Procédé pour revêtir d'aluminium un article en métal ferreux et appareil pour la mise en aeuvre de ce procédé L'invention se rapporte à un procédé et un appa reil perfectionnés pour former des revêtements d'alu minium sur des articles en métal ferreux par immer sion de ceux-ci dans un bain d'aluminium fondu. Elle permet un refroidissement et une solidification rapides du revêtement d'aluminium, immédiatement après la sortie de l'article en métal ferreux du bain d'aluminium fondu, sans qu'il se produise de distor sion ou de rugosité dans le revêtement.
On a déjà fait de nombreuses propositions pour former un revêtement protecteur d'aluminium sur des articles en métal ferreux en plongeant l'article dans de l'aluminium fondu et retirant du bain fondu l'article recouvert d'aluminium. Un procédé particu lièrement efficace pour former ainsi un revêtement d'aluminium adhérent, exempt de trous d'épingles et défauts semblables, est décrit dans le brevet USA N,,
2686355 de Harald Lundin. Le procédé Lundin est caractérisé par l'emploi d'un flux contenant un fluorure de zirconium ou de titane pour faciliter la formation d'un revêtement d'aluminium continu et fortement adhérent sur des articles d'acier ou autre métal ferreux. D'autres procédés par plongée à chaud, dont les uns utilisent d'autres compositions de flux, et d'autres n'en emploient aucune, ont déjà été proposés et employés avec des succès divers pour former des revêtements d'aluminium sur des articles d'acier.
On a rencontré jusqu'à présent beaucoup de dif ficultés pour former, par les procédés par immersion à chaud, des revêtements d'aluminium suffisamment lisses et épais, possédant une ductilité adéquate, en particulier sur des fils ou bandes de gros calibre. La température à laquelle le bain d'aluminium fondu doit être maintenu dans le procédé de revêtement par immersion à chaud, est assez élevée pour avoir, sur les articles en métal ferreux immergés dans ce bain, un effet de recuit diminuant leur résistance.
Même lorsque la durée d'immersion est courte, l'objet en métal ferreux est chauffé en général sur toute sa section transversale à la température de l'aluminium fondu. Il en résulte qu'il est souvent désirable de soumettre le métal ferreux fraîchement revêtu à un travail à froid pour développer la dureté et la résistance à la traction qui peuvent être requi ses pour certaines applications. Ce travail à froid a pour effet une réduction de l'épaisseur du revête ment d'aluminium, et à moins que le revêtement d'aluminium fraichement formé ne soit très épais, le revêtement du produit traité à froid devient trop mince pour répondre à certaines exigences commer ciales.
Des fils, feuilles, etc., de gros calibre, qui ont été chauffés à la température de l'aluminium fondu pendant la formation du revêtement en aluminium, ne se refroidissent pas rapidement à l'air, à cause de la grande masse du métal ferreux. On a observé qu'une période de temps notable est nécessaire pour que le métal ferreux se refroidisse à l'air à une tem pérature à laquelle le revêtement cesse de couler.
C'est le cas en particulier dans les opérations conti nues de revêtement à grande vitesse, opérations pen dant lesquelles le fil ou la feuille subit inévitable ment des vibrations qui tendent à occasionner un écoulement du métal de revêtement, même si ce dernier est à un état visqueux ou semi-solide. L'écou- lemënt du revêtement d'aluminium sur le métal fer reux a pour effet une réduction de l'épaisseur de ce revêtement par retour du métal de revêtement au bain d'aluminium ; il en résulte aussi généralement la formation de revêtements d'épaisseur inégale et de surface rugueuse.
Un autre effet nuisible attribuable au refroidisse ment lent du métal ferreux est que le revêtement d'aluminium a un manque de ductilité notable. Ce défaut de ductilité résulte de l'épaisseur excessive d'un composé intermétallique cassant fer-aluminium, qui se forme par diffusion l'un dans l'autre du revête ment d'aluminium et du métal ferreux de base. La quantité d'un tel composé qui se forme, et par suite l'épaisseur de la couche cassante, dépend de la durée pendant laquelle l'aluminium et le métal ferreux sont maintenus à haute température.
Comme les fils et feuilles d'acier de calibres relativement forts, et d'au tres articles lourds, ne se refroidissent que lentement jusqu'à une température au-dessous de celle à la quelle ledit composé intermétallique cassant se forme, le revêtement sur de tels fils, feuilles ou autres arti cles est sujet à se rompre ou à s'écailler lorsque l'ar ticle est soumis à une déformation notable.
D'autres difficultés rencontrées jusqu'à présent dans les procédés de formation de revêtements d'alu minium par plongeage à chaud sont dues à une structure plutôt grossière du grain de la couche de revêtement et à l'accumulation de fer dans le bain de revêtement. On a trouvé que ces facteurs sont en relation l'un avec l'autre et avec la composition du bain. Le bain contient avantageusement du silicium (par exemple 2,5%) pour empêcher la formation de la couche cassante aluminium-fer entre le revête ment et le métal ferreux de base.
Cependant, quand la quantité de fer augmente dans le bain (provenant du métal ferreux), il se produit dans le revêtement un composé indésirable de fer, aluminium et sili cium, sous une forme qui agit défavorablement sur la ductilité et l'adhérence du revêtement. Ainsi, on a constaté qu'un fil d'acier qui a été recouvert d'alu minium par passage à travers un bain d'aluminium contenant environ 2,51% de silicium et dans lequel une grande quantité de fer s'était accumulée, et qui a été alors refroidi à l'air, a un revêtement contenant des particules assez grossières d'un composé alumi- nium-silicium-fer dans une matrice d'aluminium silicium.
Ce composé distinct aluminium-fer- silicium diminue sensiblement l'adhérence et la duc tilité du revêtement. Pour maintenir l'effet nuisible de telles ségrégations dans des limites raisonnables, il a été nécessaire jusqu'à présent de maintenir la te neur en fer du bain d'aluminium à une faible valeur (en général au-dessous de 1 9/o), soit en faisant des additions périodiques d'alliage aluminium-silicium pur, soit en mettant le bain de côté lorsque sa teneur en fer est devenue trop élevée.
Comme on le voit, beaucoup de difficultés ont été rencontrées jusqu'à présent dans la production de fils et feuilles de métal ferreux revêtus d'aluminium, de bonne qualité, dans les calibres autres que les petits calibres. Les succès que l'on a obtenus avec des calibres plus lourds l'ont été dans des conditions de travail spéciales, entraînant en général un faible rendement de production et, par conséquent, des frais de fabrication élevés.
La présente invention permet la production d'ar ticles en métal ferreux revêtus d'aluminium, par immersion à chaud, en évitant les désavantages ren contrés jusqu'à présent. Il est possible, grâce à l'in vention, de produire par immersion des revêtements d'aluminium lisses et d'épaisseur adéquate même sur des fils et feuilles de forts calibres, et dans lesquels la couche interfaciale fer-aluminium est assez mince pour que le revêtement possède la ductilité voulue pour résister à de fortes déformations mécaniques sans se rompre ou s'écailler.
De plus, l'invention per met d'obtenir une structure de grain du revêtement dans laquelle le composé fer-aluminium-silicium est distribué uniformément en petits sphéroïdes à tra vers la matrice aluminium-silicium, forme sous la quelle ce composé n'a qu'un effet relativement faible sur la ductilité et l'adhérence du revêtement. L'inven tion rend donc possible de tolérer jusqu'à 2. o/o de fer, et même plus, dans le bain d'aluminium. Ces résultats peuvent être obtenus en opérant selon l'in vention à des vitesses de revêtement élevées et avec des frais de fabrication réduits en conséquence.
Le procédé selon l'invention pour revêtir d'alu minium un article en métal ferreux par immersion de cet article dans un bain d'aluminium fondu et retrait de cet article du bain avec un revêtement d'aluminium fondu y adhérant, est caractérisé en ce sens qu'on amène l'article revêtu, immédiatement après sa sortie du bain d'aluminium et alors que son revêtement d'aluminium est encore fluide, en con tact direct avec une brouillasse dense de liquide re froidisseur.
Cette brouillasse comprend une suspen sion gazeuse de gouttelettes du refroidisseur très finement divisées, la dimension des gouttelettes étant suffisamment faible pour qu'un dépôt de celles-ci à partir de leur suspension soit négligeable même en atmosphère tranquille et ne puisse pas se produire à un degré sensible dans une atmosphère modéré ment agitée. La vitesse à laquelle les gouttelettes entrent en collision avec l'article revêtu d'aluminium est suffisamment faible pour qu'il ne se produise pas de déformation sensible de son revêtement d'alumi nium, alors que celui-ci est encore fluide.
Le résul tat est que le revêtement d'aluminium est refroidi et solidifié avant qu'un écoulement du métal fondu du revêtement puisse produire dans le revêtement des irrégularités sensibles d'épaisseur et de continuité de surface, et d'une manière qui ne contribue pas à une déformation du revêtement le rendant rugueux.
On a déjà proposé précédemment d'effectuer le refroidissement en dirigeant un courant ou un jet ordinaires de grosses gouttes d'eau sur l'article revêtu d'aluminium avant que ce revêtement se soit complè tement solidifié ; toutefois, le choc du liquide refroi disseur sur le revêtement d'aluminium déforme et tord ce revêtement et le solidifie sous cette forme altérée, de sorte que l'article est rendu rugueux et impropre. Le refroidissement avec un jet d'air ou d'autres gaz refroidisseurs a le même effet.
En re vanche, le refroidissement effectué dans les condi tions propres à l'invention est au moins aussi rapide que le refroidissement ordinaire avec un fort courant ou un jet de liquide refroidisseur, mais il n'altère pas l'égalité de la surface du revêtement d'aluminium.
De préférence, l'article revêtu est maintenu en contact avec la brouillasse réfrigérante jusqu'à ce que sa température ait été abaissée au-dessous de 5401, C, et avantageusement au-dessous de 4800 C, de sorte que la formation de l'alliage cassant fer- aluminium par interdiffusion du revêtement et du métal ferreux est réduite à un minimum.
Le liquide réfrigérant employé est le plus avan tageusement l'eau, et il est amené en contact direct avec le métal ferreux fraichement revêtu sous forme d'une brouillasse de fines gouttelettes. L'expression brouillasse est employée ici dans le sens d'une suspension de très fines gouttelettes d'eau ou d'un autre liquide refroidisseur dans de l'air ou autre milieu gazeux de suspension, dans laquelle les gout telettes de liquide sont plus grandes que dans un brouillard, de sorte qu'elles ont quelque tendance à se déposer dans une atmosphère au repos, mais dans laquelle ces gouttelettes ne sont pas assez grandes pour que se produise le dépôt assez rapide qui carac térise une pluie légère.
Il n'est pas possible de spécifier une vitesse de refroidissement applicable à toutes les dimensions et formes des articles ; il est en général désirable que la température de l'article soit réduite jusqu'au-des- sous de 4800 C en peu de secondes (1 ou 2 secon des) ou même beaucoup moins, après que cet article est sorti de l'aluminium fondu.
L'appareil, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, comprend un récipient destiné à contenir un bain d'aluminium fondu, et des moyens pour faire passer de façon continue l'article à tra vers ledit bain et pour retirer cet article du bain vers le haut dans une direction sensiblement verti cale. Des ajutages de pulvérisation sont dirigés sur le chemin du parcours vertical de l'article immédia tement au-dessus dudit récipient, de sorte que promp tement après la sortie de l'article du bain, et tandis que le revêtement d'aluminium sur celui-ci est encore fluide, l'article entre dans la zone parcourue par les jets pulvérisés venant desdits ajutages.
D'ordinaire, l'ajutage le plus bas est dirigé vers le chemin du parcours de l'article dans la région située immédia tement au-dessus dudit récipient, et l'ajutage le plus haut est dirigé sur ledit chemin à une distance assez grande au-dessus dudit récipient ; les ajutages inter médiaires sont espacés de telle manière que sensi blement toute la longueur dudit chemin du parcours entre les ajutages supérieur et inférieur soit occupée par les jets qui en proviennent. Il est en outre dési rable que les ajutages soient disposés de telle façon qu'il n'y ait pas de chevauchement du jet fourni par un ajutage avec le jet fourni par un ajutage adjacent, à l'endroit où lesdits jets rencontrent le chemin de parcours de l'article revêtu d'aluminium.
Bien en tendu, des moyens sont prévus pour amener le liquide réfrigérant auxdits ajutages de pulvérisation et pour le décharger par ceux-ci sous forme d'une fine poussière. De cette façon, le revêtement est refroidi et solidifié avant qu'un écoulement de celui- ci sur l'article ferreux en mouvement continu ait pu produire des irrégularités sensibles dans l'épaisseur du revêtement et l'égalité ou lissé de sa surface.
Un exemple avantageux de mise en oeuvre de l'invention est décrit ci-après en se référant à la figure unique du dessin ci-annexé. Ce dessin montre schématiquement en élévation et en partie en section une forme d'exécution de l'appareil selon l'invention, qui est particulièrement bien adaptée pour le revê tement d'un ou plusieurs fils par le procédé selon l'invention.
L'appareil représenté est spécialement construit pour le revêtement de façon continue d'un certain nombre de fils W avec de l'aluminium. Quoiqu'on n'ait représenté qu'un seul fil W dans la vue en élé vation du dessin, il est évident que l'on peut disposer un groupe de fils à peu de distance les uns des autres dans des plans perpendiculaires au plan du dessin, fils que l'on peut faire passer simultanément à tra vers l'appareil.
L'appareil représenté comporte un four à creuset 10 de construction courante, lequel contient un bain d'aluminium fondu 11. Des moyens de chauffage ordinaires (par exemple un dispositif de chauffage par induction) pourvoient au maintien de l'aluminium à l'état fondu, à la température requise pour l'opé ration de revêtement.
Un rouleau d'immersion 12 est monté dans le creuset du four bien au-dessous de la surface du bain d'aluminium fondu. Ce rouleau est porté à cha cune de ses extrémités par un coussinet porté par un bras 13 dont l'extrémité supérieure est fixée au bord supérieur d'un côté du creuset et dont la partie inférieure s'étend dans le creuset au-dessous de la - surface de l'aluminium fondu. Le fil W avance, comme indiqué par les flèches, vers le bas dans le bain d'aluminium fondu, passe autour du rouleau d'immersion 12, puis s'élève verticalement au sortir du creuset.
Tout près du chemin du fil s'élevant verticale ment se trouve un châssis comprenant une ou plu sieurs colonnes verticales 15. Ce châssis porte un bâti de support en fers d'angle 16, sur lequel sont montés un certain nombre de dispositifs à ajutages de pulvérisation 17a, 17b, 18n, 18b, capables de produire une brouillasse ou bruine de gouttelettes très fines de liquide réfrigérant en suspension dans un gaz ; ces dispositifs sont placés selon une rangée verticale, à distance les uns des autres, et dirigés vers le chemin du parcours du fil.
Des dispositifs à ajutages de pulvérisation du genre employé dans les opérations de peinture par pulvérisation, et capables de produire une brouillasse aussi fine que celle pour la peinture par jet pulvérisé, conviennent bien à cet emploi. Quoique ces dispositifs à ajutages de pulvé risation soient tous identiques, les ajutages 17 de la moitié inférieure de la rangée sont reliés en un groupe de travail, et les assemblages 18 de la moitié supé rieure de la rangés sont reliés en un groupe com mandé séparément. Cette disposition des ajutages en deux groupes a pour but de permettre une manoeu- vre souple et commode.
De l'eau à l'état liquide est distribuée à chacun des ajutages 17a, 17b du groupe inférieur à travers un conduit 19, et de l'air comprimé pour atomiser l'eau et la projeter à partir des dispositifs à ajutages sous la forme d'une poussière, est fourni à chacun de ces dispositifs à ajutages par une conduite 20 d'air de pulvérisation. De plus, de l'air comprimé pour actionner le mécanisme de contrôle des aju- tages, par lequel la projection de jets pulvérisés par les ajutages est déclenchée ou arrêtée, est fourni à chacun des ajutages par un conduit d'air de con trôle 21.
De l'eau est fournie à la conduite 19 à partir d'une canalisation maîtresse 22, à travers des valves 23 et 24 à commande manuelle et une valve de réglage de pression 25. Un manomètre 26 est prévu pour indiquer la pression de l'eau entrant dans le conduit 19. De l'air comprimé est amené aux deux distributeurs d'air comprimé 20 et 21 à partir d'une canalisation maîtresse d'air à haute pression 27 à travers une valve 28 manoeuvrable à la main, et un réducteur de pression 29, qui comprend des valves de réglage de pression et des manomètres pour indi quer la pression à laquelle l'air comprimé est fourni aux conduites de distribution.
L'admission d'air com primé dans le distributeur 21 d'air de contrôle est commandée par une valve de contrôle 30 à action rapide, par la manoeuvre de laquelle les ajutages de pulvérisation 17 peuvent être mis rapidement en ou hors d'action. Les organes de contrôle pour le groupe inférieur d'ajutages 17 sont groupés avantageusement sur un unique tableau de contrôle 31.
De même, l'eau est fournie aux ajutages de pul vérisation 18 du groupe supérieur par un tuyau dis tributeur d'eau 19a, et l'air pour projeter des jets d'eau atomisés par ces ajutages est distribué par un conduit 20ca d'air d'atomisation. De l'air comprimé pour actionner le mécanisme d'interruption des aju- tages est fourni à chaque ajutage à travers un distri buteur d'air de contrôle 21a. L'eau est fournie au distributeur d'eau 19a par la conduite maîtresse 22, et l'air comprimé est amené aux distributeurs d'air 20a et 21a par la canalisation maîtresse 27 d'air à haute pression, à travers un mécanisme de contrôle semblable à celui employé en conjonction avec les ajutages 17 du groupe inférieur.
Les dispositifs de contrôle pour le groupe supérieur d'ajutages sont, de même que ceux du groupe inférieur, groupés pour la commodité sur un seul tableau de contrôle 32. Il est avantageux, comme il va de soi, que les deux tableaux de contrôle soient placés directement à côté l'un de l'autre.
Comme déjà dit, les ajutages 17, 18 sont dispo sés le long du chemin de déplacement vertical du fil W depuis le point où il émerge du bain d'alumi nium dans le creuset 10. L'angle au sommet des cônes formés par les jets de pulvérisation sortant des ajutages est, de préférence, assez grand pour que les jets des ajutages adjacents se rejoignent juste avant d'atteindre le chemin du parcours du fil.
De cette façon ce chemin entier est couvert par les pous sières de gouttelettes d'eau venant des ajutages sans qu'il y ait un chevauchement sensible du jet d'un ajutage par celui d'un ajutage adjacent sur le che min du fil W. L'ajutage inférieur 17a est situé tout près du bord supérieur du four à creuset 10, de sorte que le fil W pénètre dans la zone couverte par la poussière d'eau promptement après sa sortie du bain 11 d'aluminium fondu. L'ajutage supérieur<B>l8</B> f est situé à une assez grande distance au-dessus de l'aluminium fondu, de sorte que la zone de pous sière d'eau est suffisamment longue pour assurer un refroidissement adéquat du fil, même s'il passe à travers l'appareil avec sa vitesse maximum de dépla cement.
Des pare-boue 33 sont disposés près du chemin de parcours vertical du fil, du côté opposé aux jets 17, 18. Les gouttelettes d'eau de la bruine projetée par les ajutages et qui passent à côté du fil W vien nent heurter les pare-boue, se rejoignent en grosses gouttes qui s'écoulent vers le bas dans une cuvette 34 placée juste au-dessus du creuset 10 ; l'eau ainsi recueillie est éliminée par un conduit 35.
Pour amortir les oscillations du fil W pendant qu'il se meut verticalement vers le haut à partir du creuset 10, il est prévu un rouleau d'amortissement 36. Ce rouleau est supporté à chacune de ses extré mités par un palier porté par un bras 37 venant de la colonne 15 ; il est maintenu en contact avec légère pression avec le fil se mouvant vers le haut. Le rou leau 36 doit, bien entendu, être placé assez loin du creuset 10 pour que le revêtement d'aluminium sur le fil se soit durci avant qu'il vienne en contact avec lui.
Une poulie 38 est montée à l'extrémité supérieure d'un dispositif de support porté par la colonne 15, en place voulue pour recevoir le fil W au bout de son parcours vertical. La poulie 38 est placée dans une extrémité d'une cuve de trempage 39. Une poulie d'immersion 40 est montée dans la partie centrale de cette cuve, et une poulie de sortie 41 est placée près de l'extrémité de celle-ci opposée à la poulie 38. Le fil W passe autour de la poulie 38, puis sous la poulie 40, et finalement sur la poulie de sortie 41, pour arriver à un dispositif d'embobinage.
L'eau est fournie à la cuve 39 par un tuyau 42 en un volume suffisant pour maintenir cette cuve sensiblement pleine d'eau. Un tuyau montant de trop- plein 43 est prévu pour éviter que la cuve ne déborde. Le fil W, après avoir passé sur la poulie de tête 38, est amené par la poulie d'immersion jusque près du fond de la cuve pour assurer le refroidissement final du fil jusqu'à la basse température voulue.
Le fonctionnement de l'appareil ci-dessus décrit est le suivant: le fil W à revêtir d'aluminium est fait pour passer continuellement dans le bain d'aluminium fondu 11, par-dessous le rouleau d'immersion 12, puis verticalement vers le haut, hors du bain. Très vite après que le fil est sorti du bain, il pénètre dans une brouillasse dense de gouttelettes d'eau dirigée vers le chemin de son parcours par les ajutages 17, 18. Le contact direct ainsi établi entre le fil chaud muni de son revêtement tout frais d'aluminium en core fluide et les gouttelettes d'eau liquide de cette brouillasse, a pour effet un refroidissement rapide et une solidification du revêtement d'aluminium.
La brouillasse est formée par atomisation de l'eau avec de l'air à très haute pression (par exemple 5 à 7 kg/cm2) au moment où elle sort des ajutages de pulvérisation, et sa vitesse à l'ajutage est élevée. Cependant, le large angle du cône du jet et le grand accroissement de l'aire de sa section transversale au point du parcours du fil, en comparaison avec l'ou verture de l'ajutage, ont pour résultat une vitesse d'arrivée de la brouillasse contre le fil réduite en conséquence. Cette vitesse du jet, au moment où il atteint le chemin de parcours du fil, est donc assez faible pour que ni l'air, ni les petites gouttelettes d'eau du jet ne frappent le fil avec une force suffi sante pour produire une déformation physique pré judiciable du revêtement d'aluminium avant qu'il durcisse.
Cependant, l'efficacité de refroidissement de la brouillasse d'eau est élevée et le revêtement d'aluminium est très vite amené à un état solide où il ne peut plus couler. Il en résulte que le revêtement sur le fil est maintenu sensiblement à l'épaisseur à laquelle il est sorti du bain d'aluminium 11, étant solidifié avant que son épaisseur ait été réduite de façon appréciable par écoulement vers le bas le long du fil. En outre, le refroidissement par la brouillasse solidifie le revêtement d'aluminium assez rapidement pour que l'on évite des irrégularités d'épaisseur du revêtement et des rugosités à sa surface, même quand on fait avancer le fil à sa vitesse maximum.
Quoique la couche de revêtement d'aluminium soit tout à fait solidifiée par un refroidissement jus qu'à une température au-dessous d'environ 650o C, la rangée des ajutages 17, 18 doit être assez grande pour refroidir le fil aussi vite que possible jusqu'à une température au-dessous de 540c, C, et de préfé rence de 4801) C, de façon à réduire autant que pos sible l'épaisseur de l'alliage cassant fer-aluminium qui se forme par interdiffusion du métal ferreux du fil et de l'aluminium du revêtement.
On a constaté que la formation d'un tel composé intermétallique cas sant continue à se produire même à des températures sensiblement au-dessous de la température de solidi fication de la couche d'aluminium. La vitesse à la quelle une telle couche se forme décroît avec la tem pérature, mais elle ne devient très faible que lorsque la température est tombée au-dessous d'environ 5400 C, et une formation du composé intermétallique continue à se produire par diffusion jusqu'à ce que le fil ait été refroidi au-dessous d'environ 4800 C.
Par conséquent, la hauteur de la rangée de jets doit correspondre à la vitesse linéaire maximum à laquelle le fil W passe à travers l'appareil, et à l'épaisseur du fil, de sorte que la température de celui-ci soit abaissée au-dessous d'environ 480() C avant qu'il ne sorte de la brouillasse formée par les jets. De préfé rence, la hauteur de la rangée de jets est suffisante pour effectuer le refroidissement du fil jusqu'à une température bien au-dessous de 4800 C avant que le fil sorte de la zone des jets, en vue d'assurer la réali sation maximum des avantages de l'invention.
Il est naturellement important que les jets forment une brouillasse dense pour produire un refroidisse ment suffisant du fil dans la partie inférieure de la zone des jets de telle sorte que le revêtement du fil soit complètement solidifié avant de venir en contact avec le rouleau d'amortisation 36. Autrement, ce rouleau déformerait mécaniquement le revêtement et le produit serait de qualité inférieure.
Quand le fil est sorti de la zone de brouillasse et a passé sur la poulie 38, il est conduit par la poulie 40 sous la surface de l'eau contenue dans la cuve 39. Quoiqu'un refroidissement du fil à ce point ne soit pas nécessaire, il a l'avantage d'assurer que le fil est porté à une température proche de la température de la chambre préalablement au revêtement et trai tement.
A titre d'exemple d'exécution du procédé selon l'invention, un fil d'acier ayant un diamètre de 3,35 mm a été pourvu d'un revêtement lourd d'alu minium ayant approximativement 0,038 mm d'épais seur en le faisant passer à une vitesse de 3500 cm à la minute dans un bain d'aluminium fondu conte- nant 1,94 % de fer et 2,93 % de silicium,
puis vers le haut à travers une brouillasse dense formée par une rangée de jets d'eau pulvérisée d'une hauteur suffisante pour refroidir rapidement et congeler le revêtement d'aluminium et amener le fil à une tem pérature au-dessous de 480,1 C sur un parcours d'en viron 180 cm à partir du point où le fil est sorti du bain d'aluminium fondu (soit en 0,05 minute environ ou 3 secondes environ après sa sortie du bain d'alu minium).
Le revêtement du fil était suffisamment adhérent pour que le fil puisse être enroulé sur un mandrin de son propre diamètre sans craquer ou s'écailler. Ce revêtement était en outre d'une épais seur tout à fait uniforme et présentait une surface unie de qualité commercialement acceptable. Le fil pouvait être étiré avec succès à des dimensions plus petites sans endommager le revêtement. Ce dernier, à l'état étiré, quoique plus mince que quand il était appliqué sur un fil de plus grand diamètre, était con venablement uniforme, adhérent et ductile, et par conséquent utilisable commercialement.
Un fil iden tique, revêtu de la même manière, mais séché à l'air, sans le refroidissement rapide résultant de l'emploi de jets d'eau vaporisés, a été trouvé avoir des caractè res de revêtement indésirables en ceci que le revête ment était irrégulier et rugueux ainsi que non adhé rent et cassant. De plus, ce revêtement, après étirage à une dimension plus faible, a été trouvé non adhé rent et cassant, et par conséquent non satisfaisant au point de vue commercial.
Quoique l'invention ait été décrite ci-dessus en se référant en particulier au revêtement de fils, il est bien évident que le procédé selon l'invention est éga lement applicable au revêtement d'articles ferreux ayant d'autres formes, tels que des barres, des feuil les, des rubans, etc. Il est évident aussi que l'appareil décrit ci-dessus peut être modifié. Par exemple, les ajutages de pulvérisation 17, 18, au lieu d'être dis posés tous d'un seul côté du fil et dirigés contre un pare-boue unique, peuvent être montés de façon à diriger les jets vers différentes faces de l'article que l'on revêt.
En particulier, quand on revêt des feuilles ou des rubans, il est désirable que les jets soient dirigés sur chaque côté de l'article au moment où il sort du bain d'aluminium fondu. De même, quoique le procédé selon l'invention ait été décrit en se rap portant à une opération de revêtement continue, il est aussi applicable en opérant par fournées, pour lesquelles les articles sont immergés au-dessous de la surface d'un bain d'aluminium fondu, puis, quand ils sont sortis du bain de revêtement et, tandis que leur revêtement est encore fluide, sont amenés en contact direct avec le liquide réfrigérant.
Method for coating a ferrous metal article with aluminum and apparatus for carrying out this method The invention relates to an improved method and apparatus for forming aluminum coatings on ferrous metal articles by immersion. Zion of these in a bath of molten aluminum. It allows rapid cooling and solidification of the aluminum coating immediately after the ferrous metal article has emerged from the molten aluminum bath, without any distortion or roughness occurring in the coating.
Many proposals have already been made for forming a protective aluminum coating on ferrous metal articles by dipping the article in molten aluminum and removing the aluminum coated article from the molten bath. A particularly effective method of thereby forming an adherent aluminum coating free from pinholes and the like is disclosed in US Pat.
2686355 by Harald Lundin. The Lundin process is characterized by the use of a flux containing zirconium or titanium fluoride to facilitate the formation of a continuous and strongly adherent aluminum coating on articles of steel or other ferrous metal. Other hot dipping methods, some using other flux compositions, and others using none, have already been proposed and employed with varying success to form aluminum coatings on articles. of steel.
Hitherto, many difficulties have been encountered in forming, by hot dip processes, sufficiently smooth and thick aluminum coatings having adequate ductility, in particular on heavy gauge wires or strips. The temperature at which the molten aluminum bath must be maintained in the hot dip coating process is high enough to have, on the ferrous metal articles immersed in this bath, an annealing effect reducing their strength.
Even when the immersion time is short, the ferrous metal object is generally heated over its entire cross section to the temperature of molten aluminum. As a result, it is often desirable to subject the freshly coated ferrous metal to cold working to develop the hardness and tensile strength which may be required for certain applications. This cold working has the effect of reducing the thickness of the aluminum coating, and unless the freshly formed aluminum coating is very thick, the coating of the cold processed product becomes too thin to meet certain requirements. business requirements.
Heavy gauge wires, sheets, etc., which have been heated to the temperature of molten aluminum during the formation of the aluminum coating, do not cool quickly in air, due to the large mass of the metal ferrous. It has been observed that a substantial period of time is required for the ferrous metal to cool in air to a temperature at which the coating ceases to flow.
This is particularly the case in continuous high speed coating operations, operations during which the wire or sheet inevitably undergoes vibrations which tend to cause the coating metal to flow even though the coating metal is at a low level. viscous or semi-solid state. The flow of the aluminum coating onto the iron metal has the effect of reducing the thickness of this coating by returning the coating metal to the aluminum bath; it also generally results in the formation of coatings of uneven thickness and rough surface.
Another deleterious effect attributable to the slow cooling of the ferrous metal is that the aluminum coating has a noticeable lack of ductility. This lack of ductility results from the excessive thickness of a brittle iron-aluminum intermetallic compound, which forms by diffusion into each other of the aluminum coating and the base ferrous metal. The amount of such a compound which forms, and hence the thickness of the brittle layer, depends on how long the aluminum and the ferrous metal are held at high temperature.
Since relatively strong gauge steel wire and sheet, and other heavy articles, cool only slowly to a temperature below that at which said brittle intermetallic compound is formed, the coating on such threads, sheets or other articles are prone to breaking or chipping when the article is subjected to significant deformation.
Other difficulties encountered heretofore in the processes of forming aluminum coatings by hot dipping are due to a rather coarse grain structure of the coating layer and the accumulation of iron in the coating bath. . These factors have been found to be related to each other and to the composition of the bath. The bath advantageously contains silicon (eg 2.5%) to prevent the formation of the aluminum-iron brittle layer between the coating and the base ferrous metal.
However, as the amount of iron increases in the bath (from the ferrous metal) an undesirable compound of iron, aluminum and silicon occurs in the coating in a form which adversely affects the ductility and adhesion of the coating. . Thus, it was found that a steel wire which was coated with aluminum by passing through an aluminum bath containing about 2.51% silicon and in which a large amount of iron had accumulated, and which has then been air cooled, has a coating containing fairly coarse particles of an aluminum-silicon-iron compound in an aluminum-silicon matrix.
This distinct aluminum-iron-silicon compound significantly reduces the adhesion and durability of the coating. In order to keep the deleterious effect of such segregations within reasonable limits, it has heretofore been necessary to keep the iron content of the aluminum bath low (generally below 1 9 / o). , either by making periodic additions of pure aluminum-silicon alloy, or by putting the bath aside when its iron content has become too high.
As can be seen, many difficulties have heretofore been encountered in the production of good quality aluminum coated ferrous wire and sheet in gauges other than small gauges. The successes that have been achieved with heavier calibers have been achieved under special working conditions, generally resulting in low production efficiency and, consequently, high manufacturing costs.
The present invention allows the production of ferrous metal articles coated with aluminum by hot dipping, avoiding the disadvantages encountered heretofore. It is possible, thanks to the invention, to produce by immersion smooth aluminum coatings of adequate thickness even on heavy gauge wires and sheets, and in which the iron-aluminum interfacial layer is thin enough so that the coating has the desired ductility to withstand high mechanical deformations without breaking or flaking.
In addition, the invention makes it possible to obtain a grain structure of the coating in which the iron-aluminum-silicon compound is uniformly distributed in small spheroids through the aluminum-silicon matrix, in the form in which this compound has no relatively little effect on the ductility and adhesion of the coating. The invention therefore makes it possible to tolerate up to 2% of iron, and even more, in the aluminum bath. These results can be obtained by operating according to the invention at high coating speeds and with correspondingly reduced manufacturing costs.
The process according to the invention for coating a ferrous metal article with aluminum by immersing this article in a bath of molten aluminum and removing this article from the bath with a coating of molten aluminum adhering thereto, is characterized in that sense that the coated article is brought, immediately after leaving the aluminum bath and while its aluminum coating is still fluid, in direct contact with a dense brouillis of re-cooler liquid.
This brouillasse comprises a gaseous suspension of very finely divided droplets from the cooler, the size of the droplets being sufficiently small that a deposition of the latter from their suspension is negligible even in a still atmosphere and cannot occur at a low temperature. noticeable degree in a moderately agitated atmosphere. The rate at which the droplets collide with the aluminum coated article is low enough that no substantial deformation occurs in its aluminum coating while the aluminum coating is still fluid.
The result is that the aluminum coating is cooled and solidified before a flow of molten metal from the coating can produce substantial irregularities in thickness and surface continuity in the coating, and in a manner which does not contribute. to a deformation of the coating making it rough.
It has already been proposed previously to effect the cooling by directing an ordinary stream or jet of large drops of water onto the article coated with aluminum before this coating has completely solidified; however, the impact of the cooling liquid on the aluminum coating deforms and twists this coating and solidifies it in this altered form, so that the article is roughened and unfit. Cooling with a jet of air or other cooling gases has the same effect.
On the other hand, the cooling carried out under the conditions specific to the invention is at least as rapid as the ordinary cooling with a strong current or a jet of cooling liquid, but it does not alter the equality of the surface of the coating. aluminum.
Preferably, the coated article is kept in contact with the cooling mist until its temperature has been lowered below 5401 ° C, and preferably below 4800 ° C, so that the formation of the Brittle iron-aluminum alloy by interdiffusion of the coating and ferrous metal is reduced to a minimum.
The coolant employed is most preferably water, and it is brought into direct contact with the freshly coated ferrous metal in the form of a mist of fine droplets. The expression brouillasse is used here in the sense of a suspension of very fine droplets of water or other cooling liquid in air or other gaseous suspension medium, in which the liquid droplets are larger. than in fog, so that they have some tendency to settle in an atmosphere at rest, but in which these droplets are not large enough for the fairly rapid deposition to occur which characterizes light rain.
It is not possible to specify a cooling rate applicable to all sizes and shapes of the articles; it is generally desirable that the temperature of the article be reduced to below 4800 C in a few seconds (1 or 2 seconds) or even much less, after that article is taken out of the aluminum. molten.
The apparatus, for carrying out the method according to the invention, comprises a container intended to contain a bath of molten aluminum, and means for continuously passing the article through said bath and for withdrawing this. bath section upward in a substantially vertical direction. Spray nozzles are directed into the path of the vertical path of the article immediately above said container, so that soon after the article exits the bath, and while the aluminum coating thereon. this is still fluid, the article enters the zone traversed by the sprayed jets coming from said nozzles.
Usually, the lower nozzle is directed towards the path of the article's path in the region immediately above said container, and the higher nozzle is directed at said path at a considerable distance. above said container; the intermediate nozzles are spaced such that substantially the entire length of said path of the path between the upper and lower nozzles is occupied by the jets coming from them. It is further desirable that the nozzles be so arranged that there is no overlap of the jet supplied by a nozzle with the jet supplied by an adjacent nozzle, where said jets meet the path of the nozzle. path of the aluminum coated article.
Well stretched, means are provided for supplying the coolant liquid to said spray nozzles and for discharging it through them in the form of a fine dust. In this way, the coating is cooled and solidified before a flow thereof over the continuously moving ferrous article has produced substantial irregularities in the thickness of the coating and the smoothness or smoothness of its surface.
An advantageous example of implementation of the invention is described below with reference to the single figure of the accompanying drawing. This drawing shows schematically in elevation and partly in section an embodiment of the apparatus according to the invention, which is particularly well suited for the coating of one or more threads by the method according to the invention.
The apparatus shown is specially constructed for the continuous coating of a number of W wires with aluminum. Although only one wire W has been shown in the elevation view of the drawing, it is obvious that a group of wires can be arranged at a short distance from each other in planes perpendicular to the plane of the drawing, wires that can be passed simultaneously through the device.
The apparatus shown comprises a crucible furnace 10 of standard construction which contains a bath of molten aluminum 11. Ordinary heating means (for example an induction heater) provide for the maintenance of the aluminum in the state. melted at the temperature required for the coating operation.
A dip roll 12 is mounted in the furnace crucible well below the surface of the molten aluminum bath. This roller is carried at each of its ends by a pad carried by an arm 13, the upper end of which is fixed to the upper edge of one side of the crucible and the lower part of which extends into the crucible below the - surface of molten aluminum. The wire W advances, as indicated by the arrows, downwards in the bath of molten aluminum, passes around the immersion roller 12, then rises vertically on leaving the crucible.
Very close to the path of the wire rising vertically is a frame comprising one or more vertical columns 15. This frame carries a support frame in angle irons 16, on which are mounted a number of devices with nozzles. spray 17a, 17b, 18n, 18b, capable of producing a mist or mist of very fine droplets of refrigerant liquid suspended in a gas; these devices are placed in a vertical row, at a distance from each other, and directed towards the path of the wire path.
Spray nozzle devices of the kind employed in spray painting operations, and capable of producing a mist as fine as that for spray painting, are well suited for this purpose. Although these spray nozzle devices are all identical, the nozzles 17 in the lower half of the row are connected as a working group, and the assemblies 18 in the upper half of the row are connected as a separately ordered group. . This arrangement of the nozzles in two groups is intended to allow flexible and convenient maneuvering.
Liquid water is supplied to each of the nozzles 17a, 17b of the lower group through a conduit 19, and compressed air to atomize the water and spray it from the nozzle devices in the form of dust, is supplied to each of these nozzle devices by a line 20 of atomizing air. In addition, compressed air for actuating the nozzle control mechanism, by which the projection of jets sprayed by the nozzles is started or stopped, is supplied to each of the nozzles by a control air duct 21. .
Water is supplied to line 19 from a main line 22, through manually operated valves 23 and 24 and a pressure regulating valve 25. A pressure gauge 26 is provided to indicate the pressure of the line. water entering conduit 19. Compressed air is supplied to the two compressed air distributors 20 and 21 from a high pressure air main line 27 through a manually operable valve 28, and a pressure reducer 29, which includes pressure regulating valves and pressure gauges to indicate the pressure at which compressed air is supplied to the distribution lines.
The intake of compressed air into the control air distributor 21 is controlled by a quick acting control valve 30, by the operation of which the spray nozzles 17 can be quickly turned on or off. The control bodies for the lower group of nozzles 17 are advantageously grouped on a single control panel 31.
Likewise, the water is supplied to the spray nozzles 18 of the upper group by a water distributor pipe 19a, and the air for projecting jets of water atomized by these nozzles is supplied by a duct 20ca of atomizing air. Compressed air to operate the nozzle cut-off mechanism is supplied to each nozzle through a control air distributor 21a. Water is supplied to the water distributor 19a through the main line 22, and the compressed air is supplied to the air distributors 20a and 21a through the high pressure air main line 27, through a control mechanism similar to that used in conjunction with nozzles 17 of the lower group.
The controls for the upper group of nozzles are, like those for the lower group, grouped for convenience on a single control board 32. It is, of course, advantageous that the two control boards are. placed directly next to each other.
As already said, the nozzles 17, 18 are arranged along the vertical displacement path of the wire W from the point where it emerges from the aluminum bath in the crucible 10. The angle at the top of the cones formed by the jets of spray exiting the nozzles is preferably large enough so that the jets of adjacent nozzles meet just before reaching the path of the wire path.
In this way this entire path is covered by the dust of water droplets coming from the nozzles without there being a substantial overlap of the jet of one nozzle with that of an adjacent nozzle on the W-wire path. The lower nozzle 17a is located very close to the upper edge of the crucible furnace 10, so that the wire W enters the area covered by the water dust promptly after exiting the bath 11 of molten aluminum. The top nozzle <B> l8 </B> f is located a sufficient distance above the molten aluminum so that the zone of water dust is long enough to ensure adequate cooling of the wire. even if it passes through the device at its maximum speed of movement.
Mud shields 33 are placed near the vertical path of the wire, on the side opposite to the jets 17, 18. The water droplets of the mist projected by the nozzles and which pass next to the wire W come to strike the guards. -mud, meet in large drops which flow downwards in a bowl 34 placed just above the crucible 10; the water thus collected is eliminated through a pipe 35.
To damp the oscillations of the wire W as it moves vertically upward from the crucible 10, a damping roller 36 is provided. This roller is supported at each of its ends by a bearing carried by an arm. 37 from column 15; it is kept in contact with light pressure with the wire moving upwards. Roller 36 must, of course, be placed far enough from crucible 10 that the aluminum coating on the wire has hardened before it comes into contact with it.
A pulley 38 is mounted at the upper end of a support device carried by the column 15, in the desired place to receive the wire W at the end of its vertical path. Pulley 38 is placed in one end of a soaking tank 39. An immersion pulley 40 is mounted in the central part of this tank, and an output pulley 41 is placed near the opposite end thereof. to the pulley 38. The wire W passes around the pulley 38, then under the pulley 40, and finally over the output pulley 41, to arrive at a winding device.
The water is supplied to the tank 39 by a pipe 42 in a volume sufficient to keep this tank substantially full of water. A rising overflow pipe 43 is provided to prevent the tank from overflowing. The wire W, after passing over the head pulley 38, is brought by the immersion pulley to near the bottom of the tank to ensure the final cooling of the wire to the desired low temperature.
The operation of the apparatus described above is as follows: the wire W to be coated with aluminum is made to pass continuously through the bath of molten aluminum 11, under the immersion roller 12, then vertically towards the up, out of the bath. Very quickly after the wire has left the bath, it penetrates a dense mud of water droplets directed towards the path of its course by the nozzles 17, 18. The direct contact thus established between the hot wire provided with its coating all The coolant of the aluminum core fluid and the liquid water droplets of this scramble, has the effect of rapid cooling and solidification of the aluminum coating.
Mist is formed by atomizing water with air at very high pressure (eg 5-7 kg / cm 2) as it exits spray nozzles, and its nozzle velocity is high. However, the wide angle of the cone of the jet and the large increase in the area of its cross-section at the point of the wire path, compared to the opening of the nozzle, results in a speed of arrival of the nozzle. scramble against the wire reduced accordingly. This jet speed, when it reaches the path of the wire, is therefore low enough that neither the air nor the small water droplets of the jet strike the wire with a force sufficient to produce a deformation. prejudicial physics of the aluminum coating before it hardens.
However, the cooling efficiency of the water mash is high and the aluminum coating is very quickly brought to a solid state where it can no longer flow. As a result, the coating on the wire is maintained at substantially the thickness at which it came out of the aluminum bath 11, being solidified before its thickness has been appreciably reduced by downward flow along the wire. Further, the mist cooling solidifies the aluminum coating quickly enough to avoid coating thickness irregularities and roughness on its surface, even when the wire is fed at its maximum speed.
Although the aluminum cladding layer is quite solidified by cooling to a temperature below about 650o C, the row of nozzles 17, 18 must be large enough to cool the wire as quickly as possible. to a temperature below 540 ° C, and preferably 4801) C, so as to reduce as much as possible the thickness of the brittle iron-aluminum alloy which forms by interdiffusion of the ferrous metal of the wire and aluminum coating.
It has been found that the formation of such an intermetallic compound continues to occur even at temperatures substantially below the solidification temperature of the aluminum layer. The rate at which such a layer forms decreases with temperature, but it does not become very low until the temperature has fallen below about 5400 C, and formation of the intermetallic compound continues to occur by diffusion up to '' that the wire has cooled below about 4800 C.
Therefore, the height of the row of jets should correspond to the maximum linear speed at which the wire W passes through the apparatus, and the thickness of the wire, so that the temperature of the latter is lowered to- below about 480 () C before it emerges from the mist formed by the jets. Preferably, the height of the row of jets is sufficient to effect the cooling of the yarn to a temperature well below 4800 ° C. before the yarn leaves the area of the jets, in order to ensure the realization. maximum benefit of the invention.
It is of course important that the jets form a dense mist to produce sufficient cooling of the yarn in the lower part of the jetting area so that the coating of the yarn is completely solidified before coming into contact with the cushion roll. 36. Otherwise, this roll would mechanically deform the coating and the product would be of inferior quality.
When the wire has left the brouillasse zone and has passed over pulley 38, it is led by pulley 40 below the surface of the water contained in tub 39. Although cooling of the wire to this point is not achieved. necessary, it has the advantage of ensuring that the wire is brought to a temperature close to the temperature of the chamber prior to coating and treatment.
As an example of carrying out the process according to the invention, a steel wire having a diameter of 3.35 mm has been provided with a heavy coating of aluminum having approximately 0.038 mm thickness in it. passing at a speed of 3500 cm per minute through a bath of molten aluminum containing 1.94% iron and 2.93% silicon,
then upward through a dense brouillée formed by a row of sprayed water jets of sufficient height to rapidly cool and freeze the aluminum coating and bring the wire to a temperature below 480.1 C over a path of about 180 cm from the point where the wire came out of the molten aluminum bath (either in approximately 0.05 minutes or approximately 3 seconds after leaving the aluminum bath).
The coating of the wire was sufficiently adherent that the wire could be wound on a mandrel of its own diameter without cracking or chipping. This coating was furthermore of quite uniform thickness and exhibited a smooth surface of commercially acceptable quality. The yarn could be successfully drawn to smaller dimensions without damaging the coating. The latter, in the stretched state, though thinner than when applied to a larger diameter wire, was suitably uniform, adherent and ductile, and therefore commercially usable.
An identical yarn, coated in the same manner, but air dried, without the rapid cooling resulting from the use of vaporized water jets, has been found to have undesirable coating characteristics in that the coating was jagged and rough as well as loose and brittle. In addition, this coating, after stretching to a smaller dimension, has been found to be non-adherent and brittle, and therefore not commercially satisfactory.
Although the invention has been described above with particular reference to the coating of wires, it is obvious that the method according to the invention is also applicable to the coating of ferrous articles having other shapes, such as bars, sheets, ribbons, etc. It is also evident that the apparatus described above can be modified. For example, the spray nozzles 17, 18, instead of being all on one side of the wire and directed against a single mud shield, can be mounted to direct the jets to different sides of the wire. article that is coated.
In particular, when coating foils or ribbons, it is desirable that the jets be directed at each side of the article as it exits the bath of molten aluminum. Likewise, although the process according to the invention has been described with reference to a continuous coating operation, it is also applicable by operating in batches, for which the articles are immersed below the surface of a bath of water. molten aluminum, then, when they are taken out of the coating bath and, while their coating is still fluid, are brought into direct contact with the coolant.