Procédé pour la préparation d'une baguette de soudure composée et baguette obtenue par ce procédé La présente invention se rapporte à un procédé de préparation d'une baguette de sou dure composée destinée à déposer à basse tem pérature des revêtements ou rechargements ré sistants à l'usure et à l'abrasion.
On connaît le procédé d'application de revêtements durs qui consiste à souder un re vêtement de métal dur présentant une résis tance élevée à l'usure et à l'abrasion sur un métal moins dur. Ce procédé s'est révélé par ticulièrement utile pour produire ou remplacer des parties tranchantes d'outils tels que des perforatrices et des outillages destinés à dé placer de la terre, qui sont soumis à une abra sion particulièrement sévère.
Une composition destinée à produire des revêtements durs doit être pratiquement ho mogène, solide et dure pour conférer au revê tement de bonnes propriétés de résistance à l'usure et à l'abrasion. Ces revêtements doivent aussi rester solidement liés au métal de base sous les conditions d'utilisation les plus sévè res. Ils doivent en outre se déposer facilement à des températures relativement basses et la baguette doit pouvoir supporter sans dommage un long stockage.
L'invention a précisément pour but de fournir un procédé de préparation de baguettes de soudure faites d'une composition pour re vêtements durs présentant une structure nou velle susceptible de faciliter le dépôt de revê- tements efficacement résistants à l'usure et à l'abrasion à des températures relativement bas ses, baguettes susceptibles en outre de suppor ter sans se détériorer un très long stockage.
Suivant la présente invention, on tasse dans un moule tubulaire des particules dures, telles que des particules de carbures, et on chauffe les particules tassées à la température de fusion de l'alliage mère ; on introduit ensuite l'alliage mère dans le moule et cet alliage fond et suinte parmi les particules dures préalablement dis posées dans le moule, il les mouille à fond et tend à se déposer vers le fond du moule pour former une baguette composée comprenant des particules dures entièrement enrobées dans l'alliage mère.
La structure homogène obtenue avec le procédé susmentionné donne une baguette com posée contenant des particules dures qui sont entièrement revêtues de l'alliage mère. Le fait de disposer préalablement les particules dures dans le moule assure une recharge homogène sans qu'il y ait besoin de la puddler ou de la reprendre. En tassant fermement les parti cules dures dans le moule, elles se répartissent de façon homogène dans l'alliage mère. L'en robage intégral des particules par l'alliage mère les protège aussi de la corrosion ou de toute attaque des agents atmosphériques.
D'autres matières telles que des désoxydants et des mé taux réactifs destinés à assurer une fluidité parfaite peuvent aussi être ajoutées à l'alliage mère pour faciliter la confection de la baguette ainsi que pour la rendre plus fluide à l'emploi.
Le dessin ci-annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution d'une ba guette de soudure obtenue par le procédé selon l'invention.
La fig. 1 est une coupe en élévation de la dite baguette logée dans son moule de coulage ; et la fig. 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la fig. 1 vue dans la direction des flèches. En se référant aux fig. 1 et 2, un tube creux 10 en matière réfractaire, telle que le gra phite ou une matière céramique, par exemple, est utilisé comme moule pour couler la baguette 12. Le fond du moule 10 est fermé par un bouchon 14 qui peut être fait en une matière réfractaire similaire.
Le moule 10 présente une section transversale circulaire, mais il va sans dire qu'on peut aussi utiliser un moule tubu laire ayant une section appropriée quelconque, par exemple carrée ou rectangulaire. Des par ticules dures concassées 16 sont tassées ferme ment dans le tube jusqu'à ce que ce tube soit pratiquement entièrement rempli. Ces particu les dures 16 peuvent être, par exemple, des particules de carbures ou d'autres substances dures qui seront spécifiées plus loin. Le moule contenant les. particules dures tassées est en suite chauffé dans un four usuel jusqu'à ce qu'il atteigne la température de fusion de l'alliage mère 18. Divers alliages mères appropriés se ront spécifiés plus loin.
L'alliage mère 18 sous forme de fil ou sous toute autre forme appropriée est introduit dans la partie supérieure du moule rempli. Dès que l'alliage mère fond, il suinte à travers la masse agglomérée des particules de carbure ou d'au tres particules dures et tend à se déposer vers le fond du moule. En passant à travers lesdites particules, l'alliage mère mouille intégralement chacune de ces particules et les enrobe. On in troduit l'alliage mère de façon continue par le sommet du moule jusqu'à ce que le moule soit entièrement rempli. On obtient ainsi une ba guette composée comprenant des particules du- res entièrement enrobées dans l'alliage mère. Le moule tubulaire creux est ensuite retiré de la source de chaleur et refroidi.
Après refroi dissement, le moule 10 est dépouillé de la ba guette 12 comme il est représenté en 20 où une partie du moule a été enlevée pour laisser une baguette composée de particules dures com plètement enrobées dans l'alliage mère.
Lorsqu'on utilise pour le moule une ma tière dont le point de fusion n'est que légère ment supérieur à la température de fusion de l'alliage mère, il n'y a pas besoin de le dé pouiller de la baguette si la matière dont il est constitué est compatible avec les autres cons tituants du revêtement à obtenir. On peut même utiliser pour la confection du moule un matériau ayant une température de fusion égale ou même inférieure à la température de fusion de l'alliage mère, à condition qu'on re froidisse le moule pendant qu'on verse l'al liage mère.
On peut utiliser dans la baguette composée diverses sortes de particules dures. Les carbu res de tungstène, de bore, de vanadium et de silicium se prêtent particulièrement bien à la production de revêtements ou de recharge- ments ayant une grande résistance à l'usure et à l'abrasion. Des alliages à base de cobalt et des alliages à base de nickel à température de fusion élevée confèrent aux revêtements de meilleures propriétés d'absorption des chocs que les particules de carbures. On peut citer comme alliage au cobalt approprié; par exem ple un alliage contenant : 1,0 à 2,5 0/o de car bone, 28,0 à 35,0 0/o de chrome, 4,0 à 13,0 0/o de tungstène, et le reste de cobalt.
Comme alliage au nickel à haute température de fusion, on peut citer, par exemple, un alliage compre nant : 10 à 15 0/o de chrome, 1 à 3 0/o de bore, 5 à 4 0/o de silicium, et le reste de nickel.
Les particules de carbures sont- plus dures et plus cassantes, les alliages au cobalt ainsi que les alliages au nickel à haute température de fusion donnent une meilleure résistance à la corrosion. Le type de particules utilisé peut varier selon les propriétés que l'on attend des revêtements obtenus avec la baguette. La nature de l'alliage mère peut aussi va rier suivant les services que l'on attend des revêtements. Pour des baguettes d'usage géné ral on peut utiliser avantageusement comme alliage mère un alliage cuivre-nickel-zinc. Des compositions particulièrement appropriées d'alliages de ce type sont décrites dans les bre vets suisses Nos 298973 et 300088.
Ces allia ges mère combinés avec des particules dures appropriées donnent une baguette pour revê tements durs particulièrement appropriée aux applications de forage en général et pour les champs de pétrole en particulier. Un revête ment de particules dures en suspension ou en robées dans une matière mère semi-dure est ainsi obtenu.
Dans certaines applications aux champs pétrolifères où l'on rencontre en cours de fo rage des formations rocheuses dures et abrasi ves, il est nécessaire d'employer un alliage mère plus résistant. Ce type de rechargement est obtenu en utilisant pour l'alliage mère un bronze d'aluminium. Ce bronze d'aluminium peut être constitué par un alliage cuivre-alumi- nium contenant de 8 à 10 0/o d'aluminium, par exemple.
Lorsqu'on a besoin d'une résistance à une forte abrasion, à la chaleur et/ou à la corro sion, on peut utiliser pour l'alliage mère un alliage à base de nickel. Un tel alliage parti culièrement avantageux est un alliage nickel- bore-chrome-silicium contenant des propor tions variables de carbone, par exemple un al liage contenant : 60 à 80 0/o de nickel, 10 à 20 % de chrome, 2 à. 5 0/o de bore et 0,5 à 6 % de silicium. On peut combiner n'importe quel alliage mère et -n'importe quelles particu les dures en n'importe quelle combinaison com patible pour obtenir un revêtement présentant les caractéristiques les mieux appropriées aux services. qu'on en attend.
La quantité de particules dures par rapport à l'alliage mère peut aussi varier dans de lar ges proportions suivant les usages auxquels est destinée la baguette. L'expérience a démon tré qu'il suffit de 5 % en poids de particules dures enrobées dans 95 /o en poids d'alliage mère pour fournir un matériau pour revête- ment doté de propriétés exceptionnelles de ré sistance à l'usure et à l'abrasion. On a obtenu des résultats particulièrement excellents avec des mélanges contenant de 20 à 70 % en poids d'alliage mère et de 70 à 20 0/o de parti cules dures.
La grosseur des particules. dures peut aussi varier dans de très larges proportions suivant l'usage final de la baguette. L'expérience a démontré qu'on peut utiliser des particules al lant jusqu'à 10 mm dans leur plus grande di mension et inversement des particules assez fines pour passer au tamis de 325 mailles.
Une baguette ayant des caractéristiques avantageuses peut avoir la composition sui vante
EMI0003.0011
Particules <SEP> de <SEP> métal <SEP> dur <SEP> 60 <SEP> 0/o <SEP> en <SEP> poids
<tb> Alliage <SEP> mère <SEP> 35 <SEP> 0/0 <SEP> <B> <SEP> </B>
<tb> Flux <SEP> 3 <SEP> % <SEP> <SEP>
<tb> Alliage <SEP> cuivre-lithium <SEP> 2 <SEP> 0/0 <SEP> <B> <SEP> </B> On ajoute l'alliage cuivre-lithium comme dés oxydant @ et pour améliorer la fluidité de l'al liage mère. Le type de flux varie suivant le type d'alliage mère utilisé. Les flux du type borates agissent très bien, par exemple, avec les alliages cuivre-nickel-zinc et les alliages au nickel.
Les flux du type fluorures conviennent mieux aux alliages mères au cuivre-aluminium connus aussi sous le nom de bronzes d'alu minium. On peut aussi ajouter des terres rares au moule pour améliorer les caractéristiques de coulage du métal moulé et des revêtements déposés.
La nouvelle structure obtenue par le pré sent procédé fournit un revêtement dur pré sentant diverses caractéristiques avantageuses. On peut très bien appliquer au moyen du cha lumeau oxyacétylénique une composition con tenant un alliage cuivre-zinc-nickel. Les ba guettes- contenant un alliage mère au bronze d'aluminium ou au nickel peuvent être facile ment appliquées au moyen du chalumeau oxy acétylénique, de l'arc au carbone, de l'arc en atmosphère neutre, ou par électrodes métalli ques. Dans tous les cas, le revêtement peut être déposé à température relativement basse. Cela facilite le dépôt et empêche tout dommage à la matière de revêtement et à la structure du métal de base.
La disposition préalable précise et com pacte des particules dans le moule assure une distribution homogène des particules dans le revêtement. Lorsqu'on coule des baguettes par d'autres procédés, les particules dures plus lourdes ont tendance à se déposer au fond de l'alliage mère.
L'addition de l'alliage mère au moule tassé et chauffé garantit aussi que les particules sont maintenues à une température suffisamment élevée pour assurer un mouillage ou un en robage intégral desdites particules par l'alliage mère fondu. Cela facilite le dépôt d'un revête ment homogène sans qu'il y ait besoin de puddler ou d'usiner pendant le dépôt. L'en robage intégral des particules protège aussi ces dernières de toute attaque ou corrosion par les agents atmosphériques pendant les longues pé riodes de stockage.
On peut ajouter aussi au moule d'autres matières qui autrement seraient sujettes à une détérioration ou à une corrosion pour les enro ber intégralement dans l'alliage mère et leur assurer ainsi une protection efficace contre une ultérieure détérioration ou corrosion. On peut introduire dans le moule tubulaire creux, avant d'y verser l'alliage mère, des désoxydants, tels que le lithium ou les alliages de lithium, ou encore des terres rares. Ces substances rehaus sent les caractéristiques de fluidité et de cou lée de l'alliage mère qui assure un mouillage parfait des particules dans la baguette coulée et préservent leurs caractéristiques désoxydan tes et améliorantes de fluidité pour le dépôt de revêtement.
Process for preparing a compound welding rod and rod obtained by this process The present invention relates to a process for preparing a rod of compound hard solder intended for depositing, at low temperature, coatings or hardfacing resistant to heat. wear and abrasion.
The method of applying hard coatings is known which consists in welding a hard metal coating having a high resistance to wear and abrasion to a less hard metal. This process has been found to be particularly useful for producing or replacing sharp parts of tools such as punches and earth moving implements which are subjected to particularly severe abrasion.
A composition for producing hard coatings should be substantially homogeneous, strong and hard in order to provide the coating with good wear and abrasion resistance properties. These coatings must also remain firmly bonded to the base metal under the most severe conditions of use. They must also be easily deposited at relatively low temperatures and the rod must be able to withstand long storage without damage.
The object of the invention is precisely to provide a process for the preparation of welding rods made of a composition for hard clothing having a novel structure capable of facilitating the deposition of coatings which are effectively resistant to wear and tear. abrasion at relatively low temperatures its rods capable moreover of withstanding without deteriorating a very long storage.
According to the present invention, hard particles, such as carbide particles, are packed in a tubular mold, and the packed particles are heated to the melting temperature of the parent alloy; the parent alloy is then introduced into the mold and this alloy melts and oozes among the hard particles previously placed in the mold, it wets them thoroughly and tends to settle towards the bottom of the mold to form a compound rod comprising particles hard fully coated in the parent alloy.
The homogeneous structure obtained with the aforementioned process results in a composite rod containing hard particles which are fully coated with the parent alloy. The fact of placing the hard particles in the mold beforehand ensures a homogeneous recharge without having to puddle it or take it up again. By firmly compressing the hard particles in the mold, they are distributed evenly in the mother alloy. The integral coating of the particles by the parent alloy also protects them against corrosion or any attack by atmospheric agents.
Other materials such as deoxidizers and reactive metals intended to ensure perfect fluidity can also be added to the mother alloy to facilitate the making of the rod as well as to make it more fluid in use.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of a welding rod obtained by the method according to the invention.
Fig. 1 is a sectional elevation of said rod housed in its casting mold; and fig. 2 is a section taken along line 2-2 of FIG. 1 view in the direction of the arrows. Referring to Figs. 1 and 2, a hollow tube 10 of refractory material, such as graphite or a ceramic material, for example, is used as a mold for casting the rod 12. The bottom of the mold 10 is closed by a plug 14 which can be made. of a similar refractory material.
The mold 10 has a circular cross section, but it goes without saying that one can also use a tubular mold having any suitable section, for example square or rectangular. Crushed hard particles 16 are firmly packed into the tube until the tube is almost completely filled. These hard particles 16 may be, for example, particles of carbides or other hard substances which will be specified later. The mold containing the. The hard packed particles are then heated in a conventional furnace until it reaches the melting temperature of the master alloy 18. Various suitable master alloys will be specified below.
The mother alloy 18 in wire form or in any other suitable form is introduced into the upper part of the filled mold. As soon as the parent alloy melts, it oozes out through the agglomerated mass of the carbide particles or other hard particles and tends to settle towards the bottom of the mold. By passing through said particles, the parent alloy fully wets each of these particles and coats them. The parent alloy is continuously introduced from the top of the mold until the mold is completely filled. There is thus obtained a compound bar comprising hard particles entirely coated in the parent alloy. The hollow tubular mold is then removed from the heat source and cooled.
After cooling, the mold 10 is stripped of the bar 12 as shown at 20 where part of the mold has been removed to leave a stick composed of hard particles fully coated in the parent alloy.
When a material is used for the mold whose melting point is only slightly higher than the melting temperature of the parent alloy, there is no need to strip it from the rod if the material of which it is made is compatible with the other constituents of the coating to be obtained. It is even possible to use for the manufacture of the mold a material having a melting temperature equal to or even lower than the melting temperature of the mother alloy, provided that the mold is re-cooled while the mother alloy is poured. .
Various kinds of hard particles can be used in the wand. Tungsten, boron, vanadium and silicon carbons are particularly suited to the production of coatings or fillings with high resistance to wear and abrasion. Cobalt-based alloys and high melting-temperature nickel-based alloys give the coatings better shock absorption properties than carbide particles. Mention may be made, as a suitable cobalt alloy; for example an alloy containing: 1.0 to 2.5 0 / o of carbon, 28.0 to 35.0 0 / o of chromium, 4.0 to 13.0 0 / o of tungsten, and the rest cobalt.
As a high melting point nickel alloy, there may be mentioned, for example, an alloy comprising: 10 to 15 0 / o of chromium, 1 to 3 0 / o of boron, 5 to 4 0 / o of silicon, and the rest of nickel.
Carbide particles are harder and more brittle, cobalt alloys as well as high melting point nickel alloys give better corrosion resistance. The type of particles used may vary depending on the properties expected from the coatings obtained with the rod. The nature of the parent alloy may also vary depending on the services expected from the coatings. For rods in general use, a copper-nickel-zinc alloy can advantageously be used as the parent alloy. Particularly suitable alloy compositions of this type are described in Swiss Patents Nos. 298973 and 300088.
These master alloys combined with suitable hard particles provide a hard coat rod particularly suitable for drilling applications in general and for oil fields in particular. A coating of hard particles suspended or robed in a semi-hard parent material is thus obtained.
In some oilfield applications where hard and abrasive rock formations are encountered during drilling, it is necessary to use a stronger parent alloy. This type of surfacing is obtained by using an aluminum bronze for the parent alloy. This aluminum bronze can be constituted by a copper-aluminum alloy containing from 8 to 10% aluminum, for example.
Where resistance to high abrasion, heat and / or corrosion is required, a nickel base alloy can be used as the parent alloy. Such a particularly advantageous alloy is a nickel-boron-chromium-silicon alloy containing variable proportions of carbon, for example an alloy containing: 60 to 80% nickel, 10 to 20% chromium, 2 to. 5 0 / o boron and 0.5 to 6% silicon. Any parent alloy and any hard particle can be combined in any compatible combination to provide a coating exhibiting the most suitable characteristics for the service. that we expect.
The amount of hard particles relative to the parent alloy can also vary within wide proportions depending on the uses for which the rod is intended. Experience has shown that only 5% by weight of hard particles coated in 95% by weight of parent alloy is sufficient to provide a coating material with exceptional wear and tear resistance properties. abrasion. Particularly excellent results have been obtained with mixtures containing 20 to 70% by weight of parent alloy and 70 to 20% of hard particles.
The size of the particles. hard can also vary in very large proportions depending on the end use of the stick. Experience has shown that particles up to 10 mm in their largest dimension can be used and, conversely, particles fine enough to pass through a 325 mesh sieve.
A rod having advantageous characteristics can have the following composition
EMI0003.0011
Particles <SEP> of <SEP> metal <SEP> hard <SEP> 60 <SEP> 0 / o <SEP> in <SEP> weight
<tb> Parent <SEP> alloy <SEP> 35 <SEP> 0/0 <SEP> <B> <SEP> </B>
<tb> Stream <SEP> 3 <SEP>% <SEP> <SEP>
<tb> <SEP> copper-lithium alloy <SEP> 2 <SEP> 0/0 <SEP> <B> <SEP> </B> The copper-lithium alloy is added as a deoxidizer @ and to improve the fluidity of the parent alloy. The type of flux varies depending on the type of parent alloy used. Borate-type fluxes work very well, for example, with copper-nickel-zinc alloys and nickel alloys.
Fluoride-type fluxes are more suitable for copper-aluminum master alloys also known as aluminum bronzes. Rare earths can also be added to the mold to improve the casting characteristics of the cast metal and deposited coatings.
The novel structure obtained by the present process provides a hard coating exhibiting various advantageous characteristics. A composition containing a copper-zinc-nickel alloy can very well be applied by means of the oxyacetylene heat. The rods containing an aluminum bronze or nickel mother alloy can be easily applied by means of the oxy-acetylene torch, the carbon arc, the arc in a neutral atmosphere, or by metal electrodes. In all cases, the coating can be deposited at relatively low temperature. This facilitates deposition and prevents damage to the coating material and the structure of the parent metal.
The precise and compact pre-arrangement of the particles in the mold ensures a homogeneous distribution of the particles in the coating. When casting rods by other methods, the heavier hard particles tend to settle to the bottom of the parent alloy.
The addition of the parent alloy to the packed and heated mold also ensures that the particles are maintained at a temperature sufficiently high to ensure that said particles are fully wetted or sealed by the molten parent alloy. This facilitates the deposition of a homogeneous coating without the need for puddling or machining during deposition. The integral coating of the particles also protects them from any attack or corrosion by atmospheric agents during long storage periods.
Other materials which would otherwise be subject to deterioration or corrosion can also be added to the mold to coat them entirely in the parent alloy and thus provide them with effective protection against further deterioration or corrosion. It is possible to introduce into the hollow tubular mold, before pouring the parent alloy into it, deoxidizers, such as lithium or lithium alloys, or even rare earths. These substances enhance the flow and casting characteristics of the parent alloy which ensure perfect wetting of the particles in the cast rod and preserve their deoxidizing and flow enhancing characteristics for the coating deposition.