FR2640172A1 - Procede de fabrication d'ebauches metalliques monobloc par solidification en continu - Google Patents

Abstract

Le procédé de fabrication d'ébauches métalliques monobloc par solidification en continu consiste à immerger une amorce de solidification dans un bain de métal fondu liquide et à former une ébauche par extraction progressive de l'amorce hors du bain. Pendant l'étape de formation de l'ébauche, on chauffe la surface du bain de métal fondu liquide 4 de façon à former un champs thermique variable dont les isothermes 12 correspondant à une température voisine de la température de cristallisation de l'alliage épousent le contour de l'ébauche à former et on amène l'amorce de solidification 8 au contact du bain de métal fondu liquide 4 dans une position telle que le contour de l'isotherme 12 soit équidistant du contour de la section de l'ébauche. Application à la fabrication d'outils en alliages difficiles à mouler ou former.

Description

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PROCEDE DE FABRICATION D'EBAUCHES METALLIQUES MONOBLOC

PAR SOLIDIFICATION EN CONTINU

La présente invention concerne la métallurgie sous vide et a notamment pour objet un procédé de fabrication d'ébauches

métalliques monobloc par solidification en continu.

L'invention peut être appliquée à la fabrication des outils, dans l'industrie métallurgique ainsi que dans d'autres branches industrielles pour la production d'ébauches monobloc et d'articles de forme et de structure prédéterminées à partir d'alliages non malléables, par exemple, pour la production d'aimants permanents et d'ébauches à partir d'alliages à

teneur élevée en divers éléments ou constituants.

Les exigences de plus en plus sévères auxquelles doit satisfaire la pureté des alliages, l'élévation de la teneur en

leurs divers constituants de ces alliages, la nécessité d'obte-

nir une structure parfaitement programmée ont posé le problème de l'élaboration de procédés techniques correspondants de

fabrication d'ébauches métalliques.

Parmi les procédés permettant d'obtenir une structure et une forme déterminées, les procédés de fabrication d'ébauches par solidification en continu se distinguent avantageusement du fait que la cristallisation orientée s'effectue dans des couches métalliques relativement minces. Il convient de noter que le processus se développe dans des conditions assurant une

alimentation abondante du front de cristallisation.

Les procédés connus de coulée par solidification en continu, sont utilisés pour la fabrication de différents types d'ébauches tels que: t8les, barres, articles de forme ("Coulée par solidification en continu" par G.F. Balandin, 1962, "Mashgiz",

(Moscou), pages 7 à 16).

Pour fabriquer des articles creux tridimensionnels, on utilise la coulée par déversement du métal. Selon ce mode, on verse du métal liquide dans un moule fixé sur un dispositif de

coulée pouvant être retourné. Après un laps de temps nécessai-

re & la solidification (cristallisation) sur la surface du moule, d'une croûte présentant une épaisseur requise, on retourne le moule en déversant le métal resté liquide dans le moule. Une pièce moulée reste dans le moule sous la forme

d'une croûte cristallisée plaquée & la surface du moule.

C'est d'une façon analogue que l'on forme une pièce

moulée dans le cas de la coulée d'articles creux par le pro-

cédé d'aspiration sous vide. Dans ce cas, le métal liquide est aspiré d'une poche ou d'un four dans un cristallisoir, y est

maintenu pendant une durée imposée et puis, après la suppres-

sion de la dépression, le métal qui ne s'est pas solidifié, s'écoule en retour dans le four ou dans la poche. La pièce moulée creuse reste sur la surface du cristallisoir sous la

forme d'une enveloppe à paroi mince.

On connaît un procédé de fabrication par solidification en continu sur une tige tournante (coulée par immersion) grace auquel on fabrique des pièces moulées en forme d'enveloppes de forme cylindrique dont la surface intérieure présente des nervures et dont la surfaces extérieure est lisse. Selon ce procédé, on plonge dans un métal liquide une tige réfrigérée tout en l'entraînant en rotation. Une croûte de métal qui présente une surface lisse et propre se solidifie sur la

surface de ladite tige.

Les pièces moulées à paroi mince de grandes dimensions sont fabriquées sous la forme de panneaux dans le procédé de coulée par extrusion. Dans ce procédé de coulée par extrusion, du métal fondu déversé dans un récipient d'une installation de

coulée est refoulé vers le haut par suite de la mise en rota-

tion d'une plate-forme mobile. En s'écoulant entre deux moi-

tiés de moules, le métal fondu se refroidit et une croûte se solidifie sur la surface des moitiés de moules. A la fin du processus de coulée, le métal excédentaire est évacué et les croûtes peuvent se rejoindre en formant un corps de pièces moulée. Les processus de formation par solidification en continu sont utilisés dans certains procédé de coulée continue. Par exemple, pour appliquer le procédé de coulée à une bande, on plonge un cylindre refroidi & l'eau par sa surface extérieure dans une cuve remplie d'un métal fondu liquide. Une croûte se solidifie sur la surface du cylindre et est retirée en continu de la cuve au cours de la rotation du cylindre ou à l'aide de

deux cylindres tournants entre lesquels est coulé du métal.

Les croûtes de métal solidifiées sur la surface des cylindres se rapprochent dans la zone de contact de ces cylindres et se réunissent l'une à l'autre. Le métal qui ne s'est pas solidifié

est alors automatiquement chassé.

Par l'essentiel de sa technique, ce procédé de fabrica-

tion d'ébauches monoblocs par solidification en continu ("Cou-

lée par solidification en continu"" par G.F. Balandin, Mashgiz

(Moscou), 1962, p. 251) se révèle être plus proche de l'inven-

tionrevendiquée. L'essentiel de ce procédé consiste en ce qui suit. On place sur la surface de miroir du bain de métal fondu dans le creuset d'un four de fusion un plateau en matière réfractaire

comportant une ouverture correspondant au profil de l'article.

Lorsqu'on exerce une pression sur le plateau, on refoule le métal fondu A travers l'ouverture sous la forme d'une colonne présentant un ménisque convexe. On amène au contact de cette partie du métal fondu une amorce de solidification réalisée dans la même matière et dont la section correspond exactement au profil de l'article (lingot, tube, bande). En retirant l'amorce de solidification de l'ouverture du plateau flottant, sous l'action des forces superficielles, on retire également avec l'amorce de solidification, une partie du métal fondu. En

même temps, le métal fondu commence & se solidifier à l'extré-

mité de l'amorce et la solidification s'effectue en continu.

Ce procédé est très sensible & la variation de l'équilibre

thermique de formation d'une pièce moulée.

Toutefois, dans ce procédé ainsi que dans d'autres procédés de coulée par solidification en continu, il est impossible de conduire d'une manière contr8lée les processus thermiques au cours de la cristallisation et, par conséquent,

la formation de la structure de l'alliage obtenu.

La présence des surfaces de moulage peut provoquer une pollution du métal par la matière du moule et de défauts superficiels sur la pièce moulée.

L'application du métal fondu par superposition de cou-

ches solidifiées ne permet pas d'obtenir une bonne qualité du

métal par suite de l'oxydation intense de chaque couche.

En outre, les procédés connus ne permettent pas l'obten-

tion d'une structure du métal qui puisse être réglée dans les

limites d'une ébauche.

On s'est donc proposé de mettre au point un procédé de

fabrication d'ébauches métalliques monoblocs par solidifica-

tion en continu qui permettrait, grâce aux possibilités de conduite du processus de cristallisation qui permet d'obtenir

des ébauches présentant une forme imposée, en éléments d'al-

liage et ceci avec une structure imposée.

Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un procédé

de fabrication d'ébauches métalliques monoblocs par solidifi-

cation en continu consistant à plonger une amorce de solidi-

fication dans un bain de métal fondu liquide et à former une ébauche par extraction progressive de l'amorce lors du bain, ce procédé étant caractérisé selon l'invention en ce que, pendant l'étape de formation de l'ébauche, on chauffe la surface du bain de métal fondu liquide de manière à former un champ thermique variable, dont les isothermes correspondant & une température voisine de la température de cristallisation de l'alliage épousent le contour de l'ébauche à former et en ce qu'on amène l'amorce de solidification au contact du bain de métal fondu liquide dans une position telle que le contour de l'isotherme soit équidistant au contour de la section de l'ébauche. Il est avantageux que le chauffage de la surface du bain

de métal fondu liquide soit réalisé par rayonnement électro-

nique sous vide (faisceau électronique).

En créant un champ thermique variable dans le bain de métal fondu liquide, on offre la possibilité de former une ébauche monobloc de section variable et réalisée avec des

alliages complexes, les surfaces de moulage étant supprimées.

En réalisant le processus sous vide et en utilisant comme source de chaleur le rayon... électronique, on réalise un affinage supplémentaire de l'alliage et un moulage de haute précision.

Il est avantageux de former le champ thermique en fai-

sant varier la position des zones de chauffage par le rayon-

nement électronique ou en faisant varier l'intensité du chauf-

fage, ou l'intensité du refroidissement du bain de métal fondu

liquide.

Il est souhaitable de former le champ thermique variable en faisant varier simultanément la position des zones de

chauffage, l'intensité du chauffage et l'intensité du refroi-

dissement du bain de métal fondu liquide. Chacun de ces para-

mètres pouvant en fait varier isolément ou en combinaison.

En formant le champ thermique variable selon les modes

susmentionnés il est possible de faire varier le champ ther-

mique du bain de métal fondu liquide avec une précision et une

vitesse suffisantes afin d'obtenir une forme compliquée requi-

se du champ thermique et un gradient de température requis.

Il est possible de former l'ébauche en faisant varier

l'évacuation de la chaleur à travers l'amorce de solidifica-

tion et la partie formée de l'ébauche. Cette variation de l'évacuation influe sur le bilan thermique dans la zone de cristallisation et, par conséquent, sur la dimension des

phases en cours de cristallisation.

Dans le cas o l'alliage présente des propriétés physi-

ques et thermiques déterminées, il faut réaliser et former l'ébauche en amenant l'amorce de solidification au contact du

bain de métal fondu liquide.

Ceci permet d'augmenter l'évacuation de la chaleur lors de la surface de cristallisation d'une ébauche à former, d'augmenter la différence de température entre les phases

solide et liquide et, par conséquent, d'augmenter la disper-

sion de la structure.

Au cours de la formation d'une ébauche, il est avanta-

geux de réaliser la déformation plastique de la couche soli-

difiée en dehors de la zone de contact de l'amorce de soli-

dification avec le bain de métal fondu liquide.

La déformation intermédiaire complémentaire de la couche solidifiée permet d'augmenter la densité du métal, d'affiner la structure et d'augmenter l'évacuation de la chaleur de la

surface de cristallisation.

D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaî-

tront à la lecture de la description de différents modes de

réalisation de l'invention faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une représentation schématique destinée à illustrer le procédé de formation d'une ébauche monobloc selon l'invention; - la figure 2 représente une coupe verticale du champ thermique du bain de métal fondu liquide; - la figure 3 représente le même champ thermique en forme d'anneau; - la figure 4 représente le même champ thermique en forme de carré; - la figure 5 représente une section verticale du champ - thermique du bain de métal fondu liquide en cas de refroidissement très intense du creuset; - la figure 6 est une représentation schématique destinée

à expliquer le procédé lors de la déforma-

tion plastique d'une couche formée par solidification continue en dehors de la

zone de contact de l'amorce de solidifica-

tion avec le bain de métal fondu liquide; - la figure 7 est une représentation schématique destinée a expliquer le procédé d'application d'un alliage sur une arête active d'une matrice

d'un outil d'ébavurage.

Le procédé de fabrication d'ébauches métalliques mono-

bloc par solidification en continu est réalisé dans une ins-

tallation sous vide (figure 1) comprenant une chambre à vide 1, o on maintient un vide permettant la création d'un rayon électronique 2. Dans des parois inclinées de la chambre 1, on a pratiqué des trous 3 à travers lesquels des rayonnements électroniques 2 sont dirigés par des canons à électrons (non représentés sur le dessin) sur la surface d'un bain de métal fondu liquide 4 contenu dans un creuset refroidi 5. En fondant un lingot 7, amené du bas, à l'aide d'un rayon électronique 6, on maintient un niveau constant de métal dans le creuset refroidi 5. A l'aide d'un organe d'actionnement (non représen-

té sur le dessin), on peut déplacer une amorce de solidifica-

tion 8 par rapport à la surface du bain de métal fondu liqui-

de 4. On va maintenant examiner un procédé de fabrication d'ébauches métalliques monobloc. On envoie un rayonnement électronique 2 à travers les trous 3 à la surface du bain de métal fondu liquide 4 et, il se forme ainsi, des zones de chauffage 9, qui dégagent de la chaleur pour le chauffage du bain de métal fondu liquide 4, sur la surface du bain de métal fondu liquide 4. Au voisinage immédiat du creuset refroidi 5,

le métal se trouve en phase solide 10 (figure 2).

Le champ thermique du bain de métal fondu liquide 4 est

déterminé par le gradient thermique entre les zones de chauf-

fage 9 et les zones de refroidissement. Les lignes des tempé-

ratures égales forment des isothermes 11.

On dispose les zones de chauffage de manière que les

isothermes 12 dont la température est voisine de la tempéra-

ture de cristallisation Tcrist épousent la forme de la sec-

tion d'une ébauche à obtenir. Par exemple, si la zone de chauffage 9 estréalisée, sur la surface du bain de métal

fondu liquide 4 (figure 3), sous la forme d'un anneau, l'iso-

therme 12 correspondant & la température de cristallisation

Tcrist., prend également sur la surface, la forme d'un anneau.

Quant A l'amorce de solidification 8 (figure 2) on l'extrait en une position équidistante de l'isotherme 12 correspondant à la température de cristallisation Tcrist de solidification 8 à la suite de son refroidissement. Les dimensions géométriques du front de cristallisation sont déterminées par la position

de l'isotherme, correspondant à la température de cristallisa-

tion. Ensuite, en retirant du bain de métal fondu liquide 4 l'amorce de solidification 8 à une vitesse linéaire fonction de la vitesse de cristallisation, on forme une ébauche. Dans ce cas, la section de l'ébauche est déterminée par le contour

- 8

de l'isotherme à la température Tcrist qui dépend du contour du champ thermique. La variation du champ thermique conduira à une variation correspondante de la section, par exemple, suivant la longueur du produit moulé obtenu. En déplaçant la zone de chauffage 9 à la surface du bain de métal fondu liqui- de 4 (figure 4) on peut faire varier la position des zones de

chauffage 9 de manière à faire varier la forme du champ ther-

mique et, de ce fait, le contour de l'isotherme 12 correspon-

dant à la température de cristallisation Tcrist prend une

forme requise. Par exemple, en faisant balayer par un rayonne-

ment électronique 2 une zone de chauffage comprise entre deux carrés de dimensions différentes et disposés concentriquement, on obtient, au milieu du carré de plus faibles dimensions un

isotherme 12 à température Tcrist. en forme de carré.

Lorsque l'on augmente l'intensité du chauffage par le rayonnement électronique, c'est-à-dire, lorsque l'on augmente la puissance fournie à la zone de chauffage 9 (figure 3) le surchauffage du bain de métal fondu liquide 4, dans la zone

voisine de la zone de chauffage 9, augmente. Le champ thermi-

que varie de telle façon que lorsque la distance entre la zone

de chauffage 9 et l'isotherme 12 à la température Tcrist.

croit, l'isotherme 12 à la température Tcrist. s'éloigne de la

zone de chauffage 9. Dans ce cas, l'augmentation de l'inten-

sité du chauffage dans la zone de chauffage 9 annulaire abou-

tit à la diminution du diamètre de l'isotherme 12 à tempéra-

ture Tcrist et, par conséquent, à la diminution du diamètre

de l'ébauche.

En augmentant l'intensité du refroidissement du bain de métal fondu liquide 4, par exemple par l'intermédiaire du creuset refroidi 5 (figure 2), soit en augmentant le débit d'agent réfrigérant, soit en abaissant sa température, on fait varier le champ thermique de manière que l'épaisseur de la phase solide 10 (figure 5) augmente, et que le gradient de température dans le bain de métal fondu liquide augmente lui aussi tandis que le volume du bain de métal fondu liquide 4 diminue, ce qui provoque un déplacement de l'isotherme 12 à

température Tcrist. dans la direction de la zone de chauffa-

ge 9. En faisant varier simultanément la position des zones de

chauffage 9, l'intensité du chauffage et l'intensité du re-

froidissement, il est possible d'obtenir diverses formes plus ou moins compliquées et qui sont imposées au préalable du champ thermique et, par conséquent, diverses formes imposées à

la section d'une ébauche.

En faisant varier l'intensité de l'évacuation de la chaleur à travers l'amorce de solidification 8 (figure 1) et la partie formée de l'ébauche, on contrôle la formation de la

structure de l'alliage solidifié. Par exemple, on peut dimi-

nuer l'évacuation de la chaleur à travers l'amorce de solidi-

fication 8 et la partie formée de l'ébauche en faisant appel à

un chauffage supplémentaire par le rayonnement électronique.

On élève ainsi la température de la phase solide 10 dans la

zone de cristallisation, on diminue la différence de tempéra-

ture entre la phase solide 10 et la phase liquide et on dimi-

nue ainsi la vitesse de cristallisation et on augmente la

dimension des phases qui se cristallisent.

Dans le cas o l'évacuation de la chaleur du front de cristallisation n'est pas suffisamment intensive on forme une ébauche en mettant périodiquement en contact la surface de cristallisation de l'ébauche avec le métal en fusion. Lorsque

la surface de la cristallisation de l'amorce de solidifica-

tion 8 n'est pas en contact avec le bain de métal fondu liqui-

de 4, il se produit une évacuation supplémentaire de la cha-

leur de la surface de cristallisation de l'amorce de solidi-

fication 8, ce qui permet de réaliser, lors du contact ulté-

rieur avec le bain de métal fondu liquide 4, la cristallisa-

tion de l'alliage dans le cas d'une grande différence de température entre les phases solide et liquide. Ceci augmente

la vitesse de cristallisation et la dispersion des phases.

Pendant la formation de l'ébauche, on réalise, si néces-

saire, la déformation plastique de l'alliage solidifié en dehors de la zone du contact de l'amorce de solidification 8 avec le bain de métal fondu liquide 4, on soumet le métal

cristallisé à une déformation selon n'importe quel mode connu.

Par exemple, on réalise la solidification du métal en continu sur la surface cylindrique extérieure d'une amorce de solidification 13 (figure 6) de façon que le cylindre (faisant fonction d'amorce de solidification 13) tournant autour de son axe, entre en contact par une génératrice avec le bain de métal fondu liquide 4. On effectue ainsi la solidification en continu sur la surface cylindrique extérieure de l'amorce de solidification 13. Le métal extrait en dehors de la zone du contact avec le bain de métal fondu liquide 4 est soumis à une déformation par un galet 14. Ce mode de déformation augmente la densité du métal solidifié, affine les phases qui sont en cours de cristallisation, augmente l'évacuation de la chaleur

hors de la surface de cristallisation de l'ébauche.

On va maintenant décrire quelques exemples de réalisa-

tion du procédé.

EXEMPLE 1

Pour fabriquer une ébauche monobloc par solidification en continu on amène la chambre 1 (figure 7) à une pression de travail comprise entre 1. 10-2 et 6,5.103Pa. Comme amorce de

solidification, on utilise la matrice d'un outil d'ébavurage 15.

L'arête active de cette matrice est constituée par une saillie d'une hauteur 10 mm et d'une épaisseur de 10 mm suivant le contour d'un trou de 60 x 40 mm pratiqué dans le plateau de la

matrice de l'outil 15.

La matrice de l'outil 15, utilisée comme amorce de cristallisation, est réalisée en acier à outil ordinaire. On forme par solidification en continu sur l'arête active de la matrice de l'outil 15 un alliage contenant en % en poids: 0,83 de C, 4,0 de Cr, 5,7 de W, 1,9 de V, 5,3 de Mo, 0,3 de Si, 0,25 de Mn, le fer constituant le complément à 100%. On place ensuite l'alliage dans un creuset refroidi 5 de 200 x 300 x mm. On fixe la matrice, recuite au préalable, de l'outil d'ébavurage 15 sur un arbre mobile (non représenté sur le dessin). On effectue la fusion de l'alliage dans le creuset 5 et le chauffage de l'arête active de la matrice d'ébavurage 15 par un rayonnement électronique 2. Dès que la température de la matrice atteint une valeur comprise entre 1100 et 1150 C,

la matrice est prête à être utilisée comme amorce de solidi-

fication pour la formation de l'ébauche par solidification en

continu. A ce moment, on a formé un bain de métal fondu li-

quide 4 et une zone de chauffage 9. La zone de chauffage intérieure 9 en forme de carré, dont le côté est inférieur de à 35 mm à la dimension intérieur de l'arête active de l'outil 15 est balayée régulièrement par un rayonnement d'une puissance de 30 & 35 kVA. La zone extérieure se présente sous la forme d'une bande de 40 mm de largeur suivant le contour du carré et dont le côté est supérieur de 30 mm à la dimension extérieur de l'arête active de l'outil 15 et est chauffée par le rayon des canons électroniques 2 dont la puissance totale

est de 100 kVA. Il se forme entre les zones une zone de chauf-

fage 16 dans laquelle le bain de métal fondu liquide 4 présen-

te un champ thermique avec des isothermes dont la température

est supérieure de 20 à 50 C à la température de cristallisa-

tion de l'alliage de chauffage 9. La forme des isothermes épouse la forme de l'arête active. Le chauffage de la matrice de l'outil 15 étant terminé, on retourne la matrice pour la placer en position parallèle à la surface du bain de métal fondu liquide 4, et on arrête le fonctionnement des canons électroniques 2. On immerge la matrice de l'outil 15 dans le bain métallique fondu 4 à une profondeur de 2 à 3 mm dans la zone o les contours des isothermes sont équidistants de la périphérie de l'arête active. Le processus de solidification en continu dure 5 à 6 s et on retire ensuite la matrice de

l'outil 15 du bain de métal fondu liquide 4.

Après un traitement thermique adéquat, la surface active de l'outil 15 présente une dureté HRC comprise entra 63 et 67

et la durée de l'outil 15 est multipliée par quatre.

Pour la fabrication d'une ébauche de forme compliquée présentant une structure cristalline à partir d'un alliage complexe difficile & déformer, on maintient, dans la chambre 1, une pression de travail comprise entre 1.10 2 à 6,5.10'3Pa. Il

est nécessaire de former une ébauche dont la forme est consti-

tuée par des profils différents raccordés les uns aux autres et tels qu'un carré de 40 x 40 mm, un cercle de 56 mm de diamètre, un cercle de 40 mm de diamètre, un cercle de 45 mm de diamètre, un carré de 30 x 30 mm, un carré de 20 x 20 mm, un cercle de 70 mm de diamètre et qui s'étendent chacun sur

une longueur de 30 mm.

On place un alliage, contenant en % en poids: 18,2 de Ni, 9,9 de Al, 12,3 de Co, 6,5 de Cu, 0,14 de Si, le fer constituant le complément & 100%, dans un creuset de 300 x 400

x 70 mm refroidi à l'eau.

Pour former le bain de métal fondu liquide, on chauffe l'alliage par les rayonnements électroniques de quatre canons à l'électrons. La puissance totale de rayonnement est de 120 kVA. Après la formation du bain de métal fondu liquide, on règle le champ de température en amenant les isothermes à la

température de cristallisation à prendre la forme d'un carré.

A cet effet, on fait balayer par le rayonnement une bande présentant une largeur de 35 à 40 mm et disposée suivant le périmètre d'un carré de 80 mm de c8té. En conséquence, le champ thermique présente des isothermes 12 de forme carrée (figure 4) à l'intérieur du carré. Dans ce cas, le carré de x 40 mm est formé par les isothermes 12 dont la température

est voisine de celle du début de la cristallisation de l'al-

liage.

On dispose une amorce de solidification, réalisée sous

la forme d'une tige de 40 x 40 x 100 mm en acier de construc-

tion ordinaire de façon que son axe longitudinal soit perpen-

diculaire à la surface du bain de métal fondu liquide et que la section de 40 x 40 mm soit équidistante des isothermes du

champ de température du bain de métal fondu liquide. On chauf-

fe au préalable jusqu'à une température de 1200 C les amorces

de solidification par un rayonnement électronique d'une puis-

sance de 15 kVA que balaye la surface de l'amorce de solidifi-

cation à une distance de 40 mm & partir du bord inférieur.

Après avoir stabilisé le champ thermique en maintenant le bain de métal fondu liquide sous l'action du rayonnement électronique pendant 15 minutes on procède à la formation de l'ébauche. On descend l'amorce de solidification verticalement vers le bas jusqu'à ce que la face en bout de l'amorce vienne toucher la surface du bain de métal fondu liquide. Après que la face en bout de l'amorce de solidification ait touché le bain de métal fondu liquide, on la déplace vers le haut à la vitesse de 5 à 6 mm/min. Par ce procédé, on obtient une ébauche dont la section présente la forme d'un carré de 40 x 40 mm et dans laquelle les cristaux sont orientés dans la direction du

déplacement de l'amorce de solidification.

Dans le but d'obtenir la section de l'ébauche sous la forme d'un cercle de 56 mm de diamètre on fait varier la forme du champ thermique de manière que les isothermes du champ thermique constituent des circonférences concentriques. A cet effet, on fait balayer par le rayonnement électronique la surface d'un anneau de diamètre extérieur de 180 mm et de diamètre intérieur de 100 mm sans faire varier la puissance du

rayonnement électronique. Le champ thermique obtenu à l'iso-

therme 12 (figure 3), dont la température est voisine de la température de cristallisation Tcrist prend alors la forme d'un anneau de 56 mm de diamètre. Après avoir changé la forme du champ thermique, on interrompt pendant un certain temps l'extraction de l'amorce de solidification du bain de métal fondu liquide. Ensuite, on reprend le retrait de l'ébauche à la vitesse de 5 mm/min. Pour diminuer le diamètre de l'ébauche jusqu'au diamètre d de 40 mm, toutes les autres conditions

étant égales par ailleurs, on augmente la puissance du rayon- nement électronique de 30 kVA à 35 kVA. Il s'ensuit que les

isothermes changent de position en diminuant de diamètre.

L'isotherme 12, dont la température est voisine de la tempéra-

ture de cristallisation Tcrist prend la forme d'un cercle dont le diamètre d est de 40 mm. Après le changement de la

forme du champ thermique, on interrompt l'extraction de l'é-

bauche pendant 5 minutes. Ensuite, on retire l'ébauche de mm de diamètre à la vitesse de 5 mm/min. Les conditions

décrites ci-dessus de la solidification en continu s'effec-

tuent avec une intensité déterminée de refroidissement du bain de métal fondu liquide, cette intensité étant caractérisée par le débit de liquide réfrigérant qui circule à travers le creuset, par exemple, 20 1/min. En augmentant le débit de

liquide réfrigérant jusqu'à 36 1/min. on provoque une varia-

tion du champ thermique de telle façon que le diamètre de l'ébauche augmente jusqu'au diamètre d de 45 min. Les autres conditions du processus de solidification en continu restent identiques. Le profil en forme de carré de 30 x 30 mm est réalisé ensuite par variation du champ thermique. On change la forme annulaire du champ thermique pour lui faire prendre une forme carrée. La zone de chauffage se présente alors sous la forme d'une bande de 80 mm de largeur suivant le périmètre du carré de 80 x 80 mm, et on fait passer la puissance du rayonnement

électronique de 36 kVA à 28 kVA.

On diminue l'intensité du refroidissement du bain de

métal fondu liquide en diminuant le débit de liquide réfrigé-

rant utilisé pour le refroidissement du creuset, de 36 1/min.

à 20 1/min. La vitesse d'étirage de l'ébauche est de 5 mm/min.

Les conditions de cristallisation décrites ci-dessus au

cours de la solidification en continu contribuent à la forma-

tion d'une structure de cristaux empilés ayant, chacun, une

surface de 3 à 5 mmz.

En diminuant la vitesse de refroidissement par chauffage de l'ébauche a une hauteur située à 30 à 40 mm de la zone de contact avec la surface du bain de métal fondu liquide, à l'aide d'un rayonnement électronique d'une puissance de 2 kVA, on contribue à la diminution de la vitesse de cristallisation

et respectivement de la vitesse d'étirage qui passe de 5 mm/min.

jusqu'à 0,5 mm/min., à l'augmentation de la taille du cristal dont la surface de la section transversale passe de 15 à mm2 pour chacun des cristaux, et enfin à la diminution de la section qui peut aller jusqu'à des dimensions de 20 x mm. Lorsque la section de 20 x 20 mm atteint une longueur de 30 mm on interrompt le contact de l'ébauche avec -le liquide du bain de métal fondu. Pour obtenir une section d'ébauche de mm de diamètre, on crée un champ thermique dont la zone de chauffage se présente sous la forme d'un anneau, dont le diamètre extérieur est de 120 mm et le diamètre intérieur est de 70 mm. On chauffe le bain de métal fondu liquide par un rayonnement électronique dont la puissance totale est de

kVA. Quant au chauffage supplémentaire, il est supprimé.

Les autres conditions correspondent aux conditions de fabrica-

tion de la section précédente. On forme l'ébauche en mettant la surface de cristallisation de l'ébauche périodiquement en contact avec le bain de métal fondu liquide selon le régime suivant: mise en contact pendant 10 s et le refroidissement au-dessus du bain fondu pendant 20 s. Pour former une longueur

d'ébauche égale & 30 mm, il est nécessaire de réaliser 10 cy-

* cles. La structure de l'alliage obtenue est caractérisée par des cristaux équiaxiaux présentant une section de 2 à 3 mm2 et

par l'absence de tout défaut de retrait. Les dimensions géomé-

triques varient dans des limites de 5 à 10% par rapport aux

valeurs imposées.

EXEMPLE 3

On souhaite former l'ébauche d'une fraise à disque par solidification en continu d'une couche d'alliage à haute teneur en éléments d'alliage contenant en % en poids: 0,83 de C; 4,0 de Cr; 5,7 de W; 1,9 de V; 5,3 de Mo; 0,3 de Si; 0,25 de Mn, le fer constituant le complément à 100%, sur une amorce de solidification 13 en acier au carbone et dont le diamètre d est de 120 mm et l'épaisseur 6 de 2 mm. On fixe l'amorce 13 sur un axe disposé parallèlement à la surface du bain de métal fondu liquide 4 (figure 6). En tournant avec l'axe, l'amorce de solidification 13 a la possibilité de se déplacer vers le haut et vers le bas par rapport à la surface du bain de métal fondu liquide. La vitesse de rotation de l'amorce de solidification 13 autour de son axe est de tr/min. Le bain de métal fondu liquide 4 est obtenu par un

procédé analogue à celui décrit dans l'exemple 1.

On forme le champ thermique de manière que les isother-

mes à température voisine de la température de cristallisation Tcrist forment un rectangle de 4 x 30 mm. A cet effet, la zone de chauffage est constituée par un rayonnement d'une puissance totale de 60 kVA sous la forme d'une bande de 20 mm

de largeur suivant le périmètre d'un rectangle de 100 x 50 mm.

Pour que l'amorce de solidification 13 adhère d'une manière fiable au matériau à solidifier, on chauffe préalablement l'amorce de solidification jusqu'à une température de 800 à

850 C. On fait descendre l'amorce de solidification 13 tour-

nant autour d'un axe horizontal, de telle façon que le point

de contact soit mis en coïncidence avec le point d'intersec-

tion des diagonales des rectangles de l'isotherme. Après que l'amorce de solidification 13 ait touché la surface du bain de métal fondu liquide 4 et se soit immergée sur une profondeur de 1 à 2 mm, on l'extrait (par relevage de l'amorce de soli- dification tournante 13) à la vitesse de 0, 5 mm/min. La couche d'alliage qui se forme sur la surface extérieure de l'amorce

de solidification 13 prend la forme d'un anneau dont le dia-

mètre intérieur est égal au diamètre extérieur de l'amorce de

solidification 13 et l'épaisseur 6 est de 4 mm.

Après l'application de l'alliage par solidification en continu sur l'amorce de solidification cylindrique présentant un diamètre d de 122 mm, on soumet la couche solidifiée à une déformation plastique en dehors de la zone de contact de

l'amorce de solidification avec le bain de métal fondu liqui-

de 4. A cet effet, on exerce une action de laminage à l'aide du galet 14 à surface extérieure lisse qui est appliqué avec un effort P égal à 20 kN sur la couche solidifique. On obtient ainsi l'ébauche d'une fraise à disque, dont le diamètre d est de 130 mm et l'épaisseur de la zone active est de 4 mm et ceci sans aucun défaut du au retrait et avec des surépaisseurs

minimales pour l'usinage.

Comme on vient de le voir illustrer par des exemples de réalisation, le procédé selon l'invention de fabrication d'ébauches monobloc par solidification en continu est simple

et fiable. Il permet de produire des ébauches monobloc prati-

quement à partir de n'importe quels matériaux métalliques. Les conditions de cristallisation qui sont réglables permettent de former des ébauches monobloc présentant la structure et la forme souhaitées et les dimensions géométriques avec une

précision suffisante.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de

l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1.- Procédé de fabrication d'ébauches métalliques mono-

bloc par solidification en continu consistant à immerger une amorce de solidification dans un bain de métal fondu liquide et à former une ébauche par extraction progressive de l'amorce

hors du bain, caractérisé en ce que pendant l'étape de forma-

tion de l'ébauche, on chauffe la surface du bain de métal

fondu liquide (4) de façon à former un champ thermique varia-

ble dont les isothermes (12) correspondant à une température voisine de la température de cristallisation de l'alliage épousent le contour de l'ébauche à former et en ce que l'on amène l'amorce de solidification (8, 13) au contact du bain de métal fondu liquide (4) dans une position telle que le contour de l'isotherme (12) soit équidistant du contour de la section

de l'ébauche.

2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe la surface du bain de métal fondu liquide (4)

maintenue sous vide par un rayonnement électronique (2).

3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on forme le champ thermique variable en faisant

varier la position des zones de chauffage (9).

4.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, carac-

térisé en ce que l'on forme le champ thermique variable en

faisant varier l'intensité du chauffage.

- 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, carac-

térisé en ce que l'on forme le champ thermique variable en faisant varier l'intensité du refroidissement du bain de métal

fondu liquide (4).

6.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on forme le champ thermique variable en faisant varier simultanément: la position des zones de chauffage (9), l'intensité du chauffage et l'intensité du refroidissement du

bain de métal fondu liquide (4).

7.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, carac-

térisé en ce que l'on forme l'ébauche en faisant varier l'éva-

cuation de la chaleur à travers l'amorce de solidification (8,

13) et la partie formée de l'ébauche.

8.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, carac-

térisé en ce que l'on forme l'ébauche en amenant la surface de cristallisation de l'amorce de solidification (8, 13) au

contact du bain de métal fondu liquide (4).

9.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce

que pendant la formation de l'ébauche on effectue une déforma-

tion plastique de la couche solidifiée en dehors de la zone de contact de l'amorce de solidification (13) avec le bain de

métal fondu liquide (4).