CA1186533A - Procede de fabrication d'alliages composites a base d'aluminium et de bore et son application - Google Patents
Procede de fabrication d'alliages composites a base d'aluminium et de bore et son applicationInfo
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'alliages composites à base d'aluminium allié ou non et contenant jusqu'à 30% de bore en poids. Ce procédé est caractérisé en ce que le bore est introduit dans l'aluminium liquide sous forme de borure d'aluminium de formule AlB2 ou AlBl2. Ce procédé trouve son application dans la fabrication d'alliages composites résistant à l'abrasion ou destinés à servir de barrières neutroniques en milieu aérien ou aqueux.
Description
La présente invention est relative à un procédé
de fabrication d'alliages composites à base d'a]uminium allié ou non e-t de bore et à son application.
Il est courant chez les fondeurs d'aluminium d'ajouter du bore au métal fondu pour faire apparaltre des cristaux de TiB2 qui jouent un role irnportant sur la germina-tion des cristaux d'Al à la solidification et constituent un excellent moyen d'affinage du grain à la coulée.
Il est connu également de doper les al]iages d'aluminium avec cet élément pour précipiter le titane sous forme de cristaux de Tis2 et améliorer ainsi leur conduc-tibilité électrique.
Dans ces applications, les additions de bore à
l'aluminium se font suivant des concentrations relativement faibles et voisines de quelques cen-taines de ppm et si l'introduction de quantités aussi petites a pu poser des problèmes à une certaine époque, elle a été résolue depuis par l'utilisation d'alliages mères tels que l'AT5B. Il n'en est pas de même lorsqu'il s'agit d'atteindre des con-centrations en bore de l'ordre de plusieurs pour cent.
On sait, en effet, que la solubilité du bore dans l'aluminium est très faible et de l'ordre de 300 ppm au point de fusion de l'aluminium de sorte que si on cherche à fabriquer des alliages chargés en bore par la voie clas-sique fusion-coulée en lingots, on se heurte à des difficultés dues à la fois à une mise en solution incomplète, à des pertes en bore importantes et à une Eor-te ségrégat:ion du bore. Ce qui a pour effet de conduire à des alliages com-posites ne répondant pas globalement aux compositions at-tendues et présentant une structure hétérogène.
C'est pourquoi, des chercheurs et des sociétés ont cherché à remédier à ces défauts et proposé diverses solutions plus ou moins intéressantes.
Dans le brevet francais n 1.265.089 concernant ~8~5~3~
un alliage d'aluminium contenant 2,5 à lO % de bore, l'inven-teur rappelle que jusqu'alors on avait été amené à préparer de tels alliages soit en ajoutant le bore à l'aluminiurn fondu, soit en réduisant un composé du bore tel que le borax avec l'aluminium fondu. Cependant, dans le premier cas, les alliages ne contenaient qu'une très faible quan-tité de bore sous forme alliée et nécessitaient des périodes de dissolution excessivement longues tandis que dans lIautre cas, l'utilisation du borax se traduisait par des occlu-sions d'une valeur indésirable d'oxygène et dIautres irnpuretés.
LIinventeur préconise alors d'incorporer le bore par réduc-tion d'un fluoborate d'un métal alcalin en contact avec l'aluminium fondu. Cependant, il faut savoir qu'un tel procédé outre l'installation onéreuse qu'il nécessite pour sa mise en oeuvre conduit à de mauvais rendements, une partie du bore étant perdue à la fois sous forme de KsF4 et de BF3 composé éminement toxique en raison des émissions de ~IF auquel il donne lieu en atmosphère humide.
Par ailleurs, l'alliage ainsi produit sert d'alliage mère pour l'affinage de l'aluminium, c'est-à-dire qu'il est introduit en quantité très faible dans le bain à affiner et par suite le problème de son homogénéité
n'est pas d'une importance capitale, car ce qui compte avant tout c'est d'obtenir une concentration moyenne en bore dans le bain.
Le problème devient plus difficile quand les alliages riches en bore sont destinés par exemple à la confection de pièces qui doivent avoir soit une bonne résis-tance à l'abrasion soit une capacité convenable d'absorp-tion de rayonnements neutroniques car il faut alors que le bore soit régulièrement distribué de facon à pouvoir exercer sa fonction uniformément dans l'ensemble de la pièce.
Aussi, les solutions proposées à ce jour, s'écartent-elles du procédé d'obtention des alliages mères et s'orientent plutôt vers la métallurgie des poudres.
C'est ainsi que le brevet Erancais n 2.231.76~ reven~ique un procédé de fabrication de procluits rnétalliques borés des-tinés à l'industrie nucléaire, caractérisé en ce que la matière métallique et le corps à base de bore sont à l'état de poudres, ces poudres étant mélangées, pressées et frittées.
C'est là évidemment un moyen d'atteindre l'homo-généité souhaitée, cependant, elle nécessite la mise en oeuvre de poudres dont l'obtention constit~e une étape sup-plémentaire par rapport à la voie classique fusion-moulage et ne permet pas toujours de donner aux pièces les formes souhaitées.
Une autre solution consiste à faire des alliayes composites aluminium-carbure de bore (B~C) mais, on éprouve de sérieuses difficultés pour couler de tels alliages sans parler des médiocres caractéristiques mécaniques et l'inusina-bilité des ~roduits obtenus. En rnilieu aqueux, ces alliages doivent souvent être protégés par un placage aluminium.
C'est pourquoi, la Demanderesse estimant que les solutions proposées n'étaient pas satisEaisantes, a cherché
et mis au point un procédé de fabrication d'alliages compo-sites à base d'aluminium allié ou non et contenant jusqu'à
30 % de bore, de structure homogène, présen-tant des carac-téristiques mécaniques convenables, procédé dans lequel les pertes en bore sont pratiquement nulles et dont la mise en oeuvre ne nécessite pas de matériel complexe et cher.
Ce procédé est caractérisé en ce que l'on intro-duit le bore dans l'aluminium liquide à l'état de borure d'aluminium. On recourt donc à la méthode la plus classique d'obtention des alliages en métallurgie; toutefois, à la différence des procédés antérieurs, le bore n'est plus à
l'état élémentaire ou d'oxydes ou de sels tels que leborax et les fluoborates mais à l'état de borure d'aluminium.
Ce borure qui est soit le diborure AlB2, SQit le dodécaborure AlBl2, soit un mélange des deux est un composé
bien déEini, de grande stabilité à l'air, peu volatil, pré-sentant l'avantage de ne pas produire d'émana-tions nocives.
Il peut être préparé de différen-tes façons connues de l'homrne de l'art et mis sous forme de particules de granulométrie moyenne comprise entre 5 et 30 um enrobées d'aluminium pour faciliter le mouillage et l'introduction dans l'aluminium liquide.
Il est introduit dans un bain d'aluminium ou d'un quelconque de ses alliages appartenant aux séries 2000 à
8000 ayant de préférence été soumis au préalable à un traite-ment d'affinage au moyen d'AT5B par exemple. Ce bain est protégé en surface par un flux désoxydant utilisé de façon classique dans la métallurgie de l'aluminium et maintenu sous agitatlon pendant la durée d'introduction du borure.
La vitesse d'introduction du borure est réglée de manière à maintenir le bain d'aluminium ou d'alliage au~
dessus de sa température de solidification.
Il peut être u-tile de procéder à ces opérations dans une installation maintenue sous une atmosphère de gaz inèrte tel que l'azote U par exemple de façon à parer à
toute contamination par l'air ou l'humidité.
Lorsque la quantité de borure nécessaire à l'ob-tention de la concentration souhaitée dans l'alliage com-posite a été ajoutée, on procède alors à un dégazage du bain sous azote ou sous vide et on coule rapidement l'alliage soit dans un moule pour obtenir directemen-t une pièce de forme convenable, soit dans une lingotière pour donner un produit qui est ensuite sousmis à l'une au moins des opéra-tions de transformation telle que le laminage, le forgeage, le filage, l'étirage, etc A titre d'exemple, on a préparé par le procédé
- suivant l'invention un alliage composite du type A-SlOB3 qu'on a ensuite transformé par moule en paniers destinés au transport de matières radioactives. Un examen micro-... . . . , . .. , ~ . . . ..... . . . . . . . ........ _._. . .
6~33 graphique de l'alliage a montré une répartition régullère du borure dans la matrice d'alliage d'aluminium. Des essais métallurgiques comparatifs avec l'A-S10 normal, on déduit que la présence du bore n'affecte pas les qualités de la matrice qui garde une bonne partie de ses propriétés qu'elles soient physiques: masse volumique, conductibilité
thermique, coefficient de dilatation, intervalle de soli-dification; mécaniques: résistance et allonyement bien que cette dernière caractéristique soi-t légèrement abaissée;
technologique: bonne aptitude au forgeage, au laminage, à l'étirage, au moulage, au soudage, à l'usinabilité et à
l'étanchéité.
Par ailleurs, des essais d'hydrolyse se -traduisent par une bonne stabilité de cet alliage dans l'eau déminé-ralisée à 40C et l'absence de toute trace de corrosion.
Le procédé selon l'invention -trouve son applica-tion dans la fabrication d'alliages composites dont on attend une bonne résistance à l'abrasion ou au Erottemen-t.
Il trouve également son application en raison de la présence du bore, élément capteur de neutrons et de ses autres propriétés, dans la confection de barrières neutroniques utilisées dans le doma-ine de l'énergie nucléaire sous forme de paniers de stockage et de transport de déchets nucléaires, que ce soit dans l'air ou en milieu aqueux.
Cet alliage composite remplace ainsi avantageuse-ment toutes les fabrications mécanosoudées ou moulées avec insert en matière borée à la fois du point de vue facilité
de mise en oeuvre et prix de revient notamment quand on fait la comparaison avec les plaques de cuivre borées ou les casiers en acier inoxydable boré.
de fabrication d'alliages composites à base d'a]uminium allié ou non e-t de bore et à son application.
Il est courant chez les fondeurs d'aluminium d'ajouter du bore au métal fondu pour faire apparaltre des cristaux de TiB2 qui jouent un role irnportant sur la germina-tion des cristaux d'Al à la solidification et constituent un excellent moyen d'affinage du grain à la coulée.
Il est connu également de doper les al]iages d'aluminium avec cet élément pour précipiter le titane sous forme de cristaux de Tis2 et améliorer ainsi leur conduc-tibilité électrique.
Dans ces applications, les additions de bore à
l'aluminium se font suivant des concentrations relativement faibles et voisines de quelques cen-taines de ppm et si l'introduction de quantités aussi petites a pu poser des problèmes à une certaine époque, elle a été résolue depuis par l'utilisation d'alliages mères tels que l'AT5B. Il n'en est pas de même lorsqu'il s'agit d'atteindre des con-centrations en bore de l'ordre de plusieurs pour cent.
On sait, en effet, que la solubilité du bore dans l'aluminium est très faible et de l'ordre de 300 ppm au point de fusion de l'aluminium de sorte que si on cherche à fabriquer des alliages chargés en bore par la voie clas-sique fusion-coulée en lingots, on se heurte à des difficultés dues à la fois à une mise en solution incomplète, à des pertes en bore importantes et à une Eor-te ségrégat:ion du bore. Ce qui a pour effet de conduire à des alliages com-posites ne répondant pas globalement aux compositions at-tendues et présentant une structure hétérogène.
C'est pourquoi, des chercheurs et des sociétés ont cherché à remédier à ces défauts et proposé diverses solutions plus ou moins intéressantes.
Dans le brevet francais n 1.265.089 concernant ~8~5~3~
un alliage d'aluminium contenant 2,5 à lO % de bore, l'inven-teur rappelle que jusqu'alors on avait été amené à préparer de tels alliages soit en ajoutant le bore à l'aluminiurn fondu, soit en réduisant un composé du bore tel que le borax avec l'aluminium fondu. Cependant, dans le premier cas, les alliages ne contenaient qu'une très faible quan-tité de bore sous forme alliée et nécessitaient des périodes de dissolution excessivement longues tandis que dans lIautre cas, l'utilisation du borax se traduisait par des occlu-sions d'une valeur indésirable d'oxygène et dIautres irnpuretés.
LIinventeur préconise alors d'incorporer le bore par réduc-tion d'un fluoborate d'un métal alcalin en contact avec l'aluminium fondu. Cependant, il faut savoir qu'un tel procédé outre l'installation onéreuse qu'il nécessite pour sa mise en oeuvre conduit à de mauvais rendements, une partie du bore étant perdue à la fois sous forme de KsF4 et de BF3 composé éminement toxique en raison des émissions de ~IF auquel il donne lieu en atmosphère humide.
Par ailleurs, l'alliage ainsi produit sert d'alliage mère pour l'affinage de l'aluminium, c'est-à-dire qu'il est introduit en quantité très faible dans le bain à affiner et par suite le problème de son homogénéité
n'est pas d'une importance capitale, car ce qui compte avant tout c'est d'obtenir une concentration moyenne en bore dans le bain.
Le problème devient plus difficile quand les alliages riches en bore sont destinés par exemple à la confection de pièces qui doivent avoir soit une bonne résis-tance à l'abrasion soit une capacité convenable d'absorp-tion de rayonnements neutroniques car il faut alors que le bore soit régulièrement distribué de facon à pouvoir exercer sa fonction uniformément dans l'ensemble de la pièce.
Aussi, les solutions proposées à ce jour, s'écartent-elles du procédé d'obtention des alliages mères et s'orientent plutôt vers la métallurgie des poudres.
C'est ainsi que le brevet Erancais n 2.231.76~ reven~ique un procédé de fabrication de procluits rnétalliques borés des-tinés à l'industrie nucléaire, caractérisé en ce que la matière métallique et le corps à base de bore sont à l'état de poudres, ces poudres étant mélangées, pressées et frittées.
C'est là évidemment un moyen d'atteindre l'homo-généité souhaitée, cependant, elle nécessite la mise en oeuvre de poudres dont l'obtention constit~e une étape sup-plémentaire par rapport à la voie classique fusion-moulage et ne permet pas toujours de donner aux pièces les formes souhaitées.
Une autre solution consiste à faire des alliayes composites aluminium-carbure de bore (B~C) mais, on éprouve de sérieuses difficultés pour couler de tels alliages sans parler des médiocres caractéristiques mécaniques et l'inusina-bilité des ~roduits obtenus. En rnilieu aqueux, ces alliages doivent souvent être protégés par un placage aluminium.
C'est pourquoi, la Demanderesse estimant que les solutions proposées n'étaient pas satisEaisantes, a cherché
et mis au point un procédé de fabrication d'alliages compo-sites à base d'aluminium allié ou non et contenant jusqu'à
30 % de bore, de structure homogène, présen-tant des carac-téristiques mécaniques convenables, procédé dans lequel les pertes en bore sont pratiquement nulles et dont la mise en oeuvre ne nécessite pas de matériel complexe et cher.
Ce procédé est caractérisé en ce que l'on intro-duit le bore dans l'aluminium liquide à l'état de borure d'aluminium. On recourt donc à la méthode la plus classique d'obtention des alliages en métallurgie; toutefois, à la différence des procédés antérieurs, le bore n'est plus à
l'état élémentaire ou d'oxydes ou de sels tels que leborax et les fluoborates mais à l'état de borure d'aluminium.
Ce borure qui est soit le diborure AlB2, SQit le dodécaborure AlBl2, soit un mélange des deux est un composé
bien déEini, de grande stabilité à l'air, peu volatil, pré-sentant l'avantage de ne pas produire d'émana-tions nocives.
Il peut être préparé de différen-tes façons connues de l'homrne de l'art et mis sous forme de particules de granulométrie moyenne comprise entre 5 et 30 um enrobées d'aluminium pour faciliter le mouillage et l'introduction dans l'aluminium liquide.
Il est introduit dans un bain d'aluminium ou d'un quelconque de ses alliages appartenant aux séries 2000 à
8000 ayant de préférence été soumis au préalable à un traite-ment d'affinage au moyen d'AT5B par exemple. Ce bain est protégé en surface par un flux désoxydant utilisé de façon classique dans la métallurgie de l'aluminium et maintenu sous agitatlon pendant la durée d'introduction du borure.
La vitesse d'introduction du borure est réglée de manière à maintenir le bain d'aluminium ou d'alliage au~
dessus de sa température de solidification.
Il peut être u-tile de procéder à ces opérations dans une installation maintenue sous une atmosphère de gaz inèrte tel que l'azote U par exemple de façon à parer à
toute contamination par l'air ou l'humidité.
Lorsque la quantité de borure nécessaire à l'ob-tention de la concentration souhaitée dans l'alliage com-posite a été ajoutée, on procède alors à un dégazage du bain sous azote ou sous vide et on coule rapidement l'alliage soit dans un moule pour obtenir directemen-t une pièce de forme convenable, soit dans une lingotière pour donner un produit qui est ensuite sousmis à l'une au moins des opéra-tions de transformation telle que le laminage, le forgeage, le filage, l'étirage, etc A titre d'exemple, on a préparé par le procédé
- suivant l'invention un alliage composite du type A-SlOB3 qu'on a ensuite transformé par moule en paniers destinés au transport de matières radioactives. Un examen micro-... . . . , . .. , ~ . . . ..... . . . . . . . ........ _._. . .
6~33 graphique de l'alliage a montré une répartition régullère du borure dans la matrice d'alliage d'aluminium. Des essais métallurgiques comparatifs avec l'A-S10 normal, on déduit que la présence du bore n'affecte pas les qualités de la matrice qui garde une bonne partie de ses propriétés qu'elles soient physiques: masse volumique, conductibilité
thermique, coefficient de dilatation, intervalle de soli-dification; mécaniques: résistance et allonyement bien que cette dernière caractéristique soi-t légèrement abaissée;
technologique: bonne aptitude au forgeage, au laminage, à l'étirage, au moulage, au soudage, à l'usinabilité et à
l'étanchéité.
Par ailleurs, des essais d'hydrolyse se -traduisent par une bonne stabilité de cet alliage dans l'eau déminé-ralisée à 40C et l'absence de toute trace de corrosion.
Le procédé selon l'invention -trouve son applica-tion dans la fabrication d'alliages composites dont on attend une bonne résistance à l'abrasion ou au Erottemen-t.
Il trouve également son application en raison de la présence du bore, élément capteur de neutrons et de ses autres propriétés, dans la confection de barrières neutroniques utilisées dans le doma-ine de l'énergie nucléaire sous forme de paniers de stockage et de transport de déchets nucléaires, que ce soit dans l'air ou en milieu aqueux.
Cet alliage composite remplace ainsi avantageuse-ment toutes les fabrications mécanosoudées ou moulées avec insert en matière borée à la fois du point de vue facilité
de mise en oeuvre et prix de revient notamment quand on fait la comparaison avec les plaques de cuivre borées ou les casiers en acier inoxydable boré.
Claims (9)
1. Procédé de fabrication d'alliages composites à base d'aluminium allié ou non et contenant jusqu'à 30 %
en poids de bore, caractérisé en ce que l'on introduit le bore dans l'aluminium liquide à l'état de borure d'aluminium.
en poids de bore, caractérisé en ce que l'on introduit le bore dans l'aluminium liquide à l'état de borure d'aluminium.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que le borure d'aluminium appartient au groupe cons-titué par le diborure AlB2 et le dodécaborure AlB12.
en ce que le borure d'aluminium appartient au groupe cons-titué par le diborure AlB2 et le dodécaborure AlB12.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que le borure est introduit sous forme de particules de granulométrie moyenne comprise entre 5 et 30 µm et en-robées d'aluminium.
en ce que le borure est introduit sous forme de particules de granulométrie moyenne comprise entre 5 et 30 µm et en-robées d'aluminium.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'on procède à un affinage de l'aluminium par l'AT5B avant introduction du borure.
en ce que l'on procède à un affinage de l'aluminium par l'AT5B avant introduction du borure.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'on protège l'aluminium liquide par un flux désoxydant pendant l'introduction de borure.
en ce que l'on protège l'aluminium liquide par un flux désoxydant pendant l'introduction de borure.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'on soumet l'aluminium liquide à une agitation pendant l'introduction du borure.
en ce que l'on soumet l'aluminium liquide à une agitation pendant l'introduction du borure.
7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que la vitesse d'introduction du borure est réglée de manière à maintenir l'aluminium au-dessus de sa tempéra-ture de solidification.
en ce que la vitesse d'introduction du borure est réglée de manière à maintenir l'aluminium au-dessus de sa tempéra-ture de solidification.
8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que l'on procède à un dégazage avant de couler l'alliage composite.
en ce que l'on procède à un dégazage avant de couler l'alliage composite.
9. Alliages composites résistant à l'abrasion et/ou formant des barrières neutroniques et/ou permettant la confection de pièces par sa mise en forme suivant l'une des techniques choisie dans le groupe constitué par le laminage, le forgeage, le filage, l'étirage et le moulage, caractérisés en ce qu'ils sont obtenus selon le procédé
de la revendication 1, 2 ou 3.
de la revendication 1, 2 ou 3.
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