<Desc/Clms Page number 1>
L'invention est relative à des articles carburés composites et à leur procédé de fabrication. L'invention est utile dans la production d'articles tels que des matrices d'étirage et d'extrudage, de cylindre pour laminage des tiges et des fils et pour des pièces en général qui exigent de la résistance à l'abrasion et de la résistance aux chocs.
Des compositions de carbure frittées comprenant du carbure de tungstène ou un autre carbure métallique dur reliés par un métal de liaison tel que du nickel, du cobalt ou du fer, sont connues pour être utiles comme outils de coupe, matrices et articles résistant à l'abrasion en raison de leur haute qualité abrasive. Toutefois, de telles compositions carburées métalliques dures n'ont pas une résistance au choc suffisante pour être utilisées dans certaines conditions. Suivant l'invention, on fournit des corps ou articles carburés composites qui comprennent un noyau et une enveloppe ou revêtement carburé reliés de manière intégrante. Le noyau comprend en poids au moins 80% de tungstène et le revêtement contient du carbure de tungstène formé in situ.
Le noyau confère une excellente résistance aux chocs à la pièce et le revêtement des qualités abrasives excellentes.
Le procédé de fabrication de l'article composite consiste à prendre un corps métallique lourd contenant en poids aumoins 80% de tungstène et ensuite à chauffer-le corpsà une température de carburation en contact avec un agent carburant qui soit un solide à la température de carburation employée jusqu'à ce qu'un revêtement carburé d'épaisseur désirée soit formé sur le corps.
Alors que le corps métallique lourd, avant la carburation, peut être constitué entièrement en tungstène, il est préféré qu'il contienne à la fois du tungstène et un liant métallique, le tungstène constituant de 80 à 97% en poids du corps et le liant de 3 à 20 %. Toutes les proportions, données ici sont en poids. Comme métaux de liaison pour le tungstène, on peut employer du nickel, du cobalt ou du fer ou un mélange quelconque de ces métaux entre eux. On peut utiliser du cuivre ou de l'argent ou les deux, comme métaux de liaison, mais seulement en combinaison avec du nickel, ou du cobalt, ou du fer, ou bien tous ces métaux et, lorsque le cuivre et l'argent sont utilisés, ils ne constituent pas plus de la moitié du poids total des métaux de liaison.
Une composition de métal lourd préférée contient du tungstène, du nickel et du cuivre, les proportions préférées étant :
Exemple 1.
Tungstène 90 %
Nickel 7 %
Cuivre 3 %
Un domaine préféré est :
Tungstène 86 - 94 %
Nickel 5 - 9 %
Cuivre 1 - 5 %
Les corps métalliques lourds qui doivent être carburés peuvent être faits de diverses manières.
Les métaux en poudre peuvent être intime-
<Desc/Clms Page number 2>
ment mélangés ;iL;.ne at moulin à boulets, etensuite pressés à chaud suivant la forme desrés, au lieu d'un pressage à chaud, les poudres mélangées peuvent être @@@es à froid et ensuite frittées. Le pressage à chaud, le pressage à froid et le frittage sont des mesures bien connues dans la fabri- eation corps à partir d'un métal en poudre et, en conséquence, n'ont pas besoin d'être décrits d'une manière plus détaillée.
Un autre procéde de fabrication d'un corps métallique lourd qui doit être carbure @térieurement consiste à produire un compact vert de tungstène en foudre, placer le compact au fond d'un creuset, et ensuite à placer du nickel en poudre on un mélange de nickel et de cuivre en coudre à la partie supérieure du compact et à chauffer le creuset jusqu'à ce que le nickel et ie cuivre soient fondus et coulentdans les interstices du compact vert. Un autre procédé consiste à verser du nickel ou un alliage de cuivre et ae nickel sur un compact vert de poudre de tungstène, de manière à faire que le compact devienne imprégné avec le métal de liaison.
Quelle que soit la manière dont le corps métallique lourd est formé, il est ensuite carburé pour former une enveloppe ou revêtement carcuré lié de manière intégrante au noyau. Par exemple, si une matrice d'extrudage doit être faite suivant la présente invention, un corps métallique lourd de forme et de dimensions convenables pour la matrice d'extrudage est fait d'une des manières qui ont été décrites ci-dessus. Par la suitex la matrice est usinée à la forme et aux dimensions convenables, ce qui peut être fait facilement étant donné que le corps métallique lourd ne contient pas de carbures quelconques mais simplement les métaux eux-mêmes.
La matrice est tassée dans du graphite, du coke, du charbon ou autre agent carburant qui soit un solide à la température de carburation à employer. Du graphite en poudre est un agent de carburation préféré et de préférence passant au tamis de 100 ou plus fin. Il doit être de grande pureté, étant donné que s'il contient du soufre il est susceptible d'atta- quer la surface du corps métallique lourd. La matrice est tassée dans du graphite. de telle manière que toutes les surfaces qui doivent être carburées soient en contact avec le graphite, et la matrice ainsi tassée dans le graphite en pouàre dans une nacelle de graphite est placée dans un four, tel qu'un four à atmosphère d'hydrogène ou autre four ayant des moyens pour maintenir one atmosphère neutre ou réductrice dans le four.
La matrice est chauffée à -une température de carburation jusqu'à ce qu'un revêtement ou couche carburé d'épaisseur désirée soit formée sur le corps. La température de carburation peut être de 1,800 à 2,700 F (982 à 1.482 C), un domaine préféré étant entre 2.000 et 2,400 F (1.093 à 1.315 C). Le temps de carburation variera suivant l'épaisseur du revêtement carburé désirée et suivant la température particulière et l'agent de carburation particulier* En utilisant du graphite en poudre comme agent de carburation à une température d'environ 2,200 F (1,204 C), il a été trouvé qu'une matrice dont la plus grande dimension est de 1 inch (2,54 cm) peut être carburée pour produire un revêtement ou couche superficielle carburé de 0,030 inch (0,
762 um) en approximatrivement 4 heures.
L'invention a une utilité particulière dans la fabrication de matrices pour l'extrudage d'aluminium. L'oxyde d'aluminium qui est très abrasif se forme sur les billettes d'aluminium lorsqu'elles sont chauffées dans le but de les extruder. Une matrice faite suivant la présente invention résiste à l'action abrasive de ces oxydes et, en outre, en raison du noyau de la matrice qui n'est pas carburé, résiste aux chocs impliqués par l'exécution de 1'extrudage Il sera évident que l'article composite de
<Desc/Clms Page number 3>
l'invention ayant un noyau et une couche superficielle carburée intégrale- ment liés, fournit une résistance aux chocs plus grande qu'un article analo- gue fait sur toute son épaisseur de carbure de tungstène lié par le même métal de liaison.
D'autre part, l'article composite de l'invention, en rai- son de sa couche superficielle carburée, qui contient du carbure de tung- stène, fournit une résistance à la fatigue beaucoup plus grande qu'un arti- cle fait dans toute son épaisseur de métal tungstène lié par le même métal de liaison.
Il a été trouvé qu'afin d'obtenir les résultats désirés dans la mise en oeuvre du processus de carburation, l'agent de carburation doit être un agent qui soit un solide à la température de carburation employée.
Il n'est pas satisfaisant d'employer simplement un gaz de carburation. Par exemple, on a employé du gaz méthane comme agent de carburation, mais on a trouvé qu'il n'était pas satisfaisant. Il provoque des cloques sur le corps métallique lourd. On pense que ceci est dû à la fusion prématurée du nickel ou autre -métal de liaison lorsqu'un métal de liaison est employé.
Lorsqu'un gaz est employé comme agent de carburation, cette fusion préma- turée se produit avant que l'agent de carburation ait eu la possibilité de produire un revêtement carburé de l'épaisseur désirée. Il est donc essen- tiel, dans la mise en oeuvre du procédé de l'invention, que l'agent de car- buration soit un agent qui,,soit solide à la température de carburation, en opposition avec l'utilisation d'un gaz comme agent de carburation.
REVENDICATIONS.
--------------- l.- Procédé de fabrication d'un article composite ayant un noyau et une couche superficielle carburée, liés d'une manière intégrante, caractérisé en ce qu'on part d'un corps de métal lourd contenant en poids au moins 80% de tungstène et on chauffe le corps à une température de car- buration, en contact avec un agent de carburation qui soit un solide à la température de carburation employée jusqu'à ce qu'une couche superficiel- le carburée d'épaisseur désirée soit formée sur le corps..
<Desc / Clms Page number 1>
The invention relates to composite carburized articles and to their manufacturing process. The invention is useful in the production of articles such as drawing and extrusion dies, rod and wire rolling dies, and parts in general which require abrasion resistance and durability. impact resistance.
Sintered carbide compositions comprising tungsten carbide or other hard metal carbide bonded by a bond metal such as nickel, cobalt or iron, are known to be useful as cutting tools, dies and wear resistant articles. abrasion due to their high abrasive quality. However, such hard metal carbide compositions do not have sufficient impact strength to be used under certain conditions. In accordance with the invention, there are provided composite carburized bodies or articles which comprise a core and an integrally connected carburized shell or liner. The core comprises by weight at least 80% tungsten and the coating contains tungsten carbide formed in situ.
The core provides excellent impact resistance to the part and the coating excellent abrasive qualities.
The method of making the composite article consists of taking a heavy metal body containing at least 80% tungsten by weight and then heating the body to a carburizing temperature in contact with a fuel agent which is a solid at the carburizing temperature. used until a carburized coating of desired thickness is formed on the body.
While the heavy metal body, prior to carburizing, can be made entirely of tungsten, it is preferred that it contains both tungsten and a metal binder, with the tungsten constituting 80-97% by weight of the body and the binder. from 3 to 20%. All proportions given here are by weight. As the binding metals for the tungsten, nickel, cobalt or iron or any mixture of these metals with one another can be employed. Copper or silver or both can be used as binding metals, but only in combination with nickel, or cobalt, or iron, or all of these metals and, when copper and silver are used, they do not constitute more than half of the total weight of the bonding metals.
A preferred heavy metal composition contains tungsten, nickel and copper, the preferred proportions being:
Example 1.
Tungsten 90%
Nickel 7%
Copper 3%
A preferred area is:
Tungsten 86 - 94%
Nickel 5 - 9%
Copper 1 - 5%
Heavy metal bodies that need to be carburized can be made in a number of ways.
Powdered metals can be intimate-
<Desc / Clms Page number 2>
The mixed powders can be cold pressed and then sintered instead of hot pressing. Hot pressing, cold pressing and sintering are well known measures in the manufacture of bodies from powdered metal and, therefore, need not be further described. detailed.
Another method of making a heavy metal body which is to be carbide-tipped is to produce a green tungsten lightning compact, place the compact at the bottom of a crucible, and then place powdered nickel or a mixture of Sew nickel and copper to the top of the compact and heat the crucible until the nickel and copper are melted and flow into the interstices of the green compact. Another method is to pour nickel or an alloy of copper and ae nickel onto a green compact of tungsten powder, so that the compact becomes impregnated with the bond metal.
Regardless of how the heavy metal body is formed, it is then carburized to form a casing or casing integrally bonded to the core. For example, if an extruder die is to be made in accordance with the present invention, a heavy metal body of suitable shape and size for the extruder die is made in one of the ways which have been described above. Subsequently, the die is machined to the correct shape and size, which can be done easily since the heavy metal body does not contain any carbides but just the metals themselves.
The matrix is packed in graphite, coke, coal or other fuel agent which is a solid at the carburizing temperature to be employed. Graphite powder is a preferred carburizing agent and preferably sieve of 100 or finer. It must be of high purity, since if it contains sulfur it is liable to attack the surface of the heavy metallic body. The matrix is packed in graphite. in such a way that all the surfaces which are to be carburized are in contact with the graphite, and the matrix thus packed in the powdered graphite in a graphite boat is placed in a furnace, such as a furnace with a hydrogen atmosphere or another furnace having means for maintaining a neutral or reducing atmosphere in the furnace.
The die is heated to a carburizing temperature until a carburized coating or layer of desired thickness is formed on the body. The carburizing temperature can be from 1,800 to 2,700 F (982 to 1,482 C), a preferred range being between 2,000 and 2,400 F (1,093 to 1315 C). The carburizing time will vary depending on the thickness of the carburized coating desired and depending on the particular temperature and carburizing agent. * By using powdered graphite as the carburizing agent at a temperature of about 2.200 F (1.204 C), it It has been found that a die having a longest dimension of 1 inch (2.54 cm) can be carburized to produce a carburized coating or surface layer of 0.030 inch (0,
762 µm) in approximately 4 hours.
The invention has particular utility in the manufacture of dies for extruding aluminum. Aluminum oxide which is very abrasive forms on aluminum billets when they are heated for the purpose of extruding them. A die made in accordance with the present invention resists the abrasive action of these oxides and, further, due to the die core which is not carburized, resists the impacts involved in performing the extrusion. that the composite article of
<Desc / Clms Page number 3>
the invention having an integrally bonded carburized core and surface layer provides greater impact resistance than a like article made throughout its thickness of tungsten carbide bonded by the same bond metal.
On the other hand, the composite article of the invention, due to its carburized surface layer, which contains tungsten carbide, provides much greater resistance to fatigue than an article made in. all its thickness of tungsten metal bonded by the same bond metal.
It has been found that in order to achieve the desired results in carrying out the carburizing process, the carburizing agent must be one which is a solid at the carburizing temperature employed.
It is not satisfactory to simply use a fuel gas. For example, methane gas was used as the carburizing agent, but it was found to be unsatisfactory. It causes blisters on the heavy metal body. This is believed to be due to the premature melting of nickel or other binding metal when a binding metal is employed.
When a gas is employed as a carburizing agent, this premature melting occurs before the carburizing agent has had a chance to produce a carburized coating of the desired thickness. It is therefore essential, in carrying out the process of the invention, that the carburizing agent be one which is solid at the carburizing temperature, as opposed to the use of a carburizing agent. gas as a carburizing agent.
CLAIMS.
--------------- l.- A method of manufacturing a composite article having a core and a carburized surface layer, integrally bonded, characterized in that starting from 'a heavy metal body containing by weight at least 80% tungsten and the body is heated to a carburizing temperature in contact with a carburizing agent which is a solid at the carburizing temperature employed until a surface layer of the carbide of the desired thickness is formed on the body.