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REVENDICATIONS
1. Matériau métallique composite, caractérisé en ce qu'il comprend une âme conductrice de la chaleur constituée d'une couche de cuivre pur ou allié et d'une ou deux couches d'aluminium pur ou allié, ladite âme représentant la majeure partie de l'épaisseur du matériau, et au moins une couche extérieure d'acier inoxydable soudée à l'aluminium du côté opposé à celui du cuivre.
2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une couche de cuivre prise en sandwich entre deux couches d'aluminium et une couche d'acier inoxydable soudée à l'une desdites couches d'aluminium.
3. Matériau selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'âme est constituée d'une couche de cuivre prise en sandwich entre deux couches d'aluminium, et en ce que cette âme est ellemême prise en sandwich entre deux couches d'acier inoxydable.
4. Procédé de fabrication du matériau selon la revendication 1, caractérisé par les opérations comprenant le décapage des surfaces de contact du cuivre et de l'aluminium, l'empilage des feuilles et leur laminage avec un taux de réduction de l'épaisseur compris entre 20 et 70%, et un traitement thermique à une température comprise entre 315 et 430oC pour provoquer une diffusion entre les métaux différents des feuilles.
La présente invention concerne les matériaux métalliques composites ou sandwich et plus particuliérement un sandwich d'aluminium et d'acier inoxydable à âme de cuivre.
Les matériaux métalliques composites à deux ou trois couches sont couramment employées dans l'industrie. On fabrique par exemple des ustensiles de cuisson en acier inoxydable à fond de cuivre ou à âme d'aluminium. Ces articles existent depuis quelque temps et connaissent un grand succès commercial. Le reproche que l'on peut faire à ces matériaux est leur conductibilité thermique insuffisante qui empêche une répartition rapide et uniforme de la chaleur sur toute la surface de l'ustensile. En résumé, les structures métalliques feuilletées sont globalement supérieures aux métaux simples, mais il est possible de les améliorer.
C'est précisément ce que vise la présente invention en proposant le nouveau matériau métallique composite défini dans la revendication 1 et le procédé de fabrication de ce matériau défini dans la revendication 4.
Le cuivre n'étant pas apparent dans le matériau selon l'invention, il n'y a pas d'oxydation inesthétique, comme sur les ustensiles à fond de cuivre. Cependant, grâce à la présence d'une âme de cuivre, la répartition de la chaleur est plus rapide et plus uniforme qu'avec un sandwich d'aluminium et d'acier inoxydable.
En résumé, le matériau de l'invention associe les propriétés thermiques du cuivre et de l'aluminium à l'excellente résistance de l'acier inoxydable à la corrosion et à l'abrasion.
Dans le cas d'ustensiles de cuisson, la structure feuilletée de l'invention tend à réduire la tendance des aliments à attacher au fond de la casserole ou de la poêle. Dans le passé, on avait tenté de résoudre ce problème en appliquant à l'intérieur de l'ustensile une couche synthétique antiadhérence, généralement du polytétrafluoréthyléne. La structure feuilletée de l'invention permet d'obtenir des propriétés d'antiadhérence équivalentes avec une bien meilleure résistance à l'abrasion.
Des essais comparatifs ont été effectués pour déterminer les propriétés thermiques des différents métaux et ensembles de métaux qui sont utilisés dans la fabrication des ustensiles. La même méthode d'essai a été appliquée dans chaque cas. La source de chaleur était un brûleur à gaz du type bec Bunsen placé à une distance fixe sous chaque ustensile et alimenté avec un débit de gaz constant. La flamme dirigée au centre du fond de l'ustensile formait une zone de chauffe circulaire d'environ 7,5 cm de diamètre. Pour relever les températures, des thermocouples étaient fixés à l'intérieur de l'ustensile, jusque sur son rebord avec un espacement radial d'environ 13 mm. Tous les ustensiles utilisés étaient des poêles à frire de 25 cm de diamètre de formes similaires.
Au vu de ces résultats, on remarque d'abord l'excellente conductibilité thermique de l'aluminium simple et des sandwiches aluminium-acier inoxydable et cuivre-aluminium-acier inoxydable. En raison de l'excellente conductibilité thermique du cuivre pur, on prendra sa valeur comme base (100%). L'aluminium pur vient en second rang avec une conductibilité thermique relative de l'ordre de 57%. La fonte employée pour la fabrication des ustensiles de cuisson a une conductibilité d'environ 16,6% et l'acier au carbone utilisé comme âme dans le sandwich acier inoxydableacier au carbone décrit dans les brevets des EUA N s 2718690 et 2758368 a une conductibilité de 15,1%. L'acier inoxydable type 304 ou 18/8 (18% de chrome et 8% de nickel) a une conduc tibilité thermique d'environ 3,83% de celle du cuivre pur.
Les céramiques et le verre peuvent être considérés comme des isolants avec des conductibilités inférieures à 1% de celle du cuivre.
On pourrait calculer directement la conductibilité thermique d'une structure feuilletée soudée à partir des épaisseurs de ses couches et de la conductibilité thermique des métaux utilisés.
Cependant, dans les ustensiles de cuisson, I'épaisseur ou la masse des feuilles métalliques successives est un facteur important et il est préférable de ne pas utiliser des épaisseurs inférieures à 1,2 mm.
Des essais culinaires ont été effectués par la méthode suivante pour déterminer les propriétés d'antiadhérence de divers matériaux. A cet effet, des ustensiles similaires sont placés sur un brûleur à gaz, ou une plaque électrique, muni d'un thermostat en contact avec le centre géométrique du fond de l'ustensile. L'intérieur de l'ustensile est légèrement enduit d'huile de cuisson, puis saupoudré de farine dont l'excédent est enlevé par gravité. Il reste donc une pellicule de farine qui recouvre toute la surface intérieure de l'ustensile. L'ustensile est ensuite posé sur le brûleur ou la plaque chauffante dont le thermostat est réglé à 1770 C. Au bout de 2 mn l/27 on enlève l'ustensile de la source de chaleur et on observe la coloration de la farine.
L'ustensile est ensuite placé dans un évier et rincé sous un jet d'eau à environ 43 C et sous une pression d'environ 2,5 bars. Le temps nécessaire pour éliminer toute la farine de l'intérieur de l'ustensile est pris comme mesure de sa propriété d'antiadhérence. La coloration de la farine indique les zones de concentration de chaleur par un brunissement plus ou moins prononcé. Dans les ustensiles qui ont une bonne conductibilité thermique, la farine conserve pratiquement sa couleur d'origine. Le tableau suivant donne les résultats obtenus corrigés pour ramener tous les essais à une épaisseur de base de 3,2 mm.
Matériau Couleur Temps de
la farine rinçage (s)
1. Cu/A1/Inox (3,2 mm) ............ Crème 22
2. Aluminium/PTFE (3,2 mm)...... Crème 23
3. Aluminium (3,2 mm) ............ Crème 25
4. Inox/Al (3,2 mm)................ Crème 29
5. Inox/Al/Cu/Al/inox (2,8 mm) Crème 33
6. Inox/A1/Inox (2,8 mm) ........... Doré 37
7. Inox avec fond Al (Inox: 0,9 mm,
Al 2,3 mm) Brun 48
8. Acier revêtu de céramique (2,2 mm) Brun 39,4
9. Inox, âme d'acier au carbone Brun
(1,4 mm) ............................. foncé 63 10. Verre haute température ......... Brun
foncé 105
Les propriétés d'antiadhérence des sandwiches acier inoxydable-aluminium-cuivre sont très supérieures à celles de toutes les autres surfaces métalliques ou vitrifiées. Pour les revêtements synthétiques (PTFE), les propriétés d'antiadhérence s'améliorent avec l'épaisseur et sont équivalentes à celles des sandwiches de l'invention pour une épaisseur d'aluminium de 3,2 mm. A épaisseur égale, des sandwiches cuivre-aluminium-acier inoxydable ont des propriétés d'antiadhérence supérieures à celles de l'aluminium revêtu de PTFE et les sandwiches acier inoxydable-aluminiumcuivre-aluminium-acier inoxydable ont des propriétés d'antiadhérence du même ordre que l'aluminium revêtu du PTFE. C'est sur le plan des propriétés thermiques que les structures sandwiches de l'invention sont les plus remarquables.
Dans ce qui suit, le mot feuille désigne une feuille ou une tôle de métal généralement livrée en bobine.
L'âme de la structure de l'invention est en cuivre plaqué d'aluminium sur une ou deux fasces. Cette âme bimétallique est ensuite recouverte d'acier inoxydable sur sa ou ses faces d'aluminium. On peut utiliser de l'aluminium sensiblement pur, notamment les types 1100, 3003, 3004, ou un alliage d'aluminium. On obtient d'excellents résultats avec un aluminium type 1145 plaqué sur une ou deux faces d'aluminium type 1100, 3003 ou 3004. Les feuilles d'aluminium et de cuivre doivent être dégraissées et traitées sur leurs deux faces pour éliminer tous les oxydes, ce qui n'est pas nécessaire avec l'acier inoxydable. Le produit de l'invention peut être fabriqué en deux temps en préassemblant une âme composite constituée d'une feuille de cuivre revêtue sur l'une de ses faces ou sur les deux d'une feuille d'aluminium.
L'ensemble est soudé à froid par compression, par exemple en une ou plusieurs passes de laminage produisant un taux de réduction d'épaisseur de 40 à 80%. Après cela, I'âme composite est de préférence soumise à un traitement thermique destiné à améliorer le soudage des feuilles. L'âme composite d'aluminium et de cuivre est chauffée en même temps que la ou les feuilles d'acier inoxydable à une température comprise entre environ 150 et 4300 C, puis l'ensemble est laminé soit en une passe avec un taux de réduction de 20 à 70%, soit en deux passes avec un taux de réduction de 5% dans la première cage et de 10 à 25% dans la seconde cage. La structure laminée est réchauffée à une température comprise entre 315 et 430"C de préférence autour de 370"C, pour favoriser la diffusion entre les couches métalliques adjacentes.
Cette opération de diffusion permet d'améliorer le soudage entre les trois métaux différents et assure en outre une certaine détente des contraintes.
Le produit résultant peut être transformé en ustensiles de cuisine par une opération d'emboutissage profond.
Une autre variante du procédé consiste à préassembler une âme en cuivre revêtue d'aluminium sur une ou deux fasces, puis à appliquer une feuille d'acier inoxydable sur la ou chaque feuille d'aluminium. En pratique, les feuilles d'aluminium et de cuivre sont dégraissées et désoxydées avant d'être mises en contact, puis on les chauffe entre 150 et 3700 C avant de les laminer avec un taux de réduction de 30 à 70%. L'âme de cuivre et d'aluminium est ensuite soumise à un traitement thermique de diffusion. La ou les surfaces d'aluminium sont ensuite convenablement nettoyées et reçoivent une ou deux feuilles d'acier inoxydable.
Pour cette opération, I'âme composite et la ou les feuilles d'acier inoxydable sont chauffées entre environ 150 et 430"C, puis laminées en deux passes avec un taux de réduction de 2 à 5%, pour la première, et de 5 à 25%, pour la seconde. En variante, le laminage peut se faire en une seule passe avec un taux de réduction de 20 à 70%.
Le produit est ensuite soumis à un traitement thermique de recuit et de diffusion à une température de l'ordre de 370" C.
Dans une troisième variante du procédé, on décape mécaniquement une ou deux feuilles d'aluminium, on les chauffe entre 150 et 430"C et on les applique sur l'une des faces ou les deux d'une feuille de cuivre à la température ambiante, puis on lamine l'ensemble en une ou deux passes, comme décrit précédemment.
L'âme composite d'aluminium et de cuivre peut être soumise à un traitement thermique de diffusion. L'âme composite est ensuite placée entre des feuilles d'acier inoxydable et l'ensemble est laminé, puis recuit dans les conditions précédemment décrites.
Une quatrième variante consiste à préparer une âme composite constituée d'une feuille de cuivre et d'une ou deux feuilles d'aluminium soudées à froid ou à chaud, comme décrit dans la première version du procédé de l'invention. L'âme composite est ensuite revêtue d'acier inoxydable sur sa ou ses surfaces d'aluminium et l'ensemble est laminé en une ou deux passes avec un taux de réduction de 30 à 70%. La structure laminée est ensuite soumise à un traitement thermique destiné à améliorer l'adhérence mutuelle du cuivre, de l'aluminium et de l'acier inoxydable.
Dans une cinquième variante, toutes les feuilles de cuivre, d'aluminium et d'acier inoxydable de la structure sont dégraissées - et désoxydées par abrasion ou brossage, sauf pour l'acier inoxydable qui n'exige pas de tels traitements. Les pièces sont chauffées séparément ou ensemble à une température comprise entre environ 150 et 430"C, puis laminées en une ou deux passes. Le taux de réduction d'épaisseur est 20 à 70% dans le premier cas, et environ 5% à la première passe et 10 à 25% à la seconde passe dans le second cas. La structure est ensuite soumise à un traitement thermique entre 315 et 430"C (de préférence à 370"C) pour assurer une bonne diffusion entre les couches adjacentes de métaux différents.
Pour illustrer clairement le procédé, on va maintenant décrire quelques exemples d'application.
Exemple 1:
Une feuille de cuivre de 0,25 mm d'épaisseur nettoyée à la brosse métallique est placée entre deux feuilles d'aluminium type 1100 de 1,9 mm chacune qui ont également été décapées. Le sandwich obtenu est laminé avec un taux de réduction de 50 à 65% qui donne une âme composite d'environ 1,3 mm d'épaisseur.
L'âme composite est ensuite prise en sandwich entre deux feuilles d'acier inoxydable type 304 de 0,25 mm chacune. L'ensemble est porté à une température de 370"C, puis laminé une première fois à une épaisseur de 1,65 mm, et une seconde fois à une épaisseur finale de 1,3 mm. Le produit obtenu est ensuite réchauffé à 370"C pendant un temps suffisant pour produire une bonne diffusion sur toute la surface de contact mutuel des feuilles de métal. Ce traitement tient lieu de recuit et le produit peut être embouti pour fabriquer des casseroles plus ou moins profondes et des poêles à frire.
Pour avoir une surface de cuivre et l'autre d'acier inoxydable, il suffit de partir d'une âme formée d'une feuille de cuivre et d'une feuille d'aluminium obtenue par le procédé ci-dessus.
Exemple 2:
Une feuille de cuivre de 0,25 mm convenablement décapée est placée entre deux feuilles d'aluminium type Alclad 3003 de 3,2 mm d'épaisseur, également décapées. L'ensemble est porté à 232" C, puis laminé une première fois avec un taux de réduction d'environ 2% et une seconde fois pour obtenir une épaisseur finale de 2,8 mm. Il est ensuite réchauffé à 370"C pour produire une diffusion entre les métaux différents. Le produit obtenu est découpé en flans formés par emboutissage profond.
Pour obtenir une surface d'acier inoxydable et l'autre d'aluminium ou de cuivre, il suffit d'omettre la seconde feuille d'acier inoxydable dans le procédé ci-dessus.
Exemple 3:
On prépare un sandwich constitué d'une feuille de cuivre de 0,25 mm d'épaisseur et de deux feuilles d'aluminium type 1100 de 1,9 mm d'épaisseur chacune. Les surfaces en contact des feuilles de cuivre et d'aluminium sont décapées à la brosse métallique.
Deux feuilles d'acier inoxydable type 304 de 0,25 mm chacune sont décapées et sont appliquées sur les feuilles d'aluminium.
L'ensemble est ensuite chauffé à 370"C, puis laminé jusqu'à une épaisseur de 3,0 mm. Le produit résultant est ensuite réchauffé à 370 C pendant un temps suffisant pour permettre la diffusion entre les surfaces des couches métalliques adjacentes. Ce traitement tient lieu de recuit et on peut obtenir par emboutissage profond différents ustensiles de cuisson, tels que des casseroles et des poêles à frire.
Une structure à cinq couches constituée d'une âme de cuivre plaquée sur ses deux faces d'aluminium et prise en sandwich entre deux feuilles d'acier inoxydable permet de réaliser des ustensiles qui combinent la résistance de l'acier inoxydable à la corrosion et à l'abrasion et l'excellente conductibilité thermique du cuivre et de l'aluminium.
En supprimant la feuille d'acier inoxydable supérieure, on obtient une structure à quatre couches dont la surface d'aluminium peut être vitrifiée ou revêtue d'une matière synthétique. On peut également en faire des disques à fixer sous le fond des ustensiles classiques pour améliorer la répartition de la chaleur.
Avec une structure à trois couches constituée d'une feuille de cuivre, d'une feuille d'aluminium et d'une feuille d'acier inoxydable, on peut fabriquer des ustensiles à fond de cuivre qui sont à la fois décoratifs et excellents conducteurs de la chaleur. La surface intérieure de l'ustensile possède évidemment les propriétés de l'acier inoxydable.