WO2003062479A1 - Procede de fabrication d'elements metalliques de purete elevee tel que le chrome - Google Patents

Procede de fabrication d'elements metalliques de purete elevee tel que le chrome Download PDF

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Philippe Liebaert
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Delachaux S.A.
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Definitions

  • 1 / invention relates to a process for manufacturing metals or metallic alloys of high purity, in particular metallic chromium.
  • This process makes it possible, for example, to obtain without difficulty a product containing at most 300 to 400 ppm of total oxygen in the form of 200 to 300 ppm of alumina approximately containing 100 to 150 ppm of oxygen and approximately 500 ppm at most. unreduced chromium oxide containing approximately 150 ppm oxygen. It is therefore a chromium of high purity which makes it possible to develop superalloys which can be used in particular in the manufacture of the noble parts of aeronautical turbo-engines. This process has given and still gives all satisfaction.
  • An object of the invention is therefore to provide metals and metal alloys of improved purity.
  • a method of manufacturing elements made of metal or a metal alloy comprising the steps consisting in:
  • a metal or a metal alloy having non-metallic inclusions essentially comprising oxides of the base metal; agglomerate the metal or alloy with a reducing agent to form elements; treat the elements under vacuum so that the reducing agent reacts to the inclusions; and
  • the Applicant has in fact surprisingly found that the elimination of the surface layer increases the overall purity of the elements. This result appears paradoxical since the superficial elimination cannot have an effect on the composition of the core of the elements. However, it can be explained by the fact that the concentration of impurities is higher at the periphery of the element than at its center. Surface removal would therefore remove a higher proportion of impurities. It thus appears that this elimination step, in particular by tribofinishing, proves to be technically very advantageous. In addition, it improves the appearance of the product.
  • the method according to the invention may also have at least any of the following characteristics:
  • the elimination comprises an abrasion
  • the process comprises a tribofinishing
  • the elimination is carried out by means of a vibrating enclosure
  • the layer eliminated has a thickness of between 0.01 and 0.5 mm
  • the metal is chosen from chromium, titanium, vanadium, molybdenum, manganese, niobium, tungsten, and nickel
  • the alloy comprises at least one of the preceding metals and / or boron
  • the alloy is a ferroalloy
  • the stage of preparation implements an aluminothermic reaction between at least one metal oxide and divided aluminum
  • the reaction is unbalanced by a defect in aluminum compared to the quantity of aluminum necessary for a complete reaction to ensure that the metal or the alloy contains reducible non-metallic inclusions constituted mainly by inclusions of the metal oxide basic,
  • the elements are steamed, in particular at a temperature between 200 and 230 ° C,
  • the reducing treatment is carried out in a vacuum oven
  • Chromium oxide (Cr 2 0 3 ), potassium dichromate (K 2 Cr 2 0) and divided aluminum are introduced into an aluminothermic crucible, lined with a refractory material.
  • Chromium oxide is advantageously a commercial product having a particle size between 0 and 15 ⁇ m, while divided aluminum and potassium dichromate consist of grains less than 1 mm.
  • Chromium oxide and potassium dichromate are present in the stoichiometric proportions of the aluminothermic reaction, while aluminum is present with a defect compared to the stoichiometric proportion of the conventional aluminothermic reaction.
  • This defect in aluminum can represent from 0.5 to 8% by weight, preferably from 2 to 5% by weight, of the stoichiometric amount.
  • the metallic chromium coming from stage a) is ground in an impact mill advantageously constituted by a high-energy hammer type grinder (mobile hammers versus fixed hammers) until a fine powder is obtained which passes entirely through a 500 ⁇ m sieve and does not pass through a 77 ⁇ m sieve.
  • the grinding is a purifying grinding which produces ventilation, that is to say a certain flow of purge air.
  • the air flow can be adjusted voluntarily to accentuate, if desired, the purifying effect.
  • this purifying effect can be supplemented by elimination by sieving or any other selective separation of the finest particles from the ground product in which almost all of the non-metallic inclusions released by grinding are found concentrated.
  • the purified chromium powder thus obtained is then intimately mixed with a reducing agent and a binder.
  • a reducing agent and a binder are advantageously constituted by a mixture of bakelite and an organic binder such as furfuraldehyde.
  • the purpose of this is to facilitate cold agglomeration, the bakelite dissolved in the binder forming cold glue, as well as the subsequent polymerization of hot bakelite.
  • the reducer for its part, is advantageously constituted by carbon black which complements the carbon of the bakelite.
  • the reducing / binder mixture can consist of 0.1% bakelite, 0.3% of furfuraldehyde and from 0.05 to 0.2% of carbon black, these percentages being related to the weight of the ground product.
  • the mixture obtained is shaped into balls or pellets by means of a conventional compacting press, such as a ball press with tangential wheels or a tableting press. After agglomeration, the mixture is steamed at the appropriate temperature (200 to 230 ° C approximately) to remove the organic binder and polymerize the bakelite which forms binder and gives resistance to the balls or pellets.
  • a conventional compacting press such as a ball press with tangential wheels or a tableting press.
  • the oven temperature must be limited to the minimum necessary to avoid any oxidation of the product.
  • the balls or pellets obtained in the previous step are then subjected to a reducing treatment to
  • the bakelite decomposes at a certain temperature, leaving a carbon skeleton which is added to the carbon black introduced as a reducing agent in the mixture. Once it has reached the processing temperature, this carbon reacts on the oxygen of the Cr 2 0 3 remaining in the product but practically not on the oxygen of the alumina A1 2 0 3 .
  • the vacuum is brought back to the treatment oven at
  • Stage d During this subsequent stage, a surface layer of the balls is removed by light abrasion. This step is implemented in this case by tribofinition.
  • a tribonifition machine consisting of a coated bowl, which is vibrated by means of unbalance motors. Under the effect of vibrations, the balls are eroded against each other.
  • the tribofinishing takes about 10 minutes.
  • the abraded layer has a thickness between 0.01 and 0.5 mm. This step not only helps to improve the aesthetics of the balls by polishing effect, but also it removes a large amount of impurities.
  • the impurities removed are mainly 0 2 , N 2 .
  • the Applicant has carried out experiments on 30 pairs of samples of chromium balls. It measured the general content of oxygen, nitrogen and carbon atoms in a sample from each pair that had not been tribofinished. It made the same measurements on the other sample of each pair after tribofinition of the latter. The results are summarized in the following table.
  • Lines (1) and (2) give mean values on the samples respectively without and with tribofinishing.
  • Line (3) gives the difference between lines (1) and (2).
  • the average gain is 31 ppm on oxygen (or 8%), and 7 ppm on nitrogen (or 16%). On the other hand, it is lower on carbon.
  • the tribofinishing stage therefore makes it possible to increase the purity of the balls.
  • step a) can be carried out other than by aluminothermy, for example by silicothermal or else by reduction in an electric furnace, to obtain a metal or an alloy comprising oxidized non-metallic inclusions of the base metal.
  • silicothermia there may be mentioned, by way of nonlimiting examples, the manufacture of ferrochrome or chromium metal by reduction with silicon metal or silicon chromium, as well as the manufacture of ferro-tungsten or ferro-molybdenum by reduction with high-grade ferro-silicon or silicon metal.
  • the elimination step can be implemented by means other than tribofinishing, for example by polishing, emery-making, micro-blasting, or sandblasting.
  • step a) can be carried out other than by aluminothermy, for example by silicothermal or else by reduction in an electric furnace, to obtain a metal or an alloy comprising oxidized non-metallic inclusions of the base metal.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'éléments en métal ou en alliage métallique pureté élevée, en particulier de chromes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - élaborer un métal ou un alliage métallique ayant des inclusions non métalliques comprenant essentiellement des oxydes du métal de base; - agglomérer le métal ou l'alliage avec un réducteur pour former des briquettes ou pastilles; - traiter les briquettes ou pastilles sous vide pour que le réducteur réagisse sur les inclusions sans sublimation substantielle du métal ou des métaux de l'alliage; et - éliminer une couche de surface des briquettes ou pastilles. Application à la fabrication de pièces mécaniques en super-alliages

Description

PROCEDE DE FABRICATION D' ELEMENTS METALLIQUES DE PURETE ELEVEE TEL QUE LA CHROME
1/ invention concerne un procédé de fabrication de métaux ou d'alliages métalliques de pureté élevée, en particulier de chrome métallique.
Les industries exigent de plus en plus de métaux et d' alliages métalliques de pureté élevée pour la fabrication de pièces métalliques.
La demanderesse a décrit dans le document EP-0 102 892 un procédé permettant de fabriquer différents métaux et alliages, notamment du chrome, avec une pureté élevée. Ce procédé comprend des étapes consistant à : a) élaborer un métal ou un alliage métallique dont les inclusions non métalliques sont essentiellement des oxydes du métal de base, b) broyer le métal ou l'alliage métallique ainsi obtenu et agglomérer le métal ou l'alliage métallique broyé avec un agglomérant et un agent réducteur pour former des boulets, et c) soumettre les boulets à un traitement réducteur sous vide dans des conditions réglées de pression et de température pour que l'agent réducteur réagisse sur les inclusions non métalliques et qu'il n'y ait pas de sublimation substantielle du métal ou des métaux de l'alliage traités.
Ce procédé permet par exemple d' obtenir sans difficulté un produit contenant au plus 300 à 400 ppm d'oxygène total sous forme de 200 à 300 ppm d'alumine environ contenant 100 à 150 ppm d'oxygène et environ 500 ppm au maximum d'oxyde de chrome non réduit contenant environ 150 ppm d'oxygène. Il s'agit par conséquent d'un chrome de pureté élevée qui permet d' élaborer des super-alliages utilisables en particulier dans la fabrication des parties nobles des turbo-moteurs aéronautiques . Ce procédé a donné et donne encore toute satisfaction.
Toutefois, il existe aujourd'hui une demande pour des métaux et alliages métalliques de pureté encore plus élevée.
Un but de l'invention est donc de fournir des métaux et alliages métalliques de pureté améliorée.
A cet effet, on prévoit selon l'invention un procédé de fabrication d' éléments en métal ou en alliage métallique, comprenant les étapes consistant à :
- élaborer un métal ou un alliage métallique ayant des inclusions non métalliques comprenant essentiellement des oxydes du métal de base ; agglomérer le métal ou l'alliage avec un réducteur pour former des éléments ; traiter les éléments sous vide pour que le réducteur réagisse sur les inclusions ; et
- éliminer une couche de surface des éléments.
La demanderesse a en effet constaté de façon surprenante que l'élimination de la couche superficielle accroissait la pureté d'ensemble des éléments. Ce résultat apparaît paradoxal puisque l'élimination superficielle ne peut pas avoir d' effet sur la composition du cœur des éléments. Cependant, il peut s'expliquer par le fait que la concentration en impuretés est plus élevée à la périphérie de l'élément qu'en son centre. L'élimination superficielle emporterait donc une plus forte proportion des impuretés. Il s'avère ainsi que cette étape d' élimination, notamment par tribofinition, se révèle techniquement très avantageuse. En outre, elle permet d'améliorer l'aspect du produit. Le procédé selon l'invention pourra en outre présenter au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes :
- l'élimination comprend une abrasion, - le procédé comprend une tribofinition, l'élimination est effectuée au moyen d'une enceinte vibrante,
- la couche éliminée a une épaisseur comprise entre 0,01 et 0,5 mm, - le métal est choisi parmi le chrome, le titane, le vanadium, le molybdène, le manganèse, le niobium, le tungstène, et le nickel, et l'alliage comprend l'un au moins des métaux précédents et/ou le bore,
- l'alliage est un ferroalliage, - l'étape d'élaboration met en œuvre une réaction aluminothermique entre au moins un oxyde métallique et de l'aluminium divisé,
- la réaction est déséquilibrée par un défaut en aluminium par rapport à la quantité d'aluminium nécessaire à une réaction complète pour faire en sorte que le métal ou l'alliage contienne des inclusions non métalliques réductibles constituées principalement par des inclusions de l'oxyde métallique de base,
- après l'agglomération, les éléments sont étuvés, notamment à une température comprise entre 200 et 230°C,
- on réalise le traitement réducteur dans un four à vide, et
- après le traitement réducteur, on refroidit le produit en atmosphère neutre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante d'un mode préféré de mise en oeuvre. Dans cet exemple, il s'agit de fabriquer du chrome métallique de pureté élevée par une réaction aluminothermique déséquilibrée. Elle met en œuvre principalement les quatre étapes a) , b) , c) et d) suivantes.
Etape a)
On introduit dans un creuset aluminothermique, garni d'une matière réfractaire, de l'oxyde de chrome (Cr203) du bichromate de potassium (K2Cr20) et de l'aluminium divisé. L'oxyde de chrome est avantageusement un produit du commerce ayant une granulométrie comprise entre 0 et 15 μm, tandis que l'aluminium divisé et le bichromate de potassium sont constitués par des grains inférieurs à 1 mm.
L'oxyde de chrome et le bichromate de potassium sont présents dans les proportions stœchiométriques de la réaction aluminothermique, tandis que l'aluminium est présent avec un défaut par rapport à la proportion stoechiométrique de la réaction aluminothermique classique. Ce défaut d'aluminium peut représenter de 0,5 à 8 % en poids, de préférence de 2 à 5 % en poids, de la quantité stœchiométrique.
Ces trois constituants sont pesés et mélangés soigneusement puis la réaction est initiée dans le creuset de façon appropriée. La température de la réaction atteint rapidement une valeur d'environ 2200°C et, à l'issue de la réaction, on recueille le métal au fond du creuset, et un laitier surnageant.
Etape b)
Le chrome métallique provenant de l'étape a) est broyé dans un broyeur à chocs constitué avantageusement par un broyeur à haute énergie du type à marteaux (marteaux mobiles contre marteaux fixes) jusqu'à obtention d'une poudre fine passant entièrement à travers un tamis de 500 μm et ne passant pas à travers un tamis de 77 μm.
Dans le présente exemple, le broyage est un broyage épurant qui produit une ventilation, c'est-à-dire un certain débit d'air de balayage. Le débit d'air peut être réglé volontairement pour accentuer, si on le désire, l'effet épurateur. De même, cet effet épurateur peut être complété par l'élimination par tamisage ou toute autre séparation sélective des particules les plus fines du produit broyé où se retrouvent concentrées la quasi totalité des inclusions non métalliques libérées par le broyage.
La poudre de chrome épurée ainsi obtenue est ensuite mélangée intimement avec un réducteur et un agglomérant. Ce dernier est avantageusement constitué par un mélange de bakélite et d'un liant organique tel que le furfuraldéhyde. Celui-ci a pour but de faciliter l'agglomération à froid, la bakélite dissoute dans le liant formant colle à froid, ainsi que la polymérisation ultérieure de la bakélite à chaud. Bien entendu, on peut utiliser d'autres agglomérants thermodurcissables et d'autres solvants. Le réducteur, quant à lui, est avantageusement constitué par du noir de carbone venant en complément du carbone de la bakélite.
Les quantités respectives de ces produits sont variables mais sont globalement ajustées, avec un léger excès, à la teneur résiduelle en oxygène du produit broyé. A titre d'exemple, le mélange réducteur/agglomérant peut être constitué de 0,1 % de bakélite, 0,3 % de furfuraldéhyde et de 0,05 à 0,2 % de noir de carbone, ces pourcentages étant rapportés au poids du produit broyé.
Le mélange obtenu est mis en forme de boulets ou de pastilles au moyen d'une presse à compacter classique, telle qu' une presse à bouleter à roues tangentes ou une presse à pastiller. Après agglomération, le mélange est étuvé à la température adéquate (200 à 230°C environ) pour éliminer le liant organique et polymeriser la bakélite qui forme liant et donne de la tenue aux boulets ou aux pastilles.
Il faut cependant remarquer que la température d' étuvage doit être limitée au minimum nécessaire afin d'éviter toute oxydation du produit.
Etape c)
Les boulets ou pastilles obtenus à l'étape précédente sont alors soumis à un traitement réducteur à
1100°-1400°C, sous vide poussé de l'ordre de 133.10-4 Pa.
Au début du cycle de chauffage sous vide, la bakélite se décompose à une certaine température en laissant un squelette carboné qui s'ajoute au noir de carbone introduit comme réducteur dans le mélange. Une fois arrivé à la température de traitement, ce carbone réagit sur l'oxygène du Cr203 restant dans le produit mais pratiquement pas sur l'oxygène de l'alumine A1203.
On ramène le vide dans le four de traitement à
133.10-4 Pa par balayage contrôlé par un gaz non oxydant ou réducteur, tel que l'hydrogène, qui a pour particularité de n' être pratiquement pas soluble dans le chrome solide.
Du fait des vides relativement faibles et des températures relativement basses imposées par la sublimation du chrome, le traitement peut demander plusieurs heures pour atteindre une réaction quasiment complète .
Etape d) Au cours de cette étape ultérieure, on élimine par abrasion légère une couche superficielle des boulets. Cette étape est mise en œuvre en l'espèce par tribofinition. Pour cela on utilise une machine de tribonifition constituée d'un bol revêtu, qui est mis en vibration par l'intermédiaire de moteurs à balourd. Sous l'effet des vibrations, les boulets s'érodent les uns contre les autres .
La tribofinition dure 10 minutes environ. La couche abrasée a une épaisseur située entre 0,01 et 0,5 mm. Non seulement cette étape contribue à améliorer l'esthétique des boulets par effet de polissage, mais en outre elle élimine une grande quantité d'impuretés.
Les impuretés éliminées sont principalement 02, N2.
La demanderesse s'est livré à des expériences sur 30 paires d'échantillons de boulets de chrome. Elle a mesuré la teneur générale en atomes d'oxygène, d'azote et de carbone dans un échantillon de chaque paire n' ayant pas subi la tribofinition. Elle a fait les mêmes mesures sur l'autre échantillon de chaque paire après tribofinition de ce dernier. Les résultats sont résumés dans le tableau suivant.
(D
(2) (3)
Figure imgf000008_0001
Dans ce tableau, « 0 », « N » et « C » représentent les atomes d'oxygène, d'azote et de carbone.
Les valeurs indiquées mesurent la qualité des composants en partie par million. Les lignes (1) et (2) donnent des valeurs moyennes sur les échantillons respectivement sans et avec tribofinition. La ligne (3) donne la différence entre les lignes (1) et (2) .
On voit que le gain en moyenne est de 31 ppm sur l'oxygène (soit 8%), et de 7 ppm sur l'azote (soit 16%). En revanche, il est plus faible sur le carbone.
L'étape de tribofinition permet donc d'accroître la pureté des boulets.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation préféré décrit ci-dessus.
Ainsi, l'étape a) peut être conduite autrement que par aluminothermie, par exemple par silicothermie ou bien par réduction au four électrique, pour obtenir un métal ou un alliage comprenant des inclusions non métalliques oxydées du métal de base.
Pour la silicothermie, on peut citer, à titre d'exemples non limitatifs, la fabrication de ferrochrome ou de chrome métal par réduction avec du silicium métal ou du silicio-chrome, ainsi que la fabrication de ferro- tungstène ou de ferro-molybdène par réduction avec un ferro-siliciu à haute teneur ou du silicium métal.
Pour la réduction au four électrique, on peut citer, à titre d'exemple non limitatif, la fabrication de ferro-vanadium au four électrique, suivie d'une alumino- thermie.
L'étape d'élimination peut être mise en œuvre par d' autres moyens que la tribofinition, par exemple par polissage, émerissage, microbillage, ou sablage. De même l'étape a) peut être conduite autrement que par aluminothermie, par exemple par silicothermie ou bien par réduction au four électrique, pour obtenir un métal ou un alliage comprenant des inclusions non métalliques oxydées du métal de base.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'éléments en métal ou en alliage métallique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
- élaborer un métal ou un alliage métallique ayant des inclusions non métalliques comprenant essentiellement des oxydes du métal de base ; agglomérer le métal ou l'alliage avec un réducteur pour former des éléments ; traiter les éléments sous vide pour que le réducteur réagisse sur les inclusions ; et
- éliminer une couche de surface des éléments.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élimination comprend une abrasion.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une tribofinition.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élimination est effectuée au moyen d'une enceinte vibrante.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce la couche éliminée a une épaisseur comprise entre 0,01 et 0,5 mm.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le métal est choisi parmi le chrome, le titane, le vanadium, le molybdène, le manganèse, le niobium, le tungstène, et le nickel et que l'alliage comprend l'un au moins des métaux précédents et/ou le bore.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'alliage est un ferroalliage.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'étape d' élaboration met en œuvre une réaction aluminothermique entre au moins un oxyde métallique et de l'aluminium divisé.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la réaction est déséquilibrée par un défaut en aluminium par rapport à la quantité d'aluminium nécessaire à une réaction complète pour faire en sorte que le métal ou l'alliage contienne des inclusions non métalliques réductibles constituées principalement par des inclusions de l'oxyde métallique de base.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, après l'agglomération, les éléments sont étuvés, notamment à une température comprise entre 200 et 230°C.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'on réalise le traitement réducteur dans un four à vide.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que, après le traitement réducteur, on refroidit le produit en atmosphère neutre.
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