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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
BREVET d'INVENTION "Perfectionnements aux procédés de fabrication de produits à partir de matière fondue"
La présente invention est relative à la fabrica- tion de produits tirés de matière fondue métallique ou non métallique.
L'invention a pour objet la formation de produits métalliques et non métalliques de diverses sortes à partir de matières soumises à un refroidissement réglé ou se trouvant à l'état plastique, mais ne se trouvant pas à leur état fondu normal.
L'invention se rapporte également à la formation
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de tels produits ayant une structure cristalline primaire fine, uniforme et homogène.
La plupart des produits métalliques obtenus jus- qu'ici provenaient de métal fondu qui avait été versé dans une lingotière, dans un moule de coulée au sable, dans une matrice ou entre des cylindres de formation pendant que ce métal se trouvait à l'état liquide. Lorsque la température diminuait, le métal fondu passait à l'état solide, les cris- taux solides se formant tout d'abord contre les parois du moule de la matrice ou des cylindres et se propageant vers la partie intérieure du produit, à travers le noyau encore liquide, ce qui donnait au produit coulé une structure pré- sentant trois zones distinctes ayant des caractéristiques différentes, à savoir :
1 / une enveloppe ou couche solidifiée à la péri- phérie du produit, cette couche étant formée de petits cristaux non orientés (c'est-à-dire disposés au hasard) et analogues à des filets ou veinules; les propriétés physiques de cette couche solidifiée et refroidie sont généralement beaucoup meilleures que celles des autres parties du produit et du produit fini après travail mécanique; cela est dû au fait que sa composition chimique est homogène, exempte de séparation ou ségrégation et correspond exactement à la com- position du métal fondu, ce dernier étant homogène dans le four ou dans la poche de coulée;
2 / une couche de longs cristaux en forme de co- lonnes (également appelés aiguilles) orientés suivant l'axe de croissance des cristnux qui est opposé au sens d'écoule- ment de la chaleur;
3 / une zone centrale de grands cristaux à axes équidistants.
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Cette structure cristalline hétérogène est en outre caractérisée par une séparation sélective, des consti- tuants de l'alliage et des impuretés, par des occlusions de gaz, par des retassures, par des cavités de diverses.sortes ainsi que par d'autres phénomènes connus sous le nom général de "lingotisme". Ce.lingotisme est principalement dû à la structure cristalline hétérogène que présentent tous les produits métalliques obtenu?! jusqu'ici dans l'industrie.
Ce procédé commun de fabrication de produits mé- talliques a une influence déterminante sur les propriétés et caractéristiques physiques et autres des produits industriels soit lorsqu'ils sont coulés, soit lorsqu'ils sont travaillés mécaniquement, par exemple après forgeage, laminage, extru- sion ou formation mécanique, soit lorsqu'ils ont été traités au point de vue thermique. On admet généralement que cela est dû au fait que la structure du produit final (ou struc- ture secondaire) conserve encore certaines des caractéristi- ques de sa formation cristalline primitive hétérogène au mo- ment de la solidification du métal fondu ou est affectée par certaines de ces caractéristiques, ce qui a pour effet d'em- pêcher l'obtention des propriétés théoriques optima.
Le but de la métallurgie pendant des années a été d'obtenir dans les produits métalliques une structure cris- talline vraiment homogène et uniforme et de recherches des procédas sûrs pour obtenir cette structure.
Diverses recherches récentes dans la cristallisa- tion des métaux ont montré que la structure cristalline non orientée de la couche solidifiée d'un lingot était due au refroidissement important (ou sous-refroidissement) résultant du contact de la matière fondue avec les parois froides du moule, contact qui crée pratiquement une cristallisation spontanée exempte de toute ségrégation ou séparation dans la
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couche solidifiée en question; cette cristallisation ou solidification provoque le changement de la structure cris- talline orientée en une structure cristalline non orientée filets ou veinules.
La section des cristaux dans la cou- che solidifiée diminue lorsque la vitesse de cristallisation augmenter D'une façon générale, la structure primaire de tout métal est commandée par les deux fncteurs suivants : a) le nombre de noyaux cristallins par unité de poids et de temps à une température déterminée; b) la vitesse de cristallisation qui dépend de la rapidité de dissipation de la chaleur latente de fusion.
Le terme "sous-refroidissement" ci-dessus utilisé indique une condition qui se présente lorsque, à la tempé- rature définie voisine du point de cristallisation ou infé- rieure à ce point, les conditions d'équilibre ne sont pas atteintes, c'est-à-dire lorsque la phase solide n'apparaît pas. Ainsi le métal se trouve dans un état meta-stable.
Des recherches faites au sujet du sous-refroidissement des mé- tnux et alliages ont montré que cette condition pouvait se présenter pour certains métaux sous-refroidis à des tempé- ratures allant de 0,1 à 0,3 ; pour d'autres métaux tels que l'or, le cuivre, le bismuth, l'antimoine, le plomb, l'étain et un certain nombre d'alliages nous-refroidis, ces tempé- ratures peuvent atteindre 30 à 45 ; ainsi tous les métaux et alliages peuvent être placés à un état de sous-refroidis- sement dans lequel ils conservent en grande partie la mo- bilité d'un liquide, bien qu'une partie de la phase solide puisse être précipitée, dans cet état, les métaux et allèges peuvent s'écouler dans des moules ou matrices et prendre d'eux-mêmes leur forme.
Pour rendre claire la distinction entre l'état fondu et l'état sous-refroidi ci-dessus indiqué, on peut dire
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que l'état fondu. est celui dl'1.tfq-hé1 'le étai ou ahiage fondu est liquide et capable de s'écouler librement par gravité;
sa chaleur totale est la quantité de chaleur nécese saire pour l'amener à son point de fusion, plus la quantité de chaleur nécessaire qui correspond -'-, sa chaleur de fusion, plus la quantité de chaleur supplémentaire utilisée comme surchauffage dans les traitements industriels, surchauffage qui peut aller d'un petit nombre de degrés jusqu'à 100 et 1500 dans le cas d'acier, d'acier spécial ou d'autres métaux ou alliages à point de fusion élevé.
L'état de sous-fefroi- dissement appliqué aux métaux ou alliages, état que l'on propose d'établir et de contrôler, est une condition qui résulte du traitement de étal ou alliage fondu tel que ce dernier est produit dans les fours industriels actuels, dans le but d'enlever de ce métal ou alliage toute sa super-cha- leur de fusion et toute sa chaleur latente de fusion ou la plus gronde partie de sa chaleur latente, dans le but d'a- mener sa température soit au.voisinage de son point de cris- tallisation, soit légèrement au-dessous pour des métaux ou alliages ayant une échelle de plasticité assez grande avant que le métal ou alliage traité soit introduit, forcé ou poussé dans un moule ou dans une matrice ou des cyentre lindres à une vitesse déterminée,
Ce étal ou alliage sous- refroidi introduit dans des moules ou des matrices ou entre des rouleaux dans cet état a encore beaucoup de la mobilité d'un liquide et,sous Il'notion de la vitesse à laquelle il est poussé,il se façonnera facilement de lui-même au con- tour des coules ou matrices, Le métal en question est en outre caractérisé par le fait que chacune de ses particules de composant les plus petites a déjà un noyau cristallin qui s'étend à une partie ou à la totalité de chaque particule suivant l'importance de la phase solide qui a été précipitée
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et suivant par conséquent le degré de sous-refroidissement.
Ces particules sous-refroidies entraînées dans un courant, dans un moule ou dans une matrice se conformeront simultané- ment au contour du moule ou de la matrice pour le ou la rem- plir et cristalliseront en pratique spontanément à partir ' d'un nombre infini de noyaux cristallins dans toute la masse du produit formé, ce qui créera dans ledit produit une struc- ture crista lline fnite de très petits cristaux non orientée (c'est-à-dire disposés au hasard) et analogues à des filets ou veinules, cristaux qui sont distribués d'une façon homo- gère et uniforme à travers toute l'étendue du produit métal- lique solide; cette structure est complètement différente de la structure primaire décrite précédemment pour les mé- taux ou alliages fondus antérieurs.
Il résulte des recherches ci-dessus indiquées faites par divers savants que si un métal ou alliage peut être introduit ou forcé dans un moule ou une matrice ou en- tre des rouleaux de formation en étant sous-refroidi, de telle manière qu'il présente le nombre maximum de noyaux cristallins par unité de poids et à une température telle que sa chaleur latente de fusion ait été partiellement ou totalement enlevée, ce métal ou alliage, lorsqu'il s'é- coule et se conforme de lui-même dans le moule ou dans la matrice cristallisera spontanément à travers, toute la masse du produit fini d'une manière analogue à ce qui se produit dans la cristallisation spontanée de la couche refroidie et solidifiée d'un lingot,
ce qui a pour effet de donner à toute la masse du produit la même structure cristalline for- mée de petits cristaux non orientés et analogues à des filets ou veinules et également de donner audit produit les pro- priétés physiques optimum.
Le demandeur a observé ce qui suit :
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Si une goutte de liquide, soit de l'eau, soit de / d'une l'huile, soit du métal ¯ fondu, tombe sur une surface, se dé-
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plaçant rapiderQent,/.Zubstiiice qui est l110uillée par le liqui- dechaque portion de la goutte liquide, lorsqu'elle vient en contact avec la surface se déplaçant rapidement, mouille la surface et adhère à celle-ci; elle s'allonge et est por- tée par la surface en question de façon qu'elle forme une traînée ou une pellicule allongée d'épaisseur uniforme et ayant deux extrémités plus ou moins paraboliques, la forme, la largeur, la longueur et l'épaisseur de cette pellicule ou traînée étant déterminées par la vitesse relative de la goutte qui tombe et de la surface mobile.
En outre, dans le cas d'une goutte de métal fondu, l'allongement de cette / en goutte et sa cristallisation ou solidification d'uen pelli- cule ou d'une bande solide sont pratiquement simultanés. Le / en procédé qu'on utilise pour réaliser le sous-refroidissement est tiré de l'observation qui précède, niais au lieu que ce soit une goutte de liquide qui soit utilisée, c'est un cou- rant de métal fondu tel qu'il est obtenu dans des fours in- dustriels.
Un courant de métal fondu, se déversant sur une surface se déplaçant rapidement, surface qui doit,être mouil- lée par ledit métal, donne naissance à certains phénomènes déterminés. Lorsqu'un tel courant de métal fondu ou de tou- te autre substance fondue s'écoulant d'un trou de coulée ou d'une tuyère de coulée aux températures normales de coulée qui sont utilisées industriellement et à une cer- taine vitesse (déterminée par la hauteur du métal dans le récipient, dans la poche ou dans le four qui la contient ou déterminée par des pompes ou valves mécaniques qui pous- sent ledit courant hors du récipient), est intercepté par une surface solide métallique ou non métallique, plus froi-
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/-propre de,
exempte d'humidité et se déplaçant à une vitesse uniforme supérieure à la vitesse d'écoulement de métal fondu, une surface continue de contact est créée à l'endroit où le mé- tal liquide et librement mobile se conforme instantanément de lui-même à la surface mobile solide. C'est ce qu'on ap- pelle dans le présent mémoire l'action de mouillage. Dans ces conditions, le métal fondu ou liquide est éloigne ins- tantanément et d'une façon continue de la partie principale du courant liquide, étant poussé de dessous ledit courant sous la forme d'une couche qui adhère à la surface mobile.
Cette couche se nivelle d'elle-même au point de vue hydros- tatique pendant qu'elle est transportée en travers du courant de métal fondu ; ladite couche porte par elle-même autant de métal ou de substance fondu qu'elle peut en attirer sous l'action de ses forces intrinsèques d'attraction atomique et de cohésion moléculaire. Ainsi se trouve formée à partir du courant de métal fondu une pellicule ou couche continue de section et d'épaisseur uniformes, couche qui adhère à la sur- face solide mobile et qui est portée par celle-ci, surface à laquelle la pellicule ou couche cède de la chaleur depuis le moment où le contact s'est établi avec elle.
La section transversale de cette couche de métal fondu est réglée et déterminée directement par la relation suivante ; surface de la section transversale de la couche multipliée par la vites- se de la surface métallique mobile qui la porte = section transversale du courant de métal fondu multipliée par sa vitesse d'écoulement.
Far exemple, si un courant de métal fondu sort d'u- ne fente rectangulaire (extrémité de sortie d'une tuyère, par exemple) ayant 5 cm. de large sur 1cm,25 d'épaisseur à la vi- tesse de 0m,60 par seconde, s'écoule et se dépose sur une sur- face métallique se déplaçant une vitesse de 15 mètres par
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seconde (soit vingt-cinq fois plus vite), la couche de mé- tal fondu aura une section déterminée de la façon suivante :
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5 x 1,25 x 50 ; 0 7 2 25 et l'épaisseur de la couche sera de :
0 OM2 .25 = 0 cm e 05 Ocm SÓIJ!
Tous les métaux, alliages et substances fondus, lorsqu'ils se trouvent à l'état liquide et librement mobiles (à l'exception de certaines substances ou métaux qui ont une tension superficielle très élevée comme le mercure) , mouil- leront une surface métallique propre, sèche et plus froide et adhéreront à cette surface; ils pourront ainsi subir une accélération pour être amenés à la vitesse et dans la direc- tion du mouvement de la surface métallique sous la forme ci- dessus indiquée d'une couche ou pellicule.
La force adhési- ve considérée a une valeur considérable car le mouillage en- tre le métal fondu et la surface métallique mobile empêche la présence d'air ou de gaz entre le métal fondu et ladite pellicule, En outre, le contact parfait dû à ce mouillage donné pleine liberté à la force d'attraction interatomique de s'exercer entre le métal de la surface mobile et le métal ou alliage fondu utilisé. Cette force a également une très grande valeur par centimètre carré.
Les deux facteurs ci-dessus indiqués, qu'il y en ait d'autres ou non, peuvent entrer facilement en ligne de compte pour considérer que la section métallique mobile et la pellicule de métal fondu qui y adhère agissent comme une seule section composite se déplaçant à la même vi- tesse et dans la même direction jusqu'à ce que la couche ou pellicule de méal fondu ait cessé d'adhérer complètement par suite de la contraction due à la solidification. Même après cette perte de l'adhérence, la couche ou pellicule maintenant solidifiée conserve la vitesse et la direction
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primitives qui lui ont été communiquées par la surface métallique mobile.
Bien que la couche de métal fondu adhère encore à la surface mobile et soit portée par elle en contact in- time avec ladite surface, à la vitesse de cette surface et dans sa direction de mouvement, c'est-à-dire comme formant en fait une seule section bi-métallique, l'échange de cha- leur à travers toute l'épaisseur de la couche de métal fon- du et de la surface solide mobile est directement propor- tionnel à leurs conductibilités thermiques respectives, à la transmission de chaleur de l'une à l'autre et à la durée de leur contact. Ces coefficients de conductibilité ther- mique sont des propriétés connues des métaux, alliages et de beaucoup d'autres substances.
On peut par conséquent déter- miner mathématiquement et établir les éléments des machines de fabrication, de façon que soit exactement réalisé n'im- porte quel refroidissement déterminé et de fnçon que soit réglée d'une manière absolue la quantité de chaleur enlevée du métal ou substance fondu en couche ou pellicule.
D'après ce qui précède, en voit que toute quanti- té déterminée de chaleur peut être enlevée de n'importe quel métal fondu ou d'une pellicule soit pour le refroidir légèrement, soit pour le sous-refroidir à tout degré désiré, soit encore pour le solidifier complètement de telle manière que la pellicule puisse être utilisée d'une façon continue lorsqu'elle atteint la température ou l'état de sous-refroi- dissement désiré, Cet état, comme on l'a indiqué, résulte du temps et de la longueur déterminés de contact avec la surface mobile ;
la pellicule ou couche complètement formée est séparée d'une façon continue de la surface de refroidis- sement mobile en un point déterminé d'une façon précise après que cette couche a ét6 sur une longueur déterminée en
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contact avec la surface en question, Lorsque la couche ou pellicule est enlevée, elle est dirigée d'une façon continue vers un moule (ou une matrice) dans lequel elle est intro- duite et qui est destiné à la recevoir.
Dans ce. qui va suivre, on va montrer codent de tels résultats peuvent être réalisés conformément à la pré- sente invention.
Lorsque la pellicule do métal doit être soumise un refroidissement réduit (par exemple lorsqu'elle doit être dirigée vers des matrices compliquées et frappées à grande vitesse pour le moulage sous pression), on utilise une surface métallique mobile faite en un métal ayant une conductibilité relativement faible, tel que l'acier; cette surface peut être oxydée, peinte ou recouverte d'une subs- tance non métallique pour réduire encore sa conductibilité thermique et pour /la force interatomique d'adhédiminuer rence de la couche de métal fondu à ladite surface pendant que se produit l'Action de mouillage.
L'étendue et la, durée du contact entre la couche ou pellicule et la surface mobile sont réglées pour assurer l'enlèvement de la quantité exacte désirée de chaleur. Immédiatement au moment où cette opéra- tion s'accomplit, la direction de Ici surface mobile est brus- quement et continuellement changée. Cela oblige la pellicule à se séparer de la surface mobile au point ci- dessus indiqué et à conserver, pendant son déplacement, la vitesse et la direction primitives du mouvement qui lui a été communiqué. Dans cet état, elle passe directement dans l'orifice d'alimentation de la matrice et vient frap- per à grande vitesse la cavité de cette matrice.
Lorsque la couche ou pellicule doit être sous- refroidie à un état tel qu'elle présente le nombre maximum de noyaux cristallins et que sa chaleur latente de fusion
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soit pour la plus grande partie ou totalement enlevée, on utilise une surface métallique propre et sèche pour assurer une adhérence , un mouillage et un contact parfaits de la pellicule métallique et pour enlever rapidement la quantité de chaleur de la pellicule en question. La quantité exacte de chaleur à enlever de la pellicule ou couche métallique pour l'amener à l'état ci-dessus indiqué de sous-refroidis-
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sement est calculée et d(;t:;:r'"llin',w nl<1thémAtiquement; il en est de même de la longueur exacte du contact avec la sur- face métallique mobile.
Si l'on prend en considération tous les facteurs nécessaires, la machine est établie de telle façon que la surface mobile forme la couche métalli- que à la longueur exacte requise et porte cette couche, de manière qu'immédiatement après,la direction du mouvement de la surface mobile soit changée brusquement et continuel- lement pour créer une force suffisante destinée à séparer la couche métallique et la surface mobile et à conserver à la couche métallique, pendant son déplacement, la direction et la vitesse qu'elle a acquises, dans le but de remplir le moule ou la matrice ou afin que la pellicule soit obligée de se déplacer sans être supportée dans le même sens et à la même vitesse après qu'elle a abandonné.la surface de sup- port.
Ou bien encore la couche de métal sous-refroidie peut être soulevée ou séparée d'une autre façon à partir de la surface de refroidissement par un dispositif mécanique et être dirigée vers le moule ou vers la matrice. La couche ou pellicule peut également être associée et fixée avec une autre couche ou pellicule sous-refroidie formée d'une façon analogue, la couche composite étant obligée de continuer à se déplacer dans la direction et à la vitesse acquises, dans le but de remplir des moules ou des matrices.
On peut fa- cilement obtenir ces résultats puisque, comme on l'a noté,
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lorsque la couche do métal atteint l'état de sous-refroi- dissement ci-dessus indiqué, état dans lequel la phase solide est partiellement ou totalement précipitée, la force d'adhérence à la surface métallique mobile est proportion- nellement si réduite que la couche se sépare pratiquement d'elle-même d'avec la surface; en conséquence, un change- ment de direction de cette surface donne une séparation nette et colleté. Il est à remarquer que cette couche ou pellicule a encore la composition homogène primitive du mé- tal fondu sans ségrégation. De la chaleur seulement a été enlevée de ce métal fondu pour créer cet état de sous-re- froidissement.
Il y a une distribution uniforme des noyaux cristallins à travers toute la niasse et aucun changement quel qu'il soit n'a été fait ou ne s'est produit dans sa composition chimique originale, par suite de l'absence de contact avec d'autres éléments ou de l'action de ces autres éléments susceptibles de réagir chimiquement avec la couche considérée. Par conséquent, les produits formés à partir de cette couche lorsqu'elle vient remplir des moules ou des matrices et cristallise spontanément auront tous les avanta- ges de la composition chimique primitive homogène du métal fondu combiné avec une structure cristalline uniforme exemp- to de ségrégation.
La formation ci-dessus décrite du courant de mé- tal ou autre substance fondue transformé en une pellicule ou couche mince, le sous-refroidissement de cette oouche et le choc de celle-ci dans les moules ou matrices sans aucun contact avec l'air ou des gaz ou sans contamination par cet air ou ces gaz présentent des avantages industriels extrême-, ment importants et longtemps chorchés, mais qui n'avaient jusqu'ici jamais été obtenus à la connaissance du demandeur.
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Les opérations pouvent être exécutées très rapidement et sont directement applicables au traitement de la matière sortant des fours factuels de fusion à la vitesse à laquelle on peut disposer du métal fondu produit, ce qui permet de conserver la composition et la fluidité réglées dudit métal. par exemple, le courant nommai provenant d'une poche con- tenant de l'acier tel qu'il est coulé actuellement dans des lingotières de grandes dimensions à des vitesses variant de 500 à 1500 kg par minute peut, comme on l'a indiqué ci-des- sus, être transforme en une pellicule et être sous-refroidi . une température constante et déterminée avant que cette pellicule soit dirigée dans les moules.
L'équipement néces- saire est relativement simple et peu coûteux et consomme une quantité insignifiante d'énergie. Dans beaucoup de cas, l'en- semble du fonctionnement représente des économies réelles, car la chaleur provenant de la pellicule de métal fondu peut être facilement récupérée.
La présente invention se distingue des procédés antérieurs qui comportaient la fusi.on continue de fils ou d'objets analogues dans une flamme oxy-acétylènique ou oxhy- drique et l'atomisation de ce produit par un courant d'air sous forte pression. L'invention se distingue également des procédés dans lesquels un petit courant de métal à faiblo température est atomisé par un courant d'air ou de gaz sous forte pression et est dirigé vers une plaque ou matrice de réception. Ni l'un ni l'autre de ces procédés ne permet d'utiliser des métaux fondus provenant des grands fours in- dustriels et à la vitesse usuelle dont on peut disposer de ces métaux.
En outre, la quantité d'air ou de gaz sous forte pression qui est nécessaire pour l'atomisation est très coûteuse par kilog de métal -tomisé; de plus, le métal
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ainsi atomisé est inévitablement oxydé ou contaminé chimi-. quement. Il en résulte Lme altération ou une détérioration d'une importance telle que .le produit ou revêtement atomisé solide obtenu n'a aucune ressemblance réelle dans ses appa- l'onces ou dans sos propriétés avec le fil métallique solide ou le métal liquide à partir duquel il a été obtenu.
Conformément aux caractéristiques de l'invention, il n'est pas difficile dans les applications industrielles de réaliser la surface métallique mobile en un métal tel et ayant une longueur tellesque la.température de la section métallique et pais une mobile utilisée pour le refroidissement ne dépasse pas une épaisseur température de 260 environ ou toute température suffisamment élevée susceptible de prpvoquer une distorsion, une déforma- tion ou une détérioration de la surface du métal de refroi- dissement utilisé. A cet égard, les facteurs de contrôle ou les desiderata sont susceptibles d'être déterminés d'une façon précise ou d'être calcules mathématiquement d'une fa- çon exacte.
En outre, comme une longueur limitée et définie seulement de cette section métallique de refroidissement vient en contact avec une pellicule métallique fondue ayant une épaisseur désirée choisie, cette section do refroidissement peut être refroidie d'une façon continue par de l'air, de l'eau, du mercure ou par tout autre agent de refroidissement après que la pellicule métallique a été séparée de cette section et elle peut être ainsi ramenée à sa température primitive avant qu'elle reçoive de nouveau du métal fondu.
De cette façon, des conditions constantes de température sont assurées pour le refroidissement du courant de métal fondu et une opération véritablement continue est réalisée.
La plupart des métaux et alliages l'état fondu contiennent des gas dissous ou occlus qui sont libérés lors- que la phase solide se précipite et que le métal, se solidifie
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dans un moule , Certains de ces gaz sont enfermés à l'in- térieur des produits métalliques solidifiés sous la forme de bulles ou poches à gaz qui sont extrêmement nuisibles.
Conformément à l'invention, tous ces gaz ou sensiblement tous ces gaz sont libres de s'échapper, car ils sont libé- rés et enlevés pendant que la pellicule métallique qui adhère à la surface mobile se refroidit rapidement, Lorsque la phase solide commence à se précipiter avant que la pelli- cule sous-refroidie soit dirigée dans un moule ou dans une matrice, lus produits formés à partir de co métal ou de cet alliage sous-refroidi sont exempts de gaz.
Lorsqu'on sous-refroidit le courant de métal fondu provenant d'une poche ou d'un four avant qu'il soit dirigé dans un moule, on peut provoquer une cristallisation spontanée à travers toute la niasse du produit moulé, ce qui constitue un rio3ron efficace pour méterminer au point de vue physique, dans le produit solide formé, une dimension uni- forme des grains. Certaines variations peuvent être obte- nues dans la section des cristaux uniformes formés si l'on fait varier et si l'on règle l'importance et la température du sous-refroidissement.
Tout ce qui précède s'applique avec autant d'effi- cacité aux substances non métalliques ou organiques à l'état fondu telles que le verre fondu, las roches fondues et autres substances analogues, l'invention n'étant nullement limitée aux métaux ut alliages.
La présente invention rend possibles l' obtention et l'utilisation industrielles de la structure cristalline primaire nouvelle et spéciale qui est donnée aux produits métalliques conformément à ladite invention. Cette nouvelle structure primaire qui n une forte résistance et qui présente des propriétés physiques améliorées est obtenue sans travail
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mécanique ou sans traitemant thermique;
elle est caractéri- sée par de petits cristaux non orientés (c'est-à-dire dis- posés au. hasard), analogues à dos filets ou veinules, de coupe et de dimension sensiblement identiques et distribués d'une façon homogène et uniforme à travers toute la masse et dans chaque partie du produit solide, L'invention permet également d'assurer une uniformité chimique dans toute la masse du produit et d'obtenir des propriétés physiques .mé liorées exemptes de tout effet d'orientation;
ces qualités sont ducs au. fait que l'invention permet d'éviter les dé- fauts généralement inhérents à un lingot primaire ou à une pièce moulée, défauts tels que la séparation ou. ségrégation, la composition chimique non uniforme, la concentration des impuretés et souillures à la limite des cristaux en forme de colonnes, la formation de cavités ou passages, les oc- clusions de gaz et défauts analogues et également les il,1- gnos d'écoulement qui se forment à la suite du travail mécanique et de 1'écrasement des grands cristaux, cette nouvelle structure primaire spéciale conser- ve la plupart dos caractéristiques ci-dessus indiquées après travail mécanique tel que laminage, forgeage et extrusion et (ou)
après traitement thermique, cette nouvelle structure se prêtant plus facilement que la structure des produits anté- rieurs à ces opérations en raison de son uniformité et don- nant au produit ainsi travaillé ou traité une structure dis- tinctive différente de colle des produits similaires tirant leur origine d'un lingot ou d'un autre métal fondu coulé à la façon habituelle. En outre, l'effet de refroidissement et de solidification dû. aux parois du moule (se produisant lorsque le métal fondu est versé dans un moule), la formation de la couche refroidie et solidifiée subséquente et les zones distinctes de cristallisation sont supprimés dans les produits
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faits à partir de métal ou alliage sous-refroidi.
L'invention permet également d'obtenir une nouvel- le structure cristalline dans des alliages et plus particu- lièrement dans les alliages à forte teneur on composants de l'alliage tels, par exemple, que l'acier rapide à outils et l'acier inoxydable. Dans ces alliages, tels qu'ils sont coulés et à l'état fondu soit pour le moulage au sable, soit dans les lingotièrcs, une solidification sélective des mé- taux composants se produit inévitablement à l'intérieur des cristaux en forme de colonnes et à axes équidistants qui se forment.
Lorsque cela a lieu, cette solidification sélecti- ve donne aux cristaux une composition chimique plus hétéro- gène avec ségrégation ou séparation de certains composants et des impuretés à la limite des cristaux, ce qui réduit considérablement les propriétés inhérentes particulières de ces alliages, propriétés en raison desquelles leur usae s'est développé, telles que résistance à la corrosion, aux acides, à l'abrasion, faculté de retrempe et de coupe, ainsi que d'autres propriétés physiques.
Par l'effet du sous-refroidissement de l'alliage fondu jusqu'au point où il cristallise spontanément à travers toute la masse du produit solide formé, sous-refroidissement qui constitue l'une des caractéristiques essentielles de la présente invention, la composition homogène primitive de l'alliage à l'état fondu est complètement maintenue dans chacun des petits cristaux formés et cotte composition est encore maintenue après travail mécanique et traitement ther- mique.
Cette structure cristalline entièrement nouvelle et différente de colle des autres produits augmente considé- rablement les propriétés intrinsèques connues de ces allia- ges et élargit le champ do leurs applications,
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En obligeant un courant de métal fondu à venir frapper sur un disque ou une plaque refroidie tournant ra- pidement et à évacuer ledit courant à la périphérie hors du contact avec l'air ou dans une atmosphère spéciale, on oblige la pellicule plastique sous-refroidie ainsi formée à se bri- ser en fines particules uniformes de la même dimension, de la même forme et de la même composition, ces particules se dé- plaçant, sans être supportées,
dans la même direction et à la même vitesse et venant se heurter les unes les autres dans un moule. Si l'on supprime le moule ou si l'on oblige les particules à se déplacer à une plusgrande distance ou à travers un produit pulvérulent solide de refroidissement on obtient des produits de toute composition désirée susceptibles d'ê- tre utilises pour la métallurgie des produits en poudre et pour d'autres applications.
Afin que l'invention puisse être bien comprise, on va la décrire maintenant en se référant au dessin annexé sur lequel :
La fig, 1 est une vue on plan par dessus d'un dis- que atomiseur rotatif et d'une partie d'un moule circulaire fixe de réception;
La fig. 2 est une coupe verticale de l'atomiseur rotatif et du moule représentés sur la fig. l, ainsi que du récipient amenant le métal fondu au disque atomiseur;
La fig. 3 est une coupe verticale d'un disque atomiseur incliné associé à un moule différent qui peut être fixe ou rotatif et qui est destiné à recevoir les par- ticules atomisées suivant un jet en spirale;
La fig. 4 est une coupe d'un produit obtenu avec la machine représentée sur la fig. 3
La fig. 5 est une coupe verticale du disque ato- miseur représenté sur la fig, 1 et montrant les jets ou la
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pluie de métal atomisé dans un moule rotatif pour outils façonnés;
La fig. 6 est une coupe transversale d'un outil façonné foxmé de deux couches de métal; La fig. 7 est une coupe transversale d'un outil façonné formé de trois couches d'acier;
La fig. 8 est une coupe verticale avec partie en élévation d'un appareil destiné à mouler ou à coller sous pression des produits individuels à partir d'un coûtant di- visé et recombiné de métal fondu ou d'une autre matière f ondue ;
La fig. 9 est une coupe verticale, avec partie en élévation, d'un appareil analogue à celui qui est repré- senté sur la fig. 8, mais dans lequel le produit moulé ou coulé sous pression est obtenu à partir d'un courant unique d'un métal fondu ou d'une autre matière fondue.
Si l'on se reporte aux fig, 1 et 2, on voit que le métal fondu 14 placé dans le récipient 13 s'écoule à travers une série d'orifices 15 dont le nombre, la dimension et la forme ont une influence sur le degré do sous-refroidissement. désiré. Ce métal fondu vient en contact avec un disque rotatif 1 le long d'une ligne circonférentielle 2 (fig. 1), cette partie du disque ayant déjà une vitesse périphérique considérable qui empêche le métal fondu d'adhérer au disque d'atomisation ou de le; brûler, ce qui sc produirait probable- ment si le métal venait en contact avec le centre du disque.
Le disque atomiseur 1 est formé de deux parties, une partie supérieure 6 et une partie inférieure 7 séparées l'une de l'autre de façon que soit ménagé entre elles un espace 8 dans lequel un fluide de refroidissement tel que de l'eau peut être amené. L'eau ou le fluidu de refroidissement est amené à l'espace de réception 8 par un tuyau 9 disposé à
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l'intérieur d'un arbre 91 sur lequel le disque est monté et sort de l'espace 8 par un passage 92prévu dans l'arbre en- tre le tuyau fixe 9 à eau et l'alésage axial 93 de l'arbre.
L'écoulement d'eau maintient le disque atomiseur à une tem- pérature sensiblement constante du fait qu'il absorbe la cha- leur qui a été communiquée au disque par le métal fondu.
Le disque atomiseur 1 peut tourner dans un palier à billes 10 et dans d'autres paliers appropriés (non repré- sentés) et il est entraîné à une vitesse de rotation élevée par un dispositif convenable non représenté qui est associé à l'arbre 91. Le métal fondu tombant sur le disque rotatif suivant la ligne circulaire 2 formeune pellicule ou couche qui s'étend vers l'extérieur sur la surface de la partie supé- rieure 6 du disque depuis la ligne 2 jusqu'à la périphérie du disque; le métal' dans cet état de couche ou pellicule, perd de la chaleur par contact avec la surface refroidie du disque et est sous-refroidi.
La couche ou pellicule de mé- tal ainsi sous-refroidie, lorsqu'elle abandonne la périphé- rie du disque, se rompt et se transforme en une pluie fine do particules atomisées qui sont entraînées à une vitesse élevée dans une direction qui se trouve précisément à 90 par rapport à l'axe de rotation du disque. Les particules de métal se déplaçant sous forme de pluie ou do, jet et à une vitesse élevée pénètrent dans le moule circulaire fixe 16' à travers une fente circulaire 18 qui se trouve exactement sur le trajet de déplacement des particules. Ces particu- les sont solidifiées et sont réunies l'une à l'autre par contact ou choc l'une avec l'autre dans le moule et elles remplissent la cavité 4 du moulé.
Dans le mode de réalisation représenté sur les fig, 1 et 2, la quantité de métal fondu suffisante pour rem- plir la cavité du moule est versée dans le récipient 13.
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Lorsque: tout le métal fondu a été atomise et répandu par pluie ou jet, la pnrtic supérieure 16 du moule 16' est soulevée pour être séparée de la partie inférieure 17. Le produit coulé, qui peut avoir la forme d'un élément circulaire formant une seule pièce ou être sous forme de deux ou plusieurs sections (trois ont été représentées sur la fig. 1), du fait que des pièces de séparation 5 sont pincées dans le moule, est sépare de la partie 17.
Le moulage (pour les sections de celui-ci) peut présenter une nervure mouléo sur l'objet, cette nervure correspondant à la fente d'alimentation, si du métal on excès a été versé; mais puisque la fonte ,une largeur do l'ordre ! centième du do millimètre seulement ou même moins, cette ner- vure peut être facilement rompue ou découpée et les sections peuvent être dressées si delà est nécessaire dans des cylin- drus de redressement. Les plaques 11 et 12 placées sur les parties 16 et 17 du moule complètent la fermeture de l'espace dans lequel tourne le disque, l'air n'étant pas admis dans cet espace pendant la coulée du métal fondu.
De cette manière, les particules atomisées, pendant qu'elles sont entraînées à vitesse élevée sous forme d'un jet ou d'une pluie à partir du disque et vers la cavité du moule, ne sont pas soumises à une oxydation possible ; un outre, de préférence, l'air qui se trouve au voisinage du disque est aspiré au moyen d'un tuyau 19 de façon que le sous-refroidissement, l'atomisation et lu choc ou contact soient réalisés sous vide. Si on le dési- re, de l'hydrogène, un mélange d'hydrogène et d'nzote, du gaz d'éclairage ou du gaz connu aux Etats-Unis sous le nom de "blue gas" (gaz bleu) peut être forcé dans l'espace adjacent au disque et dans La cavité du moule;de tels'gaz sont avanta- geux pour le métal qui est divisé en gouttelettes et moulé.
Le sous-refroidissement du métal, la dimension des particules atomisées et la vitesse à laquelle les particules
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sont entraînées peuvent être réglés à volonté. L'écoulement du métal fondu à partir du récipient 13 dépend du nombre et de la surface des sections transversales des orifices 15 et peut être réalisé, quant aux dimensions et au nombre de jets de sortie,de façon qu'on puisse traiter de 25 à 50 kg de mé- tal fondu, par minute .
Lorsqu'on utilise un disque rotatif ayant un diamètre extérieur de 30 cm., le métal fondu peut tomber sur la ligne circulaire 2 de la partie supérieure 6, ligne circulaire dont le diamètre peut varier de 5 cm. à
25 cm., ce qui a pour effet de faire varier le temps pendant lequel la pellicule ou couche de métal fondu en déplacement se trouve en contact avec la surface supérieure du disque 1, La température de la surface 6 du disque peut être réglée par variation de l'écoulement d'eau à travers 1 espace 8 et elle peut être maintenue à une valeur faible ou à une valeur d'environ 150 .
La vitesse du disque rotatif peut varier en pratique do 800 tours à 6000 tours par minute; plus la vitesse est élevée, plus est mince la pellicule formée et plus sont petites les dimensions des particules du métal fondu projeté ou divisé à partir du disque et plus sont gran- des également la vitesse et l'énergie de choc de ces parti- cules.
Grâce à ces différents réglages, la dimension des grains du métal produit peut être déterminée et on peut obtenir des produits ayant une densité plus grande et une résistance plus forte que les produits industriel actuels.
En outre, si l'on réduit l'écoulement du métal fondu venant du récipient et si l'on augmente la longueur de son dépla- cement sur la surface du disque, le métal est sous-refroidi, c'est-à-dire qu'il est refroidi à une température inférieure à son point le solidification et la pellicule se rompt alors en particules déjà en partie ou entièrement solides; ces
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particules, par suite de leur vitesse, s'unissent les unes aux autres par choc ou contact pour former un produit soli- de mais sppngieux comportant des vides uniformes entre les particules.
Si, par exemple, les particules solides sous-re- froidies ne se heurtent pas et ne se choquent pas les unes avec les autres à une distance faible âpres qu'elles ont abandonné le disque rotatif pour forcer un produit solide, mais si on les laisse se déplacer sur une distance de plu- sieurs mètres avant qu'elles viennent frapper contre les parois de la chambre, elles ne ; sa heurtent pas les unes aux autres, mais sont recueillies sous forme de poudre.
Suivant la vitesse qui est utilisée et suivant le degré de sous-re- froidissement, ces particules peuvent être formées de grana- les de tout poids désiré, ou se présenter sous la forme d'une fine poudre métallique, le premier produit pouvant être utilisé pour les garnitures métalliques et le second pour la fabrication de peinture métallique ou pour 1(utilisation dans la métallurgie des produits en poudre, Cette pluie de particules atomisées sous-rofroidies, comme on l'a représen- té sur la fig. 2, étant obtenue soit dans une chambre ou espace étanche à l'air, soit sous le vide, soit dans une chambre remplie d'un gaz neutre, les granules ou particules ne sont pas soumis à l'oxydation.
En outre, on peut utiliser un gaz spécial, tel que lu gaz ammoniac, qui se dissocie sous l'effet de 1; chaleur des particules et, lorsqu'on utilise de l'acier ou un autre alliage susceptible d'être nitruré, les granules ou particules prennent une surface dure et ni- trurée qui est utile pour différentes applications.industriel- les.
L'appareil représenté permet le traitement de mé- taux ou alliages à faible point de fusion, aussi bien que
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des métaux ou. alliages à point do fusion élevée;on règle los conditions d'écoulement, du sous-refroidissement et d'a- tomisation pour qu'elles conviennent aux divers métaux qu alliages. Il est en outre à noter que, pratiquement, aucune partie de métal fondu n'est perdue, par exemple dans les parties supérieures des produits coulés, dans les parties contenant des retassures ou des cavités ou dans les parties correspondant aux jets de coulée, parties qui, dans les pro- duits solides formés antérieurement, devaient être coupées.
La. fig. 3 montre un disque atomiseur rotatif uti- lisé en connexion avec un moule à billette ou à produit ana- logue; mais dans cet exemple le disque, au lieu d'être placé à 90 par rapport à l'axe de l'arbre qui le fait tourner, est placé suivant une direction inclinée par rapport à cet arbre, l'importance de l'inclinaison dépendant de la hau- teur de la billette ou du produit analogue qui doit être faite dans le moule 20, 21, moule dont la cavité est en plan perpendiculaire à l'arbre. Danscette disposition, le jet ou la pluie de métal lorsqu'il abandonne le disque rotatif 1 se déplace en ligne droite,
comme on l'a indiqué par les flèches.exactement à 90 de l'axe de rotation de l'arbre pour former la section de la billette ou du produit analogue par distribution uniforme des particules suivant un trajet en hélice sur toute la hauteur ou largeur du produit formé. Les parties de moule 20 et 21 sont fixes ou peuvent tourner à faible vitesse, Les billettcs ainsi formées présentent des surfaces satisfaisantes, ont une structure uniforme, sont exemptes de retassures ou cavités formées par contraction et sont prêtes à être éliminées.
Sur la fig. 4, on a représenté une section d'un produit ou pièce.moulé tel qu'on l'obtient en versant suc- cossivement dans le récipient 13 de la. fig. 1 d'abord un
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certain type de métal (pr exemple de l'ncior inoxydable 24), puis un autre type de métal 25 ()il que de l'acier à faible teneur enj carbone) et enfin du nouveau de l'acier inoxydable 24 si on le désire, de façon qu'une billette ou produit analogue soit forme dans le moule de la fig.
3, la billette faible ayant un noyau 25 en acier à teneur en carbone et des faces 24 en acier inoxydable, los couchus étant parfaitement liées les unes aux autres par suite de la vitesse de choc, sans qu'il y ait aucune impureté, scorie ou oxyde . l'endroit de la jonction des différentes couches. Cette opération peut être réalisme comme on l'a représenté sur les fig. 1 et 2 en espace clos ou sous vide ou dans une atmosphère de gaz utiles.
De la. même manière, des billettes ou autres pro- duits analogues à revêtement de cuivre comportant une mince couche de cuivre parfaitement liée à un noyau d'acier et dif- férentes sortes de billettes ou de produits analogues bi- métalliques peuvent être obtenus. Dnns chaque cas, la jonc- tion ntrc les métaux ou alliages distincts est exempte de gaz, d'oxyde et autres impuretés; en outre, les produits peuvent être laminés ou forgés sans qu'il se produise aucune rupture ou sépnrntion aux points de jonction des métaux dis- tincts.
La fig. 5 montre le même disque rotatif et le même récipient de coulée que ceux qui ont été représentes sur les fig. 1 et 2, mais le jet Rtomisé est reçu dnns un moule 27, 28 qui tourne également sous l'nction d'une poulie 32, le sens de la rotation étant le même quo celui du disque rotatif ou étant l'inverse du sens de rotation de ce disque. Le moule 27, 28 comporte des cavités dont chncune corruspond à la forme des outils ou au produit formée deux ou plusieurs de ces cavités recevant le jet provenant du disque rotatif.
Lorsqu'on fabrique des outils de coupe à deux couches d'acier,
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on verso d'abord dans le récipient 13 un acier rapide de tout type de composition utilisé dans l'industrie, cet acier étant transformé en une pellicule sous-refroidie et atomisée dont les particules, lorsqu'elles atteignent les cavités du moule: et on raison de la rotation du moule 27-28, forment une couche 35 parallèle à l'axe de rotation du moule, Ensuite, un acier spécial, tenane, résistant, tel qu'un acier au chrome-nickel ou un acier au chrome-vanadium, est versé dans le @cipient 13 et est égal(.nient sous-refroidi et atomisé cot ,1('::
'01' se transforme par projection en une couche 36 adhé- rant à lacouche 35 on acier rapide jusqu'à ce que les cavi- tés à outil prévues dans le moule soient remplies. Le second acier est versé dans le récipient avant que l'acier rapide ait été complètement évncué, de façon que les partieules des deux sortes d'aciers soient mélangées à l'endroit de la jonction d'une couche avec l'autre sur une épaisseur de l'or- dre du d'un millimètre; de cette façon, les deux coucentième ches sont liées d'une façon tellement inséparable qu'elles ne peuvent pas être séparées par un dispositif mécanique quel- conque.
Au récipient 13 peut être fixé un autre récipient 26 dans lequel on peut introduire de la matière finement pul- vérisée telle que de la poudre de diamant ou des carbures mé- talliques en même temps que l'acier rapide est versé, de telle façon que la matière pulvérulente soit entraînée sur la pel- licule de métal fondu et soit dispersée d'une façon uniforme dans cette pellicule. Lorsque le métal se rompt et se tr-ans- forme un pluie ou jet, les particules métalliques atomisées et les carbures en poudre sont tous deux entraînés ensemble dans la couche formée dans la matrice rotative ou le moule rotatif.
On obtient ainsi un outil comportant des particules dures uniformément dispersées dans une masse soit d'acier rapide, soit de tout autre métal du liaison tel que le cobalt,
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le nickel ou de bronze à forte résistance. Dans le récipient 26 peut être versé un nutre métal fondu, par exemple du plomb et dans le récipient 13 on peut verser du bronze, de façon qu'une quantité plus grande de plomb puisse être disper- sée, sous forme de particules finement divisées, à travers le bronze constituant le métal de base, dans le but d'améliorer les propriétés du bronze destiné à former les paliers ou supports. Du graphite finement pulvérisé peut être utilisé dans le même but et dispersé à travers le métal de base.
Dans ce qui précède, on a décrit certains des produits qui peuvent être obtenus par formation desdits produits au moyen de par- ticules atomisées sous-refroidies, au lieu que ce soit à partir d'un métl fondu coulé dans un moule.
Des fraises de toutes sortes, des forets, des per- foratrices, des scies circulaires et autres outils peuvent être formés de la même manière et comporter à leur surface extérieure un acier spécial dur de coupe ou un alliage résis- tant à l'abrasion et un noyau fait en un acier tenace et résistant ou un autre métal disposé à l'intérieur. En outre, comme dans les machines ordinaires de coulée sous pression, des insertions en matières métalliques ou autres peuvent être faites dans les matrices pour former une partie do la pièce coulée après quo les particules métalliques se sont consoli- décs sous l'action de la force du choc.
La fig. 6 montre un outil de façonnage, amené à la cote de rectification ut formé d'une couche en acier rapide 35 contenant ou non des carbures ou de la poudre de diamant dispersés dans ladite couche et une couche d'acier résistant 36 pour supporter l'outil.
La fig. 7 montre une barre pour mèches hélicoï- dales, cette barre comportant une couche centrale 37 on / secteurs
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acier rapide ou <,lutre matière de coupe et deux sixEsAxxsx/38
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en acier résistant qui empêchent la mèche de se rompre.
La fig. 8 montre un mode de réalisation modifié de machine de refroidissement et de choc dans laquelle les sur- faces de refroidissement utilisées sont les faces de deux cylindres rotatifs refroidis par de l'eau. Le bâti principal 51 supporte deux arbres fixes 52 et 53 autour desquels peu- vent tourner dos étriers 54 et 55. Dans l'extrémité 56 de l'étrier 54 est supportée une bague 57 refroidie par de l'eau, cette bague étant reliée par des bras creux 58 et 59 à un moyeu 60 dont les extrémités se présentant sous la forme d'un arbre creux 61 sont supportées dans des paliers 62 que présente l'étrier 54. Cet arbre 61 so prolonge à l'extérieur de l'étrier 54, le prolongement étant libre d'osciller dans l'échancrure 63 que présente le bâti principal 51.
Une roue dentée 64 est clavetée pu fixée d'une autre manière sur l'ex- trémité prolongée de l'arbre 61; cette roue dentée a le même pas diamétral qu approximativement le même pas diamétral que la. face cylindrique 57a de la bague 57. Lorsque la bague 57 et la roue dentée 64 sont en position de fonctionnement comme on l'a représenté, la roue dentée 64 engrène sur la roue dentée 65 d'un dispositif de commando à vitesse variable qui lui est associé et qui n'a pas été représenté. Ainsi, la bague 57 tournera dans le sens approprié et à toute vi- tosse périphérique choisie et désirée.
De l'eau ou un autre liquide de refroidissement est amené par les bras creux 58 à la partie de la bague 57 à double enveloppe, l'écoulement est limité par des cloisons 66 et 67 et l'eau est amenée par des conduits 68 et 69 dans chaque bras 59.
Lu liquide do refroidissement est ainsi ra- mené à l'arbre 61 qui comporte des raccords d'entrée d'eau à une extrémité et des raccords de sortie d'eau à l'autre ex- trémité, ce qui permet de réaliser une circulation continue
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de l'eau ou autre liquide de rèfroidissement,
De même, dans l'extrémité 70 de l'étrier 55 est supportée une bague 71 refroidie; par de l'eau ot reliée par des bras creux 72 et 73 à un moyen 74 dont les extrémités ont la forme d'un arbre creux 75 ct sont supportées pans des pa- liers 76 que présente l'étrier 55. Cet arbre 75 se prolonge à l'extérieur do l'étrier 55, le prolongement étant libre d'osciller dans l'échancrure 77 que présente le bâti princi- pal 51.
Sur l'extrémité prolongée de l'arbre 75 est clave- tée ou fixée d'une autre façon une roue dentée 78 ayant le même pas diamétral ou npproximntivement la même pas diamé- tral que la face cylindrique 79 dç la bague 71. Lorsque cet- te bague 71 et la roue dentée 79 sont dans leur position de fonctionnement, comma on l'a représenté, la roue dentée 78 engrené sur la roue dentée 64 dont la rotation entraînera. la rotation de la face périphérique 79 de la bague 71 dans le sens opposé à celui du mouvement de la face périphérique
57a de la bague 57, mais à la. même vitesse. La bague 71 est refroidie par une circulation d'eau de la même manière que celle qui a. été décrite à propos du la bague 57.
Les étriers
54 et 55 présentent chacun un bras prolongé 54a et 55a res- pectivement comme on l'a représenté. Une tige 80, dont la partie inférieure supporte une plaque 80a, est fixée à chacun de ces bras. Des poids rainures 81 reposent sur les plaques
80a et peuvent être réglés de telle façon qu'ils équilibrent le poids des étriers 54 et 55, dus bagues 57 et 71 et de lours engrenages sous une chnrge réglée d'une façon positive.
La largeur de la face périphérique 79 de la bàgue
71 et de la face périphérique 57a de la bague 57 est convena- blement choisie dons chaque cas d'âpres la largeur de la pel- licule métallique que l'on désire obtenir. L'épaisseur de ces facos cylindriques et la matière dont elles sont faites (par
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exemple acier, fonte,
cuivre ou autres métaux fortement con- ducteurs au point de vue sont choisies et détermi-- nées de telle manière qu'une quantité déterminée de chaleur soit enlevée des pollicules des divers métaux ou substances fondus de diverses épaisseurs qui doivent être formées sur les dites faces et portées par elles pour réaliser des longueurs de contact réglables et déterminées par les facteurs qui ont été indiqués ci-dessus. Comme on l'a antérieurement indiqué, l'état do la surface dos parties 79 et 57a précitées peut être choisi du telle façon qu'il influe d'une façon appropriée sur la vitesse do transmission calorifique à partir de la pellicule de métal fondu, suivant les résultats que l'on dési- re obtenir dans n'importe quel cas déterminé.
Le diamètre des bagues 57 et 71 est choisi suffisamment grand pour que la chaleur transmise à n'importe quelle portion des faces 57 et
79 soit dissipée à partir de cette portion par le système de refroidissement avant que la portion en question reçoive de nouveau du métal fondu,
Un récipient 82 est placé au-dessus de la sorte de poche formée entre les bagues 57 et 71, ce récipient étant , porté par des supports 83 faisant partie du bâti 51. Ce réci- pient est dostiné à recevoir -du métal fondu ou une autre substance fondue provenant d'un four de fusion ou d'une poche non représenté; co récipiont est destiné à maintenir une ali- mentation en matière fondue pour le fonctionnement de la ma- chine.
Il peut comporter un clapet 84 actionné par un col de cygne et levier de commande do construction connue, ce qui permet d'ouvrir et de fermer l'orifice de coulée ou tuyère 85, Ainsi, un courant continu de matière fondue peut être évacué par ln tuyère 25 ou bien des quantités de métal. fondu susceptibles d'être réglées successivement peuvent être déchargées d'une façon intermittente.
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Sous le récipiunt 82, on a prévu une pièce coulée 86 formant chambre de distribution ayant la forme d'un. canal rectangulaire formé. Cctte chambra est plus large que les faces des bagues 57 et 71 et elle comporte doux faces dispo- sées en regard de ces bagues et qui sont usinées d'une façon complémentaire par rapport aux faces des bagues en question.
Une fente est prévue au milieu do la chambre 86, cette fonte correspondant à une largeur maximum de la pellicule qui doit être forcée par la machine, mais étant plus étroitp que la largeur dos faces 57a et 9, de fnçon que les bords do la font.... laissant une surface suffisante porter contre les fn- ces des bagues pour assurer un joint parfaitement étanche à , l'air entre la pièce 86 et les faces des bagues précitées lorsque ces bagues tournent.
Grâce à cette disposition, on forme une ouverture de dimensions entre les faces des bagues précitées à l'cndroit de leurs points de contact. Des parties latérales rainurées ou échancrées 87 sont prévues dans la pièce coulée 86, ces parties latérales servant à enfermer ou à retenir en place une garniture lité- rale, ce qui a pour effet de former encore d'une façon étnn- che les bords dos bagues 57 et 71. A l'intérieur de la piéce moulée 86 est prévue une pièce coulée 88 à noyau et qui forme une chambre rectangulaire présentant deux fentes 89 et 90 de longueur ut do largeur choisies.
Le courant de métal 91 sortant de la tuyère 85 s'écoule à travers la chambre rectangulaire qui est de pré- férence revêtue de matière réfractaire; ce courant se divise en deux courants égaux qui sont évacués par les fentes pré- citées 89 et 90. Chacun de ces deux courants vient en con- tact avec une des faces 57a ou 79, se conforme de lui-même à ladite surface et est porté par elle sous la forme d'une pel- licule distincte 92 ou 93 dont les dimensions correspondent
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aux fentes d'alimentation 89 et 90.
Les deux pellicules ou couches se déplacent à la même vitesse sur une longueur déter- minée de contact avec les faces cylindriques refroidissantes, cette longueur ayant été antérieurement calculée et étant alors obtenue par réglage approprié dos positions des fentes d'alimentation 89 et 90, de ,tolle fnçon que la quantité de chaleur nécessaire soit enlevée des pellicules ou couches au /parcourue. moment où la longueur prédéterminée a été /.Lors- qu'on atteint ce point, les doux pellicules distinctes sont amenées à s'agréer ou sc réunir l'une à l'autre pour former- une pellicule ou bande uniquu recombinée 94.
Ce résultat peut être obtenu par réglage de l'espacement entre les faces 57a et 79 des bagues de façon que cet espacement soit égal à l'épaisseur totale des doux pellicules. Le déplacement ulté- rieur de la pellicule réunie se fait le long d'une ligne droite verticale, comme on le voit sur la fig. 8.
La pellicule 94 se déplace dans la direction in- diquée à travers une chambre ou canal inférieur 94a où elle est absolument à l'abri du contact avec l'air et où elle ne frotte pas contre les parois dudit canal; en conséquence, elle attaque sous une forme non brisée, non divisée et hon oxydée l'ouverture d'alimentation d'un moule ou d'une matrice 95 pour venir frapper le contour des cavités ou empreintes 96 de ce moule ou de cette matrice et pour se conformer d'el- le-même, sous l'action de sa vitesse de déplacement, au con- tour desdites cavités ou empreintes..
Un tuyau 97 aboutit à l'espace 98 pour aspirer l'air contenu dans cet espace afin d'exécuter toute l'opération sous vide ou pour faire circuler ou introduire des gaz de différentes compositions dans l'espa- ce en question lorsqu'on désire agir dans une atmosphère spé- ciale pour développer une réaction chimique désirée avec la pellicule ou les pellicules de métal fondu,
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Bien que le moule ou la matrice 95 puisse être de toutes forme et construction convenables, on n représenté sur le dessin un moule ou une matrice fuite en deux parties, chacune d'elles étant reliée par une tige 99 un piston 100 à commande pneumatique ou hydraulique.
La matrice comporte
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des plaquos-noynux 101 et des plnques d'éjection 102 Il est à re'.2;11'quer cepel1dnt que d'autres typos de moules ou de ma- trices peuvent Ctre utilisés avec la machine décrite ; par exemple des lingotières, des moules à sable ou des Moules con- tinus. La machine représentée sur la fige 8 peut être établie à des dimensions et avec une capacité telles qu'une pellicule épaisse obtenue par réunion soit formée, refroidie et diri- gée à une vitesse relativement faible dnns un moule, ou bien ladite machine peut être établie à des dimensions telles qu'elle résiste aux fortes vitesses périphériques des faces cylindriques pour former doux pellicules extrêmement minces
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faentiéne de l'ordre d' un xde ¯ millimètre d'épnissàr et pour entraîner la pellicule formée:
par réunion des deux pellicu- les précitées, dans des cavités de matrice ou de moule sans qu'il y ait, sous l'effet du frottement, perte de vitesse, les vitesses ainsi obtenues étant des vitesses qui n'ont pas pu jusqu'ici être réalisées dans les machines actuelles de coulée sous pression. Les produits coulés sous pression ou autres produits sont en outre caractérisés par le fait que toute leur masse présente la nouvelle structure primaire désirable qui a été décrite ci-dessus.
Sur la fig. 9, on a représenté un mode do réali- sation modifié d'un appareil qui, à certains égards,est d'une façon générale analogue à l'appareil do la fig. 8 et qui est destiné à former d'une façon intermittente à partir d'un courant unique dû matière fondue une succession de produits moulés ou coulés sous pression. Sur ladite fig. 9,
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la référence 117 désigne un récipient pour le métal fondu ou autre matière fondue, ce récipient pouvant être fait en toute matière convenable susceptible de résister à la température do la substance fondue 118 qu'il contient.
Ce récipient 117 est muni d'un couvercle 119 ayant, d'un côté. une ou- verture de chargement 120 au moyen de laquelle du métal fon- du pour être introduit dans le récipient à partir d'un four de f@, d'une poche ou d'un autre appareil analogue non représenté ou au moyen de laquelle du métal peut être intro- duit à l'état solide.
Il ost à remarquer que le récipient 117 est entou- ré par une pièce moulée 121 placée à une certaine distance du récipient 117 et ayant une forme générale analogue à celle du récipient lui-même; on forme ainsi une chambre 122 entre le récipient 117 et la pièce moulée 121. Des gaz chauds peu- vent circuler dans cette chambre dans le but de main- tenir la matière contenue dans le récipient à l'état fondu ou dans le but de fondre cette matière si c'est une matière à faible point de fusion telle que le plomb, le zinc, l'alu- ,minium ou leurs alliages.
Cette fusion ou ce maintien à l'état de fusion peut être obtenu au moyen d'un ou de plu- sieurs brûleurs 123 de tout type convenable, brûleurs qui sont alimentés par du gaz ou par tout autre combustible con- venable dans le but de maintenir la chambre 122 remplie de gaz chauds do combustion, un carneau de sortie étant prévu en 124.
Au fond du récipient 117 est prévue une ouverture 125 dans laquelle est placé un tube de déchargement 126 dont le passage s'évase vers l'extrémité supérieure en 128 pour former un siège pour la partie inférieure du clapet 129. Ce- lui-ci est fixé à une plaque 130 et descend à partir de cette plaque qui est supportée par une pièce verticale 131, laquel- le est associée à la pièce coulée 121 de telle manière que
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les pièces 130 et 131, et par conséquent le clapet, puissent être soulevées et abaissées dr'ns lu but d'ouvrir et .do fermer respectivement l'orifice prévu nu fond du récipient.
Le sou- lèvement et l'abaissement petvent être réalisés de toute' manière convenable, par exemple par 1'utilisation d'une tige 132 fixée à une extrémité à In plaque 130 et agissant dans un cylindre à piston,dans un dnsh-pot ou dans un solénolde 133.
La pièce moulée 121 fait partie, comme on l'a indiqué, de la pièce coulée principale 134 sur laquelle l'appareil est monté,
A pnrtir de la portion inférieure de la pièce mou- lée 121 s'étend vers le bas une pièce coulée tubulaire 135 légèrement arquée; cette pièce comporte une paroi latérale continue 136 et une paroi latérale discontinue 137, les sur- faces interrompues de cette dernière étant formées suivant un arc de cercle et formant ainsi des surface de support dans un but qui sera indiqué par la. suite, ces surfaces de support étant maintenues lubrifiées de. toute manière convenable.
A l'extrémité inférieure do cette pièce moulée ar- quée 135 est associé un moule ou une matrice convenable 138 qui peut être de toute forme désirée convenable, ce moule (ou cette matrice)ne faisant pas en lui-même partie de l'inven- tion. Ledit moule (ou ladite matrice) est formé en deux par- tics présentant les rainures ou les contours désirés à l'in- térieur de façon que lorsque les deux parties sont assemblées, les rainures ou évidements on question définissent la forme du produit à fabriquer.
,Sur la pièce moulée principale 135 est monté un cy- lindre 139 relativement grand, ce cylindre étant muni de re- bords circulnires 140. Ce cylindre est entraîné par un arbre excentré 141 muni d'une poulie 14la. Une roue à pignon ou un disque 142 de faibles dimensions est muni d'une poulie 143 et est entraîné par courroie au chaîne 144. Du fait de cette disposition, le cylindre 139 peut osciller autour de l'Arbre
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41 pour venir dans la position indiquée en pointillés en 139a. La pièce 142 en même temps se déplace jusqu' à la position indiquée en pointillés en 142. Dans ces positions, la machine est inopérante, mais elle peut être facilement mise en action de nouveau si l'on ramené les divers organes à leur position indiquée en traits pleins.
Dans les positions représentées en pointillé, des réparations ou dos réglages peuvent être faits si cela est nécessaire ou bien encore la machine peut simple- ment rester au reposa
Un cylindre 145 dans lequel agit un piston muni d'u- ne tige 146 sert à déplacer le disque 142 jusqu'à la position 142a et vice-versa. Pour chaque position du disque 142, le cylindre à rebords 139 a une position correspondante. Un galet, une roue dentée ou un organe analogue 147'est prévu à l'extrémité de la tige de piston 146 pour permettre la comman- de.
Puisque l'appareil fonctionne d'une façon intermittente ou discontinue, il est avantageux que le disque 142 et le cy- lindre à rebords 139 soient à la position de repos à partir de laquelle ils peuvent être rapidement et facilement ramenés à la position de travail lorsque la matière 118 s'écoule à tra- vers l'appareil pour produire une pellicule ou couche 147.
Lorsque l'appareil représenté sur la fig. 9 fonction- ne, de la matière fondue est chargée dans le récipient 117 et la température de cette matière est maintenue suffisamment élevéepour qu'elle reste à l'état fondu. Le cylindre à re- bords 139 est alors déplacé dans la position indiquée en traits pleins, position dans laquelle ce cylindre ferme la partie discontinue 137 de la pièce moulée 135;
le cylindre tourne alors en sens inverse des aiguilles d'une montre à une vitesse convenable. A ce moment, le clapet 129 est soulevé pen- dant une période de temps suffisante pour permettre à une quan- tité suffisante de matière fondue d'être déchargée par le tube
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126 pour remplir le moule ou la matrice 138, cette quantité étant déjà connue ou ayant été calculée antérieurement, comme il est facile de le comprendre d'âpres la description qui a été donnée à propos de la fig. 8. Le clapet est ensuite abaissé pour fermer l'orifice nprès que la quantité désirée de matière fondue a été déchargée.
Lorsque la matière fon- due abandonne le tube 126, elle est interceptée par la surf- ce métallique du cylindre à rebords 139 et elle subit immédia- tement une accélération pour prendre la vitesse de ce cylin- dre, pendant ce temps, le métal prend une forme analogue à une pellicule et devient plastique ou semi-solide à un degré suffisant pour qu'il puisse être nettement et proprement sé- paré du cylindre comme on l'a représenté et pour qu'il puisse se déplacer à la vitesse qu'il a acquise et dans la direction qu'il a prise jusqu'aux cavités du moule ou de la matrice où, sous l'action de sa force de choc, un produit moulé ou coulé sous pression est formé,
produit qui ait la structure primai- re refroidie et solidifiée et à composition uniforme telle qu'elle a été décrite précédemment. Comme on l'a expliqué précédemment, cn outre, la durée de contact du métal et du cylindre est déterminée à l'avance pour obtenir l'état requis du métal. Après le temps nécessaire désiré, le moule est ou- vert et le produit ust enlevé de cc moule, ce produit ayant des propriétés et des caractéristiques au moins égales à cel- les dus produits obtenus par certains procédés ordinaires et, dans beaucoup de cas, il a des qualités qui dépassent celles des produits antérieurs.
Il a été indiqué précédemment que l'appareil des fig. 1 et 2 pouvait être utilisé pour la fabrication de pou- dres à partir de la matière primitive. Il est évident que cela est également irai de l'appareil représenté sur les au-
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tres figures; pour ce dernier, il est simplement nécessaire d'éviter 1'notion do choc grâce à laquelle los particules sous- refroidies adhèrent les unes aux autres et de permettre aux dites particules de se déplacer sur une distance telle qu'el- les se solidifient individuellement pour former la poudre désirée constituée pnr de petites particules solides.
Les moules représentés sur le dessin pouvent être remplacés par des récipients convenables placés dans une position telle qu'ils reçoivent et qu'ils recueillent la poudre en question.
Dans les divers modes de réalisation d'appareils représentés sur le dessin, on a montré des moules qui sont susceptibles de donner des produits coulés individuels de forme prédéterminée. Toutefois, il doit être entendu qu'on peut utiliser des moules à partir desquels le produit est enlevé d'une façon continue, par exemple des coules ouverts aux extrémités peuvent être prévus pour la formation de ti- ges, de barres ou objets analogues, moules dans lesquels le produit est continuellement formé, à une extrémité, à partis de particules se choquant et est évacué à l'autre extrémité suivant une longueur continue du produit, pnr des rouleaux, galets ou autres organes analogues.
En outre, un dispositif susceptible de soumettre le courant de particules sous-refroidies à des forces de façonnage convenables à l'intérieur du moule peut être prévu, grnce à quoi des produits creux tels que des tubes peuvent être obtenus. Par exemple, un mandrin rotatif peut être placé au centre du moule tubulaire ouvert aux extrémi- tés et le courant de particules sous-refroidies peut être projeté dans le moule au voisinage de sa partie latérale.
Le courant de particules est en conséquence conformé et consolidé lorsque le mandrin tourne pour sc transformer en une pièce tubulaire correspondant à la partie annulaire pré-
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vue entre le moule et le mandrin; une longueur continue de tube peut être évacuée par l'extrémité ouverte du moule. Ce tube a une structure cristalline analogue à celle des produits auxquels il a été fait allusion ci-dessus.
Il est évident que de nombreuses autres modi- fications pourraient être apportées aux dispositifs décrits et représentés sans que l'économie générale de l'invention s'en trouve pour cela. altérée.
REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un produit à par- tir de mâtine fondue procédé caractérisé par le fait qu'on forme à partir de ladite matière fondue une pellicule mince de cette matière, qu'on la sous-refroidit à une température prédéterminée inférieure au point de solidification de la matière et qu'on façonne-un produit prédéterminé à partir de cette pellicule sous-refroidie.
2. Procédé tel que celui revendiqué sous 1) pour la fabrication d'un produit coulé de forme déterminée, procédé caractérisé par le fait qu'on soumet la pellicule sous-refroidie précitée à des actions de choc pour former ledit produit.
3. Procédé tel que celui revendiqué sous 2) et caractérisé par le fait qu'on donne à la pellicule en question une certaine vitesse, de façon que cette pelli- cule se transforme en particules de ladite matière sous- refroidie et par le fait qu'on soumet lesdites pellicules à des actions de choc pendant qu'elles se trouvent encore à une température inférieure au point de solidification, dans le but de former le produit considéré.
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PATENT OF INVENTION "Improvements to manufacturing processes for products from molten material"
The present invention relates to the manufacture of products derived from metallic or non-metallic molten material.
The object of the invention is the formation of metallic and non-metallic products of various kinds from materials which are subjected to controlled cooling or which are in a plastic state, but not in their normal molten state.
The invention also relates to the training
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such products having a fine, uniform and homogeneous primary crystal structure.
Most of the metal products obtained so far have come from molten metal which had been poured into an ingot mold, sand casting mold, die, or between forming rolls while this metal was in the state. liquid. As the temperature decreased, the molten metal went into a solid state, with the solid crystals forming first against the walls of the die or roll mold and propagating to the interior of the product, through the still liquid core, which gave the cast product a structure with three distinct zones with different characteristics, namely:
1 / an envelope or layer solidified at the periphery of the product, this layer being formed of small non-oriented crystals (that is to say arranged at random) and similar to threads or veins; the physical properties of this solidified and cooled layer are generally much better than those of other parts of the product and of the finished product after mechanical work; this is due to the fact that its chemical composition is homogeneous, free from separation or segregation and corresponds exactly to the composition of the molten metal, the latter being homogeneous in the furnace or in the ladle;
2 / a layer of long crystals in the form of columns (also called needles) oriented along the axis of crystal growth which is opposite to the direction of heat flow;
3 / a central zone of large crystals with equidistant axes.
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This heterogeneous crystal structure is further characterized by selective separation of alloy constituents and impurities, gas occlusions, shrinkage, cavities of various kinds as well as other known phenomena. under the general name of "ingotism". This ingotism is mainly due to the heterogeneous crystalline structure exhibited by all the metal products obtained ?! so far in the industry.
This common method of manufacturing metal products has a decisive influence on the physical and other properties and characteristics of industrial products either when they are cast or when they are mechanically worked, for example after forging, rolling, extrusion. or mechanical training, or when they have been thermally treated. It is generally accepted that this is due to the fact that the structure of the final product (or secondary structure) still retains some of the characteristics of its heterogeneous primitive crystal formation at the time of solidification of the molten metal or is affected by certain characteristics. of these characteristics, which has the effect of preventing obtaining the optimum theoretical properties.
The aim of metallurgy for years has been to obtain in metal products a truly homogeneous and uniform crystalline structure and to research safe procedures to obtain this structure.
Various recent researches in the crystallization of metals have shown that the unoriented crystal structure of the solidified layer of an ingot is due to the severe cooling (or sub-cooling) resulting from the contact of the molten material with the cold walls of the mold. , contact which practically creates a spontaneous crystallization free from any segregation or separation in the
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solidified layer in question; this crystallization or solidification causes the change of the oriented crystalline structure to a non-oriented crystalline structure, threads or veins.
The cross-section of the crystals in the solidified layer decreases as the rate of crystallization increases Generally speaking, the primary structure of any metal is controlled by the following two factors: a) the number of crystal nuclei per unit of weight and of time at a determined temperature; b) the rate of crystallization which depends on the rate of dissipation of the latent heat of fusion.
The term "subcooling" used above indicates a condition which arises when, at the defined temperature near or below the point of crystallization, equilibrium conditions are not reached, ie. that is, when the solid phase does not appear. Thus the metal is in a meta-stable state.
Research on subcooling of metals and alloys has shown that this condition can occur for certain metals subcooled to temperatures ranging from 0.1 to 0.3; for other metals such as gold, copper, bismuth, antimony, lead, tin, and a number of us-cooled alloys these temperatures can reach 30 to 45; thus all metals and alloys can be placed in a state of sub-cooling in which they largely retain the mobility of a liquid, although part of the solid phase can be precipitated, in this state. , metals and spandrels can flow into molds or dies and take their shape on their own.
To make clear the distinction between the molten state and the subcooled state above stated, we can say
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than the molten state. is that dl'1.tfq-he1 'the prop or molten ahiage is liquid and able to flow freely by gravity;
its total heat is the amount of heat needed to bring it to its melting point, plus the amount of heat needed that corresponds -'-, its heat of fusion, plus the amount of additional heat used as superheating in industrial processes , superheating which can range from a small number of degrees up to 100 and 1500 in the case of steel, special steel or other metals or alloys with a high melting point.
The state of under-cooling applied to metals or alloys, a state which it is proposed to establish and control, is a condition which results from the treatment of molten metal or alloy such as the latter is produced in industrial furnaces. current, in order to remove from this metal or alloy all its superheat of fusion and all its latent heat of fusion or most of its latent heat, in order to bring its temperature to either near its crystallization point, or slightly below for metals or alloys having a sufficiently large plasticity scale before the metal or alloy being treated is introduced, forced or pushed into a mold or into a die or cyentre lindres at a determined speed,
This subcooled slab or alloy fed into molds or dies or between rolls in this state still has a lot of the mobility of a liquid and, under the influence of the speed at which it is pushed, it will easily shape. of itself around castings or dies, The metal in question is further characterized by the fact that each of its smaller component particles already has a crystal nucleus which extends to some or all of each particle according to the size of the solid phase which has been precipitated
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and therefore depending on the degree of subcooling.
These subcooled particles entrained in a stream, in a mold or in a die will simultaneously conform to the contour of the mold or die to fill it or it and will in practice crystallize spontaneously from an infinite number. crystal nuclei throughout the mass of the product formed, which will create in said product a crista lline structure finite very small crystals not oriented (that is to say arranged at random) and similar to threads or veins, crystals which are distributed in a homogeneous and uniform fashion throughout the full extent of the solid metal product; this structure is completely different from the primary structure described above for the previous molten metals or alloys.
It follows from the above indicated researches made by various scholars that if a metal or alloy can be introduced or forced into a mold or die or between forming rolls while being subcooled, in such a way that it presents the maximum number of crystal nuclei per unit weight and at a temperature such that its latent heat of fusion has been partially or totally removed, that metal or alloy, when it flows and conforms by itself in the mold or die will spontaneously crystallize through, the entire mass of the finished product in a manner analogous to what occurs in spontaneous crystallization of the cooled and solidified layer of an ingot,
which has the effect of giving the whole mass of the product the same crystalline structure formed of small unoriented crystals similar to threads or veins and also of giving said product the optimum physical properties.
The Applicant observed the following:
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If a drop of liquid, either water, or oil, or molten metal ¯, falls on a surface, it will dissolve.
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quickly placing, /. Zubstiiice which is wetted by the liquid from each portion of the liquid drop, when it comes into contact with the rapidly moving surface, wets the surface and adheres to it; it elongates and is carried by the surface in question so that it forms a drag or an elongated film of uniform thickness and having two more or less parabolic ends, the shape, the width, the length and the thickness of this film or drag being determined by the relative speed of the falling drop and of the moving surface.
Further, in the case of a drop of molten metal, the elongation of this drop and its crystallization or solidification from a solid film or strip are substantially simultaneous. The process used to achieve the subcooling is taken from the foregoing observation, but instead of a drop of liquid being used it is a stream of molten metal such as it is obtained in industrial furnaces.
A stream of molten metal, pouring over a rapidly moving surface, which surface must be wetted by said metal, gives rise to certain determined phenomena. When such a stream of molten metal or any other molten substance flowing from a taphole or nozzle at normal casting temperatures which are used industrially and at a certain speed (determined by the height of the metal in the container, in the ladle or in the furnace which contains it or determined by pumps or mechanical valves which push the said current out of the container), is intercepted by a solid metallic or non-metallic surface, more froi-
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/ -own of,
free of moisture and moving at a uniform velocity greater than the flow velocity of molten metal, a continuous contact surface is created where the liquid and freely moving metal instantly conforms by itself to solid moving surface. This is what is referred to herein as the wetting action. Under these conditions, the molten or liquid metal is instantaneously and continuously removed from the main part of the liquid stream, being pushed from below said stream in the form of a layer which adheres to the moving surface.
This layer levels itself hydrostatically as it is carried across the stream of molten metal; said layer carries by itself as much molten metal or substance as it can attract under the action of its intrinsic forces of atomic attraction and molecular cohesion. Thus there is formed from the stream of molten metal a film or continuous layer of uniform section and thickness, which layer adheres to the movable solid surface and which is carried by it, surface to which the film or layer gives off heat from the moment contact is established with her.
The cross section of this layer of molten metal is regulated and determined directly by the following relation; cross-sectional area of the layer multiplied by the speed of the movable metal surface which carries it = cross-section of the stream of molten metal multiplied by its flow speed.
For example, if a stream of molten metal exits a rectangular slit (outlet end of a nozzle, for example) having 5 cm. wide by 1cm, 25 thick at a speed of 0m, 60 per second, flows and is deposited on a metal surface moving at a speed of 15 meters per second.
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second (ie twenty-five times faster), the layer of molten metal will have a section determined as follows:
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5 x 1.25 x 50; 0 7 2 25 and the thickness of the layer will be:
0 OM2 .25 = 0 cm e 05 Ocm SÓIJ!
All metals, alloys and molten substances, when they are in a liquid state and freely mobile (with the exception of certain substances or metals which have a very high surface tension such as mercury), will wet a metal surface. clean, drier and cooler and will adhere to that surface; they will thus be able to undergo an acceleration in order to be brought at the speed and in the direction of the movement of the metal surface in the above-indicated form of a layer or film.
The adhesive force considered has a considerable value because the wetting between the molten metal and the movable metal surface prevents the presence of air or gas between the molten metal and said film. In addition, the perfect contact due to this wetting given full freedom to the force of interatomic attraction to be exerted between the metal of the moving surface and the molten metal or alloy used. This force also has a very large value per square centimeter.
The above two factors, whether there are others or not, can easily be taken into account to consider that the movable metal section and the film of molten metal adhering to it act as a single composite section. moving at the same speed and in the same direction until the layer or film of molten metal has ceased to adhere completely as a result of the contraction due to solidification. Even after this loss of adhesion, the now solidified layer or film retains speed and direction
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primitives which have been communicated to it by the mobile metal surface.
Although the molten metal layer still adheres to the moving surface and is carried by it in intimate contact with said surface, at the speed of that surface and in its direction of movement, i.e. as forming in made of a single bi-metallic section, the heat exchange through the entire thickness of the molten metal layer and the moving solid surface is directly proportional to their respective thermal conductivities, to the transmission of heat from one to another and the duration of their contact. These coefficients of thermal conductivity are known properties of metals, alloys and many other substances.
It is therefore possible to mathematically determine and establish the elements of the manufacturing machines, so that any specific cooling is carried out exactly and so that the quantity of heat removed from the metal is absolutely regulated or molten substance in a layer or film.
From the foregoing, see that any determined amount of heat can be removed from any molten metal or film either to cool it slightly, or to sub-cool it to any desired degree, or again to solidify it completely so that the film can be used continuously when it reaches the desired temperature or subcooling state. This state, as indicated, results from time. and the determined length of contact with the moving surface;
the fully formed film or layer is continuously separated from the movable cooling surface at a precisely determined point after this layer has been extended over a length determined by
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contact with the surface in question. When the layer or film is removed, it is directed in a continuous fashion towards a mold (or a die) in which it is introduced and which is intended to receive it.
In this. which follows, it will be shown that such results can be achieved in accordance with the present invention.
When the metal film is to be subjected to reduced cooling (for example, when it is to be directed to complicated dies and struck at high speed for die-casting), a movable metal surface made of a metal having relatively conductivity is used. weak, such as steel; this surface can be oxidized, painted or covered with a non-metallic substance to further reduce its thermal conductivity and for / the interatomic force of adhesion of the layer of molten metal to said surface while the action of mooring.
The extent and duration of contact between the layer or film and the movable surface is controlled to ensure the removal of the exact amount of heat desired. Immediately as this operation takes place, the direction of this moving surface is abruptly and continuously changed. This forces the film to separate from the movable surface at the point indicated above and to maintain, during its movement, the original speed and direction of the movement communicated to it. In this state, it passes directly into the feed orifice of the die and strikes the cavity of this die at high speed.
When the layer or film is to be sub-cooled to a state such that it has the maximum number of crystal nuclei and its latent heat of fusion
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either for the most part or totally removed, a clean, dry metal surface is used to ensure perfect adhesion, wetting and contact of the metal film and to quickly remove the amount of heat from the film in question. The exact amount of heat to be removed from the metal film or layer to bring it to the above stated state of subcooling
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sement is calculated and d (; t:;: r '"llin', w nl <1thematically; it is the same for the exact length of contact with the moving metal surface.
Taking into consideration all the necessary factors, the machine is set up in such a way that the moving surface forms the metal layer to the exact length required and carries this layer, so that immediately afterwards, the direction of movement. of the moving surface is changed abruptly and continuously to create a sufficient force intended to separate the metallic layer and the moving surface and to maintain the metallic layer, during its displacement, in the direction and speed which it has acquired, in the purpose of filling the mold or die or so that the film is forced to move without being supported in the same direction and at the same speed after it leaves the support surface.
Alternatively, the sub-cooled metal layer can be lifted or otherwise separated from the cooling surface by a mechanical device and directed towards the mold or the die. The layer or film may also be combined and secured with another sub-cooled layer or film formed in a similar fashion, the composite layer being forced to continue to move in the direction and speed acquired, in order to fill. molds or dies.
These results can easily be obtained since, as noted,
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when the metal layer reaches the above-indicated subcooling state, in which the solid phase is partially or totally precipitated, the adhesion force to the moving metal surface is proportionally so reduced that the layer practically separates itself from the surface; as a result, a change in direction of this surface results in a clean, collared separation. It should be noted that this layer or film still has the original homogeneous composition of the molten metal without segregation. Only heat has been removed from this molten metal to create this subcooling state.
There is a uniform distribution of crystal nuclei throughout the mass and no change whatsoever has been made or has occurred in its original chemical composition as a result of the lack of contact with other elements or the action of these other elements likely to react chemically with the layer considered. Therefore, the products formed from this layer when it fills molds or dies and spontaneously crystallizes will have all the advantages of the homogeneous primitive chemical composition of the molten metal combined with a uniform crystalline structure free from segregation. .
The above-described formation of the stream of metal or other molten substance transformed into a film or thin film, the sub-cooling of this layer and the impact thereof in the molds or dies without any contact with air. or gases or without contamination by this air or these gases present industrial advantages extremely important and long cherished, but which had not hitherto been obtained to the knowledge of the applicant.
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The operations can be carried out very quickly and are directly applicable to the treatment of the material leaving the factual smelting furnaces at the rate at which the molten metal produced can be disposed of, thereby making it possible to maintain the controlled composition and fluidity of said metal. for example, the nominal current from a ladle containing steel as it is currently cast in large-sized ingot molds at speeds varying from 500 to 1500 kg per minute can, as has been indicated above, be turned into a film and be sub-cooled. a constant and determined temperature before this film is directed into the molds.
The necessary equipment is relatively simple and inexpensive, and consumes an insignificant amount of energy. In many cases, the overall operation represents real savings, as the heat from the molten metal film can be easily recovered.
The present invention differs from previous processes which involved the continuous fusing of threads or the like in an oxy-acetylene or oxyhydrogen flame and the atomization of this product by a stream of air under high pressure. The invention is also distinguished from methods in which a small stream of metal at low temperature is atomized by a stream of air or gas under high pressure and is directed to a receiving plate or die. Neither of these processes makes it possible to use molten metals from large industrial furnaces at the usual speed available for these metals.
In addition, the amount of air or gas under high pressure which is necessary for atomization is very expensive per kilog of atomized metal; moreover, the metal
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thus atomized is inevitably oxidized or chemically contaminated. cally. This results in an alteration or deterioration of such magnitude that the resulting solid atomized product or coating has no real resemblance in its appearance or in its properties to the solid wire or liquid metal from it. from which it was obtained.
In accordance with the characteristics of the invention, it is not difficult in industrial applications to make the movable metal surface of a metal such and having a length such that the temperature of the metal section and of a movable used for cooling does not exceed not a temperature thickness of about 260 or any sufficiently high temperature which may cause distortion, deformation or deterioration of the surface of the cooling metal used. In this regard, the control factors or desiderata are likely to be determined in a precise manner or to be calculated mathematically in an exact manner.
Further, since only a limited and defined length of this metal cooling section comes into contact with a molten metal film having a selected desired thickness, this cooling section can be cooled continuously by air, water, etc. water, mercury or some other cooling medium after the metal film has been separated from this section and it can thus be returned to its original temperature before it receives molten metal again.
In this way, constant temperature conditions are ensured for cooling the molten metal stream and a truly continuous operation is achieved.
Most metals and alloys in the molten state contain dissolved or occluded gases which are released when the solid phase precipitates and the metal solidifies.
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in a mold. Some of these gases are enclosed within the solidified metal products in the form of gas bubbles or pockets which are extremely harmful.
In accordance with the invention, all or substantially all of these gases are free to escape, as they are released and removed while the metal film which adheres to the moving surface cools rapidly. precipitate before the sub-cooled film is directed into a mold or die, the products formed from the co-metal or this sub-cooled alloy are gas-free.
When the stream of molten metal from a ladle or furnace is subcooled before it is directed into a mold, spontaneous crystallization can be caused throughout the bulk of the molded product. rio3ron effective in determining from the physical point of view, in the solid product formed, a uniform dimension of the grains. Some variations can be obtained in the cross-sectional area of uniform crystals formed by varying and adjusting the amount and temperature of the subcooling.
All of the foregoing applies equally effectively to non-metallic or organic substances in the molten state such as molten glass, molten rock and the like, the invention not being limited to metals in any way. alloys.
The present invention makes possible the industrial production and use of the novel and special primary crystal structure which is given to metal products according to said invention. This new primary structure which has a high resistance and which has improved physical properties is obtained without labor
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mechanical or without heat treatment;
it is characterized by small unoriented crystals (that is to say, arranged at random), similar with threads or veins, of substantially identical cut and size and distributed in a homogeneous and uniform manner. Throughout the entire mass and in each part of the solid product, the invention also makes it possible to ensure chemical uniformity throughout the entire mass of the product and to obtain improved physical properties free of any orientation effect;
these qualities are due to. fact that the invention makes it possible to avoid the faults generally inherent in a primary ingot or in a molded part, faults such as separation or. segregation, the non-uniform chemical composition, the concentration of impurities and soils at the border of the crystals in the form of columns, the formation of cavities or passages, the oc- clusions of gases and the like defects and also the il, 1- gnos d ' flow which are formed as a result of mechanical working and crushing of large crystals, this special new primary structure retains most of the above characteristics after mechanical working such as rolling, forging and extrusion and / or
after heat treatment, this new structure lends itself more easily than the structure of the products prior to these operations owing to its uniformity and giving the product thus worked or treated a different distinguishing structure of glue from similar products drawing their origin of an ingot or other molten metal cast in the usual way. In addition, the cooling and solidification effect due. to the walls of the mold (occurring when molten metal is poured into a mold), the formation of the subsequent cooled and solidified layer and the distinct zones of crystallization are suppressed in the products
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made from sub-cooled metal or alloy.
The invention also makes it possible to obtain a novel crystal structure in alloys and more particularly in alloys with a high content or components of the alloy such as, for example, high speed tool steel and steel. stainless. In these alloys, as cast and in the molten state either for sand casting or in ingots, selective solidification of the component metals inevitably occurs within the columnar crystals and. with equidistant axes which form.
When this occurs, this selective solidification gives the crystals a more heterogeneous chemical composition with segregation or separation of certain components and impurities at the edge of the crystals, which considerably reduces the particular inherent properties of these alloys, properties in particular. reasons for which their usae have developed, such as corrosion resistance, acid resistance, abrasion resistance, hardenability and cutting ability, and other physical properties.
By the effect of the sub-cooling of the molten alloy to the point where it crystallizes spontaneously through the entire mass of the solid product formed, sub-cooling which constitutes one of the essential characteristics of the present invention, the homogeneous composition The initial strength of the alloy in the molten state is completely maintained in each of the small crystals formed and this composition is still maintained after mechanical work and heat treatment.
This entirely new and different glue crystal structure of other products greatly increases the known intrinsic properties of these alloys and widens the field of their applications.
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By forcing a stream of molten metal to strike on a rapidly rotating cooled disc or plate and to remove said stream at the periphery out of contact with air or into a special atmosphere, the sub-cooled plastic film is forced thus formed to break up into fine uniform particles of the same size, shape and composition, these particles moving unsupported,
in the same direction and at the same speed and colliding with each other in a mold. If the mold is removed or the particles are forced to move a greater distance or through a solid powdery cooling product, products of any desired composition are obtained which can be used in metal metallurgy. powder products and for other applications.
In order for the invention to be fully understood, it will now be described with reference to the appended drawing in which:
FIG. 1 is a plan view from above of a rotating atomizing disc and part of a fixed circular receiving mold;
Fig. 2 is a vertical section of the rotary atomizer and of the mold shown in FIG. 1, as well as the receptacle bringing the molten metal to the atomizing disc;
Fig. 3 is a vertical section through an inclined atomizing disc associated with a different mold which may be fixed or rotating and which is intended to receive the atomized particles in a spiral jet;
Fig. 4 is a section through a product obtained with the machine shown in FIG. 3
Fig. 5 is a vertical section through the atomizer disc shown in FIG. 1 and showing the jets or the
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atomized metal rain in a rotating mold for shaped tools;
Fig. 6 is a cross section of a shaped tool formed from two layers of metal; Fig. 7 is a cross section of a shaped tool formed from three layers of steel;
Fig. 8 is a vertical section with part in elevation of an apparatus for molding or pressure bonding individual products from a split and recombined cost of molten metal or other molten material;
Fig. 9 is a vertical section, with part in elevation, of an apparatus similar to that shown in FIG. 8, but in which the die-cast or die-cast product is obtained from a single stream of molten metal or other molten material.
Referring to Figs, 1 and 2, it can be seen that the molten metal 14 placed in the container 13 flows through a series of orifices 15, the number, size and shape of which have an influence on the degree of subcooling. longed for. This molten metal comes into contact with a rotating disc 1 along a circumferential line 2 (fig. 1), this part of the disc already having a considerable peripheral speed which prevents the molten metal from adhering to the atomizing disc or from falling. the; burn, which would likely occur if the metal came in contact with the center of the disc.
The atomizer disc 1 is formed of two parts, an upper part 6 and a lower part 7 separated from each other so that there is formed between them a space 8 in which a cooling fluid such as water can to be lead to. The water or the cooling fluid is brought to the receiving space 8 by a pipe 9 arranged at
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the interior of a shaft 91 on which the disk is mounted and leaves the space 8 through a passage 92 provided in the shaft between the fixed water pipe 9 and the axial bore 93 of the shaft.
The flow of water maintains the atomizing disc at a substantially constant temperature because it absorbs the heat which has been imparted to the disc by the molten metal.
The atomizer disc 1 can rotate in a ball bearing 10 and other suitable bearings (not shown) and is driven at a high rotational speed by a suitable device not shown which is associated with the shaft 91. The molten metal falling on the rotating disc along the circular line 2 forms a film or layer which extends outwardly on the surface of the upper part 6 of the disc from line 2 to the periphery of the disc; the metal in this layer or film state loses heat on contact with the cooled surface of the disc and is sub-cooled.
The layer or film of metal thus sub-cooled, when it leaves the periphery of the disc, breaks up and turns into a fine shower of atomized particles which are carried away at a high speed in a direction which is precisely located. at 90 relative to the axis of rotation of the disc. The metal particles moving in the form of rain or do, jet and at a high speed enter the fixed circular mold 16 'through a circular slit 18 which lies exactly in the path of movement of the particles. These particles are solidified and are joined to each other by contact or impact with each other in the mold and they fill the cavity 4 of the mold.
In the embodiment shown in Figs, 1 and 2, the quantity of molten metal sufficient to fill the mold cavity is poured into the container 13.
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When: all the molten metal has been atomized and spread by rain or jet, the upper part 16 of the mold 16 'is lifted to be separated from the lower part 17. The cast product, which may have the shape of a circular element forming one piece or be in the form of two or more sections (three have been shown in Fig. 1), because the separating pieces 5 are clamped in the mold, is separated from the part 17.
The molding (for the sections thereof) may have a molded rib on the object, this rib corresponding to the feed slot, if excess metal has been poured; but since the font, a width of order! only one hundredth of a millimeter or even less, this rib can be easily broken or cut and the sections can be straightened if necessary in straightening cylinders. The plates 11 and 12 placed on the parts 16 and 17 of the mold complete the closing of the space in which the disc rotates, the air not being admitted into this space during the casting of the molten metal.
In this way, the atomized particles, while being entrained at high speed as a jet or a rain from the disc and towards the mold cavity, are not subjected to possible oxidation; Further, preferably, the air which is in the vicinity of the disc is sucked by means of a pipe 19 so that the sub-cooling, the atomization and the shock or contact are carried out under vacuum. If desired, hydrogen, a mixture of hydrogen and nitrogen, lighting gas or gas known in the United States as "blue gas" can be forced. in the space adjacent to the disc and in the mold cavity, such gases are beneficial to the metal which is divided into droplets and molded.
The subcooling of the metal, the size of the atomized particles and the speed at which the particles
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are driven can be adjusted at will. The flow of molten metal from the vessel 13 depends on the number and area of the cross sections of the orifices 15 and can be achieved, as to the size and number of the outlet jets, so that from 25 to 50 kg of molten metal per minute.
When using a rotating disc having an outer diameter of 30 cm., The molten metal can fall on the circular line 2 of the upper part 6, which circular line whose diameter can vary by 5 cm. at
25 cm., Which has the effect of varying the time during which the film or layer of molten metal in movement is in contact with the upper surface of the disc 1, The temperature of the surface 6 of the disc can be adjusted by variation of water flow through 1 gap 8 and it can be kept low or around 150.
The speed of the rotating disc can vary in practice from 800 revolutions to 6000 revolutions per minute; the higher the speed, the thinner the film formed and the smaller the particle sizes of the molten metal sprayed or split from the disc and the greater the velocity and impact energy of these particles as well. .
Thanks to these different settings, the grain size of the metal produced can be determined and products with greater density and greater strength can be obtained than current industrial products.
Further, if the flow of molten metal from the vessel is reduced and the length of its travel over the surface of the disc is increased, the metal is sub-cooled, i.e. that it is cooled to a temperature below its solidification point and the film then breaks into particles already partly or entirely solid; these
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The particles, by virtue of their speed, unite with each other by impact or contact to form a solid but sppngious product with uniform voids between the particles.
If, for example, the sub-cooled solid particles do not collide and shock each other at a short distance after they have left the spinning disc to force a solid product, but if they are lets move over a distance of several meters before they strike against the walls of the chamber, they do; its not collide with each other, but are collected as a powder.
Depending on the speed that is used and the degree of subcooling, these particles can be formed into granules of any desired weight, or be in the form of a fine metal powder, the former being suitable for use. for metallic fittings and the second for the manufacture of metallic paint or for 1 (use in the metallurgy of powder products, This shower of sub-cooled atomized particles, as shown in fig. 2, being obtained either in an airtight chamber or space, or under vacuum, or in a chamber filled with an inert gas, the granules or particles are not subjected to oxidation.
In addition, a special gas can be used, such as ammonia gas, which dissociates under the effect of 1; heat of the particles and, when steel or other alloy which can be nitrided, is used, the granules or particles take on a hard, nitrided surface which is useful for various industrial applications.
The apparatus shown allows the treatment of low melting point metals or alloys, as well as
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metals or. high melting point alloys, the flow, subcooling and automation conditions are adjusted to suit the various alloying metals. It should further be noted that practically no part of molten metal is lost, for example in the upper parts of the cast products, in the parts containing shrinkages or cavities or in the parts corresponding to the casting jets, parts which, in the solid products formed previously, had to be cut.
Fig. 3 shows a rotating atomizer disc used in connection with a billet or like product mold; but in this example the disc, instead of being placed at 90 with respect to the axis of the shaft which makes it rotate, is placed in a direction inclined with respect to this shaft, the importance of the inclination depending of the height of the billet or of the similar product which must be made in the mold 20, 21, the mold of which the cavity is in plane perpendicular to the shaft. In this arrangement, the jet or the rain of metal when it leaves the rotating disc 1 moves in a straight line,
as indicated by the arrows. exactly 90 from the axis of rotation of the shaft to form the section of the billet or the like by uniform distribution of the particles in a helical path over the entire height or width of the product formed. The mold parts 20 and 21 are stationary or can rotate at low speed. The billets thus formed have satisfactory surfaces, have a uniform structure, are free from shrinkages or cavities formed by contraction and are ready for removal.
In fig. 4, there is shown a section of a molded product or part as obtained by pouring successively into the container 13 of the. fig. 1 first a
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certain type of metal (for example incior stainless 24), then another type of metal 25 () it as low carbon steel) and finally new stainless steel 24 if desired , so that a billet or the like is formed in the mold of FIG.
3, the weak billet having a core 25 of carbon steel and faces 24 of stainless steel, the couchus being perfectly bonded to each other due to the impact speed, without there being any impurity, slag or oxide. the place of the junction of the different layers. This operation can be realism as has been shown in FIGS. 1 and 2 in a closed space or under vacuum or in an atmosphere of useful gases.
Of the. Likewise, copper coated billets or the like having a thin layer of copper tightly bonded to a steel core and various kinds of bi-metallic billets or the like can be obtained. In each case, the joint between the separate metals or alloys is free from gas, oxide and other impurities; furthermore, the products can be rolled or forged without any breakage or separation occurring at the junction points of the separate metals.
Fig. 5 shows the same rotating disc and the same casting vessel as those which have been shown in FIGS. 1 and 2, but the Rtomized jet is received in a mold 27, 28 which also rotates under the action of a pulley 32, the direction of rotation being the same as that of the rotating disc or being the reverse of the direction of rotation. rotation of this disk. The mold 27, 28 comprises cavities whose chncune corruspond to the shape of the tools or to the product formed by two or more of these cavities receiving the jet coming from the rotating disc.
When making cutting tools from two layers of steel,
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a high speed steel of any type of composition used in industry is first poured into the receptacle 13, this steel being transformed into a sub-cooled and atomized film, the particles of which, when they reach the cavities of the mold: and due to the rotation of the mold 27-28, form a layer 35 parallel to the axis of rotation of the mold, Then a special, tenane, resistant steel, such as chrome-nickel steel or chrome-vanadium steel , is poured into @cipient 13 and is equal (.nient subcooled and atomized cot, 1 ('::
'01' blasts into a layer 36 adhering to the high speed steel layer 35 until the tool cavities provided in the mold are filled. The second steel is poured into the container before the high speed steel has been completely evinced, so that the parts of the two kinds of steel are mixed at the place of the junction of one layer with the other over a thickness. of the order of one millimeter; in this way the two hundredths are linked in such an inseparable way that they cannot be separated by any mechanical device.
To vessel 13 can be attached another vessel 26 into which finely pulverized material such as diamond powder or metal carbides can be introduced at the same time as the high speed steel is poured, so that the powdery material is carried over the film of molten metal and is uniformly dispersed in this film. When the metal breaks and forms a rain or jet, the atomized metal particles and the powdered carbides are both entrained together into the layer formed in the rotating die or rotating mold.
A tool is thus obtained comprising hard particles uniformly dispersed in a mass either of high speed steel or of any other metal of the bond such as cobalt,
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nickel or bronze with high resistance. In the container 26 can be poured a molten nutre metal, for example lead and in the container 13 can be poured bronze, so that a greater quantity of lead can be dispersed in the form of finely divided particles. through the bronze constituting the base metal, in order to improve the properties of the bronze intended to form the bearings or supports. Finely pulverized graphite can be used for the same purpose and dispersed through the base metal.
In the above, we have described some of the products which can be obtained by forming said products by means of sub-cooled atomized particles, instead of starting from a molten metal cast in a mold.
Cutters of all kinds, drills, drills, circular saws and other tools can be shaped in the same way and have on their outer surface a special hard cutting steel or an abrasion resistant alloy and a core made of a tough, tough steel or other metal disposed within. Further, as in ordinary die-casting machines, insertions of metallic or other materials can be made in the dies to form a part of the casting after which the metallic particles have consolidated under the action of the casting. force of shock.
Fig. 6 shows a shaping tool, brought to the grinding dimension ut formed of a high speed steel layer 35 containing or not containing carbides or diamond powder dispersed in said layer and a strong steel layer 36 to support the. tool.
Fig. 7 shows a bar for helical wicks, this bar having a central layer 37 ounces / sectors
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high speed steel or <, lutre cutting material and two sixEsAxxsx / 38
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made of heavy-duty steel that prevents the bit from breaking.
Fig. 8 shows a modified embodiment of a cooling and shock machine in which the cooling surfaces used are the faces of two water-cooled rotating cylinders. The main frame 51 supports two fixed shafts 52 and 53 around which the calipers 54 and 55 can rotate. In the end 56 of the caliper 54 is supported a ring 57 cooled by water, this ring being connected by hollow arms 58 and 59 to a hub 60, the ends of which are in the form of a hollow shaft 61 are supported in bearings 62 that the caliper 54 has. This shaft 61 extends outside the caliper 54, the extension being free to oscillate in the notch 63 presented by the main frame 51.
A toothed wheel 64 is keyed or otherwise secured to the extended end of shaft 61; this toothed wheel has the same diametrical pitch that approximately the same diametral pitch as the. cylindrical face 57a of the ring 57. When the ring 57 and the toothed wheel 64 are in the operating position as shown, the toothed wheel 64 meshes with the toothed wheel 65 of a variable speed command device which gives it is associated and which has not been represented. Thus, the ring 57 will rotate in the appropriate direction and at any selected and desired peripheral speed.
Water or other coolant is supplied through the hollow arms 58 to the jacketed portion of the ring 57, the flow is limited by partitions 66 and 67 and the water is supplied through conduits 68 and 69 in each arm 59.
The coolant is thus returned to the shaft 61 which has water inlet fittings at one end and water outlet fittings at the other end, which allows circulation. keep on going
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water or other coolant,
Likewise, in the end 70 of the caliper 55 is supported a cooled ring 71; by water ot connected by hollow arms 72 and 73 to a means 74 whose ends have the shape of a hollow shaft 75 ct are supported sides of the bearings 76 presented by the caliper 55. This shaft 75 is supported. extends outside the bracket 55, the extension being free to oscillate in the notch 77 presented by the main frame 51.
On the extended end of the shaft 75 is keyed or otherwise secured a toothed wheel 78 having the same diametric pitch or approximately the same diameter as the cylindrical face 79 of the ring 71. When this - The ring 71 and the toothed wheel 79 are in their operating position, as has been shown, the toothed wheel 78 meshed with the toothed wheel 64, the rotation of which will cause it. the rotation of the peripheral face 79 of the ring 71 in the opposite direction to that of the movement of the peripheral face
57a of the ring 57, but at the. same speed. The ring 71 is cooled by circulating water in the same way as that which has. been described in connection with the ring 57.
The stirrups
54 and 55 each have an extended arm 54a and 55a, respectively, as shown. A rod 80, the lower part of which supports a plate 80a, is fixed to each of these arms. 81 grooved weights rest on the plates
80a and can be adjusted so that they balance the weight of the calipers 54 and 55, the rings 57 and 71 and the gears under a positively regulated change.
The width of the peripheral face 79 of the bàgue
71 and the peripheral face 57a of the ring 57 is suitably chosen in each case according to the width of the metallic film which is desired. The thickness of these cylindrical facos and the material of which they are made (for
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example steel, cast iron,
copper or other highly conductive metals from the point of view are chosen and determined in such a way that a determined quantity of heat is removed from the pollicles of the various metals or molten substances of various thicknesses which are to be formed on said faces and worn by them to achieve adjustable contact lengths and determined by the factors which have been indicated above. As previously stated, the surface condition of the aforementioned parts 79 and 57a can be selected such that it appropriately affects the rate of heat transfer from the molten metal film. depending on the results desired in any given case.
The diameter of the rings 57 and 71 is chosen large enough so that the heat transmitted to any portion of the faces 57 and
79 is dissipated from this portion by the cooling system before the portion in question again receives molten metal,
A container 82 is placed above the sort of pocket formed between the rings 57 and 71, this container being, carried by supports 83 forming part of the frame 51. This container is intended to receive molten metal or a other molten substance from a melting furnace or a ladle, not shown; co-receipt is intended to maintain a molten material supply for the operation of the machine.
It may include a valve 84 actuated by a gooseneck and control lever of known construction, which makes it possible to open and close the pouring orifice or nozzle 85, Thus, a continuous stream of molten material can be discharged by ln nozzle 25 or quantities of metal. fades that can be successively adjusted can be discharged intermittently.
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Under the receptacle 82, there is provided a casting 86 forming a distribution chamber having the shape of a. rectangular channel formed. This chamber is wider than the faces of the rings 57 and 71 and it comprises soft faces arranged opposite these rings and which are machined in a complementary manner with respect to the faces of the rings in question.
A slit is provided in the middle of the chamber 86, this cast corresponding to a maximum width of the film which must be forced by the machine, but being narrower than the width of the faces 57a and 9, so that the edges of the film are made. .... leaving a sufficient surface to bear against the ends of the rings to ensure a perfectly airtight seal between the part 86 and the faces of the aforementioned rings when these rings rotate.
Thanks to this arrangement, an opening of dimensions is formed between the faces of the aforementioned rings at the place of their points of contact. Grooved or scalloped side parts 87 are provided in the casting 86, these side parts serving to enclose or retain in place a side trim, which has the effect of still tightly forming the back edges. rings 57 and 71. Inside the molded part 86 is provided a core casting 88 which forms a rectangular chamber having two slits 89 and 90 of selected length and width.
The metal stream 91 exiting the nozzle 85 flows through the rectangular chamber which is preferably lined with refractory material; this current is divided into two equal currents which are evacuated through the aforementioned slots 89 and 90. Each of these two currents comes into contact with one of the faces 57a or 79, conforms of itself to said surface and is carried by it in the form of a separate film 92 or 93 the dimensions of which correspond
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to the feed slots 89 and 90.
The two films or layers move at the same speed over a determined length of contact with the cooling cylindrical faces, this length having been previously calculated and then being obtained by appropriate adjustment of the positions of the feed slots 89 and 90, from , allows the necessary amount of heat to be removed from the films or layers to / through. When the predetermined length has been reached, when this point is reached, the distinct soft films are brought together or joined together to form a single recombinant film or strip 94.
This can be achieved by adjusting the spacing between the faces 57a and 79 of the rings so that this spacing is equal to the total thickness of the soft films. The further displacement of the joined film takes place along a straight vertical line, as seen in FIG. 8.
The film 94 moves in the direction indicated through a lower chamber or channel 94a where it is absolutely shielded from contact with air and where it does not rub against the walls of said channel; consequently, it attacks in an unbroken, undivided and oxidized form the feed opening of a mold or of a die 95 to strike the contour of the cavities or indentations 96 of this mold or of this die and to conform by itself, under the action of its speed of movement, around said cavities or indentations.
A pipe 97 terminates at the space 98 to suck the air contained therein in order to carry out the entire operation under vacuum or to circulate or introduce gases of different compositions into the space in question when wishes to act in a special atmosphere to develop a desired chemical reaction with the film or films of molten metal,
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Although the mold or die 95 may be of any suitable shape and construction, there is shown in the drawing a two-part leaking mold or die, each of which is connected by a rod 99 to a pneumatically operated piston 100 or hydraulic.
The matrix has
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core plates 101 and ejection plates 102 It should be noted, however, that other types of molds or dies can be used with the machine described; for example ingots, sand molds or continuous molds. The machine shown in Fig. 8 may be set up to such dimensions and capacity such that a thick film obtained by joining is formed, cooled and run at a relatively low speed in a mold, or said machine may be set up. in dimensions such that it withstands the high peripheral speeds of the cylindrical faces to form soft extremely thin films
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faentene of the order of one x of ¯ millimeter to spill and to entrain the formed film:
by combining the two aforementioned films, in die or mold cavities without there being, under the effect of friction, loss of speed, the speeds thus obtained being speeds which could not reach up to here be made in current die-casting machines. The die-cast products or other products are further characterized by the fact that their entire mass exhibits the new desirable primary structure which has been described above.
In fig. 9 there is shown a modified embodiment of an apparatus which in some respects is generally similar to the apparatus of FIG. 8 and which is intended to form intermittently from a single stream of molten material a succession of molded or die-cast products. On said fig. 9,
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the numeral 117 designates a container for the molten metal or other molten material, which container may be made of any suitable material capable of withstanding the temperature of the molten substance 118 which it contains.
This container 117 is provided with a cover 119 having, on one side. a charging opening 120 by means of which metal melts to be introduced into the receptacle from a f @ furnace, a ladle or other similar apparatus not shown or by means of which metal can be introduced in the solid state.
It should be noted that the container 117 is surrounded by a molded part 121 placed at a certain distance from the container 117 and having a general shape similar to that of the container itself; a chamber 122 is thus formed between the container 117 and the molded part 121. Hot gases can circulate in this chamber for the purpose of keeping the material contained in the container in the molten state or for the purpose of melting. this material if it is a low melting point material such as lead, zinc, aluminum or their alloys.
This melting or maintaining in the state of fusion can be obtained by means of one or more burners 123 of any suitable type, burners which are supplied with gas or any other suitable fuel for the purpose of keep chamber 122 filled with hot combustion gases, an outlet flue being provided at 124.
At the bottom of the receptacle 117 is provided an opening 125 in which is placed an unloading tube 126, the passage of which widens towards the upper end at 128 to form a seat for the lower part of the valve 129. This latter is fixed to a plate 130 and descends from this plate which is supported by a vertical part 131, which is associated with the casting 121 in such a way that
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the parts 130 and 131, and therefore the valve, can be raised and lowered dr'ns read aim to open and .do respectively close the orifice provided at the bottom of the container.
The raising and lowering can be accomplished in any suitable manner, for example by the use of a rod 132 attached at one end to a plate 130 and acting in a piston cylinder, in a dnsh-pot or in a solenoid 133.
The casting 121 forms part, as indicated, of the main casting 134 on which the apparatus is mounted,
From the lower portion of the casting 121 extends downwardly a slightly arched tubular casting 135; this part comprises a continuous side wall 136 and a discontinuous side wall 137, the interrupted surfaces of the latter being formed in an arc of a circle and thus forming support surfaces for a purpose which will be indicated by the. following, these support surfaces being kept lubricated by. any suitable way.
Associated with the lower end of this arched molded part 135 is a suitable mold or die 138 which may be of any suitable desired shape, this mold (or die) not in itself forming part of the invention. - tion. Said mold (or said die) is formed in two parts having the desired grooves or contours inside so that when the two parts are assembled, the grooves or recesses in question define the shape of the product to be manufactured. .
On the main molded part 135 is mounted a relatively large cylinder 139, this cylinder being provided with circular edges 140. This cylinder is driven by an eccentric shaft 141 provided with a pulley 14a. A small sprocket wheel or disc 142 is provided with a pulley 143 and is belt driven to chain 144. As a result of this arrangement, cylinder 139 can oscillate around the shaft.
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41 to come to the position indicated in dotted lines at 139a. The part 142 at the same time moves to the position indicated in dotted lines at 142. In these positions the machine is inoperative, but it can be easily put into action again if the various parts are returned to their indicated position. in solid lines.
In the positions shown in dotted lines, repairs or adjustments can be made if necessary or the machine can simply remain at rest.
A cylinder 145 in which a piston provided with a rod 146 acts serves to move the disc 142 to position 142a and vice versa. For each position of the disc 142, the flanged cylinder 139 has a corresponding position. A roller, toothed wheel, or the like 147 ′ is provided at the end of piston rod 146 to provide control.
Since the apparatus operates intermittently or discontinuously, it is advantageous that the disc 142 and the flanged cylinder 139 are in the home position from which they can be quickly and easily returned to the working position. as the material 118 flows through the apparatus to produce a film or layer 147.
When the apparatus shown in FIG. In operation, molten material is charged into vessel 117 and the temperature of this material is kept high enough to remain in the molten state. The rimmed cylinder 139 is then moved to the position indicated in solid lines, a position in which this cylinder closes the discontinuous part 137 of the molded part 135;
the cylinder then rotates counterclockwise at a suitable speed. At this point, the valve 129 is lifted for a period of time sufficient to allow a sufficient amount of molten material to be discharged from the tube.
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126 to fill the mold or die 138, this quantity being already known or having been calculated previously, as it is easy to understand from the description which has been given in connection with FIG. 8. The valve is then lowered to close the orifice after the desired amount of molten material has been discharged.
When the molten material leaves the tube 126, it is intercepted by the metal surface of the flanged cylinder 139 and it immediately undergoes an acceleration to take the speed of this cylinder, during this time the metal takes a film-like shape and becomes plastic or semi-solid to a sufficient degree so that it can be neatly and cleanly separated from the cylinder as shown and so that it can move at the speed that it has acquired and in the direction it has taken to the cavities of the mold or die where, under the action of its impact force, a molded or die-cast product is formed,
product which has the cooled and solidified primary structure and uniform composition as previously described. As explained above, furthermore, the contact time of the metal and the cylinder is determined in advance to obtain the required state of the metal. After the required time desired, the mold is opened and the product is removed from this mold, this product having properties and characteristics at least equal to those of the products obtained by certain ordinary processes and, in many cases, it has qualities which exceed those of previous products.
It was previously indicated that the apparatus of FIGS. 1 and 2 could be used for the manufacture of powders from the original material. It is evident that this is also true of the apparatus shown in the
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very figures; for the latter it is simply necessary to avoid the notion of shock by which the subcooled particles adhere to each other and to allow said particles to move such a distance that they solidify individually. to form the desired powder consisting of small solid particles.
The molds shown in the drawing can be replaced by suitable containers placed in a position such that they receive and collect the powder in question.
In the various embodiments of apparatus shown in the drawing, molds have been shown which are capable of yielding individual cast products of predetermined shape. However, it should be understood that one can use molds from which the product is continuously removed, for example open end castings can be provided for the formation of rods, bars or the like, molds in which the product is continuously formed, at one end, from impacting particles and is discharged at the other end along a continuous length of the product, by rollers, rollers or other similar members.
Further, a device capable of subjecting the stream of sub-cooled particles to suitable shaping forces inside the mold can be provided, whereby hollow products such as tubes can be obtained. For example, a rotating mandrel can be placed in the center of the tubular mold open at the ends and the stream of subcooled particles can be projected into the mold in the vicinity of its side portion.
The particle stream is accordingly shaped and consolidated as the mandrel rotates to transform into a tubular part corresponding to the pre-annular portion.
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view between the mold and the mandrel; a continuous length of tube can be discharged through the open end of the mold. This tube has a crystal structure analogous to that of the products alluded to above.
It is obvious that many other modifications could be made to the devices described and shown without the general economy of the invention being the result. altered.
CLAIMS
1. Process for manufacturing a product from molten mastine process characterized in that from said molten material a thin film of this material is formed, that it is sub-cooled to a predetermined lower temperature. at the point of solidification of the material and that a predetermined product is formed from this sub-cooled film.
2. Method such as that claimed under 1) for the manufacture of a cast product of determined shape, characterized in that the aforementioned sub-cooled film is subjected to impact actions to form said product.
3. Method such as that claimed under 2) and characterized by the fact that the film in question is given a certain speed, so that this film is transformed into particles of said sub-cooled material and by the fact that 'said films are subjected to impact actions while they are still at a temperature below the solidification point, in order to form the product under consideration.
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