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BREVET D'INVENTION " Baruette d'apport pour dépôt par soudure de couches métalliques dures à la surface de pièces métalliques".
Société Anonyme dite : Société d'Electro-Chimie, d'Electro-Métallurgie et des Aciéries Electriques d'Ugine Demande de brevet français en sa faveur du 8 octobre 1943. un a proposé de nombreux procédés pour déposer sur les surfaces travaillantes de certains outils ou de cer- taines pièces métalliques, une couche métallique superfi- cielle très dure et très résistante à l'usure, couche dont les propriétés résultent, pour certains de ces procédés, de la pràsence de carbures métalliques réfractaires très durs, en particulier de carbure de tungstène.
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La qualité des couches déposées, aussi bien en ce qui concerne leurs propriétés d'emploi qu'en ce qui concer- ne la régularité de leur obtention, dépend de deux facteurs principaux qui sont, d'une part, la dimension des éléments métalliques durs et, d'autre part, la proportion de ces éléments par rapport au liant métallique plus tendre dans lequel ils doivent être enrobés.
Si l'on veut Obtenir dans ce domaine des résultats réellement industriels, il faut donc, d'une part, assurer à tous les éléments métalliques durs des dimensions de même ordre de grandeur et, d'autre part, assurer à la couche déposée, quelle que soit la for- me des pièces sur lesquelles le dépôt sera effectué, une proportion constante, déterminée à l'avance et reproducti- ble, d'éléments métalliques durs par rapport au liant mé- talliques d'enrobage; cette proportion doit pouvoir diffé- rer suivant les résultats recherchés et on doit pouvoir en être maître.
Parmi les -procédés proposés, on peut distinguer ceux qui s'adressent à des éléments métalliques dure de dimensions macroscopiques, et ceux qui s'adressent à des éléments métalliques durs de dimensions microscopiques.
Un des premiers consiste à déposer par soudure à la surface de la pièce une couche métallique douce enro- bant des grains macroscopiques de carbure de tungstène. A cet effet, on utilise des baguettes d'apport constituées par un tube de fer mince rempli de grains de carbure de tungstène obtenus au préalable par frittage ou par fusion, et on dépose la substance de ces baguettes sur les surfaces à recharger, par exemple au moyen d'un arc électrique ou d'un chalumeau. Le tube de fer de la baguette fond et le fer fondu se soude à la pièce en enrobant les grains de carbure.
Ce procédé, s'il répond aux conditions d'exploi- tation industrielle exposées plus haut, présente toutefois des inconvénients sérieux; il fait appel à des matériaux
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coûteux, en l'espèce du carbure do tungstène préparé à l'avance et granulométr3.quement sélectionné; en raison de l'écartement relativement grand des grains macroscopiques de carbure, la matrice tendre qui les enrobe peut se trouver usée relativement vite, d'où un déchaussement prématuré des grains de carbure durs avant leur Usure; enfin, la dimension macroscopique des grains de carbure rend ce mode de dépôt inutilisable pour certaines applications, par exemple pour le garnissage des sièges de soupapes de moteurs à explosion.
Les seconds procédés proposés, prévus pour le dépôt sur la pièce d'une couche contenant des grains métalliques durs de dimensions microscopiques, conduisent à l'obtention de ces grains au moyen d'une réaction s'effectuant sur la pièce ellemême. L'un d'eux, décrit var le brevet américain Davies N 1.613.942 déposé le 24 Mai 1926, consiste à incorporer, dans la surface des pièces à traiter, un mélange de tungstène métallique et de carbone au moyen d'un instrument chauffant, mélange destiné à provoquer directement la formation d'une couche rîche en carbure de tungstène.
L'autre, plus économique que le précédentydécrit par le brevet américain Morgan N 1.824,166 déposé le 16 Janvier 1929, consiste à appliquer, sur la surface de la pièce à traiter-, un mélange préalablement aggloméré et granulé de minerai de tungstène et de carbone; on chauffe la surface ainsi garnie avec un arc électrique ou. un chalumeau à l'hydrogène atomique, de manière à réaliser conelerremment la fusion superficielle de la pièce et la réaction do réduction et de carburation du minerai aboutissant ainsi à la formation de carbure de tungstène.
Ces deux procédés s'ils sont plus économiques que le premier mentionné ci-dessus, présentent, toutefois, de très graves inconvénients en ce qui concerne leur application industrielle car ils ne permettent pas de tenir sous contrôle la qualité et la régularité des produits obtenus. En effet, leur mise on oeuvre met on jeu doux processus métallurgiques absolument distincts.? qui sont, d'une part, la production du carbure due et; d'autre part, la fusion super- ficiello de la pièce.
Ces deux processus, qui peuvent necessiter pour s'accomplir des apporte do chaleur absolument différents suivant la nature dos composés chimiques conduisant à la formation dos carbures durs et suivant la forme, la nature et la dimension des pièces à recouvrir, s'effectuent dans cos doux procédés à des températures qu'il n'est pas possible do faire varier l'uno par rapport à l'autre;
il peut en résultor soit une chauffe exagérée de la pièce, soit une réduction ou une carburation incomplète du mélange d'oxydes ou d'éléments. D'autre part, le brevet Morgan sus-mentionné reconnaît qu'on raison du chauffage simultané de la pièce et do la sub@tance déposée, celle-ci peut s'incorporer des quantités variables de métal sous-
Jacent fondu jouant le rôle de liant, ce qui diminue la du-. roté do la couche et nécessite des applications successives de substances en un morne point pour pouvoir obtenir la duroté maximum; l'obtontion de cette dureté maximum peut donc n'être possible qu'au prix de l'augmentation de l'épaisseur du dépôt.
Outre ces inconvénients., qui augmentent considé-. rablement le prix de la réalisation pratique do couches à propriétés contrôlées ot diminuent leurs qualités,. la mise on oeuvre de ces procédés présente une grande difficulté
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d'application; ainsi,dans le brevet Morgan sus-mentionné, les grains relativement fins du mélange sont simplement déposés sur la surface des pièces à.traitor et y adhèrent par gravité;
ils sont facilement expulsés de cette surface par le souffle de 1?instrument chauffant, ce qui oblige à interrompre fréquemment l'opération pour'dos apports complé- mentaires de substance , Dautre part:, ce mode d'applica- tion rond nécessaire de tenir constamment horizontales les- surfaces à recharger,ce qui est une complication sensible pour les pièces à courbures multiples.
Enfin, on sait que dans les procédés où une couche de substances devant con- duire à la formation de dépôts riches en carbures de tung- tène sur des pièces 'métalliques douces est étendue à la surface de ces pièces et chauffée' concurremment avec elle (procédé dit "swatting-on" par exemple);, -1 opération de chauffage proprement dite est délicate et doit être confiée à un spécialiste éprouvé, car la fusion d'une' couche trop épaisse do la pièce provoque une pénétration par gravité, au fond de la couche fondue des particules de carbures do poids spécifique très .élevé, ce qui a pour conséquence que la couche superficielle perd beaucoup de la dureté cherchée.
Une troisième @éthode (brevet français Haynes Stollito Company N 799.040 du 11 Décembre 1935) prévoit pour durcir la surface de pièces métalliques dos baguettes composées d'u- ne àmo faneuse et d'un revêtement contenant un réducteur, du carbone par exemple, et des éléments d'un alliage durs ceux-ci étant sous forme de corps simples ou de composés tels que des oxydes ou des carbures. Lorsqu'on se sert d'une telle baguette, le réducteur réduit les composés oxydés et les transforme en corps simples qui interviennent alors comme éléments d'alliage pour former un alliage dur qui se dépose sur la pièce métallique à traiter et se soude à elle.
Une telle riéthode ne peut fournir que des alliages ayant une dureté très inférieure à celles dans lesquelles la dureté est conférée par la soudure de grains de carbure réfractaires sur la pièce métallique à traiter.
Il nia donc pas été proposé jusqu'à pr'sent de procé- dés de dépôt de couche dont la dureté soit due. à la présence de grains microscopiques de carburas métalliques réfractai- res aunw du @@@ du carbure do tungtè e et qui, en mené temps, allient -Les qualités d'économie dues au faible prix de re'- vient des matières premières;
, les qualités de facilité d'ap- plication dues à l'emploi d'un procédé industriel de soudure et enfin les qualités de régularité dues au contrôle de la proportion relative de liant d'enrobage par rapport à la quantité de carbures métalliques réfractaires durs mise en oeuvre,
Par la présente invention, dont 1objet réunit les qualités qui viennent d'être énumérées, il a ététrouvé que si l'on utilise une baguette de soudure constituée par un mélange convenablement dosé de ;
a) un composé oxydé du tungtène, tel par exemple qu'un minorai naturel ou un composé oxydé commercial, le tungstène pouvant être remplacé en partie ou en tota- lité par un métal donnant des carbures réfractaires durs analogues, tels par exemple que le molybdène, le tantale, le titane, le vanadium, le columbium, le hafnium, le zirconium,
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b) - un métal servant de liant et susceptible do fondre par chauffage ou bien un mélange d'oxydes métalliques et d'un réducteur capable de libérer un nétal possé- dant la même propriété, c)
- du carbone pulvérulente - le tout étant réuni par un agglomérant organique ou miné- ral susceptible de donner par séchage ou durcissement une cohésion suffisante à la baguette on constate que si la proportion de carbone est suffisamment élevée pour donner lieu à la formation des carbures dans les conditions de l'o- pération, le chauffage suffisamment élevé de la baguette conduit a la formation directe de la sub. -lance de la couche d'apport, substance qui est forméo par une nasse de cris- taux microscopiques solides de carbure réfractairo dur onro- bés par un bain métallique liquide fourni par le métal liant, comme le montre l'oxamen micro:. aphique de gouttes détachées à l'état pâteux do l'extrémité de la baguette chauffée.
On peut alors, en agissant sur les positions ro- labives do la baguette, de la pièce à recouvrir et do l'ins- trunont chauffant, réaliser les conditions do température qui permettent, d'une part, de produire à l'extrémitédo la baguette la formation de la substance recherchée, d'autre part de chauffer la pièce de manière juste suffisante pour provoquer à sa surface la fusion de la pellicule métallique nécessaire à assurer la soudure de la sul @anco d'apport.
La composition et la fabrication de la baguette peu- vent être précisées de la façon suivante: la dureté et la résistance globale à l'usure de la couche d'apport recher- chée étant fonctions de la proportion do liant métallique par rapport à la proportion de carbures métalliques réfrac- taires durs formés au cours do l'opération, on choisira une proportion de liant métallique relativement grande si l'on recherche, pour certaines applications, des couches de dure- té relativement peu élevée. Dans ces conditions, on s'a- dressera, par exemple, à un minerai de tungstène, tel quo la wolframite, qui contient, outre le tungstène, des pro- portions d'oxydes de for et de magnésium susceptibles de fournir, par réduction, une quantité relativement élevée de métal liant.
Au cas ou, au contraire, on recherche des cou- chos très dures, c'ost-à-diro très riches en carbures ré- fractairos durs, on pourra s'adresser à l'acide tungstiquo du commerce que l'on additionnera d'un(., quantité de métal- liant juste suffisante (de l'ordre de 5% pour permettre l'enrobage des grains de carbure formés au cours do l'opéra- tion et la soudure à la pellicule superficielle fondue de la pièce.
La quantité do carbono ajoutée sera dans tous les cas suffisamment grande non seulement pour assurer la réduc- tion des composés oxydés et la formation dos grains micros- copiques de carbure nais encore pour faire face aux portos par combustion et pour réaliser l'atmosphère réductrice né- cossaire pour éviter l'oxydation dos substances métalliques.
On pourra donc, entre cos doux extrêmes, régler et contrôler la dureté do la couche obtenue en dosant, suivant la règle précisée ci-dessus, les substances qui conduisent, d'une part à la fornation des carbures métalliques réfractaires durs et, d'autre part, à la formation du liant métallique d'enrobage. Ce dernier pourra être avantageusement formé par du fer, ou un alliage de for plus ou moins carburé, as- socié ou non à un métal ou alliage pouvant joucr lo tôle de désoxydant, par exemple l'aluminium.
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Toutes ces matières premières seront'pulvérisées et auront des dimensions de grains do préférence assez faibles; elles devront, par exemple, passer au tamis de 40 mailles au cm. linéaire. Cependant, on. peut s'écarter sans inconvénient dans une assez large mesure de cette dimension, Il est remarquable de constater qu'alors que les grains constituant la baguette ont des dimensions relativement grandes, les grains de .carbure déposés ont des dimensions microscopiques.
Les différentes matières mises en jeu seront reliées entre elles au moyen d'un agglomérant organique ou minérale de préférenco ne laissant pas de résidu fixe: le vernis "bakélite" donne do très bons résultats. La proportion d'agglomérant à utiliser sera celle qui est juste suffisante pour former une pâte de consistance convenable pour pouvoir etre moulée, comprimée ou filée, sous forme de baguettes., Une section ronde do 6 mm de diamètre pourra par exemple convenir à un grand nombre d'applications., On peut aussi presser le mélange à l'intérieur d'un tube métallique mince ou l'enrober autour d'un fil;
mais cette manière de faire présente beaucoup moins dtintérgt, car on augmente ainsi le prix de revient et on peut également dans ce cas se trouver dépasser la proportion de métal-liant que l'on désire voir entrer dans la composition de la couche d'apport. Après confection, la baguette sera 'séchée ou durcie.
Le dessin ci-joint représente à titre d'exemple en ses fig. 1 à 3, des vues en élévation avec coupes partielles de trois formes do réalisation de baguettes conformes à l'invention.
La fig. 4 est une micrographie de la coupe d'une couche dure rapportée conformément à i'invention.
Dans la forme de réalisation do la fig. 1, la baguette se cq@pose d'une tige 1 constituée par le mélange aggloméré de composés oxygénés du métal destiné à former les grains de carbure, de carbone destiné à réduire ces oxydes et 4 former les carbures en question et de liant agglomérant ces matières.
Dans la variante représentée à la fig. 2, le mélange ag- gloméré 2 est contenu dans un tube 3 do métal chargé diassurer la liaison entre les grains microscopiques de carbure formé par la réduction du ou des oxydes contonus dans le mélange et la pièce métallique sous laquelle les grains de carbure doivent être fixés.
La fig. 3 illustre une autre variante dans laquelle le mélange est aggloméré autour d'une tigo du métal dont le yole est de souder los grains de carbure sur la pièce métallique.
Pour l'opération nome de l'apport, on opère de la fa- çon suivante :
On commence par chauffer légèrement la surface à traiter; puis on amène une extrémité de la baguette juste au-dessus de cette surface ot on la chauffe fortement, au moyen d'un chalumeau ou par tout autre moyen analogue tout en fondant .une mince couche de métal de la pièce elle-même immédiatement audessous de la baguette. La matière constituant la baguette, que l'on oontinue .à chauffer fortement, est alors étalée sur la pellicule superficielle fondue de la pièce sous forme d'unocoucho de consistance pâteuse' qui y adhère.
Une fois cette application obtenue l'opération d'apport est terminée au peint envisagé. Il est possible do recommencer l'opération au même endroit et de fairo ainsi plusieurs supports successifs; mais il faut bien remarquer que la dureté cherchée est obtenue dès le premier apporta puisque-le métal do la pièce ne
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contribue pas ici à augxonter sGl1sib18nent la proportion do liant autour des carbures dans la couche déposée. La surface traitée de la pièce, examinée au microscope, présente un as-
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pect corrospondant à la fig. L ci-jointe; il est remarquable de constater que l'oxyde de la baguette a pratiquonent disparu, et qutil ne reste que des grains de carbure 5 enchâssés dans une natrico nétalliquo 6.
Ces grains sont d'ailleurs très fins, d'une dinension de l'ordre do 3 à 30 et répartis
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très régulièrenont dans toute la nasse avec une densité prat3quor.int constante; la couche de transition avec la 1:1étal sous-jacent 7 est de très faible épaisseur, ce qui confirme l'absence de dilution du liant d'apport par la notai do la
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pièce. Cette texture nicrographiquo assure à l'apport une du- reté bien régulière dans toute son épaisseur. Enfin des ossais do pliage de la couche déposée nontrent qu'elle est peu fragile.
Lo procédé et les baguettes d'apport qui font l'objet do
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l'invention présentenc donc les avantages suivants : a) contrôle de la dureté et de la résistance désirées par la r6glago préalablo des proportions de carbure réfractairo
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dur ot de métal d'enrobage, pernottant une bonne roproducti- bilité des résultats industriols obtenus; b) dureté des couchos d'apport indépondanto do leur épaisseur d'où grande régularité de la qualité des couches obtenuos; cotto épaisseur peut varier do un à plusieurs millimètres et être obtonue on une ou plusieurs passes;
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c) contrôle des régines do tonpérature distincts nécessairas pour effectuer convenabi-crionr, les doux opérations métal- lurgiques de la formatiez, do la substance de la coucho et de son application à la surface des pièces, d'où une grande souplosso du procède, le rendant indépendant do la forme, do la dimension et de la nature des pièces à traiter; d) facilité de aise en oeuvre par un modo opératoire do soudure classique, ne nécessitant pas l'intervention d'un spécialiste; o) enfin, prix de revient peu élevée en raison du bon marché des matières premières et do la facilité de fabrication des baguettes.
Voici un exemple de réalisation de l'invention:
On a préparé une baguette en mélangeant 75% d'acide tungs-
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tiquo 18% de graphite pulvérisé, 6% de ferronanganèso carburé \ 6% C, 70% Mn) et 1 d'aluniniun en limaille, la tout aggloméré avec 5% de bakélite liquide par rapport au poids du mélange ci-dessus. Le mélange pâteux ainsi obtenu a été filé à la prosso on baguettes do 6 mm de dianètre ct enfin durci 100 . L'application a été faite sur un acier ni-dur au chrome-
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nickol, à l'aide d'un cha1unoau oxync>"fl6niquo.
On a obtenu une couche do 2 nn d:ôpaissour et de dureté égale à 70-72 unités Rockwcll C,,
Le procédé et los baguettes qui font l'objet de la présen-
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te invention c0l1vinn0nt particulièrement bien pour recharger des pièces Métalliques tellos, par oxenpio que: buses do rablage, guides de 1a1:11oirs, béquilles d:avion, natricos et poinçons dl enbouti ssago et de découpage, soupapes, sièges de soupape, lanos do cisaille, calibres, filières d'étirage, ma-
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tricos et filières do filage, nat601 do mincy matériel do forage et, d'uno manière générale, tout matériel devant résister à l'abrasion,