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Matériau de remplacement de pièces métalliques coulées.
L'invention concerne un procédé et des moyens de production d'un matériau pouvant remplacer des pièces coulées métalliques.
L'invention est particulièrement applicable pour remplacer des pièces métalliques coulées pour cadres, supports, plaques d'appui, poulies, volants, carters à manivelles, boites à engrenages, moteurs, armatures de navires, pompes, paliers, turbines, machines-outils, tuyauteries, blindages, abris résis- tant aux bombes, et en général des structures quelconques pour lesquelles la résistance pour un poids relativement léger et un prix bon marché représentent des considérations importantes, mais où le volume occupé par la matière joue un rôle secondaire.
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Suivant la présente invention, ce matériau de remplacement, dénommé succinctement Feron dans ce qui suit, est constitué d'un matelas à trois dimensions et uniformément réparti de fils métalliques composé de petits boudins héli- coldaux qui sont dispersasdans toutes les par ties du moule.
Le moule est ensuite rempli d'une masse de cimentât!on convena- ble, telle que du ciment à prise rapide, ou du mortier de ciment, plâtre;, argile, résines ou tout autre composé capable de durcir.
Le matelas s'obtient en laissant tomber un à un, ou en introduisant continuellement dans le moule de courts élé- ments hélicoïdaux séparés ou boudins de fil métallique ordi- naire de section circulaire, ou de préférence de section carrée, rectangulaire ou en forme de croix, tordu de manière à aiigmen- ter l'adhésion.
Suivant un exemple, les éléments de bobines ont un pas de deux diamètres d'enroulement, sont découpés à des lon- guenrs d'environ une spire, et possèdent une longueur déve- loppée d'environ 100 diamètres de fil de calibre N 20 à 33.
Si le fil est en matière très dure, la longueur des éléments peut être accrue jusqu'à environ 300 fois le diamètre du fil avec un pas de deux à six diamètres d'enroulement par spire.
Pour des buts particuliers, ces proportions peuvent être modifiées de manière à obtenir une proportion désirée Quelconque de métal dans le produit. final.
Si un grand nombre de ces éléments sont introduits séparément dans une cavité quelconque de moule de dimensions supérieures aux dimensions totales des éléments, une structure entrelacée à trois dimensions est formée dans la cavité.
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Les éléments hélicoïdaux sont préparés et introduits dans le moule de telle sorte qu'à tout endroit, la moitié de leur nombre soit constitué d'hélices à pas droit, et l'autre moitié d'hélices à pas gauche.
CeséLéments s'entrelacent automatiquement en une distribution uniforme de fibres dirigées dans toutes les di- rections, ressemblant à un mateas, avec des espaces intermé- diaires suffisants pour recevoir la masse de cimentation.
Pour obtenir ce résultat, les éléments sont introduits de façon indépendante, soit pas simple gravité ou bien sous forme d'un courant continu d'éléments séparés qui sont pro- jetés au moyen d'un courant d'air ou d'ea.u.
Lorsque le moule a été chargé d'éléments comme il vient d'être dit, le composé de cimentation est versé dans le moule de manière à englober la totalité du matelas formé dans le moule.
Dans le but de chasser l'air et de faciliter la distribution uniforme du composé de cimentation, le moule est maintenu sous l'action de vibrations continues jusqu'à ce qu'il soit entièrement rempli.
Le produit final, aptes prise et durcissement, est un nouveau matériau possédant une résistance tridimensionnelle et uniformément accrue, non seulement à la compression mais aussi à la traction, au cisaillement et à la flexion dans n'importe quelle direction.
Les éléments étant jetés au hasard mais en succes- sion régulière d'hélices droites et gauches, la structure résultante représente un système de fibres entrelacées répar- ties dans toutes les directions, présentant une structure à trois dimensions régulière et isotrope. Il a été trouvé qu'un tel système de fibres englobées dans un composé de cimentation,
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s'il est sounis à un champ de tensions dans une direction donnée, réside à la manière d'un système virtuel équivalent de fibres droites parallèles continues de cette direction.
Par exemple, dans une unité de volume de Feron contenant une proportion p de fils d'acier distribues comme il est dit. plus haut, soumis à une tension dirigée dans une direction déterminée, le système virtuel équivalent de fibres continues parallèles droites et continues ayant la même résistance Gans cette direction, contiendra une proportion de kp fils d'acier par unité de volume.
Le facteur k est inférieur à l'unité, et, pour une dis- tribution tridimensionnelle isotrope, k a la même valeur dans n'importe quelle direction choisie et se chiffre à environ 1/3.
Une structure tridimensionnelle non isotrope est obte- nue au moyen d'éléments qui ont une longueur relativement plus grande par rapport à la section transversale de l'objet, la longueur représentant plusieurs fois le diamètre de l'hélice.
De tels éléments tombant sur une surface plane produisent une structure à deux dimensions à peu près isotrope, le facteur k s'approchant de 1/2 tandis que suivant la. direction perpen- diculaire, à la surface, le facteur k diminue.
A mesure que les éléments s'empilent sur la surface plane, l'isotropie à deux dimensions se transforme graduelle- ment en isotropie à trois éléments. Par conséquent, les plaques de Feron présentent une résistance plus élevée à la flexion si le côté soumis à l'extension se trouve du côté où les éléments ont été jetés en premier lieu dans le moule, parce que le fac- teur k est plus élevé au voisinage de la surface plate. Une telle distribution est avantageuse dans des barreaux soumis à la flexion par suite de la valeur élevée du coefficient k dans la direction destensions principales.
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Les dimensions des éléments hélicoïdaux et la nature du composé de cimentation dépendent de l'épaisseur de la pièce coulée nécessaire. Pour des pièces coulées minces, la section du fil peut n'être qu'une faible fraction de millimètre carré incorporée dans un mortier de ciment pur ou du ciment mélangé à du sable fin. Pour des pièces coulées très épaisses, les éléments peuvent avoir des sections d'acier pouvant atteindre jusque plusieurs centimètres carrés incorporés dans du béton constitué de mortier de ciment et gravier.
Si on le désire, les éléments peuvent avoir des di- mensions différentes mélangées en proportions appropriées.
Le Feron préparé suivant cette invention est très résistant, possède une ténacité et une plasticité, et peut supporter des efforts considérables de tension, de cisaille- ment et de flexion dans toute direction. Ceci est dû à la distribution uniforme des fibres qui forment une structure entrelacée à trois dimensions dans chaque partie de la masse de Feron. Des expériences prouvent que des fissures ne peuvent pas se propager dans le Feron et que des craquelures internes ne peuvent se produira. Le matériau Feron peut être moulé sous toutes formes incurvées et compliquées dans lesquelles des armatures seraient impossibles à créer par d'autres moyens.
Par exemple, des enveloppes de paliers peuvent être faites d'une pièce avec toutes les cavités intérieures compliquées nécessaires au placement des surfaces de support métalliques voulues, cavités d'anneaux, réserves d'huiles, rondelles de feutre ou tout autre acessoire:= désiré.
L'expérience montra que le matelas particulier formé de fils incurvés suivqnt trois dimensions, donne à la masse entière de Feron de nouvelles propriétés de ténacité et
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de plastictt dans chaque direction.. qui manquent, au composé de cimentation seul.
Par exemple des marteaux peuvent être fabriqués en Feron et un nombre considérable de coups peuvent être ap- pliqués sans qu'il ne se produise de désintégration.
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Les mêmes observabions s'ap1,1<-j.àenl: aux pièces cou- lées de paliers;, en F: sn, pièces cQuléas de o.t11rs, bottes de ',ilanivelles, bstis rie machines-outils pla:jues darm..tures, poêles, gazogènes et constructions analogues, soumises à des v,lora'bions, chocs et chauffages non-uni'ormes.
Pour des buts généraux, la proportion d'acier dans Les produits finis de Feron fabriqués par ce procédé, est d'environ 1/10 en poids. Par conséquente ne économie de fer d'environ 90% peut être réalisée en remplaçant les produits de Fonte par des produits de Feron du même poids.
Dans tous les cas où des pièces coulées métalliques ordinaires doivent avoir une épaisseur beaucoup plus grande que nécessaire, dans un but de rigidité et de résistance à la corrosion, ces pièces coulées peuvent être remplacées par du Feron et il en résulte une réduction considérable de poids.
Le poids spécifique du Feron est compris entre 2,30 et 2,50, et est par conséquent un peu inférieur à celui de l'aluminium, et d'environ le tiers de celui de la fonte.
Le Feron possède une perméabilité magnétique très élevée et uniforme et convient par conséquent à 1''emploi dans la construction d'armatures monolithes pour générateurs et moteurs électriques, réduisant ainsi à un minimum la quantité de fer nécessaire pour les pôles des stators et rotors. De plus¯, la structure particulière du matelas dans les pièces coulées en Feron évite la formation de courants électrioues parasites dans la masse et par conséquent aucune chaleur ne
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peut être engendrée par l'action de champs magnétiques alternatifs.
En augmentant la teneur en fer des éléments, la perméabilité peut être accrue de façon notable et des pièces coulées de Feron peuvent être employées directement comme circuits magnétiques dans la construction d'alterna- teurs, dynamos et transformateurs. Pour augmenter encore davantage la perméabilité magnétique, le composé de cimenta- tion peut être constitué d'un mélange de 2 parties de limail- les de fer avec une partie de ciment.
La capacité de résistance aux chocs rend le Feron utilisable pour la construction de roues de toutes sortes, telles que des poulies, tambours, pour des véhicules tels qu'automobiles, camions, tracteurs pour l'agriculture, rou- leaux et chemins de fer.
Dans la construction des navires, les propriétés non-corrosives du Feron le rendent utilisable. au remplace- ment de la plupart des pièces coulées lourdes et légères à bord. Des hélices propulsives de secours et permanentes peu- vent être faites entièrement en Feron.
Pour le même poids, les pièces coulées en Feron peuvent avoir des sections trois fois plus.grandes que la fonte. Une plus grande rigidité est ainsi obtenue et des formes plus simples peuvent être adoptées, en éliminant ainsi les raidisseurs compliqués nécessaires dans les pièces coulées métalliques. De plus, les objets en Feron peuvent être coulés sur place dans leurs positions finales, et ainsi le transport de pièces coulées lourdes peut être évité.
Le Feron a un coefficient de dilatation avec la température du même ordre que celui de l'acier, et convient par conséquent pour être associé à des pièces de fer et d'a- cier. Des armatures supplémentaires peuvent être aisément prévues sous forme de barres de tension dans toutes les parties --
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du moule où des efforts de tension élevas sont probables.
Ceci permet la coulée, par exemple, de volants,, carters à manivelles pour moteurs, et blocsde cylindres pour moteurs à vapeur et à combustion internes ou machines-outils en com- binaison avec des boulons et anneaux métalliques et revête- ments, limités uniguement aux parties où ils sont absolument nécessaires.
La résistance de rupture à la flexion de barres de Feron varie entre 150 et 450 Kgrs/cm2, suivant la résistance à la tension des éléments et la. qualité du composé de cimen- tation. Ceci permet la construction depoutrelles, dalles, planches et pièces analogues, ayant une capacité de charge comparable à celle de la fonte ouà des sections d'acier doux laminé standard ayant le même poids.
Les fils d'acier formant leséléments dans les piè- ces coulées de Feron ont une résistance à la rupture de 3 à 12 fois plus élevée cue le fer ordinaire ou 7¯'acier doux en sections laminées. Par conséquente malgré la distribution isotrope des fibres métalliques dans les produits de Feron, la résistance ultime à la tension, cisaillement et conpres- sion dans toute direction est élevée.
-Des sections de Feron présentent une résistance plus élevée à la rupture que des structuresen béton armé ordinaire.
Pa.r conséquent, des constructions plus légères peuvent être obtenues pour des planchers, toitures, colonnes et autres éléments de bâtiments.
Des colonnes de Feron, soumises à des pressions éle- vées, montrent des signes extérieurs de grands efforts long- temps avant que la section intérieure ne soit broyée, et donne des avertissements à temps. Ceci désigne le Feron comme ma- tériau convenant aux étançons de puits dans les mines.
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Le matériau convenant le mieux pour les éléments de bobines est l'acier, et comme élément de cimentation du por- tier de ciment alumineux à prise rapide avec du sable, ou même pur pour de petites pièces.
L'invention n'est pas limitée à ces matériaux. Les éléments peuvent être faits d'un autre métal quelconque, et les matériaux de cimentage peuvent être de la magnésie, ou du plâtre de Paris ou toute autre substance telle que la. silice, .¯résine, ou composés d'argile pouvant être durcis sous l'ac- tion de la chaleur.
Une autre propriété du Feron est sa capacité de résis- tance à la pénétration par des projectiles. Il est ainsi in- diqué comme convenant au remplacement de plaques de blindage en acier.
Le poids spécifique est inférieur d'un tiers à celui de l'acier. Par conséquent un blindage de Feron peut être au moins trois fois plus épais pour le même poids et coulé sur place sous forme de structure monolithe en évitant ainsi des joints faibles.
L'épaisseur plus grande offerte à la pénétration de projectiles, combinée à la grande rigidité et inertie du volume s'opposant à la pénétration, localise le dégât à l'extérieur du blindage.
Il est connu que des masses fibreuses telles que de la sciure de bois offrent une grande résistance au passage de projectiles. La texture fibreuse à trois dimensions du matelas incorporé dans le Feron a un effet analogue.
La conductibilité calorifique relativement faible du
Feron combiné à sa ténacité et sa résistance à la pénétration rendent le matériau applicable à la construction rapide et économique de tanks militaires monolithes complets, forteresses ' mobiles, nids de mitrailleuses, abris contre attaques
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aériennes, blindages de ponts de navire,, coupoles de canons, montages de canons, etc. avec une grande économie correspon- dante d'acier.
Il est connu que despaquets tout préparés de rognures de métaux;, fibres de fer (paille de for), métaux, laine,paille de fier, crins métalliques etc. ont été proposés comme armatures dans des composés de cimentation. Les fiores de forces irrégu- lières dont ces textures sont composées ne possèdent pas la courbure correcte ni la répartition uniforme qui sont des conditions essentielles pour donner au produit final une capa- cité uniforme accrue de résistance à la traction dans toutes les directions comparable à celle des pièces coulées métalliques.
De tels écheveaux ou paquets de fibres tout préparés ne peuvent pas êtreintroduits dans les moules compliqués sans laisser des surfaces de discontinuité là où les fibres de paquets adjacents ne peuvent s'entrelacer. A travers de telles surfaces de discon- tinuité la résistance à la traction du produit final demeure pratiquement la. même que si le composé de cimentation n'était pas armé du tout.
Il n'est pas revendiqué que l'invention couvre des produits fabriqués par incorporation de paquets préparés d'a- vance de fils de formes irrégulières dans des composés de ci- mentation.
Il a également été proposé d'armer des composés de ci- mentation en incorporant des ressorts en fils hélicoïdaux paral- lèles ou adjacents contenant de nombreuses spires . De telles structures ne créent pas de répartition uniforme à trets dimen- sions de fibres capables de résitonce à la traction dans toutes les directions. Un champ quelconque de tensions parallèles ou transversales à l'axe des ressorts cause d'abord la rupture du composé de cimentation et découvre ensuite les ressorts.
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Il n'est pas revendiqué que l'invention couvre des pro- duits fabriqués par incorporation de tels ressorts hélicoï- daux dans un composé de cimentation.
REVENDICATIONS.
1. Produit de remplacement de pièces coulées métal- liques, caractérisé en ce qu'il est fabriqué en dirigeant dans un moule un courant d'éléments de fils hélicoïdaux sé- parés formant automatiquement dans le moule une structure en- trelacée à trois dimensions uniformément répartie, le moule étant ensuite rempli d'un composé de cimentation.