FR2972729A1 - Procede et dispositif pour la formation de billes de verre metallique - Google Patents

Abstract

Procédé et dispositif de formation de billes de verre métallique à partir d'un alliage métallique. L'alliage métallique, chauffé dans un creuset (7) à une température au moins égale à sa température de fusion, est extrudé au travers d'au moins un orifice d'extrusion (10) aménagé à la partie inférieure du creuset pour s'écouler vers le bas et former des gouttes séparées et successives (G) d'alliage métallique en fusion, ces gouttes d'alliage métallique en fusion pénétrant dans un liquide de refroidissement (L) pour se solidifier en formant des billes de verre métallique (B).

Description

GRB 10-4458FR 1 Procédé et dispositif pour la formation de billes de verre métallique

La présente invention concerne le domaine de la fabrication de verres métalliques, appelés aussi alliages ou métaux amorphes ou vitreux. Les verres métalliques sont des matériaux récents, qui sont classiquement obtenus par un refroidissement rapide d'un alliage métallique en fusion. La structure amorphe de ces verres métalliques leur confère des propriétés intéressantes : une très grande résistance mécanique, une grande capacité de déformation élastique, une résistance élevée à la corrosion et à l'abrasion. On connaît plus particulièrement des verres métalliques à base de zirconium (Zr), à base de magnésium (Mg), à base de fer (Fe). On sait aujourd'hui obtenir des verres métalliques par atomisation, sous forme de poudres amorphes dont les particules présentent généralement des tailles classiquement comprises entre 10 microns et 100 microns et qui peuvent atteindre quelques millimètres dans le cas d'une atomisation à l'eau. On observe cependant, dans ces techniques, une disparité dimensionnelle des poudres obtenues, ce qui nécessite un tamisage pour obtenir une gamme de tailles souhaitées. On sait également obtenir des verres métalliques en faisant couler un alliage métallique liquide sur une surface refroidie, par exemple sur une roue refroidie, sur une plaque refroidie ou dans un moule refroidi, pour provoquer une solidification rapide de l'alliage liquide. Par exemple, il est connu de réaliser ainsi des rubans, des fils de verres métalliques ou des plaques de verres métalliques. Cependant, la fabrication de pièces de l'ordre du millimètre cube (mm3), à partir de telles plaques, rubans ou fils pose de réelles difficultés qui sont dues au fait que les verres métalliques sont difficilement usinables. D'une manière générale, l'obtention de pièces de volumes déterminés, par exemple de l'ordre du millimètre cube (mm3), pose actuellement de réelles difficultés, notamment si l'on veut éviter les pertes de matières issues d'un tamisage ou d'une phase d'usinage. I1 est proposé un procédé de formation de billes de verre métallique à partir d'un alliage métallique.

Ce procédé est tel que l'alliage métallique, chauffé dans un creuset à une température au moins égale à sa température de fusion, est extrudé au travers d'au moins un orifice d'extrusion aménagé à la partie inférieure du creuset pour s'écouler vers le bas et former des gouttes séparées et successives d'alliage métallique en fusion et dans lequel les gouttes d'alliage métallique en fusion pénètrent dans un liquide de refroidissement pour se solidifier en formant des billes de verre métallique. Ainsi, il est possible d'obtenir des billes de verre métallique dont les volumes et formes peuvent être approximativement calibrés par l'orifice d'extrusion du creuset, du fait que les gouttes de l'alliage métallique en fusion se détachent sous l'effet de la gravité et par rupture des effets de capillarité. L'extrusion peut être réalisée en appliquant une surpression sur la surface de l'alliage métallique en fusion dans le creuset.

L'espace au-dessus de la surface de l'alliage métallique dans le creuset peut contenir un gaz inerte vis-à-vis de cet alliage métallique. L'espace entre le creuset et la surface du liquide de refroidissement peut contenir un gaz inerte vis-à-vis de l'alliage métallique.

Le liquide de refroidissement peut être inerte vis-à-vis de l'alliage métallique. Le liquide de refroidissement peut être refroidi. Un gaz inerte vis-à-vis de l'alliage métallique peut circuler dans l'espace entre le creuset et la surface du liquide de refroidissement. I1 est également proposé un dispositif pour la formation de billes de verre métallique à partir d'un alliage métallique. Ce dispositif peut comprendre un creuset apte à recevoir l'alliage métallique et dont le fond présente au moins un orifice traversant d'extrusion, un moyen de chauffage pour chauffer l'alliage dans le creuset à une température au moins égale à sa température de fusion, et un récipient apte à contenir un liquide de refroidissement placé au-dessous et à distance dudit orifice traversant du creuset, La distance entre l'orifice traversant d'extrusion du creuset et la surface du liquide de refroidissement peut être telle que l'alliage liquide s'écoulant vers le bas depuis l'orifice du creuset forme des gouttes d'alliage séparées et successives et que ces gouttes d'alliage, à l'état liquide, pénètrent dans le liquide de refroidissement et sont, dans ce liquide, refroidies pour former des billes de verre métallique. Un moyen d'extrusion peut être prévu pour extruder l'alliage liquide au travers dudit orifice traversant du creuset. Le moyen d'extrusion peut comprendre une source de gaz dont la pression peut être appliquée sur la surface de l'alliage liquide dans le creuset. Le dispositif peut comprendre une chambre inférieure et une chambre supérieure séparée par une paroi portant le creuset et pourvue d'un passage traversant, le récipient étant dans la chambre inférieure et étant placé au-dessous du fond du creuset.

Une pompe à vide peut être reliée à la chambre inférieure et à la chambre supérieure. Un moyen peut être prévu pour faire circuler un gaz dans la chambre inférieure. Une source de gaz peut être reliée à la chambre supérieure.

Le dispositif peut comprendre un obturateur mobile entre une position d'obturation dans laquelle il obstrue ledit orifice traversant d'extrusion et une position écartée dans laquelle ledit orifice traversant d'extrusion est libéré et dans laquelle il est écarté latéralement par rapport au chemin des gouttes d'alliage.

Un dispositif pour la formation de billes de verre métallique va maintenant être décrit à titre d'exemple non limitatif, illustré sur la figure unique annexée. Un dispositif 1, pour la formation de billes de verre métallique à partir d'un alliage métallique, représenté sur cette figure, comprend une enceinte verticale 2, par exemple parallélépipédique ou cylindrique, qui est munie, de préférence par une liaison étanche, d'une paroi intérieure horizontale 3 qui la divise en une chambre inférieure 4 et une chambre supérieure 5, cette paroi intérieure présentant un passage 6, par exemple central. Le dispositif 1 comprend un creuset 7 disposé par exemple selon l'axe vertical de l'enceinte 2 et qui présente une paroi périphérique verticale 8, par exemple cylindrique, et un fond 9, par exemple plat et disposé horizontalement. Selon l'exemple représenté, la périphérie du fond 9 est posée et fixée de préférence de façon étanche sur le bord de la paroi intérieure 3 entourant le passage 6. Ainsi, la chambre inférieure 4 et la chambre supérieure 5 sont séparées par la paroi intérieure 3 et par le fond 9 du creuset 7, la paroi périphérique verticale 8 s'étendant dans la chambre supérieure 5.

Selon une variante de réalisation, la paroi périphérique verticale 8 du creuset 7 pourrait traverser le passage 6 de la paroi intérieure horizontale 3 et être fixée, de préférence de façon étanche, au bord de ce passage 6. Le creuset 7 peut être par exemple en quartz, en graphite ou en nitrure de bore. Le fond 9 du creuset 7 présente par exemple une pluralité d'orifices traversants calibrés 10, par exemple cylindriques. Le dispositif 1 comprend également un organe de chauffage 7a, par exemple par induction, qui est placé à proximité de la paroi périphérique 8 du creuset 7 et donc dans la chambre supérieure 5. Le creuset 7 est destiné à recevoir un alliage métallique M qui sous l'effet de l'organe de chauffage 7a, peut être chauffé. La partie supérieure de l'enceinte 2 est adaptée de façon à pouvoir charger de façon continue ou discontinue le creuset 7 en alliage métallique solide.

Le dispositif 1 comprend un récipient 11 qui est installé dans la partie inférieure de la chambre inférieure 4, au dessous et à distance du fond 9 du creuset 7. Le récipient 11 est destiné à recevoir un liquide de refroidissement L, qui lui-même peut être refroidi par un organe de refroidissement 12. Cet organe de refroidissement 12 peut comprendre un serpentin placé à proximité de ou en contact avec la paroi périphérique du récipient 1l, à l'intérieur ou l'extérieur de cette paroi, ce serpentin étant relié à une source d'un fluide de refroidissement par des conduits (non représentés). Le dispositif 1 peut comprendre également un conduit de liaison 13 branché sur l'enceinte, qui relie la chambre inférieure 4 et la chambre supérieure 5 et sur lequel est installée une électrovanne 14. Le dispositif 1 peut comprendre un conduit extérieur 15 branché sur l'enceinte 2, relié à la chambre inférieure 4 et sur lequel sont installées une électrovanne 16 et une pompe à vide 16a. Le dispositif 1 peut comprendre un conduit extérieur 17 branché sur l'enceinte 2, relié à la chambre inférieure 4 et sur lequel est installée une électrovanne 18, ce conduit 17 étant relié à une source de gaz sous pression. Le dispositif 1 peut comprendre un conduit extérieur 19 branché sur l'enceinte 2, relié à la chambre inférieure 4 et sur lequel sont installées une électrovanne 20 et une pompe d'évacuation 20a. Les conduits 17 et 19 peuvent déboucher dans le voisinage de la partie supérieure du récipient 11. Le dispositif 1 peut comprendre un conduit extérieur 21 branché sur l'enceinte 2, relié à la chambre supérieure 5 et sur lequel est installée une électrovanne 22, ce conduit étant relié à une source d'un gaz.

Le dispositif 1 peut comprendre un conduit 23 pour le remplissage du récipient 11 du liquide L. Le dispositif 1 peut comprendre, dans la chambre inférieure 4, un obturateur mobile 24 se présentant, par exemple, sous la forme d'un plateau mobile entre une position d'obturation, dans laquelle il est en appui contre la face inférieure du fond 9 du creuset 7 et obstrue les orifices d'extrusion 10, et une position écartée, dans laquelle il est situé latéralement à l'espace séparant le fond 9 du creuset 7 et la surface du liquide L. Par exemple, l'obturateur 24 est porté par un bras 25 fixé sur un axe horizontal 26 relié à un moteur d'entraînement 27.

Le dispositif 1 peut fonctionner et être utilisé de la manière suivante. Ayant ouvert le couvercle de l'enceinte 2, on dépose un alliage métallique M solide dans le creuset 7. Le dispositif 1 pourrait comprendre un chargeur à cet effet. Cet alliage métallique M peut être à base de zirconium, par exemple un alliage Zr52,5Cu27A110Ni8Ti2,5 (en pourcentages atomiques), à base de magnésium, par exemple un alliage Mg65Cu25Gd10 (en pourcentages atomiques) ou à base d'autres compositions adaptées à la fabrication de verres métalliques. Ayant refermé l'enceinte 2, on ouvre l'électrovanne 14 de façon à mettre en communication les chambres 4 et 5. Puis, l'électrovanne 16 étant ouverte, on actionne la pompe à vide 16a de façon à extraire au moins partiellement l'air contenu dans l'enceinte 2. Le vide créé peut être de l'ordre de un à 10-' milli-Bar. On ferme l'électrovanne 16. Ensuite, en actionnant l'électrovanne 18, on introduit un gaz inerte vis-à-vis de l'alliage dans l'enceinte 2, jusqu'à rétablir une pression par exemple égale ou voisine de la pression atmosphérique et on ferme l'électrovanne 18.

Les étapes ci-dessus peuvent être répétées si nécessaire pour améliorer la pureté du gaz inerte dans l'enceinte 2. Le gaz inerte peut, par exemple, être de l'argon. Puis, on ferme l'électrovanne 14 pour isoler entre elles les chambres 4 et 5.

On remplit, au moins partiellement, le récipient 11 d'un liquide de refroidissement L, jusqu'à un niveau adapté situé à distance du fond 9 du creuset 7. Le liquide de refroidissement L peut être un liquide suffisamment inerte vis-à-vis de l'alliage métallique M. Par exemple, le liquide de refroidissement L peut être de l'azote liquide, de l'eau, des liquides à base de glycol ou de d'huile. Ensuite, on active l'organe de chauffage par induction 7a de manière à chauffer l'alliage métallique M pour provoquer sa fusion complète dans le creuset 7 et maintenir cette fusion. La température de l'alliage métallique M en fusion peut être égale à approximativement sa température de fusion plus quelques dizaines de degrés, par exemple environ 20 degrés. Pour l'alliage précité de zirconium, la température à atteindre et à maintenir peut être de 1100°C.

En fonction de la viscosité de l'alliage métallique M en fusion, de sa mouillabilité sur la matière du creuset 7 et des dimensions et de la forme des orifices d'extrusion 10 du fond 9 du creuset 7, les différents cas suivants peuvent être envisagés. Dans le cas où l'alliage métallique M en fusion ne coule pas naturellement au travers des orifices d'extrusion 10, l'obturateur 24 peut être maintenu dans sa position écartée. Par mesure de sécurité, l'obturateur 24 peut néanmoins être amené et maintenu dans sa position d'obturation pendant la phase de fusion. L'opération d'extrusion peut se produire de la manière suivante. L'obturateur 24 étant dans sa position écartée, on actionne l'électrovanne 22 de façon à introduire un gaz dans la chambre supérieure 5 et provoquer une surpression dans cette chambre supérieure 5. Le gaz introduit peut être un gaz inerte vis-à-vis de l'alliage M en fusion, par exemple de l'argon. Cette surpression dans la chambre supérieure 5, par rapport à la pression dans la chambre inférieure 4, agit sur la surface de l'alliage M en fusion dans le creuset 7 et provoque son évacuation par extrusion et son écoulement vers le bas au travers des orifices d'extrusion 10 du fond 9 du creuset 7. Afin d'obtenir un écoulement constant ou quasi constant de l'alliage M en fusion au travers des orifices d'extrusion 10, on peut par exemple réguler le débit du gaz introduit dans la chambre supérieure 5 à une valeur constante.

Dans le cas où l'alliage métallique M en fusion est susceptible de couler naturellement au travers des orifices d'extrusion 10, l'obturateur 24 est amené et maintenu dans sa position d'obturation pendant la phase de fusion.

L'opération d'extrusion peut alors se produire de la manière suivante. On fait passer l'obturateur 24 de sa position d'obturation à sa position écartée et on laisse l'alliage M en fusion s'écouler vers le bas au travers des orifices d'extrusion 10 du fond 9 du creuset 7, naturellement. Néanmoins, par exemple pour l'obtention d'un écoulement constant ou quasi constant, on peut aussi introduire une surpression dans la chambre supérieure 5 comme décrit plus haut. Pendant l'opération d'extrusion, la pression dans la chambre inférieure 4 peut être maintenue à une valeur constante. L'extrusion au travers des orifices d'extrusion 10 du fond 9 du creuset 7 engendre dans la chambre inférieure 4, par perlage, la formation de gouttes G d'alliage métallique M en fusion, séparées et successives, qui se détachent sous l'effet de la gravité et par rupture des effets de capillarité, à la sortie des orifices 10 du creuset 7 ou à la suite de la formation de filets d'alliage en fusion. Les gouttes G ainsi formées tombent et pénètrent dans le liquide de refroidissement L. La distance entre la surface du liquide de refroidissement L et le fond 9 du creuset 7 est adaptée pour que les gouttes d'alliage métallique soient effectivement en fusion lorsqu'elles pénètrent dans le liquide de refroidissement L, sans que la température régnant dans la chambre inférieure 4 ne change cet état. Cette distance peut aussi être adaptée pour que les gouttes G prennent une forme sphérique ou proche d'une sphère avant de pénétrer dans le liquide de refroidissement L. Par exemple, cette distance, en fonction de la taille et de la forme à obtenir des gouttes G, peut être comprise entre un centimètre et un métre. Le choix du liquide de refroidissement L et sa température sont adaptés pour que, par un refroidissement rapide, les gouttes G se transforment en billes solides B de verre métallique ou d'alliage métallique amorphe, ces billes B se déposant sur le fond du récipient 11. Par exemple, en fonction du liquide de refroidissement L choisi, sa température peut être comprise entre -200°C et 200°C.

La hauteur de chute dans le liquide de refroidissement L est de préférence adaptée pour que cette transformation se produise avant que les billes B n'atteignent le fond du récipient 11. Dans la mesure où les gouttes G ont une forme sphérique ou proche d'une sphère lorsqu'elles pénètrent dans le liquide de refroidissement L, les billes B de verre métallique obtenues peuvent être sphériques ou proches d'une sphère. Le diamètre des orifices 10 aménagés au travers du fond 9 du creuset 7 peut être compris entre un dixième de millimètre et cinq millimètres. Ce diamètre détermine le diamètre des gouttes G d'alliage en fusion à obtenir, qui lui-même détermine le diamètre des billes B de verre métallique à obtenir. Le diamètre des billes B de verre métallique à obtenir peut être compris entre 1/10' de millimètre et 5 millimètres. Pendant l'opération de formation des gouttes G et des billes B, il peut être avantageux d'ouvrir les électrovannes 18 et 20 et d'activer la pompe 20a de façon à introduire du gaz précité dans la chambre inférieure 4 et à l'évacuer, afin d'évacuer les vapeurs produites lors du refroidissement des gouttes G dans le liquide de refroidissement L. Cette circulation de gaz dans la chambre inférieure 4 peut être adaptée pour maintenir une pression constante dans cette chambre inférieure 4. En outre, l'organe de refroidissement 12 peut être activé de façon à réguler la température du liquide de refroidissement L, par exemple à une valeur constante. Par exemple lorsque le creuset 7 est vidé, on peut récupérer les billes de verre métallique B obtenues dans le récipient 11. Les moyens structurels et fonctionnels décrits ci-dessus peuvent permettre d'obtenir des billes de verre métallique B pouvant présenter entre elles une homogénéité de volume et de forme, pouvant en faciliter un usage ultérieur.

Selon une variante de réalisation, en vue d'un fonctionnement en continu, il peut être avantageux d'équiper le dispositif 1 de moyens (non représentés) pour introduire en continu l'alliage métallique M dans le creuset 7 et des moyens (non représentés) de récupération en continu des billes B, sans avoir besoin de renouveler les opérations de pompage et de remplissage par un gaz inerte ou en réduisant le nombre de ces opérations. La présente invention ne se limite pas aux exemples ci-dessus décrits. Bien d'autres variantes de réalisation sont possibles, sans 5 sortir du cadre défini par les revendications annexées.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de formation de billes de verre métallique à partir d'un alliage métallique, dans lequel l'alliage métallique, chauffé dans un creuset (7) à une température au moins égale à sa température de fusion, est extrudé au travers d'au moins un orifice d'extrusion (10) aménagé à la partie inférieure du creuset pour s'écouler vers le bas et former des gouttes séparées et successives (G) d'alliage métallique en fusion et dans lequel les gouttes d'alliage métallique en fusion pénètrent dans un liquide de refroidissement (L) pour se solidifier en formant des billes de verre métallique (B).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'extrusion est réalisée en appliquant une surpression sur la surface de l'alliage métallique en fusion dans le creuset (7).
3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel l'espace au-dessus de la surface de l'alliage métallique dans le creuset (7) contient un gaz inerte vis-à-vis de cet alliage métallique.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'espace entre le creuset et la surface du liquide de refroidissement contient un gaz inerte vis-à-vis de l'alliage métallique.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le liquide de refroidissement est inerte vis-à-vis de l'alliage métallique.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le liquide de refroidissement est refroidi.
7. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on fait circuler un gaz inerte vis-à-vis de l'alliage métallique dans l'espace entre le creuset et la surface du liquide de refroidissement.
8. 8. Dispositif pour la formation de billes de verre métallique à partir d'un alliage métallique, comprenant : un creuset (7) apte à recevoir l'alliage métallique et dont le fond présente au moins un orifice traversant d'extrusion (10),un moyen de chauffage (7a) pour chauffer l'alliage dans le creuset à une température au moins égale à sa température de fusion, et un récipient (11) apte à contenir un liquide de refroidissement placé au-dessous et à distance dudit orifice traversant du creuset, la distance entre l'orifice traversant d'extrusion du creuset et la surface du liquide de refroidissement étant telle que l'alliage liquide s'écoulant vers le bas depuis l'orifice (10) du creuset forme des gouttes (G) d'alliage séparées et successives et que ces gouttes d'alliage, à l'état liquide, pénètrent dans le liquide de refroidissement et sont, dans ce liquide, refroidies pour former des billes (B) de verre métallique.
9. 9. Dispositif selon la revendication 8, comprenant un moyen d'extrusion (22) pour extruder l'alliage liquide au travers dudit orifice traversant du creuset.
10. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le moyen d'extrusion (22) comprend une source de gaz dont la pression peut être appliquée sur la surface de l'alliage liquide dans le creuset.
11. 11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, comprenant une chambre inférieure (4) et une chambre supérieure (5) séparée par une paroi (3) portant le creuset (7) et pourvue d'un passage traversant (6), le récipient (11) étant dans la chambre inférieure (4) et étant placé au-dessous du fond du creuset.
12. 12. Dispositif selon la revendication 1l, comprenant une pompe à vide (16) reliée à la chambre inférieure et à la chambre supérieure.
13. 13. Dispositif selon la revendication 11, comprenant un moyen (18, 20) pour faire circuler un gaz dans la chambre inférieure.
14. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une source de gaz (22) reliée à la chambre supérieure.
15. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, comprenant un obturateur mobile entre une position d'obturation dans laquelle il obstrue ledit orifice traversant d'extrusion et une position écartée dans laquelle ledit orifice traversant d'extrusion est libéré etdans laquelle il est écarté latéralement par rapport au chemin des gouttes (G) d'alliage.