CA2033232A1

CA2033232A1 - Process and device for the continuous casting of composites having a metal matrix reinforced with refractory ceramic particles

Info

Publication number: CA2033232A1
Application number: CA002033232A
Authority: CA
Inventors: Jean-Luc Meyer; Laurent Jouet-Pastre
Original assignee: Pechiney Recherche GIE
Current assignee: Pechiney Recherche GIE
Priority date: 1990-01-04
Filing date: 1990-12-27
Publication date: 1991-07-05
Also published as: EP0437153A1; FR2656551A1; NO910020D0; BR9100015A; NO910020L; JPH0768346A

Abstract

Procédé et dispositif pour la coulée continue de composites à matrice métallique renforcée par des particules d'un matériau céramique réfractaire. Le procédé consiste à couler le métal liquide contenant les particules céramique dans un moule obturé par un fond mobile et constitué d'une zone amont chaude réalisée en matériau isolant et d'une zone aval refroidie dans laquelle le composite se solidifie, tout en pratiquant à l'intérieur de ce moule un brassage électromagnétique assurant des mouvements de mélange dans des plans contenant l'axe de coulée. L'invention s'applique en particulier à l'obtention de plaques et de billettes en composite à base d'alliage d'aluminium renforcé par des particules de carbure de silicium.Method and device for the continuous casting of metal matrix composites reinforced by particles of a refractory ceramic material. The method consists in casting the liquid metal containing the ceramic particles in a mold closed by a movable bottom and consisting of a hot upstream zone made of insulating material and a cooled downstream zone in which the composite solidifies, while practicing inside this mold electromagnetic stirring ensuring mixing movements in planes containing the casting axis. The invention applies in particular to obtaining composite plates and billets based on aluminum alloy reinforced with particles of silicon carbide.

Description

. ' _ 2 0 3 3 2 3 2 P~OCEDE ET DISPOSITIF POU~ I,A COULEE CONTINUE DE COMPOSITES
A MAT~ICE MET~LLIQUE RENFORCEE PAR DES PARTICULES D ' UN
MATERIAU CE~AMIQUE REF~ACTAIRE.

Do~aine de l'invention.

L'invention concerne un procede de coulee en continu d'un composite liguide à matrioe metallique renforcee par des particules d'un materiau ceramique réfractaire.
..
Ces materiaux ceramiques réfractaires sont constitues par des substances non metalliques, ayant une temperature de fusion superieure ~ celle de la matrice à laquelle ils sont incorporés,et qui sont inattaquables ou peu attaquables par le metal en fusion de la matrice.
.
Ce sont,par exemple, du graphite, des carbures,oxydes, nitrures,borures de metaux ou de certains métalloides,mais aussi des composes tels gue silicates, aluminosilicates etc...

Ces materiaux peuvent avoir la forme de fibres longues ou courtes ou encore de particules ou ~e whiskerq de granulometrie convenable.L'invention s'adresse à la fabrication de composites ~ base de particules ou de whiskers.
~ .
La fabrication de ces composites ~ matrice metallique particulaires peut se faire par deux types de procedes:
. .
-des proced8s ressortissant de la metallurgie des poudres dans lesquels le metal melange aux particules est mis en orme,fritte,puis éventuallement file ou forgé.

-des procédes ressortissant des techniques de fonderie dans lesquels les particules 50nt melangees au metal en fusion.

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A MAT ~ ICE MET ~ LLIQUE REINFORCED BY PARTICLES OF A
MATERIAL CE ~ AMIQUE REF ~ ACTAIRE.

Do ~ groin of the invention.

The invention relates to a process for the continuous casting of a liquid composite with metallic matrix reinforced by particles of refractory ceramic material.
..
These refractory ceramic materials are constituted by non-metallic substances, having a temperature of superior fusion ~ that of the matrix to which they are incorporated, and which are unassailable or little susceptible to attack by the molten metal of the matrix.
.
These are, for example, graphite, carbides, oxides, nitrides, borides of metals or certain metalloids, but also compounds such as silicates, aluminosilicates etc ...

These materials may be in the form of long fibers or short or even particles or ~ e whiskerq de The particle size is suitable.
manufacturing of composites ~ based on particles or whiskers.
~.
The manufacture of these composites ~ metal matrix particulate matter can be done by two types of process:
. .
-processes arising from the powder metallurgy in which the metal mixed with the particles is placed elm, sintered, then optionally spun or forged.

-processes arising from foundry techniques in which the particles 50nt mixed with metal in fusion.

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2 ~033232 ~'in~ention s'adresse ~ ce deuxième type et en particulier ~
un procédé de coulee continue de composites preparés sulvant une technique de fonderie.
Le prlncipal problbme rencontre dans les procédés d'élaboration de composites ~ matrice métalliqua ( qui seront désignés dans ce qui sui~ par CMM ) est celui du mouillage des particules cl~ramiques par le métal,mouillage gui conditionne la compacité des CMM et leur homogénéit~
c'est-~-dire finalement leurs caractéristiques d'usage De nombreuses méthodes ont eté proposees pour résoudre ce problème.
Une de ces méthodes a fait l'objet de la demande de brevet français n 89-16000 déposée le 27 novembre 1989 par la demanderesse.Cette demande concerne un procédé de fabrication en continu d'un CMM renforcé par des partlcules d'un matériau céramique caractérisé en ce que:
-on met en oeuvre dans une poche de coulée une masse déterminée d'une dispersion homog~ne de particules dans un bain de métal liquide,cette dispersion,qualifiée d'initiale,ayant la composition du composite ~ fabriguer et étant soumise à un brassage.
-on alimente en continu et avec un débit déterminé,un ou - plusieurs postes de coulée à partir de la poche dont on maintient le niveau constant par addition simultanée des particules a l'état solide et du métal ~ l'état liquide dans une proportion correspondant ~ celle du CMM à fabriquer,tout en maintenant le brassage.

~ 3~ E~pos~ de l'invantion Le caractere continu de l'élaboration du CMM exposée ci-dessus se prete particulierement bien à la coulée continue.
On peut ainsi réaliser une ligne de fabrication continue intégrant 1'élaboration du CMM et sa coulee en demi-- produits L'obiet de l'invention est de proposer un proced~ Qt un , :-.:. : . - . - - . -: --. . ::

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: ~,: - :
:: : - :-: . , . 2 ~ 033232 ~ 'in ~ ention is addressed ~ this second type and in particular ~
a continuous casting process of prepared composites a foundry technique.
The main problem encountered in the processes composites development ~ metallic matrix (which will be designated in what follows ~ by CMM) is that of wetting of the ramic particles with metal, wetting Mistletoe conditions the compactness of CMMs and their homogeneity ~
that is to say, their characteristics of use Many methods have been proposed to resolve this.
problem.
One of these methods was the subject of the patent application French n 89-16000 filed on November 27, 1989 by the This request concerns a process for continuous manufacturing of a CMM reinforced by particles of a ceramic material characterized in that:
- a mass is used in a ladle determined of a homogeneous dispersion of particles in a liquid metal bath, this dispersion, qualified initial, having the composition of the composite ~ fabricate and being subjected to shuffling.
-on continuous supply and with a determined flow rate, one or - several casting stations from the pocket of which keeps the level constant by simultaneous addition of solid state particles and metal ~ liquid state in a proportion corresponding to that of the CMM to be manufactured, all maintaining the brewing.

~ 3 ~ E ~ pos ~ of the invantion The continuous nature of the development of the CMM set out below above lends itself particularly well to continuous casting.
We can thus realize a continuous production line integrating the development of the CMM and its half flow - products The object of the invention is to provide a process ~ Qt a , : -.:. :. -. - -. -: --. . ::

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3 2~33232 appareillage de coulee continue adaptés à la coulée de CMM,c'est-~-dire dans lesquels le brassage nécessaire à la mise en suspension des particules de céramique dans la matrice liquide se poursu:Lt pendant la coulée du demi-produit dans la partie encore liquide de ce demi-produit que les spécialistes appellent le "marais".

Cependant le procédé de l'invention n'est pas limité ~ la coulée d'un CMM liquide obtlsnu par le procédé de la demande : lo de brevet francais 89-16000;il s'appligue ~ la coul~e de tout CMM liquide préparé par un procédé quelconque.

Le procédé consiste à créer un brassage d'orig~ne électromagnétique qui assure des mouvements de mélange caractérisés par le fait qu'ils sont situés dans des plans - méridiens contenant l'axe de coulée.Pour pouvoir assurer ce brassage dans de bonnes conditions de mise ~n suspension et de dispersion des particules,il faut que la zône brassee soit suffisante.Pour cela,il est nécessaire ds faire précéder la partie "lingotière" telle que l'on peut la rencontrer de manière classique dans une coulée continue par une partie amont isolée thermi~uement,qui constitue une zône chaude et gui a pour effet d'accroitre le volume du marais.

2s Description de l'invention.
.
La figure 1 représente un exemple de realisation de - l'invention.
On décrira successivement le dispositif destiné ~ la coulée,a la solidification et à 1'extraction du CMM puis les - trois types de dispositifs électromagneti~ues destin~s assurer le brassage du métal.
: . .
La figure 1 et la description des dispositifs de coulee,de solidification et des trois types de brassage électromagnétique sont relatifs à un mode particulier de réalisation de l'invention:celui de la coulée verticale.Des dispositifs analogues,ayant la même fonction se retrouvent dans un autre mode de r~alisation de 1'invention:celui de la ` :.. : :.: : : ' : ---' ~ . , .-' , , .
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~ 2~332S^~C~

coulée horizontale.

Le dispositif de coulée,solidification et extraction est proche de celui utilisé potlr la coulée continue en charge (ou avec rehausse) de~ métaux et en particulier de l'aluminium.Il comprend:

a) une partie chaude r~alisée en matériau isolant thermiqu~ 1 qui renferme le m~tal liquide 2.Le mat~riau isolant est du type utilisé couramment en fondarie pour la confection de goulottes et de busettes.

b) une partie froide reliée à la partie chaude de manière étanche au métal liquide.Cette partie froide comprend comme élément essentiel une lin~otière 3 en métal conducteur de la chaleur refroidie extérieurement.Ce refroidissement peut être assuré par un film de fluide de refroidissement ,généralement de l'eau, 5 provenant d'une boite à eau 6,tel que représenté sur la figure l.Il peut aussi être assuré
directement par une chambre d'eau accolée de mani~re connue à la lingotière.Dans ce dernier cas,on formera de préférence des ~ets ou une lame d'eau au bas de l'ensemble chambre d'eau-lingotière qui viendront assurer par ruissellement le refroidissement direct du produit en cours de coulée..Cette lingotière peut être munie,à sa partie supérieure d'un anneau de graphite 4 ~ouant un rôle de lubrifiant vis-à-vis du métal coulé,en complément d'un agent de lubrification dont 11 s'avère parfois n~cessaire de revêtir la paroi interne de la partie aval pour faciliter la coulée de certains métaux.Suivant une technique de l'art ant~rieur,il est aussi possible d'amener en continu par la lingoti~re un agent de lubrification qui traverse 1'anneau de graphite et assure ainsi une lubrification en continu.Tou~ours dans la perspective de lubrifier en continu,on peut,au lieu - 35 d'utiliser un anneau de graphite,ins~rer dans la lingotière ~-des crayons de graphite qui débouchent sur la ~ace interne de la lingotière et sont connectés ~ leur autre extrêmlté
; une chambre où le lubrifiant est mis sous pression.

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- . . . ~ . . -.... : . -~ - 2~3r~32 c) le syst~me d'extraction constitu~ d'un fond obturant la partie inférieure ds la lingoti~re au demarrage,port~ dans le cas d'une coulée verticale, par un plateau anime d'un mouvement régulier vertica]. et vers le bas,réglable selon les alliages et le format des produits coulés.Dans le cas de la coulée horizontale,ce système est porté soit par un tapis motoris~,soit par une table ~ rouleaux dont l'un eqt motor~s~,un rouleau presseur venant garantir l'entrainement.

Après le démarrage,le produit dé~à solidifi~ sert de moule pour la solidification du métal aliment~ en continu et l'on arrive ~ un état d'équilibre représenté sur la figure 1:
.
A partir de la lingotière se développe une enveloppe extérieure solidifiée tandis qu'à l'interieur du produit coul~ s'établit un front de solidification 7 ayant la forme approximative représentee sur la figure.Au-dessous de ce front,le métal est complètement solide;au-dessus,dans ce que l'on appelle le "marais",il y a un mélange de liquide et de particules céramiques.

C'est en w e d'assurer une meilleure homogénéit~ de la distribution des particules au sein du metal liquide qu'un brassage électromagné-tique,provoquant des mouvements dans le ` 25 marais suivant des plans méridiens,est ad~oint.

- Le dispositif électromagnétique de brassage dont la comblnaison avec le dispositif de coulée constitue 1'invention est préférentiellement l'un des trois d~crits - 30 ci-après.
. . .
Le premier type consiste à faire passer un courant electrique monophasé de fréquence ~nférieure ou egale à la fr~quence industrielle au sein de la lingoti~re constitu~e,au moins part~ellement par un ma~riau conducteur - de l'électricité.La paroi de cette lingotiere doi~ alors - . .
pr~senter sur toute son épaisseur et suivant au moins une -génératrice un insert isolant ~lectrigue de part et d'autre duquel sont fix~s les amenées de courant.Ainsi cette .:
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6 2~3'~'~3~

lingoti~re ~oue le rôle d'une spire et le courant qui la traverse g~nère un champ magn~tique qui développe des forces électromagn~tiques engendrant le mouYement souhaité.La paroi lnterne de cette lingoti~re doit ~tre recouverte d'un film lsolant pour éviter les courts-circuits par le m~tal coulé.
Les forces electromagnétiqu~s étant fonction de l'intensité
de courant,on choisira pour la confection de la lingotière un metal bon conducteur du courant.Ce peut atre,par exemple le culvre ou l'aluminium ou leurs allla~ss pour la coul~e lo d'aluminium.

On peut aussi utiliser des assemblages de différents matériaux dans lesquels la portion la plus proche de la - partie amont est faite sinon en matériau isolant du moins avec un matériau moins bon conducteur de l'~lectricité tel un acier inoxydable.Dans ce cas, le mouvement du liquide est amplifié.

- Le film isolant peut etre constitué d'une couche d'oxyde obtenue par anodisation dans le cas de l'aluminium,d'un émail,ou d'une résine fluocarbonéa.L'épaisseur d~ ce film dépend de la tension de la paroi de la lingoti~re par rapport au métal coulé.Une épaisseur d'oxyde de 1 microm~tre convient pour une tension de l~O volts.
Dans le cas où la lingotière est munie d'une ba~ue en graphite,cette bague peut ~tre partagée en au moins deux secteurs pour évlter tout effet Joule dans une zône qu2 l'on souhaite refroidir et une réduction de l'~nerg$e qui limiterait les mouvements du métal.
.
En particulier,on peut utiliser une bague présentant un insert plac~ en regard de l'insert de la lingotibre ;dans ce - cas,on évite également l'effet Joule et on peut alors fretter directement la bague sur la paroi lnterne de la lingotière sans avoir besoin d'un film isolant intermédiaire.

Le deuxi~me type de dispositif de brassage (figure 1) , . . , .- . ., . ~ .

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~33232 consiste ~ placer ~ l~extérieur de la lingotlere au moins une spire métalllque 9 d'axe sensiblement parallèle ~ l'axe du moula dans laquelle on ~ait passer un courant monophas~
de fréquence inférieure ou égale ~ la frequence industrielle.Cette spire,isolée ~lectriquement de la paroi de la lingotière crée un c~amp magnet~que parallè}e ~ l'axe du moule qui d~veloppe des ~orces ~lectromagnétiques e~gendrant le brassage selon les fl~ches 10 et ll.Ce br~ssag~ est plus ou moins ample en or.rtion æa 1~ intensite lo du courant dans la spire et selon d'autres facteur~ tels que la compositlon et la structure de la llngotlère.En ce qul concerne la composltion,il est préférable d'utiliser un -matériau ayant une résistlvlté supérieure à 5 microohm.cm,par exemple un acier inoxydable amagn~tique,du `-15 tltane,ou une céramlque ayant une conductibillté thermique suffisante,ou encore un mat~riau composite tel un acier inoxydable revêtu d'une mince couche d'aluminium.En ce qui concerne la structure,on peut,afin de réduire l'intensité
n~cessaire au brassage,partager la lingoti~re suivant ses génératrices en au moins deux secteurs séparés les uns des autrss par un isolant électrlque tel le mica,ces secteurs ~tant assemblés entre eux par des goupilles en acier lnox et des chevilles isolantes.
Tous ces types de lingotières peuvent ~galement être garnies sur leur paroi interne au voislnage de la z8ne chaude d'une bague en graphite coaxiale partag~e de préf~rence sulvant `- ses génératrices en au molns deux sections,cela en vue d'am~llorer l'efflcacité du courant électrigue pour le brassage.
~ Les spires qui entourent la iingo~ière sont conçues et mont~es de manière ~ s'adapter à n'lmporte quelle forme de llngotière et ~ optlmiser le rendement courant-force et la distribution des forces dans le métal afin de r~partir le brassage ~ur toute la section et la hauteur du moule et - obtenir la plus grande homog~néit~ pos~ible des particules au sein du m~tal liquide.C'est ainsi que les spires peuvent etre d~placées parallèlement ~ l'axe du moule ou ~tre formées par un assemblage d'éléments démontables capables de .; .

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8 2~33232 : circonscrire des moules de toute section de façon ~quidistante,ou à des distances differentes.Ces assemblages conviennent parfaitement aux sections rectangulaires.

Il est encore possible,selon l'lnvention,d'améllorer l'efficacité du brassage par ad~onction autour de la zône chaude d'une ou plusieurs ~spires parcourues par un courant électri~ue et alimentées en serie ou en parallèle avec celles de la zône. ~roide ou par un génér2teur de courant lo d'intensité,de fréquence et/ou de phase dlff~rentes de celles du courant alimentant les spires de la zône froide.
.
En vue de canaliser 18 champ magnétique créé par la ou les spires,la zône froide peut être entourée d'él~ments de ` 15 culasse magnétique formés de feuilles métalliques isolées : - les unes des autres et situées dans des plans passant par l'axe du moule.

La zône chaude ou au moins sa partie la plus voisine de la zône roide peut être entourée d'une gaine dans laquelle circule un gaz sous presion et inerte chimquement vis-~ vis du métal coulé;on constate alors que le produit coulé
présente un meilleur état de surface.

Le troisieme type de dispositif de brassage se compose de un ou plusieurs inducteurs alimentés en courant polyphasé
entourant 1'ensemble du dispositi de coulée,z~ne chaude et z~ne froide.En principe,on peut utiliser n'importe quel type de courant ~ n phases;en pratique on utilisera évidemment le courant triphasé:c'est ce qui est illustré sur la figure 2.
- -Sur cette figure,six bob~nages successis: A, B, C, D, E, F
- ont été représentes de haut en bas de la figure.Ces bobinages sont placés dans des plans perpend1culalres l'axe de coulée.Ils sont alimentes d'une façon analogue ~
Gelle de l'alimentation des moteurs l~néaires A induction respectivement par les phases 1 ,-2 ,3 ,-1 ,2 ,-3 de manière ~ créer ~m champ glissant vertical ascendant,descendant ou périodiguement ascendant puis descendant,suivan~ l'ordre dans lequel sont allment~es les trois phases.De mani~re :: -- .. :.: - . :

, ;.:: ,;, .. ,,: .: .. .:: : : . ~ , . : : , . . . - . - . : , 9 ~3~232 classique,on utilise gênéralement une longueur de bobinage qui soit un multiple du pas polaire,le pas polaira ~tant la longueur des trois bobinage!~ de la sé~uence ~lêmentaira 1,-2,3.Cela signifie en prati~ua qu'on utilisera 6, ~, 12, 15....bobinages mais rien n'interdit en theorie de couper une sê~uence au milieu.De plus,des moyens sont connus de 1'homme de 1'art en êlectrotechnique consistant ~ utiliser des bobinages particuliers ~lux extremitês en vue d'éliminer les effets de bord dans les moteurs linêaires.L'interaction de ce champ glissant avec les courants induits dans le métal engendre des forces qui générent des mouvements dans des plans passant par l'axe de la lingotière et donc du produit coulé.Ces mouvements sont reprêsentes schématiquement sur la figure 2 par les flèches lO et 11.

Il est clair que ces mouvements permettent l'entrainement des particules cêramigues noyées dans le mêtal encore liquide vers la partie supêrieure plus chaude du marais ce qui assure une bonne homogênêisation des particules céramiques.

Les inducteurs triphasés A ~ F décrits ci-dessus peuvent ~tra réalisés de deux façons:

- 25 1) de façon classique avec des bobinages sous forme de galettes en fil de cuivre ou en tube de cuivre refroidi,les diffêrentes galettes étant superposées et de pr~férence placées dans les encoches d'une culasse magnétique feuilletée 12 destinée a canaliser les lignes ds force du champ magnetique.~figure 3 ).Les feuilles - mêtalliques,isolêes êlectriquement les unes des autres,sont -situêes dans des plans passant par l'axe du moule.Dans le - cas où une chambre est accolêe a la lingotiere pour assurer le refrolclissement de celle-ci,on peut placer les bobinages à l'intérieur de cette chambre.Ils sont alors efflcacement`
refroiclis.
.
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2) selon l'invention telle que représentée sur la ficJure 4:
. .

. : . .. . - . : ......................... ..
. : . - . . . .

- '~J~3323~

Le bobinage est constitu~ de disques mlnces d'épaisseur de 1'ordre du mm en metal bon conducteur,du cuivre par exemple.Chaque disque 13 en orme d'anneau et muni d'~ne fenta 14 constitue une spire du bobinage(figure 4a).Pour constituer le bobinage,on empile les disques en d~calant deux disques successi~s d'un angle donn~.Une feuille d'isolant 15 est interpos~ entre deux disques de cuivre successifs sauf dans la z~r,e entre les fentes de CQS deux disque~ successifs.Ii y a donc dans cette ~ e une plage de - 10 contact assurant la liaison ~lectri~ue entre deux disques successifs et la continuit~ du bobinage.(~igure 4b).
,: .
Pour assurer le refroidissement des disques de cuivre,on a imagine deux solutions selon le mode de refroidissement de lS la lingotière.
Dans le cas de refroidissement de la lingotière par film d'eau, on place les bobinages selon l'invention d~crite ci-dessus dans une chambre d'eau annulaire entourant les - parties amont et aval et laissant le passage pour le ~ilm d'eau au niveau de la lingotière.Une demi-coupe de cette chambre est representee sur la figure 5:
La chambre est constituée d'une paroi intarieure,cylindrique ou prismatique,selon la forme du produit coul~,en matière de préference isolante ou faiblement conductrice de l'electricite,mais en tout cas amagnetique 16 et d'une paroi extérieure,à surface interne également cylindrique ou prismatique,qui peut être constitu~e d'une culasse masnétique 12.
La chambre d'eau ast fermée à ses parties sup~rieure et inf~rieure par deux pièces 18 et 19 reunies entre elles par un tirant fileté ~0 dont le rale est d'assurer également le serrage des disques formant le bobinage gr~ce ~ de~x ~crous 21 et 22.Sa partie centrale,au contact avec les disques de cuivre est isol~e.
Une arrivee d'eau 23 et une sortie 24 sont dispos~es - respectivement en bas et en haut de la chambre. Les empilages de disques de cuivre 13 e~ d'isolant 15 sont dispos~s 1'interieur de la chambre.Les disques de cuivre et d'lsolant sont percés de trous,~udicieusement répartis pour constituer :: '. .' . -: ' :

:. :. , ,: . -1 1 2 ~ 3 3 2d 3 2 les conduits de refroidissement 25 et permettre le passage des tirants.

Dans le cas où le refroidissement de la lingoti~re est assure par une chambre d'eau,on peut tirer profit de cette solution en plaçant les bobinages directement dans ~ette chambre.( Figure 6 ) La paroi interne de la chambre est dans ce cas la lingotibre elle-m~me 26 qui. est rev~tue en amont (Partle chaude ) d'un -1o matériau isolant thermiquement 27 et en aval (Partie froide) d'un anneau en graphite 28.On retrouve la partie solide 29 du produit en cours de coulee délimitée par la front - 30.L'eau qui arrive en 31 sert non seulement à refroidir les bobinages 32 par l'intermédiaire des perçages 33,et la lingotière par passage dans l'interstice 34,mais aussi ~
former la lame d'eau 35 qui ruisselle sur le produit 36.Une vanne 37 situee sur le circuit de sorff e 38 du refroidissement du bobinage permet de contrôler les guantités respectives circulant dans chacun des passages.Le reste de la technologie est similaire à ce qui a été décrit pour la figure S.

Exemple Une billette de diamètre 75 mm en alliage AS7Go,6 contenant 15% en volume de particules de SiC de 10 micromètres environ a été coulée selon le procede décrit ci-dessus: --la lingotière était surmontée d'une zane chaude réaliséa i d'un anneau en matériau isolant MONALITE de hauteur 70 mm.
-la lingotière étai~ entourée d'une sp~re aliment~e sous ~ une ~ension de 6,3 volts.
-la vi~esse de coulée etait de 200 mm/minute.
. . .
; Dans ces conditions,la billette obtenue pr~sentait,à
}'exception de l'extrême périphérie,ce qui est classique en coulée continue d'alliage d~aluminium,une structure homogène avec une bonne dlspersion -des particules au sein de la -~ matrice,alors qu'en l'absence de brassage électromagn~tique selon l~invention décri~e,de larges plages de matrice sanc .; - .

,. . . . . .
. .. .
~....... . : . .

,: ~ , , , ., . - . - , . i . - .: . . . .
- . ~ ~ . -12 2 ~3 2 32 particules,ces plages pouvant atteindre 200 micromètres,ont~tb observees.

Un lopin de cette billette a étb ~crouté puis filé pour S ~ormer de la barre de dlam~tre 20 mm.Dans cette barre ont êté tirées des éprouvettes pour essais mecaniques qui,après trempe et revenu(état T6) ont donn~ les resultats suivants:

Module d'~ lc1te: 97 ~Pa ~ Limite d'élastlcité ~ 0,2 % d'allongement: 312 MPa .

Charge de rup~ure: 374 MPa .
. 15 Allongement a la rupture: 6 %

.

. . , ' .

: ,... . . . . . . . . . .
: . . . . . . . ...

- - .. , . . - - . . ~ . . 3 2 ~ 33232 continuous casting equipment suitable for casting CMM, that is, ~ in which the mixing required for the suspension of ceramic particles in the liquid matrix continues: Lt during the pouring of the half produced in the still liquid part of this semi-finished product that specialists call it the "swamp".

However, the process of the invention is not limited ~ the pouring of a liquid CMM obtained by the demand process : lo of French patent 89-16000; it applies to the color of any liquid CMM prepared by any process.

The process consists in creating a brewing of orig ~ ne electromagnetic which ensures mixing movements characterized by the fact that they are located in planes - meridians containing the casting axis.
stirring in good conditions of suspension ~ n suspension and dispersion of particles, the area must be stirred To do this, it is necessary to do precede the "ingot mold" part as we can meet in a classic way in a continuous casting by an upstream part thermi ~ uement insulated, which constitutes a zone hot and mistletoe has the effect of increasing the volume of the marsh.

2s Description of the invention.
.
Figure 1 shows an example of realization of - the invention.
We will successively describe the device intended for ~
casting, solidifying and extracting the CMM and then - three types of electromagnetic devices intended for use ensure the mixing of the metal.
:. .
Figure 1 and the description of the pouring devices, solidification and three types of brewing electromagnetic relate to a particular mode of realization of the invention: that of vertical casting.
analogous devices, having the same function are found in another embodiment of the invention: that of the `: ..::.::: ': --- '~. , .- ',,.
: ... . ,: ~.

~ 2 ~ 332S ^ ~ C ~

horizontal casting.

The pouring, solidification and extraction device is close to that used potlr continuous casting under load (or with enhancement) of ~ metals and in particular of aluminum.It includes:

a) a hot part r ~ made of insulating material thermal 1 which contains the liquid metal 2. The material insulator is of the type commonly used in fondarie for the making of chutes and nozzles.

b) a cold part connected to the hot part so liquid metal tight.This cold part includes as essential element a linen ~ 3 metal conductor of the heat cooled externally.
be secured by a film of coolant , usually water, 5 from a water box 6, such as shown in figure l. It can also be insured directly by a contiguous water chamber in known manner In the mold, in the latter case, we will preferably train ~ ets or a blade of water at the bottom of the whole room of ingot mold which will run the direct cooling of the product during casting.
ingot mold may be provided at its upper part with a graphite ring 4 ~ acting as a lubricant vis-à-vis cast metal, in addition to a lubricating agent 11 of which is sometimes necessary to coat the wall internal of the downstream part to facilitate the pouring of certain metals. Following a technique of prior art, it is also possible to continuously bring the ingoti ~ re lubricant which passes through the graphite ring and thus ensures continuous lubrication.
perspective of continuously lubricating, we can, instead - 35 to use a graphite ring, insert it into the mold ~ -graphite pencils which lead to the internal ace of the mold and are connected ~ their other end ; a chamber where the lubricant is pressurized.

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-. . . ~. . -....:. -~ - 2 ~ 3r ~ 32 c) the extraction system consisting of a bottom closing off the lower part in the ingot ~ re at start-up, port ~ in the case of a vertical casting, by an animated plate of a regular vertica movement]. and down, adjustable according to the alloys and the format of the cast products.
horizontal casting, this system is carried either by a mat motoris ~, either by a table ~ rollers, one of which is eqt motor ~ s ~, a pressure roller coming to guarantee the drive.

After start-up, the product ~ to solidify ~ serves as a mold for solidifying the food metal ~ continuously and arrives ~ a state of equilibrium shown in Figure 1:
.
From the mold, an envelope develops solidified exterior while inside the product coul ~ establishes a solidification front 7 having the form approximate shown in the figure.
front, the metal is completely solid; above, in that called the "swamp", there is a mixture of liquid and ceramic particles.

It is in we to ensure better homogeneity ~ of the distribution of particles within the liquid metal that a electromagnetic stirring, causing movement in the `25 marshes following meridian plans, is anointed.

- The electromagnetic stirring device, the filling with the casting device constitutes The invention is preferably one of three described - 30 below.
. . .
The first type is to pass a current single phase electric of frequency ~ lower or equal to the industrial frequency within the ingot constituted, at least in part by a conductive conductor - electricity. The wall of this mold doi ~ then -. .
present on its entire thickness and following at least one -generator an insulating insert ~ electrigue on both sides which are fixed ~ s the current leads.

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6 2 ~ 3 '~' ~ 3 ~

ingot ~ re ~ hears the role of a turn and the current which crosses generates a magnetic field which develops forces electromagnetic ticks generating the desired movement.
lnterne of this ingoti ~ re must ~ be covered with a film lsolant to avoid short circuits by the m ~ tal poured.
The electromagnetic forces being a function of the intensity of current, we will choose for the making of the mold a metal that is a good conductor of the current.
copper or aluminum or their allla ~ ss for coul ~ e aluminum lo.

We can also use assemblies of different materials in which the portion closest to the - upstream part is made otherwise of insulating material at least with a material less good conductor of electricity such stainless steel, in which case the movement of the liquid is amplified.

- The insulating film can consist of an oxide layer obtained by anodizing in the case of aluminum, a enamel, or a fluocarbon resin. The thickness of this film depends on the tension of the wall of the ingot ~ re by compared to the cast metal. An oxide thickness of 1 micrometer suitable for a voltage of 0 volts.
In the case where the ingot mold is provided with a ba ~ ue graphite, this ring can be shared in at least two sectors to avoid any Joule effect in an area that wish to cool and a reduction of the energy which would limit the movement of the metal.
.
In particular, it is possible to use a ring having a insert placed ~ opposite the ingot fiber insert; in this - case, we also avoid the Joule effect and we can then directly fret the ring on the inner wall of the ingot mold without the need for an insulating film intermediate.

The second type of brewing device (Figure 1) , . . , .-. .,. ~.

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~ 33232 consists of ~ placing ~ the outside of the ingot mold at least a metalllque turn 9 with a substantially parallel axis ~ the axis of the mold in which one has to pass a single-phase current ~
of frequency less than or equal to ~ the frequency industrial.This turn, electrically insulated from the wall of the ingot mold creates a c ~ amp magnet ~ that parallel} e ~ the axis of the mold which develops electromagnetic ~ orces e ~ gendrant the brewing according to the arrows 10 and ll.Ce br ~ ssag ~ is more or less full in or.rtion æa 1 ~ intensity lo of the current in the turn and according to other factor ~ such as the composition and structure of the llngotlère.
concerns composltion, it is better to use a -material having a resistance greater than 5 microohm.cm, for example non-magnetic stainless steel, `-15 tltane, or a ceramic having thermal conductivity sufficient, or even a composite material such as steel stainless steel coated with a thin layer of aluminum.
concerns the structure, we can, in order to reduce the intensity necessary for stirring, share the ingot according to generators in at least two sectors separated from each other other by electrical insulation such as mica, these areas ~ both assembled together by lnox steel pins and insulating plugs.
All these types of ingot molds can also be garnished on their inner wall near the hot zone of a shared coaxial graphite ring preferably `- its generators in at least two sections, this in sight of am ~ llorer the efflcacity of the electrical current for the brewing.
~ The turns that surround the iingo ~ ière are designed and mount ~ es so ~ adapt to any form of llngotière and ~ optlmiser the current-force output and the distribution of forces in the metal in order to start the brewing ~ ur the whole section and the height of the mold and - get the greatest homog ~ neit ~ pos ~ ible particles within the liquid metal. This is how the turns can be d ~ placed parallel ~ the axis of the mold or ~ be formed by an assembly of removable elements capable of . .

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8 2 ~ 33232 : circumscribe mussels of any section so ~ quidistant, or at different distances.
ideal for rectangular sections.

It is still possible, according to the invention, to improve the efficiency of mixing by ad ~ anointing around the area hot of one or more ~ whorls traversed by a current electri ~ eu and supplied in series or in parallel with those of the area. ~ stiff or by a current generator lo intensity, frequency and / or phase dlff ~ annuities those of the current supplying the turns of the cold zone.
.
In order to channel 18 magnetic field created by the one or more turns, the cold zone can be surrounded by elements of `15 magnetic yoke formed from insulated metal sheets : - from each other and located in planes passing through the axis of the mold.

The hot zone or at least its part closest to the stiff area can be surrounded by a sheath in which circulates a gas under pressure and chemically inert vis ~ ~ vis of cast metal; we then see that the product poured has a better surface finish.

The third type of brewing device consists of a or several inductors supplied with polyphase current surrounding the whole of the casting arrangement, hot and cold z ~ ne cold.In principle, any type can be used current ~ n phases; in practice we will obviously use the three-phase current: this is illustrated in Figure 2.
- -In this figure, six successive bob ~ nages: A, B, C, D, E, F
- have been represented from top to bottom of the figure.
windings are placed in perpendicular planes the casting axis. They are fed in a similar way ~
Freezing power to l ~ nary induction motors respectively by phases 1, -2, 3, -1, 2, -3 so ~ create ~ m vertical sliding field ascending, descending or periodically ascending then descending, following ~ order in which the three phases are lit. In a way :: - ..:.: -. :

,;. ::,;, .. ,,:.: ... ::::. ~,. ::,. . . -. -. :, 9 ~ 3 ~ 232 classic, we generally use a winding length which is a multiple of the polar step, the polar step will be the length of the three coils! ~ of the sequence ~ uence ~ lêmentaira 1, -2.3. This means in practice that we will use 6, ~, 12, 15 .... windings but nothing theoretically prohibits cutting a sê ~ uence in the middle. In addition, means are known to A person skilled in the art of electrical engineering consisting in using special windings ~ lux ends in order to eliminate side effects in linear motors.
of this sliding field with the currents induced in the metal generates forces that generate movements in planes passing through the axis of the mold and therefore of the product These movements are shown schematically on the Figure 2 by arrows 10 and 11.

It is clear that these movements allow training ceramic particles embedded in the metal still liquid to the warmer upper part of the marsh this which ensures good homogenization of the particles ceramics.

The three-phase inductors A ~ F described above can ~ tra done in two ways:

- 25 1) conventionally with windings in the form of patties made of copper wire or cooled copper tube, different wafers being superimposed and pr ~ ference placed in the notches of a magnetic yoke laminated 12 intended to channel the lines of force of the magnetic field. ~ figure 3) .The leaves - metallic, electrically isolated from each other, are -located in planes passing through the axis of the mold.
- case where a room is attached to the mold to ensure the reflow of it, we can place the coils inside this room, they are efflcacement refroiclis.
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2) according to the invention as shown in Figure 4:
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- '~ J ~ 3323 ~

The winding is made up of mlnces disks of thickness of The order of mm in good conductive metal, copper by example.Each disc 13 in elm ring and provided with ~ ne fenta 14 constitutes a turn of the winding (figure 4a).
constitute the winding, the discs are stacked by setting two successive discs at a given angle. One sheet insulation 15 is interposed between two copper disks successive except in the z ~ r, e between the CQS slots two disc ~ successive. So there is in this ~ e a range of - 10 contact ensuring the connection ~ lectri ~ eu between two discs successive and continuity ~ of the winding. (~ igure 4b).
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To cool the copper disks, we have imagine two solutions depending on the cooling mode of lS the ingot mold.
In the case of film ingot cooling of water, the windings according to the invention d ~ described below are placed above in an annular water chamber surrounding the - upstream and downstream parts and leaving the passage for the ~ ilm of water at the level of the mold. A half-cut of this room is represented on figure 5:
The chamber consists of an inner, cylindrical wall or prismatic, depending on the shape of the product coul ~, in terms of insulating or weakly conductive preference of electricity, but in any case non-magnetic 16 and a wall external, with internal surface also cylindrical or prismatic, which can consist of a cylinder head masnetic 12.
The water chamber is closed at its upper parts and lower ~ by two pieces 18 and 19 joined together by a threaded tie ~ 0 whose role is also to ensure the tightening of the discs forming the winding gr ~ ce ~ de ~ x ~ crous 21 and 22. Its central part, in contact with the discs of copper is insulated.
A water inlet 23 and an outlet 24 are arranged ~ es - respectively at the bottom and at the top of the room. Stacks of copper discs 13 e ~ of insulation 15 are arranged ~ s Inside the room. The copper and insulator discs are drilled with holes, ~ udiciously distributed to constitute :: '. . ' . -: ':

:. :. ,,:. -1 1 2 ~ 3 3 2d 3 2 the cooling ducts 25 and allow passage tie rods.

In case the cooling of the ingot ~ re is ensures by a water chamber, we can take advantage of this solution by placing the windings directly in ~ ette room. (Figure 6) The internal wall of the chamber is in this case the ingot fiber herself 26 who. is covered upstream (hot partle) by -1o thermally insulating material 27 and downstream (Cold part) of a graphite ring 28. We find the solid part 29 of the product being poured delimited by the front - 30. The water which arrives at 31 not only serves to cool the windings 32 via the holes 33, and the ingot mold by passage in interstice 34, but also ~
form the sheet of water 35 which trickles onto the product 36.
valve 37 located on the outlet circuit 38 of the winding cooling allows you to control respective guarantees circulating in each passage.
rest of the technology is similar to what has been described for figure S.

Example A 75 mm diameter billet made of AS7Go alloy, 6 containing 15% by volume of SiC particles of 10 about micrometers was poured according to the process described above above: --the mold was topped with a hot zane realized i of a ring made of MONALITE insulating material, height 70 mm.
-the ingot mold was ~ surrounded by a sp ~ re food ~ e under ~ a ~ 6.3 volt ension.
the vi ~ esse pouring was 200 mm / minute.
. . .
; Under these conditions, the billet obtained presented ~
} 'except for the extreme periphery, which is classic in continuous casting of aluminum alloy, a homogeneous structure with good dispersion - of particles within the - ~ matrix, while in the absence of electromagnetic mixing ~ tick according to the invention described, wide ranges of sanc matrix . -.

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-. ~ ~. -12 2 ~ 3 2 32 particles, these ranges up to 200 micrometers, have ~ tb observed.

A piece of this billet was crusted and then spun for Start with the 20 mm diameter bar. In this bar have were taken from test specimens for mechanical tests which, after quenching and tempering (state T6) gave the following results:

~ Lc1te module: 97 ~ Pa ~ Elastic limit ~ 0.2% elongation: 312 MPa .

Rock load: 374 MPa .
. 15 Elongation at break: 6%

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Claims

1) Manufacturing process by continuous casting of half metal matrix composite products reinforced by particles of refractory ceramic material in which pours the liquid metal containing the ceramic particles in a mold closed at its downstream part by a movable bottom and made up of two parts of the same axis:

an upstream part called the hot zone whose wall is made of thermal insulating material at least on its face internal, a downstream part, an ingot mold whose wall, made made of thermal conductive material is cooled by a fluid cooling so as to cause contact with it formation of a solid crust and a solidification allowing the gradual extraction of composite product using the movable floor, characterized in that:
we apply to the entire area located upstream of the front of solidification and which contains the liquid metal mixture and particles electromagnetic mixing ensuring mixing movements located in meridian planes containing the axis of the casting.

2) Method according to claim 1 characterized in that the metal matrix is an aluminum alloy.

3) Method according to claim 1, characterized in that the continuous casting is done vertically.

4) Method according to claim 1, characterized in that the continuous casting is done horizontally.

5) Method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the liquid metallic composite that is poured in the continuous casting mold comes from a casting fed simultaneously and continuously with metal liquid and in solid ceramic particles in proportion determined, and in which a mixing is practiced energetic.

6) Method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the movement is obtained by passing a current single-phase electric with frequency less than or equal to the industrial frequency in the mold whose wall present over its entire thickness and following at least one generator an insert of electricity insulating material on either side of which are fixed supply lines current, the mold being coated internally with a film insulating electricity.

7) Method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the movement is obtained by means of at least one metal coil placed outside the mold, the axis is substantially parallel to the axis of the mold and traversed by a single-phase current of lower frequency or equal to the industrial frequency.

8) Method according to claim 7 characterized in that we move the coil (s) parallel to the axis of the mold.

9) Method according to claim 7 characterized in that we set the distance of the turn (s) from the external wall of the mold.

10) Method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the electromagnetic stirring is obtained by a series of inductors consisting of annular windings having for axis the axis of the mold, arranged around the hot zones and cold from the mold and supplied with polyphase current with a phase order as established inside the mold a sliding field parallel to the axis of the moving mold one way or the other or alternately one way then in the other, generating electromagnetic forces which cause the liquid composite to move in meridian planes passing through the axis of the mold and ensuring thus a homogeneous distribution of the particles within the liquid metal.

11) Method according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that a pressurized gas is injected into the level of the cold zone.

12) Device for continuous product casting metal matrix composites comprising a mold closed at its downstream part by a movable bottom consisting of two parts of the same axis:
an upstream part, known as the hot zone, the wall of which is made of thermal insulating material at least on its face internal a downstream part, known as the cold zone, the wall of which, made of thermal conductive material is cooled by a coolant a displacement system of the movable bottom allowing the progressive extraction of the product characterized in that are arranged around hot and cold zones of the brewing mold mold electromagnetic ensuring mixing movements located in meridian planes containing the axis of flow.

13) Device according to claim 12 characterized in that that the stirring means is constituted by the ingot mold itself, whose wall has its entire thickness and following at least one generator a material insert electricity insulator on both sides of which are fixed current leads, said part being coated internally with an electrically insulating film.

14) Device according to claim 13 characterized in that that the internal wall of the mold is covered on its entire periphery and at least in the vicinity of the area hot of a graphite ring of the same axis as said areas.

15) Device according to claim 14 characterized in that that the graphite ring is divided according to its generators in at least two sectors.

16) Device according to claim 12 characterized in that that the stirring means consists of at least one turn metal placed outside the ingot mold whose axis is substantially parallel to the axis of the mold.

17) Device according to claim 16 characterized in that that the mold consists of a material having a resistivity greater than 5 microohm.cm.

18) Device according to claim 16 characterized in that that the mold is divided according to its generators in at least two sectors separated by electrical insulation.

19) Device according to claim 16 characterized in that that the mold consists of the assembly of different materials.

20) Device according to one of claims 13 to 19 characterized in that the hot zone contains at least one metallic coil supplied with electric current;

21) Device according to claim 20 characterized in that that the coil is connected to the power supply of the cold area.

22) Device according to claim 12 characterized in that that the mixing means is constituted by a series inductors consisting of annular windings having for axis the axis of the mold, arranged around the hot zones and cold from the mold and supplied with polyphase current with a phase order as established inside the mold a sliding field parallel to the axis of the moving mold alternately in one direction then in the other, generating electromagnetic forces located in planes meridians passing through the axis of the mold.

23) Device according to claim 22 characterized in that that the windings are supplied with three-phase current.

24) Device according to claim 22, characterized in that the total length of the windings is a multiple of the polar step.

25) Device according to one of claims 12 to 24 characterized in that the cooling system of the downstream part consists of a film from a box water.

26) Device according to one of claims 12 to 24 characterized in that the cooling system of the downstream part consists of a water chamber adjoining the ingot mold and forming at its base jets or a blade of water coming to run on the poured product.

27) Device according to one of claims 22 to 24 characterized in that the windings are made in the form of patties superimposed on copper wire or tube cooled copper.

28) Device according to claim 27 characterized in that that the patties are placed in the notches of a laminated magnetic yoke formed of metal sheets isolated from each other and located in planes passing through the axis of the mold.

29) Device according to one of claims 22 to 24 characterized in that the windings consist of thin annular metal discs, preferably in copper, each of them being provided with a radial slot, these discs being stacked with each successive disc a offset of a given angle of the slot and with interposition between two adjacent discs of an insulation sheet except in the area between the slots of two neighboring discs so that create a contact area between these two discs and ensure thus the continuity of the winding.

30) Device according to claim 29 characterized in that that the windings thus formed are placed inside of a room traversed by a circulation of water, of form ring surrounding the casting mold, the wall of which inner cylinder is an electrical insulator, provided with means for clamping the stack of copper discs and insulation sheets and in that these copper disks and of insulation are drilled with aligned holes allowing the circulation of cooling water.

31) Device according to claim 30 characterized in that that the outer cylindrical wall of the chamber is consisting of a magnetic yoke formed of sheets metallic insulated from each other and located in planes passing through the axis of the mold.

32) Device according to claim 26, in that to ensure their cooling the windings are placed inside the water chamber adjoining the ingot mold.

33) Device according to claim 29, characterized in that the chamber intended for cooling stacks of copper disks and insulation is constituted by the water chamber intended for cooling of the cast product, the internal wall of which is the mold itself coated upstream with a thermal insulating material.

34) Device according to claim 27, characterized in that that to ensure their cooling the windings are places inside the water room adjoining the ingot mold.

35) Device according to claim 30 or 31, characterized in that the chamber intended for cooling the stacks of copper discs and insulation is made up by the water chamber intended for cooling the product flows, the internal wall of which is the mold itself coated upstream with a thermal insulating material.