FR2534598A1

FR2534598A1 - Process for the manufacture of materials consisting of components which are difficult to mix with each other, especially of metallic materials.

Info

Publication number: FR2534598A1
Application number: FR8217212A
Authority: FR
Inventors: Erik Fuchs; Gyorgy Bobok; Gabor Buza; Janos Kabacs; Antal Lovas
Original assignee: Vasipari Kutato Intezet
Current assignee: Vasipari Kutato Intezet
Priority date: 1982-10-14
Filing date: 1982-10-14
Publication date: 1984-04-20

Abstract

Process for the manufacture of materials consisting of components which are difficult to mix with each other, characterised in that the components are melted in the form of an at least partly homogeneous melt bath, in that cooling is provided with a rate of cooling which is higher than the critical rate of cooling to a temperature below the solidification temperature, in that, if appropriate, auxiliary materials are added, in that compacting of the material is next carried out by mechanical and/or thermal action and in that, if necessary, the properties of the material are additionally modified - advantageously by plastic deformation or by heat treatment.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE MATIERES CONSTITUEES DE COMPOSANTS
DIFFICILEMENT MISCIBLES ENTRE EUX. NOTAMMENT DES MATIERES METALLIQUES. PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF MATERIALS COMPOSED OF COMPONENTS
DIFFICULTLY MISCIBLE BETWEEN THEM. ESPECIALLY METALLIC MATERIALS.

La présente invention concerne un procédé de fabrication de matières constituées de composants difficilement miscibles entre eux, notamment des matières métalliques comme des alliages. The present invention relates to a process for the manufacture of materials made up of components which are hardly miscible with one another, in particular metallic materials such as alloys.

Les matières métalliques sont généralement obtenues Par une methode impliquant une fusion. A partir du bain de métal en fusion, on coule des blocs, dans la plupart des cas des produits semi-finis, qui sont ensuite mis en oeuvre par déformation plastique. On produit de cette manière la majeure partie des aciers, des alliages .:d'aluminium et des alliages de cuivre. Rarement la matière fondue est coulée directement sous forme de pièces moulees. Le produit obtient cependant sa forme finale dans la plupart des cas par un usinage ultérieur avec en lèvement de copeaux. Metallic materials are generally obtained by a method involving fusion. From the molten metal bath, blocks are poured, in most cases semi-finished products, which are then used by plastic deformation. Most steel, aluminum alloys and copper alloys are produced in this way. Rarely the melt is poured directly as molded parts. The product, however, obtains its final form in most cases by subsequent machining with removal of chips.

La plus grande difficulté rencontrée avec les technologies de coulée classiques consiste en ce que, lors de la cristallisation, il s'-établit, par suite des differences de composition et de temperature existant dans le bain de métal en fusion, des différences de densité et, en conséquence, des courants provoqués sous l'action de la force de gravite. Cela provoque dans la matière solidifiée des differences indésirables de composition, notamment des enrichissements localisés. The greatest difficulty encountered with conventional casting technologies is that, during crystallization, it is established, due to differences in composition and temperature existing in the molten metal bath, differences in density and , consequently, currents caused by the action of the force of gravity. This causes undesirable differences in composition in the solidified material, in particular localized enrichments.

Dans des conditions autrement identiques, ces enrichissements sont d'autant plus accentués que la difference de densité entre les divers composants est plus grande, que la masse de la matière solidifiée est plus importante et que le refroidissement est plus lent. Under otherwise identical conditions, these enrichments are all the more accentuated as the difference in density between the various components is greater, that the mass of the solidified material is greater and that the cooling is slower.

Les dimensions des blocs ou des pièces moulées ne peuvent pas être réduites à volonté et, pour des raisons thermiques, la vitesse de
refroidissement ne peut egalement pas être augmentée de façon illimitée.The dimensions of the blocks or molded parts cannot be reduced at will and, for thermal reasons, the speed of
also cannot be increased indefinitely.

Le refroidissement des blocs d'acier classique, d'un poids de plusieurs tonnes, peut durer par exemple plusieurs heures. Un autre probleme consiste en ce que la matière se solidifiant lentement prend obligatoirement une structure cristalline grossière, ce qui est déjà défavorable d'une façon générale en ce qui concerne les propriétés. The cooling of conventional steel blocks, weighing several tonnes, can last for example several hours. Another problem is that the slowly solidifying material necessarily takes on a coarse crystal structure, which is already generally unfavorable as regards properties.

Un exemple caracteristique est constitué par des matériaux pour outils à base de carbures. Leur résistance à l'usure, leur durete et
leur capacité d'usinage sont d'autant meilleures que les carbures métal
liques sont répartis de façon plus fine et plus uniforme dans le materiau. A characteristic example consists of materials for tools based on carbides. Their resistance to wear, their hardness and
their machining capacity is all the better as metal carbides
They are distributed in a finer and more uniform way in the material.

Les aciers rapides sont coulés pour cette raison - ce qui correspond à une solution de compromis - sous forme de blocs aussi petits que possible et ces blocs sont ensuite forges, laminés et traités thermiquement en
vue d'une meilleure répartition des carbures. On ne peut cependant pas également atteindre de cette manière l'optimum théorique.The high-speed steels are cast for this reason - which corresponds to a compromise solution - in the form of blocks as small as possible and these blocks are then forged, rolled and heat treated in
view of a better distribution of carbides. However, the theoretical optimum cannot also be reached in this way.

Pour améliorer la qualité, on a cherché différentes solutions. To improve quality, we looked for different solutions.

Surtout pour éviter autant qu'il est possible les enrichissements, on a mis au point d'abord pour des alliages d'aluminium et ultérieurement également pour des métaux lourds et des alliages de fer le procédé de coulée continue. Egalement, dans le but d'uniformiser la composition et la structure, on a utilisé des procédés de fusion électronique sous laitier, de fusion par faisceau électronique et d'autres procédés de fusion. En outre, on a utilisé très largement des procédés faisant appel à la metallurgie des poudres, et on a fabriqué entre autres de cette manière, des matériaux pour outils de grande capacité, correspondant aux metaux durs.Les matériaux de base - dans ce cas les carbures qui exercent l'effet de durcissement proprement dit - sont broyés à une finesse de l'ordredecelledela poudre et ils sont ensuite mélangés avec un liant, dans la plupart des cas du cobalt, se présentant également sous une forme finement divisée. Le mélange de poudres est amené à la forme désirée de l'coutil et il est recuit suffisamment longtemps pour que la formation de l'alliage désiré s'effectue par diffusion.Above all to avoid enrichment as much as possible, the continuous casting process has been developed first for aluminum alloys and subsequently also for heavy metals and iron alloys. Also, in order to standardize the composition and the structure, electronic slag fusion, electron beam fusion and other fusion methods have been used. In addition, processes using powder metallurgy have been widely used, and in this way, among other things, high-capacity tool materials, corresponding to hard metals, have been produced. carbides which exert the actual hardening effect - are ground to a fineness of the order of the powder and are then mixed with a binder, in most cases cobalt, also in a finely divided form. The powder mixture is brought to the desired shape of the tool and is annealed long enough for the desired alloy to form by diffusion.

Un autre problème non résolu concerne cependant la fabrication des alliages constitués de composants difficilement miscibles entre eux
(et pratiquement pas suivant les circonstances), surtout lorsqu'il existe de grandes différences entre les densités et les points de fusion
des constituants. Comme exemple caracteristique, on peut citer à cet égard les alliages cuivre-plomb.. Un groupe de ces alliages est utilisé d'une manière classique sous la designation "bronze au plomb" comme matériau pour des coussinets de paliers. Le cuivre et le plomb ne forment à l'état solide pratiquement aucune phase mixte.Dans les bronzes au plomb contenantKde 15 à 35% de plomb, la bonne capacité de charge et la conductibilité thermique du cuivre sont combinées avec les bonnes proprietés de glissement et de lubrification des gouttelettes de plomb réparties finement dans le cuivre. La fabrication des bronzes au plomb est rendue difficile par le fait que le cuivre et le plomb ne se dissolvent egalemenl l'un dans l'autre que d'une façon limite à l'état fondu, c'est-à-dire que. déjà lors de la coulée le bain de matière en fusion a tendance à former deux phases liquides de densites différentes. Alors que dans le cas du refroidissement le cuivre commence à cristalliser, le plomb a de plus en plus fortement tendance à descendre au fond du moule de coulée et à former dans cette zone une couche de plomb.Lors de la fusion et de la coulé, il faut pour cette raison assurer mécaniquement une agitation intensive du bronze au plomb. La repartition fine et uniforme du plomb, qui est souhaitable pour la fabrication de paliers, ne peut cependant pas être intégralement obtenue en pratique pour la raison précitée.Another unresolved problem, however, relates to the manufacture of alloys made up of components which are difficult to mix together
(and practically not depending on the circumstances), especially when there are large differences between densities and melting points
constituents. As a characteristic example, mention may be made in this regard of copper-lead alloys. A group of these alloys is used in a conventional manner under the designation "lead bronze" as material for bearing bearings. Copper and lead form virtually no mixed phase in the solid state. In lead bronzes containing 15 to 35% lead, the good carrying capacity and thermal conductivity of copper are combined with the good sliding properties and of lubrication of the droplets of lead finely distributed in the copper. The manufacture of lead bronzes is made difficult by the fact that copper and lead also dissolve in each other only in a limited way in the molten state, that is to say that. already during casting the bath of molten material tends to form two liquid phases of different densities. While in the case of cooling the copper begins to crystallize, lead tends more and more strongly to descend to the bottom of the casting mold and to form in this area a layer of lead. When melting and casting, for this reason it is necessary to mechanically ensure intensive agitation of the lead bronze. The fine and uniform distribution of lead, which is desirable for the production of bearings, cannot however be entirely obtained in practice for the aforementioned reason.

La situation est encore plus mauvaise dans le cas des alliages aluminium-plomb qu'il est connu d'utiliser comme métaux pour paliers. The situation is even worse in the case of aluminum-lead alloys which it is known to use as metals for bearings.

L'aluminium et le plomb ne forment à l'état solide aucune phase mixte et ils sont en outre miscibles l'un avec l'autre qu'à un degré limité à l'étant fondu. A cause de la différence de densite extraordinairement grande, on n'a pas encore pu résoudre jusqu'à maintenant le problème posé par la fabrication industrielle de ces métaux, également en opérant par agitation mecanique et par d'autres -moyens, bien que l'élargissement de l'utilisation de ces alliages en pratique soit associée à des économies importantes de cuivre et à d'autres avantages techniques ou financiers. Il faut noter en -particulier que le melange d'une poudre d'aluminium et-d'une poudre de plomb, et le recuit de ce mélange de poudres par des techniques faisant appel à la métallurgie des poudres sont difficiles à réaliser en pratique; en effet, le plomb forme à l'état fondu, dans chaque cas, une phase indépendante, et il se rassemble dans les parties inférieures du systeme.Il n'y a aucune chance que les matières formées de constituants habituellement nonmiscibles entre eux soient de nos jours utilisables dans les domaines essentiels de la recherche spatiale
A partir d'essais effectués dans l'espace, on sait qu'egalement sansproble degravitation et d'écoulements de gravitation, on rencontre des difficultés
car la tension superficielle agit dans un sens tendant à augmenter la
séparation des phases, c'est-à-dire à rendre la matière plus grossière.Aluminum and lead do not form any mixed phase in the solid state and they are also miscible with each other only to a degree limited to the molten state. Because of the extraordinarily large density difference, the problem posed by the industrial manufacture of these metals has not yet been resolved until now, also by mechanical agitation and by other means, although the The wider use of these alloys in practice is associated with significant savings in copper and other technical or financial advantages. It should be noted in particular that the mixing of an aluminum powder and a lead powder, and the annealing of this mixture of powders by techniques using powder metallurgy are difficult to achieve in practice; in fact, lead forms in the molten state, in each case, an independent phase, and it collects in the lower parts of the system. There is no chance that the materials formed of constituents usually nonmiscible between them are of now usable in essential areas of space research
From tests carried out in space, we know that also without significant gravitation and gravitation flows, we encounter difficulties
because the surface tension acts in a direction tending to increase the
phase separation, that is to say to make the material coarser.

L'invention a pour but de remédier aux difficultés mentionnées
ci-dessus. Selon l'invention, les constituants sont initialement fondus
sous la forme d'un bain aussi homogène que possible. Ce bain de matière
en fusion est ensuite refroidi à une température inférieure au point de
solidification suffisamment rapidement pour qu'il ne puisse pas se- pro
duire une séparation macroscopique de phases. Du fait que la vitesse
critique de refroidissement nécessaire pour éviter la séparation de
phases ne peut être obtenue qu'avec des matières ayant une grande
surface spécifique, la matière encore liquide est placée pour le refroidic
sement dans une situation présentant une grande surface spécifique.The object of the invention is to remedy the difficulties mentioned
above. According to the invention, the constituents are initially melted
in the form of a bath as homogeneous as possible. This bath of matter
molten is then cooled to a temperature below the point of
solidification fast enough that it cannot se- pro
draw a macroscopic separation of phases. Because the speed
critical cooling required to avoid separation of
phases can only be obtained with materials having a large
specific surface, the still liquid material is placed for cooling
in a situation with a large specific surface.

Il est clair que la matiere conserve, également à l'état de
solidification, sa grande surface spécifique - par exemple sous la
forme de poudre, de barre, de bande, etc. Lors de la préparation,
l'alliage subit une augmentation de densité par voie mecanique
(par exemple par compression) et, éventuellement, par un traitement
thermique effectué simultanément ou séparément. La densité de nombreuses
matières peut être augmentée d'une manière simple par traitement ther
mique. Dans le cas ou les proprietés de la matiere doivent être modi
fiées encore autrement que par compression, il faut faire
intervenir à cet effet une déformation plastique et un traitement
thermique.Le cas échéant, il peut être avantageux, pour produire
l'augmentation de densité ou pour améliorer les proprietes de la
matière compactée, d'ajouter des matières auxiliaires avant le
processus de compactage.It is clear that the material preserves, also in the state of
solidification, its large specific surface - for example under the
powder, bar, strip, etc. During the preparation,
the alloy undergoes an increase in density by mechanical means
(for example by compression) and, possibly, by treatment
thermal carried out simultaneously or separately. The density of many
materials can be increased in a simple way by ther treatment
mique. In the case where the properties of the material must be modified
still other than compression, you have to do
intervene for this purpose plastic deformation and treatment
If necessary, it may be advantageous to produce
increase in density or to improve the properties of the
compacted material, add auxiliary materials before
compaction process.

Le procédé va être decrit de façon plus détaillée dans la
suite en référence à un exemple.The process will be described in more detail in the
continued with reference to an example.

EXEMPLE
A partir d'un alliage à base d'aluminium contenant 10% de plomb,
on doit fabriquer un tube de 40 mm de diamètre et de 3 mm d'épaisseur
de paroi, dans lequel le plomb doit être uniformément réparti sous la
forme de petites sphères d'un diamètre moyen de 0,5 mm.EXAMPLE
From an aluminum-based alloy containing 10% lead,
we must make a tube 40 mm in diameter and 3 mm thick
wall, in which the lead must be uniformly distributed under the
form small spheres with an average diameter of 0.5 mm.

Dans ce but, on introduit l'aluminium et les 10% de plomb dans
un creuset de forme appropriee, et on effectue un chauffage inductif
jusqu'à 1200"C. A cette température, la matière constitue un bain de fusion macroscopiquement homogène, dont l'homogénéité est favorisée par les écoulements engendrés sous l'effet du chauffage inductif. Ensuite, on laisse couler le bain de matière en fusion par une buse sous forme d'un jet mince jusque sur un ou pl-usieurs cylindres froids tournants, sur lesquels 1-a matière en fusion se solidifie, sans séparation macroscopique de phase5, sous forme d'une couche mince. La matière solidifiée est collectée et elle est transforméeen briquettes dans un dispositif approprié.Les paquets de briquettes sont, le cas échéant, préchauffés, et les briquettes sont transformées en tubes de dimensions désirées dans une-presse à tubes. Lors de la compression, la matière sous forme de briquettes est encore plus compactée et elle constitue une matiere compacte sans que le plomb ait pu produire macroscppiquement un enrichissement enaucun endroit quelconque. Le plomb peut se séparer, en fonction de la température et de la durée du traitement thermique, au maximum sous la forme de particules microscopiques. Les plus grosses gouttelettes de plomb désirées initialement sont ensuite produites par un autre traitement thermique du tube, par recuit avec des paramètres de température et de temps-choisis de façon appropriée, essentiellement par un processus de transformation sphérotdale. For this purpose, aluminum and 10% lead are introduced into
an appropriately shaped crucible, and inductive heating is carried out
up to 1200 "C. At this temperature, the material constitutes a macroscopically homogeneous fusion bath, the homogeneity of which is favored by the flows generated under the effect of inductive heating. Then, the molten material bath is allowed to flow by a nozzle in the form of a thin jet as far as one or more rotating cold cylinders, on which 1-a molten material solidifies, without macroscopic phase separation5, in the form of a thin layer. collected and it is transformed into briquettes in a suitable device. The briquette packages are, if necessary, preheated, and the briquettes are transformed into tubes of desired dimensions in a tube press. During compression, the material in the form of briquettes is even more compacted and it constitutes a compact material without the lead having been able to produce macroscopically an enrichment in any place. The lead can separate, depending on the weather temperature and duration of the heat treatment, at most in the form of microscopic particles. The larger lead droplets initially desired are then produced by another heat treatment of the tube, by annealing with temperature and time parameters appropriately chosen, essentially by a process of spherotdale transformation.

Pour mettre en evidence la multiplicité d'applications du procéde selon l'invention, on va décrire à titre dssexemple comment la matière, lorsqu'elle ne se trouve pas sous forme d'un tube mais sous forme d'une bande de 1 mm d'épaisseur, doit être mise en oeuvre de maniere à pouvoir être également laminée à une plus grande vitesse que le refroidissement critique effectué. Dans des conditions choisies correctement, la compression et le compactage se déroulent également dans ce cas sans qu'il se produise des modifications indésirables de -répartition du plomb. To demonstrate the multiplicity of applications of the method according to the invention, we will describe by way of example how the material, when it is not in the form of a tube but in the form of a strip of 1 mm d 'thickness, must be implemented so that it can also be rolled at a higher speed than the critical cooling effected. Under correctly chosen conditions, compression and compaction also take place in this case without any undesirable changes in lead distribution occurring.

I1 peut egalement être avantageux de fabriquer d'abord par étirage un produit initial, ayant par exemple une épaisseur de 8 mm, et de conditionner ensuite ce produit par laminage sous forme d'une bande. It may also be advantageous to first produce by drawing an initial product, for example having a thickness of 8 mm, and then to package this product by rolling in the form of a strip.

En conclusion, on peut dire qu'il existe dans llindustrie un besoin en matériaux (destinés entre autres à la fabrication de coussinets de paliers), dont les constituants sont habituellement non-miscibles entre eux, ou seulement difficilement. Notamment, dans le cas de constituants qui ne sont miscibles entre eux que d'une façon limite, également à l'état fondu, et qui présentent de grandes differences de densités et de points de fusion, on ne peut pas obtenir avec les procédés connus la fine répartition et la composition uniforme nécessaires. In conclusion, it can be said that there is a need in the industry for materials (intended inter alia for the manufacture of bearing bearings), the constituents of which are usually immiscible with one another, or only with difficulty. In particular, in the case of constituents which are only miscible with one another in a limited manner, also in the molten state, and which exhibit large differences in densities and melting points, it is not possible to obtain with known methods the fine distribution and uniform composition required.

La séparation de phases est imputable surtout à l'influence de la force de gravité, et en partie egalement à la tension superficielle.The phase separation is mainly due to the influence of the force of gravity, and partly also to the surface tension.

Le procédé selon l'invention permet, à la différence des procédés connus, de fabriquer des produits initiaux macroscopiquement homogenes et qui sont ensuite amenés à la forme désirée. Un avantage particulier du procédé conforme à l'invention consiste en ce qu'il peut être mis en oeuvre avec des moyens connus dans des dispositifs technologiques existants.Unlike the known methods, the process according to the invention makes it possible to manufacture macroscopically homogeneous initial products which are then brought to the desired shape. A particular advantage of the process according to the invention consists in that it can be implemented with known means in existing technological devices.

Pour cette raison, son application ne necessite généralement aucun investissement particulier. For this reason, its application generally does not require any particular investment.

Claims

1.- Process for the manufacture of materials consisting of components which are difficult to mix with each other, characterized in that the components are melted in the form of a molten bath at least partly homogeneous, in that they provide cooling with a cooling rate which is higher than the critical cooling rate down to a temperature below the solidification temperature, in that auxiliary materials are added, if necessary, in that the compacting of the material by mechanical and / or thermal action and in that the properties of the material are further modified if necessary - advantageously by plastic deformation or by heat treatment.

2.- Method according to claim 1, characterized in that the bath of molten material is produced at least in part homogeneous by inductive heating.

3.- Method according to claim 1, characterized in that the bath of molten material is cooled at least partially homogeneous using one or more cylindrical bodies and with a cooling speed exceeding the cooling speed critical.

4.- Method according to claim 1, characterized in that the cooled material is compacted by drawing (drawing tubes) and / or by rolling.