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Procédé de fabrication d'objets de différentes sortes, comportant des applications ou des insertions de métal dur.
Il est déjà connu, pour des objets des natures les plus différentes, et de préférence pour les outils, instruments de travail ou autres objets, de prévoir des applications de métal dur, aux endroits qui se trouvent soumis à une fatigue spécialement importante. L'application du métal dur avait lieu en général du fait que des lamelles des métaux durs utilisés, de préférence formés à base des carbures, borures, nitrures de métaux lourds, etc.. étaient soudées sur les pièces métalliques intéressées .
On était toutefois limité à des dimensions relativement réduites,
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car, indépendamment du fait qu'il était tres difficile, sinon impossible, de souder sans tensions, sur un support, des pièces de métal dur de fortes dimensions, et en particulier celles de forme compliquée, il était encore impossible de produire des pièces de métal dur importantes, et uniformes ou régulières dans leurs compositions; de plus, de telles pièces tendent à présenter des retraits 1+réguliers;et en outre se prêtent fréquemment à la formation de criques..
Elles ne sont pas non plus exemptes de tensions internes ,
Pour écarter cet inconvénient, on a déjà proposé, lorsqu'il s'agissait de pourvoir d'applications en métal dur des surfaces importantes, de souder lesdites appli- cations à l'autogène, par points, au moyen de baguettes de soudure, mais ce procédé ne s'est pas non plus répandu dans la pratique. En premier lieu, on forme de la sorte une surface très inégale et irrégulière, qui doit être Soumise à un tra- vail relativement difficile de rectification par meulage.
En outre, et en particulier dans le cas d'actions d'échauffe- ment irrégulières, il se produit des criques de tension, et autres manifestations analogues, si bien que fréquemment la plaque soudée à l'autogène se rompt ou se détache.
La présente invention a pour but de réaliser un procédé qui ne présente pas ces inconvénients, et d'après lequel on peut pourvoir d'applications de métal dur de forme quelconque des objets de nature également quelconque, sans donner naissance à des tensions internes et sans qu'on soit en aucune façon limité quant aux dimensions des applications de métal dur.
A cet effet, et conformément à l'invention, le métal dur est introduit sous forme pulvérulente ou granu- leuse dans un moule de coulée correspondant à la forme de l'objet terminé, aux endroits et sous une forme ainsi que
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sous une épaisseur correspondant à la disposition des appli- cations de métal dur sur la pièce terminée, après quoi le moule est rempli du métal de support, si bien que le métal de support liquéfié entre en liquation avec la poudre de métal dur et que simultanément, au cours de la même opéra- tion de travail, on forme l'objet à fabriquer dans le métal de support .
On peut appliquei différents procédés pour empêcher que la position de la poudre de métal dur tout d'abord introduite dans le moule soit modifiée au cours de la coulée du métal de support. Dans une forme de réalisation préférée, le métal dur est entouré par un treillis de pro- tection, par exemple une toile métallique, une tôle perforée, etc.. au travers duquel peut passer le métal de support coulé, mais qui s'oppose d'autre part à ce que la position de la poudre de métal lourd soit modifiée pendant la coulée .
On peut aussi utiliser une tôle mince, non perforée, en particulier lorsqu'on procédera à la coulée successive de deux métaux différents, savoir un premier métal qui se trouve dans la zone voisine du métal dur, et un second métal plus en arrière .
Suivant une autre forme de réalisation, le métal dur introduit dans le moule est soumis à une liquation préalable, de manière à le solidifier provisoirement, et ce n'est qu'ensuite qu'il est réuni au métal de support, par la coulée de celui-ci dans le moule .
Un autre moyen en vue de la solidification de la poudre de métal dur introduite dans le moule, avant la coulée subséquente du métal de support, consiste dans le- traitement avec des combinaisons de métaux sous forme gazeuse, facilement dissociables thermiquement, métaux d'un
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point de fusion peu élevé, par exemple avec les combinaisons carbonyl du groupe fer, facilement dissociables thermi- quement, éventuellement avec liquation subséquente .
Dans certains cas, et en particulier lorsqu'il s'agit de formes très compliquées, il peut aussi être judi- cieux de procéder à une liquation préalable de la poudre de métal dur, suivant la forme désirée de la garniture, avant de l'introduire dans le moule de coulée. Attendu que, dans l'application de ce procédé, on n'est en aucune façon lié à des limites extrêmes déterminées de dilatation des garni- tures de métal lourd, on peut en appliquant ce procédé pourvoir certaines pièces d'applications de métal dur pré- sentant de très importantes surfaces de travail, pièces que, jusqu'à présent, l'on ne pouvait garnir de métal dur, du fait que des garnitures de métal dur de dimensions aussi importantes ne pouvaient être obtenues et que leur soudure était trop difficile et trop onéreuse .
Enfin, il est encore possible d'obtenir tout d'abord un corps de métal dur de la forme qu'il doit présen= ter en tant qu'application ou incorporation sur ou dans l'outil terminé, du fait qu'on introduira la poudre de métal dur dans un moule correspondant, après quoi on y coulera le métal de support, qui entre en liquation avec la poudre métallique ; on obtient de la sorte une pièce garnie de métal dur, présentant la forme désirée .
L'introduction de la poudre de métal dur dans le moule peut être effectuée par le fait qu'on versera dans le moule la poudre présentant la grosseur de grain désirée .
On peut aussi, et en particulier lorsqu'on veut utiliser une poudre de métal dur très fine, former la couche de métal dur par électrophorèse, contre la paroi intérieure du moule, rendu électriquement conducteur ,
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Le dessin montre à titre d'exemple plusieurs formes de réalisation de l'invention. Dans ce dessin :
La Fig. 1 est une coupe passant par un moule de coulée destiné à la production d'une filière d'étirage ,
La Fig. 2 est une coupe passant par un moule de coulée destiné à la fabrication d'une plaque de support pour presse à briquettes de lignite .
La Fig. 3 est une coupe transversale passant par un moule de coulée destiné à la fabrication d'une dent de drague .
La Fig. 4 montre une coupe transversale pas- sant par un moule destiné à la fabrication d'une tête de fraise .
Dans l'exemple de réalisation qui fait l'- objet de la Fig. l,on a désigné en 1 un moule de coulée établi en une matière réfractaire, et de préférence en charbon de cornue. Le moule peut présenter une forme quelconque et être établi en une pièce ou en plusieurs parties . Le moule représenté, devant servir à la fabrication d'une filière d'étirage, est cylindrique et présente en son centre un axe 5 qui correspond approximativement comme diamètre au perçage ou orifice de'la filière d'étirage terminée , L'intérieur de la cavité du moule est divisé en deux parties par un cylindre 3 fermé à sa partie supérieure, et formé d'une tôle perforée ou d'une toile métallique , La partie 2 qui environne le noyau 5 doit être constituée par un métal dur, alors que par contre la partie extérieure désignée en 6 doit être formée d'acier coulé,
ou autre métal analogue , La chambre Intérieure 2 est donc remplie du métal dur entrant en considération, sous forme granuleuse.
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On utilise par exemple des carbures de métaux, dont la grosseur de grain est choisie suivant les applications particulières .
Suivant l'invention, on peut adopter une granulation quelconque . Lorsque la chambre intérieure est remplie de carbure, et que le réseau enfermant le métal dur, établi de préférence en une matière voisine du métal exté- rieur, c'est-à-dire de l'acier coulé, par exemple en tôle d'acier ou en fil d'acier, a été mis en place, ce réseau 3 est assujetti dans le moule de coulée, par exemple au moyen d'une pointe de métal 4. L'espace libre 6 est alors rempli du métal choisi, par exemple d'acier, de fer ou d'un autre métal approprié,, tel que : nickel, cuivre, ou encore un allia- ge métallique.
De préférence, on chauffera préalablement le moule , Il est encore possible d'introduire à froid dans le moule le métal qui doit occuper la chambre 6 du moule, puis de chauffer ce moule jusqu'à ce que le métal entre en fusion en remplissant alors la chambre 6. La masse de métal liquéfiée pénètre alors par les orifices dans le réseau 3, et vient entrer en liquation avec la poudre métallique 2.
La matière dont le réseau 3 est constitué ou bien entre elle-même en fusion, ou bien l'on utilise de préférence une matière qui, à la température de fusion du métal coulé, présente encore une certaine solidité, afin que, par l'action de ce réseau, les grains du métal dur se trouvent encore retenus .
Après refroidissement, le moule est ouvert ou brisé, et l'on obtient ainsi une filière d'étirage qui agit bien, mécaniquement, comme filière et qui se compose d'une partie intérieure formée de métal dur, et d'une mon- ture périphérique en acier coulé. On réalise de plus l'avantage de ne donner naissance à aucune tension interne,
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et de plus, aucune tension interne ne se manifeste non plus en cas d'échauffement dans la limite des températures norma- les; cette filière d'étirage agit comme un tout cohérent .
La poursuite du traitement de la pièce fabri- quée, après la coulée, dépend des cas particuliers de sa être destination. Il peut/dans certains cas nécessaire de maintenir les pièces chauffées pendant un temps prolongé, après leur obtention, ou de les traiter spécialement, à la manière d'une trempe, ou encore de les étonner aussitôt .
Il est recommandable de secouer le moule pendant la coulée, afin que les grains du carbure métallique se tassent convenablement, à l'intérieur de la chambre délimitée par le réseau , La grosseur des grains est choisie d'après la compacité et la résistance à l'usure désirée pour l'objet à fabriquer .
La Fig. 2 montre un moule destiné à une plaque de support pour presse à briquettes de lignite . L'intérieur du moule est ici divisé en deux parties par une plaque de tôle 7 qui répond par sa forme à la forme extérieure de l'objet à fabriquer . La chambre inférieure 8 est destinée à recevoir la poudre de métal dur, par exemple les grains de carbure de tungène . La hauteur de cette chambre corres- pond à l'épaisseur de la garniture de métal dur à obtenir .
La tôle 7 est maintenue au moyen des pointes métalliques 9 dans le moule 10, à nouveau constitué.par du charbon ou une autre matière analogue, et l'on coule le métal de' support dans la chambre supérieure 11. Ce métal passe par les trous de la tôle 7 et entre en liquation avec le métal dur. On obtient à nouveau, de cette façon, un corps exempt de tensions comportant une garniture de métal, sans qu'on soit en aucune façon limité, en ce qui concerne les dimensions et la forme de cette garniture .
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La Fig. 3 représente un moule de coulée 12, également constitué en une matière réfractaire., de préfé- rence charbon ou stéatite, ce moule étant destiné à la fabrication d'une dent de drague . Le métal dur granulé est placé dans la chambre 13, et celle-ci est séparée du restant de la cavité du moule de coulée, par un réseau 14 formé par une tôle ou par une toile métallique . Le réseau 14 est maintenu par les pointes 15. Le moule est ici divisé en deux parties par une cloison transversale 16. Dans la partie supérieure, on introduit le métal 17 à couler, par exemple sous forme de tiges, après quoi le moule est introduit dans le four. Le métal coule et parvient dans la chambre 18, depuis laquelle-il arrive en contact avec la poudre de métal dur 13, en traversant le réseau 14.
L'invention s'applique de façon particu- lièrement satisfaisante aux cas où il s'agit de fabriquer des objets d'une forme compliquée, par exemple une tête de fraise. Le moule de coulée qu'on utilisera alors est montré en coupe à la Fig. 4. On forme à l'intérieur du moule les chambres 21., au moyen des tôles perforées 20, lesdites chambres étant garnies de la poudre de métal dur.
Les tôles peuvent aussi, dans ce cas, être maintenues dans le moule par les pointes 22, par exemple. La chambre inté- rieure 23 est alors remplie du métal de support, et âpres avoir brisé le moule, on ohtient la tête de fraise terminée.
Pour séparer la poudre de métal dur du métal coulé, on peut, comme on l'a déjà mentionné, choisir de préférence une matière dont le point de fusion est légèrement plus élevé que celui du métal à couler . On peut aussi choisir des métaux qui s'allient avec le métal. de support, ou également ceux qui ne permettent pas un
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tel alliage. C'est ainsi que par exemple, lorsqu'on utilise du fer ou de l'acier comme métal de support, on choisira le molybdène ou autre métal analogue pour former la toile ou la tôle de séparation, ce métal n'entrrant pas en fusion mais s'alliant aussi bien au métal de support qu'au métal dur.
L'opération de coulée proprement dite peut être effectuée de manière quelconque. On peut couler le métal à l'intérieur du moule, couler dans le moule froid ou dans le moule réchauffé, ou bien on peut aussi procéder à la fusion dans le moule lui-même, tout le moule étant rempli de la marne matière, ou bien une matière de qualité supérieure, par exemple un acier fondu plus.tenace, étant tout d'abord coulé dans les parties voisines de la garniture de métal dur, le restant du moule étant alors occupé par un métal moins coûteux, par exemple du fer fondu .
Un avantage particulier du procédé décrit est qu'on effectue la fabrication complète de 1!objet terminé en une seule opération, de sorte qu'indépendamment du fait qu'on obtient une pièce exempte de tensions, pou- vant présenter des garnitures de formes quelconques, en des endroits quelconques et possédant une section quelconque, les frais de fabrication sont eux-mêmes très notablement diminués .
S'il s'agit de la fabrication d'objets d'une forme particulièrement compliquée, dans lesquels le métal dur peut difficilement être introduit sous forme pulvéru- lente aux endroits du moule de coulée auxquels devront correspondre plus tard les garnitures ou les insertions de métal dur, on pourra, dans ces cas, presser à froid la poudre de métal dur dans un moule particulier, répondant @ à la forme de la garniture terminée, solidifier ainsi le
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métal dur, ou encore provoquer sa liquation par la chaleur, après quoi on introduira la garniture formée par pression ou liquation préalable dans le moule de coulée destiné à l'objet complet, ladite garniture étant assujettie aux endroits convenables .
L'objet terminé présente alors les mêmes propriétés que si la poudre de métal dur avait été introduite en vrac, attendu que la garniture de métal dur pressée ou liquatée préalablement absorbe en surface le, métal de support .
On a déjà mentionné que le métal de support ne doit pas nécessairement être introduit à l'état liquide dans le moule, et qu'au contraire, il pouvait être fondu dans le moule lui-même. Dans le cas de formes particulièrement compliquées, on peut aussi introduire dans le moule un corps moulé, de la forme correspondant à celle de l'objet terminé, puis chauffer assez fortement le moule pour que le corps entre à nouveau en fusion et que le métal fondu puisse se liquater avec les parties en métal dur mises en place aux endroits convenables ,
Au lieu d'introduire directement la poudre de métal dur dans le moule, on peut aussi former cette couche de métal dur par électrophorèse .
Dans ce cas, on forme tout d'abord, par report d'un modèle, un moule négatif de l'objet à produire, par exemple des éléments d'une matrice pour presse à caoutchouc à contours particulièrement marqués, en partant d'une masse plastique appropriée, par exemple stéatite ou gallite. Ce moule négatif est séché et cuit, le retrait devant être naturellement prévu.
La paroi interne du moule cuit est ensuite revêtue de graphite ou de noir de fumée très fin, sur sa sur- face, de telle façon que même ses plus petits pores soient comblés, et qu'on réalise en même temps une couche
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bonne conductrice de l'électriqité. cette couche de graphite peut alors, bien que dans beaucoup de cas ceci ne soit pas nécessaire, être recouverte d'une mince couche, dont l'épais- seur de quelques @ sera souvent suffisante, formée d'un métal du groupe du fer, par exemple de cobalt, par vaporisation d'électrodes ou par électrolyse .
La couche de métal dur est alors précipitée au moyen d'une suspension de poudre métallique très finement divisée, par électro- phorèse, et sous une épaisseur quelconque, en même temps que sous une densité uniforme, sur la paroi intérieure du moule rendu bon conducteur de l'électricité par l'effet de la couche de graphite . L'épaisseur de cette couche peut varier depuis quelques centièmes de millimètres jusqu'à quelques millimètres . Comme agents de suspension, on pourra utiliser l'eau ou encore des liquides organiques, comme par exemple des alcools et les cétones . La solidi- fication de la couche, avant la coulée ultérieure, peut également dans ce cas être réalisée directement par liqua- tion.
On peut toutefois aussi, tant dans le cas de l'in- troduction décote de la poudre de métal dur, pour remplacer le réseau, mais en particulier aussi lors de l'introduc- tion de la poudre de métal dur par électrophorèse, et en vue de la solidification, exposer la couche à l'action..)de com- binaisons de forme gazeuse, facilement dissociables themmi- quement, des métaux qui possèdent un point de fusion plus bas que le métal qui forme la couche lui-même . On a obtenu des résultats très satisfaisants avec les combinaisons carbonyl facilement dissociables thermiquement, du groupe du fer. De préférence, ce traitement est effectué sous une dépression, de sorte que les vapeurs de carbonyl pénètrent facilement et profondément dans les pores du dépôt métallique.
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La couche de métal est alors portée à la température qui correspond à la température de dissociation de la composi- tion carbonyl utilisée, c'est-à-dire à environ 1000 C. pour le nickel-carbonyl par exemple. Afin que la dissociation et la séparation du métal ne s'effectuent pas seulement sur la zone extérieure de la couche de métal, le moule portant la couche de métal dur est convenablement chauffé par l'extérieur, ou seulement lorsque la couche de métal froide et encore poreuse a été complètement pénétrée par les vapeurs de carbonyl et par conséquent saturée, de sorte que la dissociation des vapeurs de carbonyl s'effectue tout d'abord sur la ligne de contact de la couche métalli- que avec le moule, apres quoi, et en même temps que la chauffage se propage, depuis l'intérieur vers l'extérieur,
tous les cristaux métalliques se trouvent uniformément enrobés et réunis entre eux .
On peut encore réaliser une zone d'action particulièrement profonde de la vapeur de carbonyl et un remplissage tres poussé correspondant des pores encore existants, par le fait que d'une part on augmentera conti- nuellement la dépression dans la vapeur de carbonyl, pendant la dissociation, pour ensuite l'abaisser et d'autre part par le fait que la température de dissociation sera ainsi modifiée qu'elle passera alternativement'au-dessus et au- dessous du point de dissociation du carbonyl correspondant .
Le moule préparé de cette manière, et compor- tant la couche de métal lourd formée dans celui-ci, est alors introduit dans un four approprié, par exemple un four électrique à tube de carbone, et de préférence en présence de gaz inertes ou dans une atmosphère réductrice, afin d'éviter des oxydations, puis on le porte à une température
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légèrement inférieure à la température de fusion du métal de liaison introduit dans la couche de métal lourd par les vapeurs de carbonyl. Du fait de ce traitement, on produit par liquation une couche de métal lourd extrêmement compacte et ductile, qui est reliée à un métal de support approprié, par exemple par coulée de celui-ci . On obtient ainsi l'objet terminé, qu'on libère du moule après refroidissement .
De plus, on peut, conformément à l'invention, établir tout d'abord un corps de métal dur de la forme qu'il doit présenter, comme application ou insertion pour la pièce terminée. On introduit alors de la poudre de métal dur dans un moule approprié, puis on y coule le métal de sup- port qui entre en liquation avec la poudre de métal et donne naissance à une couche de métal dur de la forme désirée .
La garniture ou insertion de métal dur ainsi réalisée est alors introduite dans le moule de coulée qui correspond à l'objet terminé, puis on coule dans ce moule le métal de sup- port, de la même nature que le métal préalablement entré en liquation dans la couche de métal dur. On obtient de la sorte un objet cohérent, attendu que le métal de support entré en liquation avec le métal dur entre à nouveau en fu- sion au moins superficiellement, et est ainsi réuni intime- ment au métal de support ultérieurement coulé.
On peut aussi, pour la coulée du métal qui suit la couche de métal dur, adopter un autre métal voisin du métal liquaté, et présentant approximativement les mêmes coefficients de di- latation ; on peut aussi couler tout d'abord dans le moule une couche du même métal, puis ensuite une couche d'un autre métal possédant sensiblement le même coefficient de dila- tation.
Lorsqu'on utilise deux métaux différents
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pour établir le corps de support, savoir un métal qui entre en liquation avec le métal dur, et un second métal qui forme une couche derrière la couche de métal dur, il est judicieux, pour en-fermer la poudre de métal dur, d'utiliser une tôle mince non perforée .L'introduction du métal de support s'ef- fectue alors en deux endroits, savoir : une première fois en avant de la tôle, et ensuite derrière celle-ci. Il faut alors veiller à utiliser, pour la tôle, un métal qui entre en alliage avec les métaux de support adoptés .
On peut utiliser directement les carbures, nitrures ou borures de métaux durs, ou autres corps analogues, mais il est également possible d'introduire ou de déposer dans le moule une couche d'un mélange intime du métal pur et de carbone susceptible de réaction, ou de former des couches alternées de ces deux Corps, se trouvant réciproquement à peu près dans le rapport stoechiométrique de la combinaison de carbure désirée; après quoi, dans un four approprié et sous l'action de la température nécessaire à la formation de la combinaison correspondente on passera à la combinaison de carbure désirée .
Cette transformation est par exemple possi- ble aussi par le fait qu'une couche de métal lourd, par exem- ple de tungstène, formant un carburé, produite suivant le procédé et qui possède, vis à vis du carbone, une affinité très grande, est transformée en carbure dans des gaz ou vapeurs contenant du carbone, par exemple l'acétylène ou le gaz d'- éclairage ,convenablement sous une certaine dépression. La poursuite du traitement d'une couche de carbure produite de cette manière s'effectue alors de la même façon, indiquée ci-dessus, qu'une couche de métal dur .
Dans beaucoup de cas, la liquation d'une cou- che de métal dur traité au moyen d'une vapeur de carbonyl
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peut 9tre évitée, lorsque le métal de support possède un point de fusion suffisamment élevé, et est laissé dans le moule, pendant un temps prolongé, à l'état de fusion.
Une combinaison très intime entre la couche déposée et le métal ae support est réalisé par le fait que l'on procède à la coulée de ce dernier,dans le vide, en dé- truisant la dépression par introduction d'un gaz inerte ou ré- ducteur, avant même -La solidication uu métal de support .
Le traitement par le carbonyl peut être sup- primé dans les cas où on produit une couche du métal dur dont les cristaux Nont déjà. entourés par une mince enveloppe d'un métal à bas point de fusion.
Comme métal de support, on peut utiliser un métal quelconque, mais de préférence un métal du groupe du fer, c'est-à-dire outre le fer, le nickel, le cuivre, le laiton ou leurs alliages. On utilisera, de préférence, un métal qui forme avec la couche de métal lourd des alliages ou des cristaux complexes. On peut aussi procéder en gar- nissant la couche de métal lourd liquaté, avant la coulée du métal de support;.d'une couche métallique intermédiaire qui, comme par exemple le cuivre, entrera en combinaison voulue avec l'aluminium faisant officie de métal de support, alors que ce n'est pas le cas, ou seulement dans une mesure nsuf- fisante, par exemple pour le tungstène, lorsqu'une couche formée dans ce métal est mise directement en contact avec l'aluminium qui constitue le métal de support .
La coulée du métal de support dans le moule s'effectue, pour autant qu'on procède à une liquation de la couche de métal lourd, au mieux immédiatement après que cette liquation est terminée et avant le refroidissement de la couche de métal dur au-dessous du rouge incandescent ou en tous cas notablement au-dessous du point de fusion du mé- tal de support.
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Le procédé qui faitl'objet de l'invention est applicable aux pièces de formes les plus,différentes,, et destinées aux usages les plus divers ; iln'est donc pas limité aux outils, mais s'applique encore aux pièces de machines, par exemple aux cylindres de moteurs, sièges de soupapes pour moteurs, surfaces de portée ou de roulement pour roues, engrenages, ou autres .
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