Procédé d'obtention de pièces en cuivre et de structure très fine, à partir d'un lopin issu de coulée continue

Abstract

 Le procédé selon l'invention permet de former des pièces en cuivre de haute pureté et de structure fine.
Il comprend, à partir d'un lopin (1) issu de coulée continue, les phases principales suivantes :
- un malaxage du lopin (1, 4) constitué de cycles de refoulement et d'étirage ;
- un tronçonnage du lopin en ébauches (8) destinées à former chacune une pièce finie ;
- un formage en matrice (9, 12) à température ambiante ; et
- un traitement thermique de recristallisation pour obtenir une taille de grain du cuivre inférieure à 40 micromètres.
Application à la fabrication des revêtements internes des charges creuses.

Description

[0001] L'invention concerne le travail et le formage de pièces en cuivre de très haute pureté, et en particulier, des pièces telles que des revêtements pour charges creuses.

[0002] On trouve le besoin de fabriquer des pièces de moyennes et grandes dimensions en cuivre de haute pureté ayant, non seulement une symétrie de la géométrie, mais également une symétrie des contraintes internes. Certaines de ces pièces sont de révolution autour d'un axe de symétrie. Ce dernier peut être également un axe de symétrie vis-à-vis du fonctionnement du dispositif auquel appartient la pièce fabriquée.

[0003] C'est le cas des revêtements coniques des charges creuses. Ces revêtements sont, dans un laps de temps de l'ordre de la microseconde, portés à une température très élevée et éjectés à très grande vitesse sous la forme d'un jet. La pièce doit donc avoir un équilibre statique et dynamique parfait.

[0004] Actuellement, on fabrique industriellement des revêtements de charges creuses à partir d'ébauches en forme de disque plan par un procédé de fluotournage consistant à provoquer une déformation plastique à froid sur un mandrin afin de transformer le disque de tôle en cône. L'ébauche de la pièce est placée sur un tour à fluotourner de forte puissance. Différentes passes permettent de déformer la pièce sans enlèvement de matière. Or, lors de ces différents changements de formes, le métal conserve la mémoire de ses différentes déformations sous l'action de la molette du tour à fluotourner. Les pièces alors obtenues n'ont pas un état de contrainte symétrique par rapport à l'axe de révolution.

[0005] La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient et de proposer un procédé de fabrication pouvant être mis en oeuvre et être appliqué à la fabrication de pièces en cuivre rentrant dans la constitution de charges creuses.

[0006] A cet effet, l'objet principal de l'invention est un procédé de fabrication de pièces en cuivre, notamment pour constituer des revêtements de charges creuses, dont la taille des grains est inférieure à 40 micromètres.

[0007] Selon l'invention, il consiste à partir d'un lopin issu de coulée continue et comprend successivement :
- un cycle de malaxage comprenant les étapes suivantes :
. un premier refoulement du lopin à un taux de refoulement R₁ compris entre 4, 8 et 5, sous une première température T₁ comprise entre 480°C et 420°C ;
. un premier étirage du lopin à un taux E₁ compris entre 2,1 et 2,5 et sous une deuxième température T₂ comprise entre 400° et 420°C ;
. un deuxième refoulement du lopin à un taux R₂ compris entre 2,1 et 2,5, sous la deuxième température T₂ ; et
. un deuxième étirage du lopin à un taux E₂ compris entre 19,8 et 20,2, sous la deuxième température T₂ ;
- un forgeage en matrice comprenant les deux étapes suivantes :
. un préforgeage en matrice, à température ambiante, pour obtenir une ébauche avec formation d'une base tronconique ; et
. au moins un forgeage à température ambiante avec une matrice correspondant à la forme à obtenir ;
- un traitement thermique de recristallisation.

[0008] Au cas où le lopin issu de coulée continue est de grandes dimensions, le procédé comprend, après le cycle de malaxage, une étape de tronçonnage du lopin pour fournir des ébauches dont la masse correspond à celle des pièces à obtenir.

[0009] Une mise en oeuvre préférentielle du deuxième étirage prévoit plusieurs sous-phases pour obtenir successivement un lopin de section carrée, puis de section octogonale, puis de section ronde.

[0010] Selon un autre aspect de l'invention, le malaxage est précédé d'une phase d'écroûtage. De préférence, le forgeage en matrice est précédé d'une phase d'écroûtage.

[0011] Selon l'invention, dans le cas de la fabrication de pièces coniques, le sommet du cône à former est obtenu au cours de la dernière phase de forgeage.

[0012] De préférence, le traitement thermique de recristallisation s'effectue sous une température comprise entre 300°C et 440°C, sous vide et pendant une durée qui varie de 30 à 60 minutes.

[0013] L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante. Celle-ci est accompagnée des figures représentant respectivement :

- figures 1A à 1I, les différentes phases du procédé de fabrication selon l'invention pour obtenir des pièces coniques, telles que des revêtements de charges creuses ;

- figures 2A, 2B et 2C, des coupes partielles montrant les structures syccessuves d'une pièce, au cours du procédé de fabrication selon l'invention.

[0014] Les pièces en cuivre à obtenir doivent avoir une structure cristalline dont les grains ont une taille inférieure à 40 micromètres. Jusqu'à présent, pour la mise en oeuvre industrielle de pièces en cuivre, telles que des revêtements de charges creuses, le matériau utilisé se présente sous la forme de tôles ordinaires. La structure cristalline de ces dernières permet le fluotournage, mais ne permet pas que la structure cristalline des pièces finies soit de l'ordre de la finesse sus-mentionnée.

[0015] Une particularité de l'invention consiste à utiliser un lopin provenant d'une barre obtenue par coulée continue.

[0016] Comme le montre la figure 2A, la structure cristalline d'un tel cuivre obtenu par coulée continue est composée de grains à croissance basaltique. Leur longueur peut atteindre 8 centimètres. Ils sont généralement orientés radialement par rapport à la section de la barre obtenue par coulée. Cette structure radiale est homogène en fonction du rayon, ce qui n'est pas le cas des tôles destinée à être fluotournées. Pour permettre un travail par forgeage à l'aide de matrice, le procédé selon l'invention comprend une première série de phases de malaxage.

[0017] Lors de ce malaxage, le lopin est successivement refoulé et étiré. On rappelle que le taux d'étirage est le rapport des sections initiale et finale de la pièce et que le taux de refoulement est le rapport des sections finale et initiale.

[0018] Dans l'exemple de réalisation décrit, le lopin de départ a un diamètre légèrement supérieur à 200 millimètres. A titre explicatif, les différentes dimensions de la pièce seront précisées pour illustrer de manière plus précise l'invention et ses phases successives. Ceci n'est qu'un exemple de réalisation, les taux d'étirage et de refoulement cités étant par contre des paramètres, dont les valeurs doivent être respectées pour obtenir l'efficacité du procédé.

[0019] Pour effectuer le malaxage, le lopin est de préférence préalablement écroûté au diamètre de 203 mm.

[0020] En référence à la figure 1A, une première phase de refoulement est effectuée à une température T₁ comprise entre 420°C et 480°C, de préférence à la température de 450°C. Le taux de refoulement R₁, qui doit être appliqué, est compris entre 4,8 et 5, la valeur de 4,9 devant être, de préférence, utilisée. Dans le cas du lopin précité, lors de ce refoulement, le diamètre du lopin passe de 203 mm à 450 mm. Un tel refoulement peut être obtenu à l'aide d'une presse hydraulique fonctionnant avec une force de 1 200 tonnes et dont la descente du piston est de 60 m/mn, soit 1 m/s, et ceci à vitesse constante.

[0021] Ce refoulement est suivi d'un étirage. Cette opération est effectuée sous une température T₂ légèrement inférieure à la première température de refoulement T₁. En effet, plus la température diminue, plus la taille des grains de la pièce traitée est petite. La finesse du grain étant un but du procédé selon l'invention, la température est donc diminuée. Par contre, cette diminution doit être méticuleusement dosée pour éviter l'apparition d'un phénomène d'écrouissage qui est susceptible de se produire pour une diminution de température trop importante. En conséquence, la température T₂ est comprise entre 400°C et 420°C, la valeur de 400°C correspondant à la valeur de 450°C pour le refoulement.

[0022] Comme le montre la figure 1B, lors de cette phase d'étirage, le lopin est basculé de 90°, son axe étant horizontal. Le taux d'étirage à utiliser est compris entre 2,1 et 2,5, la valeur de 2,2 étant préférentielle. Le diamètre du lopin 2 est ramené de 450 mm à 300 mm pour ce même lopin repéré 3. L'opération d'étirage peut être effectuée sur la même presse de 1 200 tonnes, avec la même vitesse de descente constante du piston, en l'occurrence 60 m/mn.

[0023] Ces deux premières étapes sont suivies de deux autres étapes analogues.

[0024] En effet, comme le montre la figure 1C, le lopin 3 est basculé, de manière à ce que son axe soit vertical. Il subit alors une deuxième phase de refoulement, toujours sous la deuxième température T₂ comprise entre 400 et 420°C. Pour cette opération, le taux de refoulement R₂ est compris entre 2,1 et 2,5, la valeur de 2,2 étant préférentielle. Le lopin 3 est alors ramené sous la forme d'un lopin plus large, repéré 4 sur la figure 1C, son diamètre étant dans ce cas de 450 mm.

[0025] Un deuxième étirage suit le deuxième refoulement et est effectué toujours à la même température T₂ comprise entre 400 et 420°C.

[0026] En référence aux figures 1D, 1E et 1F, le lopin 4 est replacé horizontalement. Il subit alors plusieurs phases successives au cours desquelles le taux d'étirage E₂ est compris entre 19,8 et 20,2, la valeur de 20 étant de préférence choisie.

[0027] Comme le montre la figure 1D, le lopin 4 est mis sous la forme d'un lopin carré de 240 mm de côté.

[0028] Comme le montre la figure 1E, l'étirage se poursuit et le lopin carré 5 est mis sous la forme d'un lopin octogonal 6, dont les côtés sont d'environ de 100 mm. L'étirage se termine par la transformation du lopin octogonal 6 en un lopin cylindrique allongé 7, de diamètre de 100 mm (Figure F). Cette dernière mise en forme est effectuée au moyen d'un calibrage réalisé sur un marteau pilon.

[0029] Les lopins, issus de coulée continue, sont généralement de dimension bien supérieure à celle des pièces fabriquées. En effet, un de ces lopins peut dépasser couramment 100 kg et avoir une longueur de l'ordre de 500 mm. Il est alors nécessaire de tronçonner ce lopin à la fin de la dernière phase de malaxage, ce lopin ayant été étiré suffisamment à cet effet. Des ébauches 8 sont donc tronçonnées avec une masse égale à la masse de la pièce qui doit être fabriquée. Ce tronçonnage est schématisé par la figure 1G.

[0030] La deuxième partie principale du procédé selon l'invention consiste en un forgeage en matrice à partir de la pièce obtenue après la dernière opération de corroyage. Le préparation du lopin peut également être complétée d'un écroûtage au diamètre de 95 mm. Il s'ensuit une phase de préforgeage à température ambiante durant laquelle le diamètre de la pièce augmente pour prendre par exemple la valeur de 145 mm.

[0031] En référence à la figure 1H, lors de ce préforgeage, la pièce 10 subit le forgeage d'une portée conique 9. La base tronconique obtenue 11 est destinée à lui assurer la mise en place de la pièce dans l'outillage de forgeage définitif. La baisse de température provoque la réduction des grains de la structure cristalline du lopin.

[0032] En effet, comme le montre la figure 1I, le forgeage proprement dit comporte au moins une phase de forgeage à température ambiante dans une matrice 12 dont la forme correspond à la forme finale à obtenir. Le nombre de phases de forgeage dépend des dimensions finales à obtenir. Dans le cadre de la fabrication de pièces coniques, la dernière phase de forgeage comprend la formation du sommet 14 du cone de la pièce à forger 12.

[0033] La troisième partie principale du procédé selon l'invention consiste en un traitement thermique de recristallisation. En effet, en fin de forgeage, après les différents malaxages, durant lesquels le taux cumulé de malaxage peut atteindre 500, les grains sont déformés par écrouissage dans toute la pièce et dans le sens de l'écoulement de métal.

[0034] La figure 2B représente un détail d'une coupe effectuée dans le lopin à la fin du forgeage, une fois la mise en forme de la pièce terminée. Compte tenu de l'échelle, qui est symbolisée par la représentation de 100 µm/1 cm, on constate que la taille des grains a considérablement diminuée, ceux-ci ayant une taille de l'ordre de 50 µm.

[0035] Pour le cas présent, le traitement thermique consiste, de préférence, en un traitement thermique sous vide, à la température T₃ de 440°C. De manière générale, cette troisième température T₃ est comprise entre 300°C et 440°C. Cette opération s'effectue pendant une durée comprise entre 30 et 60 minutes. Suite à ce traitement thermique, la taille de grain finale du cuivre est inférieure à 40 micromètres. Pour l'application qui vient d'être décrite, cette taille est comprise entre 10 et 30 micromètres.

[0036] La figure 2C représente, à l'échelle 100, la structure cristalline de la pièce terminée. La taille des grains a encore diminué et est de l'ordre de la dizaine de micromètres.

[0037] Dans le cadre de l'application du procédé à la fabrication des revêtements coniques internes des charges creuses, le procédé peut être complété d'une phase de finition. Cette dernière peut être effectuée par fluotournage, une fois que la structure métallurgique obtenue après le traitement thermique par recristallisation est stabilisée. Cette disposition permet de profiter des avantages, d'une part de la structure métallique finale obtenue par le malaxage, suivi d'un forgeage, puis de la recristallisation, et d'autre part de la finition obtenue par une phase finale de fluotournage.

Revendications

1. Procédé de fabrication de pièces en cuivre, notamment pour constituer des revêtements de charges creuses, dont la taille des grains est inférieure à 40 micromètres, caractérisé en ce qu'il consiste à partir d'un lopin (1) issu de coulée continue et en ce qu'il comprend successivement :
- un cycle de malaxage comprenant les étapes suivantes :
. un premier refoulement du lopin (1) à un taux de refoulement R₁ compris entre 4, 8 et 5, sous une première température T₁ comprise entre 480°C et 420°C ;
. un premier étirage du lopin (2) à un taux E₁ compris entre 2,1 et 2,5 et sous une deuxième température T₂ comprise entre 400° et 420°C ;
. un deuxième refoulement du lopin (3) à un taux R₂ compris entre 2,1 et 2,5, sous la deuxième température T₂ ; et
. un deuxième étirage du lopin (4) à un taux E₂ compris entre 19,8 et 20,2, sous la deuxième température T₂ ;
- un forgeage en matrice comprenant les deux étapes suivantes :
. un préforgeage en matrice (9), à température ambiante, pour obtenir une ébauche (10) avec formation d'une base tronconique (11) ; et
. au moins un forgeage à température ambiante avec une matrice (12) correspondant à la forme à obtenir ;
- un traitement thermique de recristallisation.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, après le cycle de malaxage, une étape de tronçonnage du lopin (7) pour fournir des ébauches (8), dont la masse correspond à la masse des pièces à obtenir (13).

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième étirage s'effectue en plusieurs sous-phases pour obtenir successivement un lopin (5) de section carrée (6), puis de section octogonale, puis (7) de section ronde.

4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le malaxage est précédé d'une phase d'écroûtage du lopin (1) issu de fonderie en coulée continue.

5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le forgeage est précédé d'un écroûtage.

6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les pièces à obtenir (13) doivent être coniques, caractérisé en ce que le sommet (14) du cône à obtenir est formé au cours de la dernière phase de forgeage.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement thermique de recristallisation se fait sous vide, à une température T₃ comprise entre 300°C et 440°C et pendant une durée comprise entre 30 et 60 minutes.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il se termine par une phase de finition par fluotournage.

Dessins