WO1984001390A1 - Procede de fabrication d'alliages composites a base d'aluminium et de bore et son application - Google Patents

Procede de fabrication d'alliages composites a base d'aluminium et de bore et son application Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a process for manufacturing composite alloys based on alloyed or unalloyed aluminum and boron and to its application.
  • the alloy thus produced serves as the master alloy for refining the aluminum, that is to say that it is introduced in very small quantity into the bath to be refined and consequently the problem of its homogeneity is not of paramount importance, because what counts above all is to obtain an average concentration of boron in the bath.
  • This boride which is either the diboride AlB 2 , or the dodecaborure AlB 12 , or a mixture of the two is a well defined compound, with great air stability, low volatility, having the advantage of not producing harmful fumes . It can be prepared in various ways known to those skilled in the art and put in the form of particles of average particle size between 5 and 30 ⁇ m coated with aluminum to facilitate wetting and introduction into liquid aluminum.
  • the rate of introduction of the boride is adjusted so as to keep the aluminum or alloy bath above its solidification temperature.
  • the gas is then degassed under nitrogen or under vacuum and the alloy is quickly poured either into a mold to obtain directly a piece of suitable shape, either in an ingot mold to give a product which is then subjected to at least one of the processing operations such as rolling, forging, spinning, drawing, etc.
  • a composite alloy of the A-S10B 3 type was prepared by the process according to the invention, which was then transformed by molding into baskets intended for the transport of radioactive materials. Micrographic examination of the alloy showed an even distribution of the boride in the aluminum alloy matrix. Comparative metallurgical tests with normal A-S10, it is deduced that the presence of boron does not affect the qualities of the matrix which retains a good part of its properties whether physical: density, thermal conductivity, coefficient of expansion, solidification interval; mechanical: resistance and elongation although the latter characteristic is slightly lowered; technological: good aptitude for forging, rolling, drawing, molding, welding, machinability and sealing.
  • the process according to the invention finds its application in manufacturing of co ⁇ posite alloys from which good resistance to abrasion or friction is expected.
  • This composite alloy thus advantageously replaces all mechanically welded or molded fabrications with borated material insert both from the point of view of ease of implementation and cost price in particular when we make the comparison with borated copper plates or steel racks stainless boron.

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Abstract

Procédé de fabrication d'alliages composites à base d'aluminium allié ou non et contenant jusqu'à 30% de bore en poids. Ce procédé est caractérisé en ce que le bore est introduit dans l'aluminium liquide sous forme de borure d'aluminium de formule AlB2 ou AlB12. Il trouve son application dans la fabrication d'alliages composites résistant à l'abrasion ou destinés à servir de barrières neutroniques en milieu aérien ou aqueux.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'ALLIAGES COMPOSITES A BASE D'ALUMlNIUM ET DE BORE ET SON APPLICATION
La présente invention est relative à un procédé de fabrication d'alliages composites à base d'aluminium allié ou non et de bore et à son application.
I1 est courant chez les fondeurs d'aluminium d'ajouter du bore au métal fondu pour faire apparaître des cristaux de TiB2 qui jouent un rôle impor tant sur la germination des cristaux d'Al à la solidification et constituent un excellent moyen d'affinage du grain à la coulée.
I1 est connu également de doper les alliages d'aluminium avec cet élément pour précipiter le titane sous forme de cristaux de TiB2 et améliorer ainsi leur conductibilité électrique.
Dans ces applications, les additions de bore à l'aluminium se font suivant des concentrations relativement faibles et voisines de quelques centaines de ppm et si l' introduction de quantités aussi petites a pu poser des problèmes à une certaine époque, elle a été résolue depuis par l'utilisation d'alliages mères tels que l'AT5B. I1 n'en est pas de même lorsqu'il s'agit d'atteindre des concentrations en bore de l'ordre de plusieurs pour cent.
On sait, en effet, que la solubilité du bore dans l'aluminium est très faible et de l'ordre de 300 ppm au point de fusion de l'aluminium de sorte que si on cherche à fabriquer des alliages chargés en bore par la voie classique fusion-coulée en lingots, on se heurte à des difficultés dues à la fois à une mise en solution incomplète, à des pertes en bore importantes et à une forte ségrégation du bore. Ce qui a pour effet de conduire à des alliages coirposites ne répondant pas globalement aux compositions attendues et présentant une structure hétérogène.
C'est pourquoi, des chercheurs et des sociétés ont cherché à remédier à ces défauts et proposé diverses solutions plus ou moins intéressantes.
Dans le brevet français 1265089 concernant un alliage d'aluminium contenant 2,5 à 10 % de bore, l'inventeur rappelle que jusqu'alors on avait été amené à préparer de tels alliages soit en ajoutant le bore à l'aluminium fondu, soit en réduisant un composé du bore tel que le borax avec l'aluminium fondu. Cependant, dans le premier cas, les alliages ne contenaient qu'une très faible quantité de bore sous forme alliée et nécessitaient des périodes de dissolution excessivement longues tandis que dans l'autre cas, l'utilisation du borax se traduisait par des occlusions d'une valeur indésirable d'oxygène et d'autres impuretés. L'inventeur préconise alors d'incorporer le bore par réduction d'un fluoborate d'un métal alcalin en contact avec l'aluminium fondu. Cependant, il faut savoir qu'un tel procédé outre l'installation onéreuse qu'il nécessite pour sa mise en oeuvre conduit à de mauvais rendements, une partie du bore étant perdue à la fois sous forme de KBF4 et de BF3 composé éminemsnt toxique en raison des émissions de HF auquel il donne lieu en atmosphère humide.
Par ailleurs, l'alliage ainsi produit sert d'alliage mère pour l'affinage de l'aluminium, c'est-à-dire qu'il est introduit en quantité très faible dans le bain à affiner et par suite le problème de son homogénéité n'est pas d'une inportance capitale, car ce qui compte avant tout c'est d'obtenir une concentration moyenne en bore dans le bain.
Le problème devient plus difficile quand les alliages riches en bore sont destinés par exemple à la confection de pièces qui doivent avoir soit une bonne résistance à l'abrasion soit une capacité convenable d'absorption de rayonnements neutroniques car il faut alors que le bore soit régulièrement distribué de façon à pouvoir exercer sa fonction uniformément dans l'ensemble de la pièce.
Aussi, les solutions proposées à ce jour, s'écartent-elles du procédé d'obtention des alliages mères et s'orientent plutôt vers la métallurgie des poudres. C'est ainsi que le brevet français 2231764 revendique un procédé de fabrication de produits métalliques bores destinés à l'industrie nucléaire, caractérisé en ce que la matière métallique et le corps à base de bore sont à l'état de poudres, ces poudres étant mélangées, pressées et frittées.
C'est là évidemment un moyen d'atteindre l'homogénéité souhaitée, cependant, elle nécessite la mise en oeuvre de poudres dont l'obtention constitue une étape supplémentaire par rapport à la voie classique fusion moulage et ne permet pas toujours de donner aux pièces les formes souhaitées.
Une autre solution consiste à faire des alliages composites aluminium- carbure de bore (B4C) mais, on éprouve de sérieuses difficultés pour couler de tels alliages sans parler des médiocres caractéristiques mécaniques et de l'inusinabilité des produits obtenus. En milieu aqueux, ces alliages doivent souvent être protégés par un placage aluminium.
C'est pourquoi, la demanderesse estimant que les solutions proposées n'étaient pas satisfisantes, a cherché et mis au point un procédé de fabrication d'alliages composites à base d'aluminium allié ou non et contenant jusqu'à 30 % de bore, de structure homogène, présentant des caractéristiques mécaniques convenables, procédé dans lequel les pertes en bore sont pratiquement nulles et dont la mise en oeuvre ne nécessite pas de matériel complexe et cher.
Ce procédé est caractérisé en ce que l'on introduit le bore dans l'aluminium liquide à l'état de borure d'aluminium. On recourt donc à la méthode la plus classique d'obtention des alliages en métallurgie ; toutefois, à la différence des procédés antérieurs, le bore n'est plus à l'état élémentaire ou d'oxydes ou de sels tels que le borax et les fluoborates mais à l'état de borure d'aluminium.
Ce borure qui est soit le diborure AlB2, soit le dodécaborure AlB12, soit un mélange des deux est un composé bien défini, de grande stabilité à l'air, peu volatil, présentant l'avantage de ne pas produire d'émanations nocives. Il peut être préparé de différentes façons connues de l'homire de l'art et mis sous forme de particules de granulometrie moyenne comprise entre 5 et 30 μm enrobées d'aluminium pour faciliter le mouillage et l'introduction dans l'aluminium liquide.
I1 est introduit dans un bain d'aluminium ou d'un quelconque de ses alliages appartenant aux séries 2000 à 8000 ayant de préférence été soumis au préalable à un traitement d'affinage au moyen d'AT5B par exenple. Ce bain est protégé en surface par un flux désoxydant utilisé de façon classique dans la métallurgie de l'aluminium et maintenu sous agitation pendant la durée d' introduction du borure.
La vitesse d' introduction du borure est réglée de manière à maintenir le bain d'aluminium ou d'alliage au-dessus de sa température de solidification.
Il peut être utile de procéder à ces opérations dans une installation maintenue sous une atmosphère de gaz inerte tel que l' azote U par exemple de façon à parer à toute contamination par l'air ou l'humidité.
Lorsque la quantité de borure nécessaire à l'obtention de la concentration souhaitée dans l'alliage composite a été ajoutée, on procède alors à un dégazage du bain sous azote ou sous vide et on coule rapidement l'alliage soit dans un moule pour obtenir directement une pièce de forme convenable, soit dans une lingotière pour donner un produit qui est ensuite soumis à l'une au moins des opérations de transformation telle que le laminage, le forgeage, le filage, l'étirage, etc...
A titre d'exemple, on a préparé par le procédé suivant l'invention un alliage composite du type A-S10B3 qu'on a ensuite transformé par moulage en paniers destinés au transport de matières radioactives. Un examen micrographique de l'alliage a montré une répartition régulière du borure dans la matrice d'alliage d'aluminium. Des essais métallurgiques comparatifs avec l'A-S10 normal, on déduit que la présence du bore n'affecte pas les qualités de la matrice qui garde une bonne partie de ses propriétés qu'elles soient physiques : masse volumique, conductibilité thermique, coefficient de dilatation, intervalle de solidification ; mécaniques : résistance et allongement bien que cette dernière caractéristique soit légèrement abaissée ; technologique : bonne aptitude au forgeage, au laminage, à l'étirage, au moulage, au soudage, à l'usinabilite et à l'étanchéité.
Par ailleurs, des essais d'hydrolyse se traduisent par une bonne stabilité de cet alliage dans l'eau déminéralisée à 40° C et l'absence de toute trace de corrosion.
Le procédé selon l'invention trouve son application dans la fabrication d'alliages coπposites dont on attend une bonne résistance à l'abrasion ou au frottement.
I1 trouve également son application en raison de la présence du bore, élément capteur de neutrons et de ses autres propriétés, dans la confection de barrières neutroniques utilisées dans le domaine de l'énergie nucléaire sous forme de paniers de stockage et de transport de déchets nucléaires, que ce soit dans l'air ou en milieu aqueux.
Cet alliage composite remplace ainsi avantageusement toutes les fabrications mécanosoudées ou moulées avec insert en matière borée à la fois du point de vue facilité de mise en oeuvre et prix de revient notamment quand on fait la comparaison avec les plaques de cuivre borées ou les casiers en acier inoxydable bore.

Claims

REVENDICATIONS
1°/ Procédé de fabrication d'alliages composites à base d'aluminium allié ou non et contenant jusqu'à 30 % en poids de bore, caractérisé en ce que l'on introduit le bore dans l'aluminium liquide à l'état de borure d'aluminium.
2°/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le borure d'aluminium appartient au groupe constitué par le diborure AlB2 et le dodécaborure AlB12.
3°/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le borure est introduit sous forme de particules de granulometrie moyenne comprise entre 5 et 30 μm et enrobées d'aluminium.
4°/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on procède à un affinage de l'aluminium par l'ATSB avant introduction du borure.
5°/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on protège l'aluminium liquide par un flux désoxydant pendant l'introduction de borure.
6°/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on soumet l'aluminium liquide à une agitation pendant l'introduction du borure.
7°/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse d'introduction du borure est réglée de manière à maintenir l'aluminium au-dessus de sa température de solidification.
8°/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on procède à un dégazage avant de couler l'alliage composite.
9°/ Application du procédé selon la revendication 1 à la fabrication d'alliages composites résistant à l'abrasion.
10°/ Application du procédé selon la revendication 1 à la fabrication d'alliages composites formant des barrières neutroniques. 11°/ implication du procédé selon la revendication 1 à la confection de pièces par mise en forme des alliages composites suivant l'une des techniques appartenant au groupe constitué par le laminage, le forgeage, le filage, l'étirage et le moulage.
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