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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une DEMANDE DE BREVET D'INVENTION procédé pour l'obtention d'alliages durs.
On a proposé ces dernières années un certain nombre d' alliages durs, destinés principalement à la fabrication d'ou tils pour le travail de matières de toute nature (par exemple l'usinage avec des outils tranchants).
La plupart du temps, ces alliages contiennent un carbure dur comme élément de base, seul ou mélangé à un ou plusieurs nitrures que l'on ajoute à l'alliage par traitement calorique d'un métal auxiliaire, ayant un point de fusion notablement plus bas, le plus souvent du fer, du cobalt ou du nickel, éventuellement même du chrome et autres métaux ayant un point de fusion à haute ou basse température.
Le métal auxiliaire (dans une proportion d'environ 5 à 20 %) a principalement pour but de souder entre elles les particules de carbure dur, et respectivement de nitrure dur, pour obtenir ainsi despiècesmoins poreusesque cellesque l'on obtient par fusion ou par traitement calorique avec des carbu-
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resdurs ou desnitruresdurs, pur s. La soudure desparticules s'effectue par agglomération plastique, à des températures la plupart du temps inférieures au point de fusion du ou des métaux auxiliaires.
Cependant, les pièces ainsi obtenues présentent toutes ,-.ne porosité plus ou moins grande ayant un effet préjudiciable lors de l'utilisation de la pièce comme outil, etc. Même les pièces exécutées en utilisant simultanément une pression, dont la fabrication est du reste très difficile, présentent encore, presque toujours, un peu de porosité dans le noyau. La transmis sion de la pression dans la masse très grossière dans laquelle jouent de grosses forces d'adhésion n'est pas assez complète.
La friction interne des particules, dans ces pièces moulées, est extrêmement élevée lors de l'application de la pression et la plupart du temps elle ne peut être que difficilement ou incomplètement surmontée. Les pièces dans lesquelles on a aggloméré postérieurement, par traitement calorique le ou les métaux auxiliaires sont encore quelque peu poreuses et même assez. friables? principalement dans le noyau parce qu'elles ont presque le carsc- tère de pièces coulées.
Ainsi que des essais approfondis l' ont montré, ces inconvénients peuvent être éliminés en fabriquant ces pièces d'un seul bloc, dans une seule phase de travail, en les passant à la presse, comme jusqu'ici mais en formant de nombreuses couches minces, superposées, individuellement soudées ensemble à la presse.
Jusqu'ici, les pièces en poudre adéquate de carbure et ;.:étal étaient soumises pour leur agglomération, pendant de nombreuses heures et même pendant plusieurs jours, à un traitement calorique, en utilisant des températures croissantes. Dans le procédé faisant l'objet de cette invention, le procédé calorique de soudure des particules devient inutile.
La fabrication d'un alliage métallique dur, suivant le
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procédé de l'invention, peut être réalisée pratiquement comme suit :
Un mélange de poudres se composant par exemple de carbu- re de tungstène et d'un métal auxiliaire (8 %), fer par exemple est répandu en une mince couche, d'environ 1/100 mm sur une plaque de base adéquate, par exemple une plaque de fer, de façon à recouvrir entièrement cette plaque (ayant une surface d'environ 2 x 10 cm. ). La plaque, dans ce cas, est maintenue constamment à une température de 1000 ou 1200 C.
Un cylindre, par exemple en tungstène, très finement poli au saphir ou au dia mant est passé sur cette mince couche (une ou plusieurs fois) avec application de pression, ou bien on applique sur la. plaque un coup de piston de presse pendant un temps très court, par exemple une fraction de seconde. Il est avantageux d'appliquer une pression élevée, mais ellerlest pas absolument indispensable lorsqu'on opère avec de minces couches. Le cylindre peut être chargé d'une pression de 10-20 kgs seulement lorsqu'on opère sur une surface aussi petite (2 x 10 cm). Cette pression, relativement faible, suffit complètement en combinaison avec la haute température utilisée. On répand ensuite une nouvelle couche de poudres, puis on passe le cylindre comme précédemment, sous pression.
On répète ces opérations jusqu'à ce que l'on ait une couche de métal dur suffisante, d'environ 5-10 mm d'épaisseur.
En général, il suffit de passer une seule fois le cylindre sur toute la surface. On peut ainsi obtenir une épaisseur de métal dur de 5 mm en passant 500 fois le cylindre.
Cette couche de métal peut être ensuite séparée de la plaque de base si nécessaire, mais dans ce cas, il convient de former au préalable sur la plaque une couche galvanique, par exemple en nickel. On peut également utiliser la plaque recouverte du métal dur pour faite l'outil (figures 6 et 7).
Les pièces ainsi obtenues ne présentent plus de porosi tés même.si on observe avec un fort grossissement la surface
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décapée et polie. Le cas échéant ces pièces peuvent être rendue postérieurement homogènes en les chauffant longtemps, ' pour provoquer les phénomènes de diffusion interne. Cependant, la plu part du temps, ce traitement postérieur est inutile. La surface décapée et polie présente la structure fibreuse désirée, nécessaire pour l'utilisation de la pièce (produite par le laminage) .
Ce procédé peut être réalisé dans une atmosphère gazeuse protectrice, hydrogène etc, ou bien dans le vide ou bien alternativement dans une atmosphère gazeuse protectrice et dans le vide. On peut également employer comme éléments additionnels de l'alliage, desmétalloïdes, silicium, bore et autrespar exemple.
On peut utiliser à la place des éléments purs (fer, nickel par exemple) les oxydes de ces métaux ;ces oxydes sont réduits sous l'influence du gaz de l'atmosphère protectrice (hydrogène par exemple) dans le cours de la réalisation du procédé.
Ces alliages métalliques durs, ainsi obtenus par la su perposition de nombreuses couches minces, soudées entre elles, sont la plupart du temps supérieurs aux alliages connus jusqu' ici, traités caloriquement ou faits simultanément à la presse ou coulés. Dans la plupart des cas, on évite la formation de tensions internes dans les pièces finies par suite de la fabrication lamellée.
Les alliages ainsi obtenus peuvent être utilisés pour d' autres outils, comme par exemple des filières, tuyères pour les travaux au jet de sable, pivots pour la fabrication des montres, compteurs, instruments etc.., lames ou balances, pour la suspen - sion des pendules, des montres etc...,; utilisations pour lesquelles les alliages de ce genre n'avaient pas donné de bons résultats, malgré les très nombreux essais.
On peut employer tous/les carbures et nitrures durs, con- nus jusqu'ici, avec et sans métal auxiliaire ayant un point de fusion bas ou élevé, individuellement ou mélangés. On peut également ajouter à ces poudres d'autres substances dures (bore ou diamant naturel ou synthétique et autres.)
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Lorsqu'on veut fabriquer avec ce procédé des pièces dures sans métal auxiliaire, par exemple des pièces en carbure de tungstène pur, la plaque de base doit être en métal ayant un point de fusion supérieur, par exemple en tungstène métal dont le point de fusion est 5500 C ou en charbon. La, température d' opération est de préférence maintenue aux environs du point de ramollissement de la poudre de carbure (2500 C).
Dans ce cas, on utilise de préférence un cylindre pour le laminage de la poudre, en tungstène pur. Lorsqu'on emploie la température de ramollissement, on n'a pas besoin d'appliquer une pression éle- vée. La température du traitement thermique postérieur dépend du choix du métal auxiliaire ou du point de fusion du mélange de métaux auxiliaires. Lorsqu'on emploie du fer ou du nickel comme métal auxiliaire, une température de 1000-1200 C convient très bien pour le traitement thermique postérieur, en vue de l' homogénisation de l'alliage.
Le dessin représente, pour exemple, une forme de construc- tion d'un dispositif servant à la réalisation du procédé fai- sant l'objet de l' i nve nt i on.
La figure 1 est une vue de face de ce dispositif.
La figure 2 est une vue latérale partielle.
La figure 3, une coupe suivant la ligne A-B de la figurel.
La figure 4, la vue latérale du cylindre du dispositif.
La figure 5, une vue partielle de l'anneau en alliage dur fini.
La figure 6, une vue de l'outil fabriqué avec cet anneau, et
La figure 7, un outil de tour, fabriqué suivant l'inven- t i on.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur le dessin, on utilise non pas une plaque plane pour recevoir les minces couches,mais un anneau a (rotatif) ayant une section transversa- le rectangulaire, en fer, nickel, graphite, molybdène ou autre
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métal ayant un point de fusion élevé. L'anneau a est muni de trous b, sur les côtés, au moyen desquels il peut être fixé sur un disque plan, rotatif d, au moyen des ergots c. L'arbre du disque d est monté sur les paliers! et g. Le chauffage de 1' anneau rotatif s'effectue dans le cas actuel par résistance éleotrique, l'anneau a étant intercalé en résistance entre les ba lais o, p se trouvant sous tension (on utilise par exemple pour un anneau d'environ 20 cm de diamètre et une épaisseur de 20 mm un courant de 20 Volts et 1500 Ampères).
De préférence un cylindre profilé m,ml travaillantà la compression, attaque la face intérieure de l'anneau a, à son point le plus bas, ce cylindre coopérant avec un second cylindre n, L'anneau -- tourne dans le sens inverse des aiguilles d' une montre ; devant le cylindre m, ml débouche l'extrémité inférieure du tuyau il d'une trémie i se trouvant en-dessous du tambour de tamis h, contenant le mélange de poudre devant être utilisé.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant ;
Le mélange de poudre venant du tami s h tombe dans la tré- u¯ie 1 (dont le tuyau a une sectio n rectangulaire, correspondante à la largeur de l'anneau a, figure 3) puis de là sur l'anneau rotatif a ; elle est laminée au fur et à mesure par le cylindre m, m. Lorsque l'anneau a a fait un tour complet, la première couche de métal dur a été formée. Au bout d'environ 500 -tours, l'épaisseur de la couche d'alliage dur est d'environ 5-7 mm.
A ce moment on coupe le courant et l'anneau , avec sa couche d'alliage métallique k est enlevé du disque plan d. On coupe l'anneau a en différentsmorceaux, en le tronçonnant en r tandis que la couche de métal dur k est entaillée en % pour permettre de faire sauter les différents morceaux au marteau, etc.
On obtient insi les morceaux s, figure 6, constitués d'un segment d'anneau al et de la couche de métal dur kl. La pièce en
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métal dur ainsi faite] peut être soudée sur un outilde tour (figure 7).
Pour éviter l'oxydation de la couche de métal dur, l'anneau rotatif est disposé dans une cloche ayant une atmosphère gazeuse, protectrice non représentée). On pourrait également chauffer l'anneau rotatif par exemple à la flamme.
Le mélange de poudres au lieu d'être répandu à froid peut également être appliqué à chaud sur la plaque. On peut le cas échéant, au moyen d'un dispositif adéquat, injecter à chaud le mélange de poudres sur la plaque, couche par couche, par exemple en utilisant du gaz comprimé. Dans ce cas, l'anneau (la base) peut n'avoir pas besoin d'être chauffé.
Un autre avantage du procédé faisant l'objet de l'invention réside dans la possibilité de fabriquer automatiquement des pièces en alliages durs et dans la. suppression de la presse hydraulique pour faire ces pièces. En effet, l'emploi de la presse hydraulique est difficile, incommode et codteux.
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DESCRIPTIVE MEMORY filed in support of an INVENTION PATENT APPLICATION process for obtaining hard alloys.
A number of hard alloys have been proposed in recent years, intended primarily for the manufacture of tools for working with materials of all kinds (for example machining with sharp tools).
Most of the time, these alloys contain a hard carbide as a basic element, alone or mixed with one or more nitrides which are added to the alloy by heat treatment of an auxiliary metal, having a significantly lower melting point. , most often iron, cobalt or nickel, possibly even chromium and other metals having a high or low temperature melting point.
The main purpose of the auxiliary metal (in a proportion of about 5 to 20%) is to weld together the hard carbide particles, and respectively hard nitride, to thus obtain less porous parts than those obtained by melting or by treatment. caloric with carburized
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resdurs or hard nitrides, pure s. The particles are welded by plastic agglomeration, at temperatures most of the time below the melting point of the auxiliary metal (s).
However, the parts thus obtained all exhibit greater or lesser porosity which has a detrimental effect when the part is used as a tool, etc. Even parts produced using simultaneous pressure, the manufacture of which is moreover very difficult, still almost always exhibit a little porosity in the core. The transmission of pressure in the very coarse mass in which large adhesion forces operate is not complete enough.
The internal friction of the particles, in these castings, is extremely high during the application of pressure and most of the time it can only be hardly or incompletely overcome. The parts in which the auxiliary metal or metals have been subsequently agglomerated by heat treatment are still somewhat porous and even quite enough. friable? mainly in the core because they have almost the character of castings.
As extensive tests have shown, these drawbacks can be eliminated by making these parts as a single block, in a single working phase, by pressing them, as heretofore but forming many thin layers. , stacked, individually press welded together.
Heretofore, suitable powdered parts of carbide and etc have been subjected for their agglomeration, for many hours and even for several days, to heat treatment, using increasing temperatures. In the process which is the object of this invention, the caloric process of soldering the particles becomes unnecessary.
The manufacture of a hard metal alloy, according to the
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method of the invention can be carried out practically as follows:
A powder mixture consisting, for example, of tungsten carburettor and an auxiliary metal (8%), for example iron, is spread in a thin layer, of about 1/100 mm on a suitable base plate, for example. example an iron plate, so as to completely cover this plate (having an area of approximately 2 x 10 cm.). The plate, in this case, is constantly kept at a temperature of 1000 or 1200 C.
A cylinder, for example made of tungsten, very finely polished with sapphire or diamond is passed over this thin layer (one or more times) with application of pressure, or else it is applied to the. plate a press stroke for a very short time, for example a fraction of a second. It is advantageous to apply high pressure, but it is not absolutely essential when working with thin layers. The cylinder can be loaded with a pressure of 10-20 kgs only when operating on such a small area (2 x 10 cm). This relatively low pressure is completely sufficient in combination with the high temperature used. A new layer of powders is then spread, then the cylinder is passed as before, under pressure.
These operations are repeated until there is a sufficient hard metal layer, about 5-10 mm thick.
In general, it is sufficient to pass the cylinder once over the entire surface. It is thus possible to obtain a hard metal thickness of 5 mm by passing the cylinder 500 times.
This metal layer can then be separated from the base plate if necessary, but in this case it is necessary to form a galvanic layer, for example of nickel, on the plate beforehand. The hard metal coated plate can also be used to make the tool (Figures 6 and 7).
The parts thus obtained no longer exhibit any porosities even if the surface is observed with a high magnification
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stripped and polished. If necessary, these parts can be made homogeneous subsequently by heating them for a long time, in order to cause internal diffusion phenomena. Most of the time, however, this post-treatment is unnecessary. The pickled and polished surface has the desired fiber structure required for the use of the part (produced by rolling).
This process can be carried out in a protective gas atmosphere, hydrogen, etc., or in a vacuum or alternatively in a protective gas atmosphere and in a vacuum. It is also possible to use as additional elements alloys, metalloids, silicon, boron and the like, for example.
The oxides of these metals can be used instead of pure elements (iron, nickel for example); these oxides are reduced under the influence of the gas of the protective atmosphere (hydrogen for example) in the course of carrying out the process. .
These hard metal alloys, thus obtained by the suposition of numerous thin layers, welded together, are most of the time superior to the alloys known hitherto, heat-treated or made simultaneously with the press or cast. In most cases, the formation of internal stresses in the finished parts as a result of laminate manufacturing is avoided.
The alloys thus obtained can be used for other tools, such as for example dies, nozzles for sandblasting, pivots for the manufacture of watches, counters, instruments, etc., blades or scales, for suspension. sion of clocks, watches etc ...,; uses for which alloys of this kind had not given good results, in spite of the very numerous tests.
Any hitherto known hard carbides and nitrides can be employed with and without an auxiliary metal having a low or high melting point, individually or mixed. We can also add to these powders other hard substances (boron or natural or synthetic diamond and others.)
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When one wants to manufacture with this process hard parts without auxiliary metal, for example parts of pure tungsten carbide, the base plate must be of metal having a higher melting point, for example of tungsten metal of which the melting point is 5500 C or carbon. The operating temperature is preferably maintained around the softening point of the carbide powder (2500 C).
In this case, a cylinder is preferably used for rolling the powder, made of pure tungsten. When employing the softening temperature, there is no need to apply high pressure. The temperature of the subsequent heat treatment depends on the choice of the auxiliary metal or the melting point of the mixture of auxiliary metals. When iron or nickel is used as the auxiliary metal, a temperature of 1000-1200 C is very suitable for the subsequent heat treatment, for the homogenization of the alloy.
The drawing shows, by way of example, one form of construction of a device for carrying out the method which is the object of the invention.
Figure 1 is a front view of this device.
Figure 2 is a partial side view.
Figure 3, a section along line A-B of the figure.
Figure 4, the side view of the cylinder of the device.
Figure 5, a partial view of the finished hard alloy ring.
Figure 6, a view of the tool made with this ring, and
FIG. 7, a lathe tool, manufactured according to the invention.
In the exemplary embodiment shown in the drawing, not a flat plate is used to receive the thin layers, but a (rotating) ring having a rectangular cross section, made of iron, nickel, graphite, molybdenum or the like.
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metal having a high melting point. The ring a is provided with holes b, on the sides, by means of which it can be fixed on a flat, rotating disc d, by means of the pins c. The disc shaft d is mounted on the bearings! and g. The heating of the rotating ring is carried out in the current case by electric resistance, the ring a being interposed in resistance between the bars o, p being under tension (one uses for example for a ring of about 20 cm diameter and a thickness of 20 mm a current of 20 Volts and 1500 Amps).
Preferably a profiled cylinder m, ml working in compression, attacks the inner face of the ring a, at its lowest point, this cylinder cooperating with a second cylinder n, The ring - turns counterclockwise a watch; in front of the cylinder m, ml opens the lower end of the pipe il from a hopper i located below the sieve drum h, containing the powder mixture to be used.
The operation of the device is as follows;
The powder mixture coming from the tami s h falls into the hopper 1 (the pipe of which has a rectangular section, corresponding to the width of the ring a, figure 3) then from there onto the rotating ring a; it is rolled gradually by the cylinder m, m. When the ring a has made a full turn, the first hard metal layer has been formed. After about 500 turns, the thickness of the hard alloy layer is about 5-7 mm.
At this moment the current is cut and the ring, with its layer of metal alloy k, is removed from the plane disc d. The ring a is cut into different pieces, by sectioning it in r while the hard metal layer k is notched in% to allow the different pieces to be blasted with a hammer, etc.
We obtain insi the pieces s, Figure 6, consisting of a ring segment al and the hard metal layer kl. The piece in
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hard metal thus made] can be welded on a lathe tool (figure 7).
To prevent oxidation of the hard metal layer, the rotating ring is placed in a bell having a gaseous atmosphere, protective (not shown). One could also heat the rotating ring, for example with a flame.
The mixture of powders instead of being poured cold can also be applied hot to the plate. If necessary, by means of a suitable device, the mixture of powders can be injected hot on the plate, layer by layer, for example using compressed gas. In this case, the ring (the base) may not need to be heated.
Another advantage of the method forming the subject of the invention lies in the possibility of automatically manufacturing parts in hard alloys and in the. removing the hydraulic press to make these parts. Indeed, the use of the hydraulic press is difficult, inconvenient and expensive.