may the maximum number of crystal nuclei per unit weight and at a temperature such that its latent heat of fusion has been partially or totally removed, this% and, -it or alloy, when it flows and conforms to it even in the mold or in the matrix will crystallize spontaneously through the whole mass of the finished product in a manner analogous to a. what occurs in the spontaneous crystallization of the cooled and solidified layer of an ingot,
which has the effect of giving the whole mass of the product the same crystalline structure formed of small unoriented crystals similar to threads or veins and also of giving said product the optimum physical properties.
The Applicant observed the following:
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If a drop of liquid, either water, or oil, or molten metal, falls on a surface, moving rapidly, a substance which is wetted by the liquid, each portion of the liquid drop, when it comes into contact with the rapidly moving surface, wets the surface and adheres thereto; it elongates and is carried by the surface in question so that it forms a drag or an elongated film of uniform thickness and having two more or less parabolic ends, the shape, the width, the length and the thickness of this film or drag being determined by the relative speed of the falling drop and of the moving surface.
Further, in the case of a drop of molten metal, the elongation of that drop and its crystallization or solidification into a solid film or strip are substantially simultaneous. The process used to achieve the subcooling is taken from the foregoing observation, but instead of a drop of liquid being used it is a stream of molten metal such as it is obtained in industrial furnaces.
A stream of molten metal flowing over a rapidly moving surface, a surface which must be wetted by said metal, gives rise to certain determined phenomena, When such a stream of molten metal or any other molten substance occurs. flowing from a taphole or a pouring nozzle at normal pouring temperatures which are used industrially and at a certain speed (determined by the height of the metal in the vessel, ladle or in the furnace which contains it. contains or determined by mechanical pumps or valves which push said current out of the container), is intercepted by a solid metallic or non-metallic surface, colder.
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own of,
free of moisture and moving at a uniform velocity greater than the flow velocity of molten metal, a continuous contact surface is created where the liquid and freely moving metal instantly conforms to itself with solid moving surface. This is referred to herein as the wetting action. Under these conditions, the molten or liquid metal is instantaneously and continuously removed from the main part of the liquid stream, being pushed from below said stream in the form of a layer which adheres to the moving surface.
This layer levels itself at the hydrostatic point of view as it is carried across the stream of molten metal; said layer carries by itself as much molten metal or substance as it can attract under the action of its intrinsic forces of atomic attraction and molecular cohesion. Thus is formed from the stream of molten metal a film or continuous layer of uniform section and thickness: layer which adheres to the mobile solid surface and which is carried by it, surface to which the film or layer gives off heat from the moment contact is established with it.
The cross section of this layer of molten metal is regulated and determined directly by the following relation: area of the cross section of the layer multiplied by the speed of the movable metal surface which carries it = cross section of the stream of molten metal multiplied by its flow speed. for example, if a stream of molten metal exits a rectangular slit (exit end of a nozzle, for example) 5 cm wide by 1 cm thick at a speed of 0 m, 60 per second, flows and settles on a moving metal surface. a speed of 15 meters per -
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second (ie twenty-five times faster), the layer of molten metal will have a section determined as follows:
EMI9.1
5 x -25 x 060 Ocm 2 25 and * the layer thickness will be cm2
EMI9.2
Q .... 1.è? - = Ocra 05
All metals, alloys and molten substances, when they are in a liquid state and freely mobile (with the exception of certain substances or metals which have a very high surface tension such as mercury), will wet a metal surface. clean, drier and cooler and will adhere to that surface; they will thus be able to undergo an acceleration in order to be brought at the speed and in the direction of the movement of the metal surface in the above-indicated form of a layer or film. The adhesive force considered is of considerable value because the wetting between the molten metal and the movable metal surface prevents the presence of air or gas between the molten metal and said film.
In addition, the perfect contact due to this wetting given full freedom to the force of interatomic attraction to be exerted between the metal of the moving surface and the molten metal or alloy used, This force also has a very high value per square centimeter ,
The above two factors, whether there are others or not, can easily be taken into account to consider that the movable metal section and the film of molten metal adhering to it act as a single composite section. moving at the same speed and in the same direction until the layer or film of molten metal has ceased to adhere completely as a result of the contraction due to solidification.
Even after this loss of adhesion, the now solidified layer or film retains speed and direction
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primitives which have been communicated to it by the mobile metal surface.
Although the molten metal layer still adheres to the moving surface and is carried by it in intimate contact with said surface, at the speed of that surface and in its direction of movement, i.e. as forming in makes a single b-metallic section, the heat exchange through the entire thickness of the molten metal layer and the moving solid surface is directly proportional to their respective thermal conductivities, to the transmission of heat from one to the other and the duration of their contact. These coefficients of thermal conductivity are known properties of metals, alloys and many other substances.
It is therefore possible to mathematically determine and establish the elements of the manufacturing machines, so that any given cooling is carried out exactly and in such a way that the. amount of heat removed from the molten metal or substance in a layer or film.
From the foregoing, it is seen that any determined amount of heat can be removed from any molten metal or film either to cool it slightly, or to sub-cool it to any desired degree, or again to solidify it completely so that the film can be used continuously when it reaches the desired temperature or subcooling state. This state, as has been indicated, results from the determined time and length of contact with the moving surface; the fully formed film or layer is continuously separated from the movable cooling surface at a precisely determined point after this layer has been over a determined length by
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contact with the surface in question.
When the layer or film is removed, it is directed continuously towards a mold (or a die) into which it is introduced and which is intended to receive it.
In what follows, it will be shown how such results can be achieved in accordance with the present invention.
When the metal film should be subjected to a. reduced cooling (for example, when it is to be directed to complicated dies and struck at high speed for die casting), a movable metal surface made of a metal having relatively low conductivity, such as steel, is used; this surface may be oxidized, painted or coated with a non-metallic substance to further reduce its decreased thermal conductivity and for the interatomic strength of adhesion of the layer of molten metal to said surface while the action is taking place. mooring.
The extent and duration of the contact between the layer or film and the moving surface is controlled to ensure the removal of the exact amount of heat desired. Immediately when. this operation is accomplished, the direction of the moving surface is abruptly and continuously changed.
This forces the film to separate from the movable surface at the point indicated above and to maintain, during its movement, the original speed and direction of the movement communicated to it. In this state, it passes directly into the feed orifice of the die and strikes the cavity of this die at high speed,
When the layer or film is to be sub-cooled to a state such that it has the maximum number of crystal nuclei and its latent heat of fusion
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either for the most part or completely removed, a clean and dry metal surface is used to ensure adhesion,
perfect wetting and contact of the metal film and to quickly remove the amount of heat from the film in question. The exact amount of whining to be removed from the metal film or layer to bring it to the above indicated state of subcooling is calculated and determined mathematically; the same is true of the exact length of contact with the. movable metal surface.
Taking into consideration all the necessary factors, the machine is set up in such a way that the moving surface forms the metal layer to the exact length required and carries this layer, so that immediately after, the direction of movement of the moving surface is changed abruptly and continuously to create a sufficient force intended to separate the metallic layer and the moving surface and to maintain the metallic layer, during its displacement, in the direction and speed which it has acquired, in the purpose of filling the mold or die or so that the film is forced to move without being supported in the same direction and at the same speed after it has dropped. support surface.
Alternatively, the sub-cooled metal layer can be lifted or otherwise separated from the cooling surface by a mechanical device and directed towards the mold or the die. The layer or film may also be combined and secured with another sub-cooled layer or film formed in a similar fashion, the composite layer being forced to continue to move in the direction and speed acquired, in order to fill. molds or dies.
These results can easily be obtained since, as noted,
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when the metal layer reaches the above-indicated subcooling state, in which the solid phase is partially or totally precipitated, the adhesion force to the moving metal surface is proportionally so reduced that the The layer separates practically by itself from the surface, and a change in direction of this surface results in a smooth and complete separation. It should be noted that this layer or film still has the original homogeneous composition of the molten metal without segregation.
Only heat has been removed from this molten metal to create this subcooling state. There is a uniform distribution of crystal nuclei throughout the mass and no change whatsoever has been made or has occurred in its original chemical composition as a result of the lack of contact with other elements or the action of these other elements likely to react chemically with the layer considered. Consequently, the products formed from this layer when it fills molds or matrices and spontaneously crystallizes will have all the advantages the homogeneous original chemical composition of the molten metal combined with a uniform crystal structure free from segregation.
The above-described formation of the stream of metal or other molten substance transformed into a film or thin layer, the sub-cooling of this layer and the impact thereof in the molds or dies without any contact with air. or gases or. without contamination by this air or these gases present extremely important industrial advantages which have been sought for a long time, but which had hitherto never been obtained to the knowledge of the applicant.
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The operations can be carried out very quickly and are directly applicable to the treatment of the material leaving current melting furnaces at the speed at which the molten metal produced can be disposed of, which makes it possible to maintain the controlled composition and fluidity of said metal.
For example, the nominal current coming from a ladle containing steel as it is currently cast in large-sized ingot molds at speeds varying from 500 to 1500 kg per minute can, as indicated above. above, to be transformed into a film and to be subcooled to a constant and determined temperature before this film is directed into the molds. The required equipment is relatively simple and inexpensive, and consumes insignificant amount of power. In many cases, the overall operation represents real savings, as the heat from the molten metal film can be easily recovered.
The present invention differs from previous processes which involved the continuous melting of wires or the like in an oxyacetylene or oxyhydrogen flame and the atomization of this product by a current of air under high pressure. The invention is also distinguished from methods in which a small stream of metal at low temperature is atomized by a stream of air or gas under high pressure and is directed to a receiving plate or die.
Neither of these processes allows molten metals from large industrial furnaces to be used at the usual speed available for these metals. In addition, the quantity of air or gas under high pressure which is necessary for atomization is very expensive per kilog of atomized metal; moreover, the metal
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and a thickness thus atomized is inevitably oxidized or chemically contaminated. This results in such deterioration or deterioration that the resulting solid atomized product or coating has no real resemblance in its appearance or in its properties to the solid wire or liquid metal from which it originated. been obtained.
According to the characteristics of the invention, it is not difficult in industrial applications to produce the movable metal surface of a metal such and having a length that the temperature of the movable metal section used for cooling does not exceed a temperature. of about 260 or any sufficiently high temperature which may cause distortion, distortion or deterioration of the surface of the cooling metal used. In this regard, the control factors or desiderata are likely to be determined in a precise manner or to be calculated mathematically in an exact manner.
Further, since only a limited and defined length of this cooling metal section comes into contact with a molten metal film having a selected desired thickness, this cooling section can be cooled continuously by air, water or gas. water, mercury or some other cooling medium after the metal film has been separated from this section and can thus be returned to its original temperature before it receives again molten metal.
In this way, constant temperature conditions are ensured for cooling the molten metal stream and a truly continuous operation is achieved.
Most metals and alloys. the molten state contains dissolved or occluded gases which are released when the solid phase precipitates and the metal solidifies
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in a mold. Some of these gases are trapped within the solidified metal products in the form of gas bubbles or pockets which are extremely harmful.
In accordance with the invention, all or substantially all of these gases are free to escape, as they are released and removed while the metal film which adheres to the moving surface cools rapidly. to precipitate before the sub-cooled film is directed into a mold or die, the products formed from this sub-cooled metal or alloy are gas-free.
When the stream of molten metal from a pocha or furnace is sub-cooled before it is directed into a mold, spontaneous crystallization can be caused throughout the mass of the molded product, constituting a effective means of determining from the physical point of view, in the solid product formed, a uniform dimension of the grains, Certain variations can be obtained in the section of the uniform crystals formed if one varies and if one regulates the extent and temperature of subcooling.
All of the foregoing applies equally effectively to non-metallic or organic substances in the molten state such as molten glass, molten rock and the like, the invention not being limited in any way to metals. alloys.
The present invention makes it possible to obtain and industrially use the novel and special primary crystal structure which is given to metal products according to said invention. This new primary structure which has a high resistance and which has improved physical properties is obtained without labor
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mechanical or without heat treatment; it is characterized by small unoriented crystals (that is to say, arranged at random), similar to threads or veins, of substantially identical cross section and size and distributed in a homogeneous and uniform manner through all]., and mass and into each part of the solid product.
The invention also makes it possible to ensure chemical uniformity throughout the mass of the product and to obtain improved physical properties devoid of any orientation effect; these qualities are due to. fact that the invention makes it possible to avoid the faults generally inherent in a primary ingot or in a molded part, faults such as; suparation or segregation, non-uniform chemical composition, concentration of impurities and soils bordering on columnar crystals, formation of cavities or passageways, gas occlusions and the like and also lines of flow that is formed as a result of mechanical work and the crushing of large crystals.
This new special primary structure retains most of the characteristics indicated above after mechanical work tol rolling, forging and extrusion and (or) after heat treatment, this new structure lending itself more easily than the structure of previous products. to these operations by virtue of its uniformity and giving the product thus worked or treated a distinctive structure different from that of similar products originating from an ingot or other molten metal cast in the usual way.
In addition, the cooling and solidifying effect due to the walls of the mold (occurring when molten metal is poured into a mold), the formation of the subsequent cooled and solidified layer and the distinct zones of crystallization are suppressed in the products.
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made from sub-cooled metal or alloy.
The invention also makes it possible to obtain a novel crystal structure in alloys and more particularly in alloys with a high content of alloying components such as, for example, high-speed tool steel and steel. stainless. In these alloys, as cast and in the molten state either for sand casting or in ingot molds, selective solidification of the component metals inevitably occurs within the columnar crystals and with equidistant axes which form.
When this takes place, this selective solidification gives the crystals a more heterogeneous chemical composition with segregation or separation of certain components and impurities at the edge of the crystals, which considerably reduces the particular inherent properties of these alloys, properties in particular. reasons for which their use has developed, such as resistance to corrosion, acids, abrasion, ability to harden and cut, as well as other physical properties.
By the effect of the sub-cooling of the molten alloy to the point where it crystallizes spontaneously through the entire mass of the solid product formed, sub-cooling which constitutes one of the essential characteristics of the present invention, the composition The homogeneous original of the alloy in the molten state is completely maintained in each of the small crystals formed and this composition is still maintained after mechanical work and heat treatment. This entirely new crystal structure, different from that of other products, greatly increases the known intrinsic properties of these alloys and widens the field of their applications.
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/ -Cooling By forcing a stream of molten metal to strike on a rapidly rotating cooled disc or plate and to evacuate said stream at the periphery out of contact with air or into a special atmosphere, the subcooled plastic film thus formed to break up into fine uniform particles of the same size, shape and composition, these particles moving unsupported in the same direction and at the same rate. same speed and colliding with each other in a mold,
If the mold is removed or if the particles are forced to move a greater distance or through a solid powder product, products of any desired composition are obtained which can be used in the metallurgy of the products. in powder and for other applications.
In order for the invention to be fully understood, 4 will now describe it with reference to the appended drawing in which:
Fig. 1 is a top plan view of a rotating atomizing disc and part of a stationary circular receiving mold;
Fig. 2 is a vertical section of the rotary atomizer and of the mold shown in FIG. 1, as well as the receptacle bringing the molten metal to the atomizing disc;
Fig. 3 is a vertical section through an inclined atomizing disc associated with a different mold which may be fixed or rotating and which is intended to receive the atomized particles in a spiral jet;
Fig, 4 is a section through a product obtained with the machine shown in fig. 3;
Fig. 5 is a vertical section of the atomizer disc shown in FIG. 1 and showing the jets or
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atomized metal rain in a rotating mold for shaped tools;
Fig, 6 is a cross section of a shaped tool formed of two layers of metal;
Fig. 7 is a cross section of a shaped tool formed from three layers of steel;
Fig. 8 is a vertical section with part in elevation of an apparatus for molding or pressure casting individual products from a split and recombined stream of molten metal or other molten material;
Fig. 9 is a vertical section, with part in elevation, of an apparatus similar to that shown in fig. 8, but in which the die-cast or die-cast product is obtained from a single stream of molten metal or other molten material.
If we refer to fig. 1 and 2, it can be seen that the molten metal 14 placed in the vessel 13 flows through a series of orifices 15, the number, size and shape of which influence the degree of subcooling desired. This molten metal comes into contact with a rotating disc 1 along a circumferential line 2 (fig, 1), this part of the disc already having. a considerable peripheral velocity which prevents the molten metal from adhering to the atomizing disc or from burning it, which would probably occur if the metal came into contact with the center of the disc.
The atomizer disc 1 is formed of two parts, an upper part 6 and a lower part 7 separated from each other so that there is formed between them a space 8 in which a cooling fluid such as water can to be lead to. The water or the cooling fluid is brought to the receiving space 8 by a pipe 9 arranged at
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the interior of a shaft 91 on which the disc is mounted and leaves the space 8 through a passage 92 provided in the shaft between the pipe, fixed 9 to water and the axial bore 93 of the shaft .
The flow of water maintains the atomizing disc at a substantially constant temperature by absorbing the heat which has been imparted to the disc by the molten metal.
The atomizer disc 1 can rotate in a ball bearing 10 and other suitable bearings (not shown) and is driven at a high rotational speed by a suitable device not shown which is associated with the shaft 91, The molten metal, falling on the rotating disc along the circular line 2 forms a film or layer which extends outwardly on the surface of the upper part 6 of the disc from line 2 to the periphery of the disc. ; the metal, in this layer or film state, loses heat on contact with the cooled surface of the disc and is sub-cooled.
The layer or film of metal thus sub-cooled, when it leaves the periphery of the disc, breaks up and turns into a fine shower of atomized particles which are carried at a high speed in a direction which precisely lies at 90 relative to the axis of rotation of the disc. The metal particles moving in the form of rain or jet and at a high speed enter the fixed circular mold 16 'through a circular slit 18 which lies exactly in the path of movement of the particles. These particles are solidified and are brought together by contact or shock with each other in the mold and they fill the cavity 4 of the mold.
In the embodiment shown in Figs, 1 and 2, the quantity of molten metal sufficient to fill the mold cavity is poured into the container 13.
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When all the molten metal has been atomized and spread by rain or spray, the upper part 16 of the mold 16 'is lifted to be separated from the lower part 17. The cast product, which may have the shape of a circular element forming a single piece or be in the form of two or more sections (three have been shown in Fig. 1), due to the fact that the separating pieces 5 are placed in the mold, is separated from the part 17.
The molding (for the sections thereof) may have a rib molded on the object, this rib corresponding to the feed slot, if excess metal has been poured; However, since the cast iron is only on the order of one hundredth of a millimeter or even less, this rib can be easily broken or cut and the sections can be straightened if necessary in straightening rolls. The plates 11 and 12 clamped on the parts 16 and 17 of the mold complete the closing of the space in which the disc rotates, the air not being admitted into this space during the casting of the molten metal.
From this basket, the atomized particles, as they are entrained at high speed in the form of a jet or a rain from the disc and towards the mold cavity, are not subjected to possible oxidation; moreover, preferably, the air which is in the vicinity of the disc is sucked by means of a pipe 19 so that the sub-cooling, the atomization and the shock or contact are carried out under vacuum.
If desired, hydrogen, a mixture of hydrogen and nitrogen, lighting gas or gas known in the United States as "blue gas" can be forced. in the space adjacent to the disc and in the mold cavity; such gases are advantageous for the metal which is divided into droplets and molded,
The subcooling of the metal, the size of the atomized particles and the speed at which the particles
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are driven can be adjusted at will.
The flow of molten metal from the vessel 13 depends on the number and area of the cross-sections of the orifices 15 and can be made, as to the size and number of outlet jets, so that 25 can be processed. at 50 kg of molten metal per minute. When using a rotating disc having an outer diameter of 30 cm., The molten metal can fall on the circular line 2 of the upper part 6, which circular line whose diameter can vary by 5 cm. to 25 cm., which has the effect of varying the time during which the film or layer of moving molten metal is in contact with the upper surface of the disc 1.
The temperature of the surface 6 of the disc can be controlled by varying the flow of water through the space 8 and it can be kept low or around 150. The speed of the rotating disc can vary in practice from 800 revolutions to 6000 revolutions per minute; the higher the speed, the thinner the film formed and the smaller the particle sizes of the molten metal sprayed or split from the disc and the greater the velocity and impact energy of these particles as well. .
By virtue of these various settings, the grain size of the metal produced can be determined and products with greater density and greater strength can be obtained than current industrial products.
Further, if the flow of molten metal from the vessel is reduced and the length of its travel over the surface of the disc is increased, the metal is sub-cooled, i.e. that it is cooled to a temperature below its solidification point and the film then breaks into particles already partly or entirely solid; these
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The particles, by virtue of their speed, unite with each other by impact or contact to form a solid but sppngioux product with uniform voids between the particles.
If, for example, the sub-cooled solid particles do not collide and shock each other at a short distance after they have left the spinning disk to form a solid product, but if they are allowed to move over a distance of several meters before they strike against the walls of the chamber, they do not collide with each other, but are collected in the form of powder.
Depending on the speed that is used and the degree of subcooling, these particles can be forced into granules of any desired weight, or be in the form of a fine metal powder, the former being suitable for use. for metallic fittings and the second for the manufacture of metallic paint or for 1 (use in the metallurgy of powder products. This shower of sub-cooled atomized particles, as shown in fig. 2, being obtained either in an airtight chamber or space, or under vacuum, or in a chamber filled with an inert gas, the granules or particles are not subjected to oxidation.
In addition, a special gas can be used, such as ammonia gas, which dissociates under the effect of the heat of the particles and, when using steel or another alloy capable of being nitrided, the granules or particles take on a hard, nitrided surface which is useful for various industrial applications.
The apparatus shown allows the treatment of low melting point metals or alloys, as well as
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high melting point metals or alloys; the flow, subcooling and automation conditions are adjusted to suit the various metals or alloys. It should further be noted that practically no part of molten metal is lost, for example in the upper parts of the cast products, in the parts containing sinkings or cavities or in the parts corresponding to the casting jets, parts which, in the solid products formed previously, had to be cut.
Fig. 3 shows a rotating atomizing disc used in connection with a billet or like product mold; but in this example the disc, instead of being placed at 90 with respect to the axis of the shaft which makes it rotate, is placed in a direction inclined with respect to this shaft, the importance of the inclination depending of the height of the billet or similar product which must be made in the mold 20,21, the mold of which the cavity is in plane perpendicular to the shaft. In this arrangement, the jet or the rain of metal when it leaves the rotating disc 1 moves in a straight line,
as indicated by the arrows. exactly 90 from the axis of rotation of the shaft to form the section of the billet or the like by uniform distribution of the particles in a helical path over the entire height or width of the product formed. The mold parts 20 and 21 are fixed or can rotate. low speed, The billets thus formed have satisfactory surfaces, have a uniform structure, are free; shrinkage or cavities forced by contraction and are ready to be removed.
In fig. 4, there is shown a section of a product or molded part as obtained by successively pouring into the container 13 of FIG. 1 first a
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certain type of metal (e.g. stainless steel 24), then another type of metal 25 (such as low carbon steel) and finally new stainless steel 24 if desired, so that a billet or the like is formed in the mold;
of fig. 3, the billet has a core 25 of carbon steel and low faces 24 of stainless steel, the layers being perfectly bonded to each other as a result of the impact velocity, without any impurity, slag or oxide at the junction of the different layers. This operation can be carried out as shown in FIGS. 1 and 2 in a closed space or under vacuum or in an atmosphere of useful gases.
Likewise, billets or other similar copper-coated products having a thin layer of copper tightly bonded to a steel core and various output from billets or the like of bi-metallic products can be produced. in each case the junction between the separate metals or alloys is free from gas, oxide and other impurities; furthermore, the products can be rolled or forged without any breakage or separation occurring at the junction points of the distinct metals.
Fig. 5 against the same rotating disc and the same casting vessel as those which have been shown in FIGS. 1 and 2, but the atomized jet is received in a mold 27, 28 which will rotate under the action of a pulley 32, 10 direction of rotation being the same as that of the rotating disc or being the reverse of the sound of rotation of this disk. The mold 27, 28 comprises cavities each of which corresponds to the shape of the tools or to the product formed, two or more of these cavities receiving the juice coming from the rotating disc.
When making cutting tools from two layers of steel,
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a high speed steel of any type of composition used in industry is first poured into the receptacle 13, this steel being transformed into a sub-cooled and atomized film, the particles of which, when they reach the cavities of the mold, and we reason of the rotation of the mold 27-28, form a layer 35 parallel to the axis of rotation of the mold, Then a special, tenane, resistant steel, such as
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ohJ. '(): 1:; - niokel or a bare chrolTlc-vnnf1dium steel, is poured into the ;; ¯pic; nt l3 and is equal, 11, UnICnt sub-cooled and atomized;
this steel is sprayed into a layer 36 adhering to the high speed steel layer 35 until the tool cavities provided in the mold are filled. The second steel is poured into the container before the high speed steel has been completely evacuated, so that the parts of the two kinds of steel are mixed at the place of the junction of one layer with the other over a thickness. of the order of one millimeter;
in this way, the two hundredth eyes are linked in such an inseparable way that they cannot be separated by any mechanical device. To the container 13 can be fixed another container 26 in which one can insert finely pulverized material such as diamond powder or metal carbides at the same time as the high speed steel is poured, so that the pulverulent material is carried over the molten metal film and is uniformly dispersed in this film.
When the metal breaks up and turns into a rain or jet, the atomized metal particles and the powdered particles are all gently entrained together in the layer formed in the rotating die or the rotating mold. A tool is thus obtained comprising hard particles uniformly dispersed in a mass either of high speed steel or of any other bonding metal such as cobalt,
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nickel or high strength bronze.
In the container
26 can be poured another molten metal, for example. lead and into the receptacle 13 bronze can be poured so that a larger quantity of lead can be dispersed, as finely divided particles, through the bronze constituting the base metal, for the purpose of improve the properties of the bronze intended to form the bearings or supports. Finely pulverized graphite can be used for the same purpose and dispersed through the base metal. In the above, we have described some of the products which can be obtained by forming said products by means of sub-cooled atomized particles, instead of it being from a molten metal cast so a mold.
Cutters of all norias, drills, perforators, circular saws and other tools can be formed in the same way and have on their outer surface a special hard cutting steel or an alloy resistant to abrasion and a core made of a tough, tough steel or other metal disposed within. Further, as in ordinary die-casting machines, insortions of metallic or other materials can be made in the dies to form a part of the casting after the metallic particles have consolidated under the action of the casting. force of shock.
Fig. 6 shows a shaping tool, raised to the grinding dimension and formed from a layer of high speed steel
Containing or not containing carbides or diamond powder dispersed in said layer and a strong steel layer
36 to support the tool.
Fig. 7 shows a helical drill bar, cc; bar head, having a central layer 37 oz / sectors of high speed steel or other cutting material and two 38
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made of heavy-duty steel that prevents the bit from breaking.
Fig. 8 shows a modified embodiment of the cooling and impact mechanism in which the cooling surfaces used are the faces of two water-cooled rotating cylinders. The main frame 51 supports soft fixed shafts 52 and 53 through which calipers 54 and 55 can rotate. In the end 56 of the caliper 54 is supported a water-cooled bush 57, this bush being connected by hollow arms 58 and 59 to one, hub 60, the ends of which are in the form of a crooked shaft 61 are supported in bearings 62 which the caliper 54 has.
This shaft 61 extends outside the caliper 54, the extension being free to oscillate in the notch 63 of the main frame 51. A toothed wheel 64 is keyed or fixed in another way on the extended end of shaft 61; this toothed wheel has the same diametrical pitch or approximately the same diametral pitch as the cylindrical face 57a of the ring 57. When the ring 57 and the toothed wheel 64 are in the operating position as shown, the toothed wheel 64 is engaged on the toothed wheel 65 of a variable speed control device which is associated with it and which has not been shown. Thus, the ring 57 will rotate in the appropriate direction and at any selected and desired peripheral speed.
Water or other cooling liquid is supplied through the hollow arms 58 to the part of the ring 57 with a double jacket; the flow is limited by partitions 66 and 67 and the water is supplied by conduits 68 and 69 in each arm 59, The cooling liquid is thus returned to the shaft 61 which has inlet connections d water at one end and water outlet fittings at the other end, allowing continuous circulation
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water or other coolant.
Likewise, in the end 70 of the caliper 55 is supported a ring 71 cooled by water and connected by hollow arms 72 and 73 to a means 74 whose extracts have
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the form of a hollow shaft 75 ct are supported by the bearings 76 presented by the caliper 55. This shaft 75 extends outside the caliper 55, the extension being free
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to oscillate in the ûcL.; 1.ncrI.U70 77 which presents the main frame 51. On the extended end of the shaft 75 is keyed.
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ted or fixed with a nutru fnçon a toothed 1'OUO 78 lynnt the same pitch dinmE ': tr (11 or approximativcuint the n8me pitch dianie- trial that In f <ie = cylindrical 7g of In bagne 71.
When the ring 71 and the gear wheel 79 are in their ionizing position, as is not the case, the gear 78 meshes with the gear 64 whose rotation will cause 13 rotation of the gear. 1: '1 peripheral fnce 79 of 17- b <gu4 71 in 1: direction opposite to that of the movement of peripheral fnce 57a of 1 ring 57,,) is at the lowest speed. The ring 71 is cooled by a circulation of water from the mieric, nililibro than that which has been described with regard to the ring 57. The calipers 54 and 55 each have an extended arm 54a and 55a res-
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pcetivec: nt as shown. A rod 80, the lower part of which supports a plate 80a, is fixed to each of these arms.
Grooved weights 81 rest on the plates 80 and can be adjusted so that they balance the weight of the calipers 54 and 55, the rings 57 and 71 and their gears under a positively regulated load.
The width of the peripheral face 79 of the strip 71 and of the peripheral face 57a of the ring 57 is suitably chosen in each case according to the width of the metallic film which is desired. The thickness of these cylindrical faces and the material of which they are made (by
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example steel, cast iron, copper or other thermally conductive metals) are chosen and determined in such a way that a determined quantity of heat is removed from the films of various metals or molten substances of various thicknesses which must be formed on said faces and carried by glues to achieve adjustable contact lengths and determined by the factors which have been indicated above.
As previously indicated, the surface condition of the aforementioned parts 79 and 57a can be selected such that it appropriately influences the rate of heat transfer from the molten metal film, depending on the results desired in any given call. The diameter of the rings 57 and 71 is chosen large enough so that the heat transmitted to any portion of the faces 57a and 79 is dissipated from this portion by the cooling system before the portion in question receives metal again. molten.
A container 82 is placed above the kind of pocket formed between the rings 57 and 71, this container being carried by supports 83 forming part of the frame 51. This container is intended to receive molten metal or another. molten substance from a melting furnace or a ladle, not shown; this receptacle is intended to maintain a supply of molten material for the operation of the machine. It may include a valve 84 actuated by a swan neck and a control lever of known construction, which makes it possible to open and to close the pouring orifice or nozzle 85.
Thus, a continuous stream of molten material can be discharged through the nozzle 25 or, successively adjustable amounts of molten metal can be discharged intermittently.
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Under container 82 there is provided a casting 86 forming a distribution chamber in the shape of a rectangular female channel. This chamber is wider than the faces of the rings 57 and 71 and it comprises two faces arranged one by one of the rings and which are machined in a complementary manner with respect to the faces of the rings in question.
A cast iron is provided in the middle of the chamber 86, this cast corresponding to a maximum width of the film which can be formed by the machine, but being narrower than the width of the faces 57a and 59, so that the edges of the film slot leave a sufficient surface to bear against the faces of the rings to ensure a perfectly airtight seal between the part 86 and the faces of the aforementioned rings when these rings rotate. Thanks to this arrangement, an opening of determined dimensions is formed between the faces of the aforementioned rings 4 the location of their points of contact.
Grooved or scalloped side parts 87 are provided in the molded part 86, these side parts serving to enclose or retain in place a side liner, which has the effect of still forming in a watertight manner. edges of baguas 57 and 71. Inside the molded part 86 is provided a core casting 88 which forms a rectangular chamber having two slits 89 and 90 of length ut of selected width.
The stream of metal 91 from the nozzle 85 flows through the rectangular chamber which is preferably. coated with refractory material; this current is divided into two equal currents which are evacuated through the aforementioned slots 89 and 90. Each of these two currents comes into contact with one of the faces 57a or 79, conforms of itself to said surface and is carried by it in the form of a separate film 92 or 93 the dimensions of which correspond
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to the feed slots 89 and 90.
The two films or layers move at the same speed over a determined length of contact with the cooling cylindrical faces, this length having been previously calculated and then being obtained by appropriate adjustment of the positions of the feed slots 89 and 90, from , such that the necessary amount of heat is removed from the dandruff or diapers at the / -Paved.
When the predetermined length has been reached. When this point is reached, the distinct soft films are caused to aggregate or join together to form a single recombinant film or strip 94. This result can be achieved. obtained by adjusting the spacing between the faces 57a and 79 of the rings so that this spacing is equal to the total thickness of the soft film back. The further displacement of the joined film takes place along a straight vertical line, as seen in FIG. 8.
The film 94 moves in the direction indicated through a lower chamber or channel 94a where it is absolutely protected from contact with air and where it does not rub against the walls of said channel. as a result, it attacks in an unbroken, undivided and unoxidized form the feed opening of a mold or a die 95 to strike the contour of the cavities or indentations 96 of this mold or of this die and in order to conform of itself, under the action of its speed of movement, around said cavities or indentations.
A pipe 97 terminates at the space 98 to suck the air contained therein in order to carry out the entire operation under vacuum or to circulate or introduce gases of different compositions into the space in question when desires to act in a special atmosphere to develop a desired chemical reaction with the film or pollicles of molten metal.
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Although the mold or die 95 can be of any suitable shape and construction, there is shown in the drawing a mold or die made of two parts, each of which is connected by a rod 99 to a pneumatically operated piston 100. or hydraulic. The die has core plates 101 and ejection plates 102. However, other types of castings are available. dies can be used with the machine described, for example ingots, sand molds or continuous molds.
The machine shown in fig. 8 can be set to dimensions and with a capacity such that a thick film obtained by joining is formed, cooled and directed at a relatively low speed in a mold, or said machine can be set to such dimensions as it resists the high peripheral speeds of the cylindrical faces to form two extremely thin films, one hundredth of the order of a millimeter thick and to entrain the film formed by joining the two aforementioned films, in matrix cavities or mold without there being, under the effect of friction, loss of speed,
the speeds thus obtained being speeds which hitherto have not been possible to achieve in current die-casting machines. The die-cast products or other products are further characterized by the fact that their entire mass exhibits the new desirable primary structure which has been described above.
In fig. 9 there is shown a modified embodiment of an apparatus which in some respects is generally similar to the apparatus of FIG. 8 and which is intended to form intermittently from a single stream of molten material a succession of molded or die-cast products. On said fig. 9,
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the reference 117 designates a receptacle for the molten metal or other molten material, this receptacle being able to be made of any suitable material capable of withstanding the temperature of the molten substance 118 which it contains.
This receptacle 117 is provided with a cover 119 having, on one side, a loading opening 120 by means of which) molten metal.
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of: 9 (.1; ::; to be introduced into the receptacle from a smelting furnace, a ladle or another similar device not shown or by means of which metal can be introduced in the solid state.
It should be noted that the container 117 is surrounded by a molded part 121 placed at a certain distance from the container 117 and having a general shape similar to that of the container itself; a chamber 122 is thus formed between the container 117 and the molded part 121. Hot gases may circulate in this chamber for the purpose of maintaining the material contained in the container in the molten state or for the purpose of melting. this material if it is a low melting point material such as lead, zinc, aluminum or their alloys.
This fusion or this maintenance in the state of fusion can be obtained by means of one or more burners 123 of any suitable type, burners which are supplied with gas or any other suitable fuel for the purpose of keep the chamber 122 filled with hot combustion gases, an outlet flue being provided at 14.
At the bottom of the receptacle 117 is provided an opening 125 in which is placed an unloading tube 126, the grooming of which widens towards the upper end at 129 to form a seat for the lower part of the valve 129. This latter is fixed to a plate 130 and descends from this plate which is supported by a vertical part 131, which is associated with the casting 121 in such a way that
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the parts 130 and 131, and by conspuent the valve, can be raised and lowered in order to open and .de respectively close the orifice provided at the bottom of the container.
The raising and lowering may be accomplished in any suitable manner, for example by the use of a rod 132 attached at one end to the plate 130 and acting in a piston cylinder, in a dash-pet. or in a 133 solenoid.
The casting 121 is, as noted, part of the main casting 134 on which the apparatus is mounted.
From the lower portion of the cast 121 downwardly extends a slightly arched tubular cast 135; this part comprises a continuous side wall 136 and a discontinuous side wall 137, the interrupted surfaces of the latter being formed in an arc of a circle and thus forming support surfaces for a purpose which will be indicated later, these surfaces of support being kept lubricated in any suitable manner.
At the lower end of this molded part 135 is associated a suitable mold or die 138 which may be of any suitable desired shape, this mold (or this die) not in itself forming part of the invention. - tion. Said mold (or said die) is formed in two parts having the desired grooves or contours inside so that when the two parts are assembled, the grooves or recesses in question define the shape of the product to be manufactured. ,
On the main molded part 135 is mounted a relatively large cylinder 139, this cylinder being provided with circular edges 140. This cylinder is driven by an eccentric shaft 141 provided with a pulley 141a.
A small sprocket wheel or disc 142 is provided with a pulley 143 and is belt driven to chain 144. Because of this arrangement, cylinder 139 can oscillate around the shaft.
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141 to come to the position indicated by dotted lines at 139a. Workpiece 142 at the same time moves to the position shown in dotted lines at 142a. In these positions, the machine is inoperative, but it can be easily put into action again if the various components are returned to their position indicated by full treatment.
In the positions shown in dotted lines, repairs or adjustments can be made if necessary or the machine can simply remain at rest,
A cylinder 145 in which a piston provided with a rod 146 acts will move the disc 142 to position 142a and vice versa. For each position of the disc 142, the flanged cylinder 139 has a corresponding position.
A roller, toothed wheel, or the like 147 is provided at the end of piston rod 146 to provide control. Since the apparatus operates intermittently or discontinuously, it is advantageous that the disc 142 and the flanged cylinder 139 are in the home position from which they can be quickly and easily returned to the working position as the material 118 flows through the apparatus to produce a film or layer 147.
When the apparatus shown in Fig. 9 is in operation, molten material is charged into vessel 117 and the temperature of this material is kept high enough to remain in the molten state. - edges 139 is then moved to the position indicated in solid lines, position in which this cylinder closes the discontinuous part 137 of the molded part 135; the cylinder then rotates counterclockwise at a suitable speed.
At this point, the valve 129 is lifted for a period of time sufficient to allow a sufficient amount of molten material to be discharged from the tube.
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126 to fill the mold or die 138, this amount being either already known or having been calculated previously, as is easily understood from the description which has been given in connection with FIG. 8. The valve is then lowered to close the orifice after the desired amount of melt has been discharged.
As the molten material leaves tube 126, it is intercepted by the metal surface of flanged cylinder 139 and is immediately accelerated to pick up speed from that cylinder. during this time the metal assumes a film-like form and becomes plastic or semi-solid to a sufficient degree so that it can be neatly and cleanly separated from the cylinder as shown and so that it can move at the speed it has acquired and in the direction it has taken to the cavities of the mold or die where, under the action of its impact force, a molded or die-cast product is formed , a product which has the cooled and solidified primary structure and uniform composition as described above.
As explained above, furthermore, the contact time of the metal and the cylinder is determined in advance to obtain the required state of the metal. After the required time desired, the mold is opened and the product is removed from this mold, this product having properties and characteristics at least equal to those of the products obtained by certain ordinary processes and, in many cases, it has qualities which surpass those of previous products.
It was previously indicated that the apparatus of FIGS. 1 and 2 could be used for the manufacture of powders from the raw material. It is evident that this is also true of the apparatus shown in the other
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very figures; for the latter, it is simply necessary to avoid the impact action by which the sub-cooled particles adhere to each other and to allow said particles to move a distance such that they solidify individually to form the desired powder consisting of small solid particles.
The molds shown in the drawing can be replaced by suitable containers placed in a position such that they receive and collect the powder in question.
In the various embodiments of apparatus shown in the drawing, molds have been shown which are capable of yielding individual cast products of predetermined shape. However, it should be understood that molds from which the product is continuously removed can be used, e.g. open ended molds can be provided for forming rods, bars or the like. , molds in which the product is continuously formed, at one end, from particles colliding and is discharged at the other end along a continuous length of the product, by rollers, rollers or other similar members.
Further, a device capable of subjecting the stream of sub-cooled particles to suitable shaping forces inside the mold can be provided, by virtue of duoi hollow products such as tubes can be obtained. For example, a rotating mandrel can be placed in the center of the tubular mold open at the ends and the stream of sub-cooled particles can be projected into the mold in the vicinity of its side portion. The stream of particles is accordingly shaped and consolidated. when the mandrel turns to transform into a tubular part corresponding to the pre-annular part
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view between the mold and the mandrel; a continuous length of tube can be discharged through the open end of the mold.
This tube has a crystal structure analogous to that of the products alluded to above.
It is obvious that numerous other modifications could be made to the devices described and shown without the general economy of the invention being thereby impaired.
CLAIMS
1. Apparatus for the manufacture of products from molten material, apparatus characterized in that it comprises: a device for forming a thin film of molten material; a device for sub-cooling this material to a predetermined temperature below the solidification point of the material; finally, a device for subjecting this material to impact effects in order to obtain individual products of defined shape.
2. Apparatus such as that claimed under 1 and characterized in that it comprises a device for imparting a certain speed to the aforementioned film so that it forms particles of the aforementioned sub-cooled material and a device for submitting. impact the particles in question in order to form the product in question.
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