CH617370A5

CH617370A5 -

Info

Publication number: CH617370A5
Application number: CH1415276A
Authority: CH
Inventors: Michael Thomas Matty; Philip James Ridout
Original assignee: Bsa Sintered Components Ltd
Priority date: 1975-11-12
Filing date: 1976-11-10
Publication date: 1980-05-30
Also published as: DE2651252A1; BR7607619A; ZA766517B; CA1049813A; FR2331405B1; GB1541005A; IT1066733B; US4098608A; BE848188A; FR2331405A1

Description

La présente invention concerne les améliorations apportées à la composition des mélanges de poudres métalliques avec lesquelles des articles en alliage ferreux peuvent être fabriqués en mettant en œuvre les techniques de la métallurgie des poudres. En particulier, l'invention a trait à une poudre métallique de cette catégorie permettant de fabriquer des articles présentant une caractéristique de résistance à l'usure nettement améliorée.

Le brevet anglais N° 975322 décrit et revendique un mélange de poudres métalliques à partir duquel des articles en alliage mélange dans lequel le nickel et le manganèse sont sous forme de poudre constituée par un alliage binaire ayant un rapport en poids nickel/manganèse compris entre 15/85 et 65/35. Alors que lesdits mélanges produisent, en mettant en œuvre la métallurgie so des poudres, des articles offrant une résistance à l'usure relativement élevée en utilisant des particules alliées de distributions dimensionnelles traditionnellement utilisées, par exemple, par broyage (voir la poudre 2 de l'exemple ci-après), nous avons constaté que la variation de la résistance à l'usure des articles 55 devenait inacceptable dans certaines applications. D'ime manière surprenante, on a récemment découvert que ladite variation peut être notablement réduite en utilisant des particules d'alliage ayant des dimensions telles qu'au moins 85% d'entre elles passent dans le tamis BSS (British Sieves Sériés) à mailles 325 (44 p, environ). 60 Selon la présente invention, il est prévu un mélange de poudres métalliques à partir desquelles des articles en alliage ferreux peuvent être obtenus en mettant en œuvre le procédé bien connu de la métallurgie des poudres, le mélange étant composé de la manière suivante:

(Tableau en tête de la colonne suivante)

mélange dans lequel le nickel et le manganèse sont ajoutés sous la forme d'une poudre constituée par un alliage binaire ayant un

65

3

617 370

Composants Pourcentage en poids

Nickel 0,5 à 4 %

Manganèse 0,5 à 6 %

Carbone (graphite) 0,5 à 1,5%

Cuivre (le cas échéant) Jusqu'à 5 %

Bore (le cas échéant) Jusqu'à 0,4%

Fer et impuretés courantes Complément à 100 %

rapport en poids nickel/manganèse compris entre 15/85 et 65/35 et au moins 80% dudit alliage en poudre passent dans le tamis BSA à mailles 325 (44 environ).

Il est avantageux que les teneurs en poids de nickel, de manganèse et de carbone dans le mélange selon l'invention soient respectivement les suivantes :

Nickel 1,4 à 2,8%

Manganèse 2,1 à 3,9%

Carbone 1,05 à 1,5%

Mais, il est préférable que, pour obtenir un produit offrant une résistance maximale à l'usure, les pourcentages en poids de ces constituants soient:

Nickel 1,9 à 2,8%

Manganèse 3,0 à 3,9%

Carbone 1,05 à 1,5%

Plus spécialement 1,3 à 1,5%

Un avantage de l'utilisation d'un alliage binaire nickel/manganèse tel que celui qui a été mentionné ci-dessus découle du fait que cet alliage pris dans la gamme spécifiée est présent en phase liquide à une température voisine de 1150°C qui est, comme on le sait, une température de frittage couramment utilisée et c'est pourquoi sa diffusion peut se développer aisément dans la masse de la composition frittée. Il est préférable de choisir un alliage nickel/manganèse avec un rapport nickel/manganèse compris entre 20/80 et 55/45, chacun de ces alliages se trouvant en phase liquide à la température de 1100°C, ou, encore mieux, de prendre un alliage à solubilité continue avec un rapport nickel/manganèse d'environ 40/60, alliage qui a un point de fusion voisin de 1025° C. Cependant, il est bien entendu que des températures de frittage plus élevées atteignant jusqu'à 1350°C peuvent être utilisées afin d'obtenir des taux de diffusion plus importants.

Au moins 80% et, de préférence, la totalité des particules d'alliage binaire du mélange selon l'invention doivent passer dans le tamis BSS à mailles 325 (44 |x environ). En particulier, des articles de haute qualité sont obtenus si au moins 60%, avantageusement au moins 80% et, de préférence, la totalité des particules d'alliage binaire passent dans le tamis BSS à mailles 400. La sélection de la dimension particulaire fait que le produit conserve une haute teneur résiduelle en austénite. Nous avons découvert que la résistance à l'usure des articles produits avec les poudres métalliques est directement proportionnelle à la teneur résiduelle en austénite et cela peut s'expliquer par le fait que l'austénite, à l'application de l'énergie, se rompt pour former de la martensite et accroître, par conséquent, la dureté.

Il est préférable que les composants du mélange, sauf la poudre de fer, passent en totalité dans le tamis BSS à mailles 300 (53 (i). En ce qui concerne cette poudre de fer, il est également préférable que toutes les particules passent dans le tamis BSS à mailles 100 (152 (i), avec 75% de ces particules passant dans le tamis BSS à mailles 200 (76 (i) et 50% passant dans le tamis BSS à mailles 300 (53 ji).

Le carbone est, de préférence, ajouté sous forme d'une poudre de graphite très fine (graphite micronisé) et sous un pourcentage compris entre 0,45 et 1,5% en poids.

Le fer est ajouté, de préférence, sous la forme d'une poudre de fer doux. Une petite fraction de la teneur en fer peut être remplacée par le même poids d'un ou plusieurs autres composants, dans la mesure où ces derniers n'affectent pas défavorablement la résistance à la traction et la ductilité des articles produits avec ces mélanges de poudres. La quantité de fer ainsi remplacée ne doit pas, cependant, excéder 5% en poids du poids total du mélange. On trouvera ci-dessous une liste des éléments pouvant être ainsi ajoutés, les chiffres entre parenthèses indiquant la limite moyenne des teneurs :

' Al(l%), B(0,3%), Cr(5%), Mg(l%), Nb et/ou Ta(4%),

P(0,3%), Si(l%), Ti(l%), W(4%), V(0,3%), Zr(0,6%)

Se(0,6%) et Pb(0,5%).

Du cuivre peut être également ajouté à la composition et, lorsqu'il en est ainsi, sa teneur ne doit pas excéder 5% en poids. L'addition de cuivre a un effet favorable sur la résistance à la traction du mélange de poudres métalliques frittées, mais peu ou pas d'effet sur sa résistance à l'usure qui est une caractéristique importante de la composition de poudres métalliques selon l'invention. Le cuivre est, de préférence, ajouté sous forme de poudre élémentaire avec une dimension particulaire telle que la totalité de la poudre passe, de préférence, dans un tamis BSS à mailles 100 (152 n).

C'est un avantage pour la composition de poudres métalliques selon l'invention qu'il ne soit pas indispensable d'ajouter du bore qui agit comme flux, bien que ce constituant puisse être ajouté si on le désire. Lorsqu'on ajoute du bore, sa teneur peut atteindre 0,4% en poids du poids total de la composition. Il peut être introduit à l'état amorphe ou sous la forme d'un ou plusieurs alliages clefs (par exemple, le ferro-bore) ou bien encore sous la forme d'un ou plusieurs composés chimiques du bore, comme des borates métalliques (par exemple, du borate de cuivre).

Le mélange de poudres selon la présente invention peut être utilisé pour fabriquer des articles en alliage ferreux par les techniques traditionnelles de la métallurgie des poudres. Ainsi, après avoir pesé les divers ingrédients entrant dans la composition du mélange de poudres métalliques, ces ingrédients sont soigneusement et complètement mélangés pour obtenir un mélange parfaitement homogène, auquel des lubrifiants tels que la cire de paraffine, des stéarates, etc. bien connus des hommes de l'art, peuvent être incorporés dans des proportions appropriées. Le mélange résultant est aggloméré dans un moule sous une pression d'au moins 2300 bars puis l'aggloméré ainsi formé est éjecté du moule et fritté dans une atmosphère protectrice (de préférence de l'ammoniaque et du propane) à une température comprise entre 1100 et 1350° C pendant au moins 5 mn.

L'exemple suivant est donné à titre indicatif de l'invention, mais il est bien entendu qu'il n'impose aucune restriction dans son domaine d'application. Tous les pourcentages donnés ont été calculés en poids et les températures sont exprimées en ° C.

Exemple:

Quatre compositions de poudres métalliques furent préparées, chacune ayant la même composition élémentaire, à savoir: 1,6% de nickel, 2,4% de manganèse, 1,25% de carbone, 1,0% de cuivre, le complément à 100% ayant été constitué par du fer. Dans chaque cas, le nickel et le manganèse furent ajoutés sous la forme d'un alliage binaire ayant un rapport nickel/manganèse égal à 40/60. La dimension particulaire de l'alliage binaire différait dans chaque poudre, comme on va l'expliquer ci-dessous. Dans chaque cas, le carbone fut ajouté sous forme de graphite micronisé, le cuivre comme cuivre élémentaire et le fer comme fer doux. Les dimensions de la poudre de fer doux étaient telles que la totalité de cette poudre passait dans un tamis BSS à mailles 200 (76 |i.) et 50% passaient dans un tamis BSS à mailles 300 (53 |i). Le graphite et le cuivre avaient des dimensions particulaires leur permettant de passer dans le tamis BSS à mailles 300 (53 n).

L'alliage binaire dans la poudre 1 était une poudre nickel/ manganèse atomisée qui ne passait pas dans le tamis BSS à

5

1Ü

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

617 370

mailles (152 |i). Dans la poudre 2, l'alliage binaire était une poudre broyée avec une distribution de dimensions particulaires telles que 0,2% de la poudre ne passait pas dans le tamis BSS à mailles 140 (105 (i environ), 5,2% ne passaient pas dans le tamis BSS à mailles 200 (76 |x), 38,0% ne passaient pas dans le tamis BSS à mailles 325 (44 p. environ), 31,0% ne passaient pas dans le tamis BSS à mailles 400 (37 |x environ) et 25,6% passaient dans le tamis BSS à mailles 400 (37 n environ). Dans le cas de la poudre 3, l'alliage binaire était une poudre atomisée avec une distribution de dimensions particulaires telles que 0,1% ne passait pas dans le tamis BSS à mailles 140, 0,2% ne passait pas dans le tamis BSS à mailles 200,10,3% ne passaient pas dans le tamis BSS à mailles 325, 26,0% ne passaient pas dans le tamis BSS à mailles 400 et 63,4% passaient dans le tamis BSS à

mailles 400. Enfin, dans le cas de la poudre 4, l'alliage binaire était une poudre atomisée qui passait en totalité dans le tamis BSS à mailles 400, cette poudre ayant été obtenue par tamisage de la poudre 3.

5

Chacune de ces poudres fut soigneusement mélangée et 0,7% de stéarate de zinc fut ajouté au mélange en tant que lubrifiant. Des éprouvettes ayant un diamètre de 31 mm furent faites à partir de chacune des poudres, par agglomération jusqu'à une io masse spécifique brute de 6,8 g/cm3 puis par frittage à 1140°C pendant 30 mn en atmosphère neutre ammoniaque/propane. Les éprouvettes furent ensuite soumises à des essais de dureté et à un dosage de la teneur en austénite. Les résultats de ces essais furent portés dans le tableau 1.

Tableau 1

Poudre N° 12 3 4

Dureté superficielle moyenne 191,9 213,3 229,3 236,6

(Dureté Vickers HV 5 kg)

Teneur moyenne en austénite 6,57 8,96 15,5 17,15

Ecart type de la teneur en austénite 2,63 2,71 2,73 1,68

Les résultats figurant au tableau 1 montrent que toutes les poudres avaient de meilleures propriétés que celles des poudres obtenues par les procédés traditionnels, en tenant compte surtout de l'omission du bore dans les mélanges selon l'invention. Cependant, il apparaît que la dimension particulaire de la poudre constituée par l'alliage binaire a un effet très net sur la dureté et sur la teneur résiduelle en austénite (et, par conséquent, sur la résistance à l'usure). La poudre 3, dans laquelle 89,4% de l'alliage binaire sont passés dans le tamis BSS à mailles 325, est nettement supérieure aux poudres 1 et 2, mais inférieure à la poudre 4, qui contient une poudre d'alliage binaire dont la totalité, 100%, est passée dans le tamis BSS à mailles 400. Non seulement la teneur 30 moyenne en austénite de la poudre 4 est plus élevée que celle de la poudre 3, mais encore, l'écart type est plus bas, c'est-à-dire qu'il existe moins de variations dans la valeur de la teneur en austénite. Il s'ensuit que, dans la mise en application de l'invention, il est préférable d'utiliser un mélange de poudres métalliques dont le 35 constituant allié binaire passe en totalité dans le tamis BSS à mailles 400.

R

Claims

617 370 REVENDICATIONS

1,9 à 2,8% 3,0 à 3,9% 1,05 à 1,5%

10. Mélange selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la teneur en carbone est comprise entre 1,3 à 1,5% en poids.

11. Mélange selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le rapport en poids nickel/manganèse dans l'alliage binaire est compris entre 20/80

et 55/45.

12. Mélange selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit alliage est un alliage à solubilité continue ayant un rapport en poids nickel/manganèse égal à 40/60.

ferreux peuvent être obtenus par les procédés usuels de la métallurgie des poudres, ce mélange étant composé de la manière suivante:

Composants

0,5 à 4 % en poids 0,5 à 6 % en poids 0,05 à 1,5% en poids Complément à 100% en poids

Pourcentage en poids caractérisé par le fait que le nickel et le manganèse sont sous la forme d'un alliage binaire poudreux ayant un rapport en poids nickel/manganèse compris entre 15/85 et 65/35 et qu'au moins 80% dudit alliage en poudre passent dans le tamis BSS à mailles 325.

1.05 à 1,5%

9. Mélange selon la revendication 8, dans lequel lesdits constituants sont présents selon les pourcentages suivants :

Nickel

Manganèse

Carbone

1.4 à 2,8% 2,1 à 3,9%

1. Mélange de poudres métalliques utilisable à la fabrication des articles en alliage ferreux par des procédés de la métallurgie des poudres, ce mélange ayant la composition suivante:

Nickel

Manganèse

Carbone (graphite)

Fer et impuretés courantes

Nickel

Manganèse

Carbone

2. Mélange selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient du cuivre, en quantité ne dépassant pas 5% en poids.

3. Mélange selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient du bore, en quantité ne dépassant pas 0,4% en poids.

4 % 6 % 1,5%

4. Mélange selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la totalité de l'alliage binaire passe dans le tamis BSS à

mailles 325.

5. Mélange selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'au moins 60% dudit alliage binaire passent dans le tamis BSS à mailles 400.

6. Mélange selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'au moins 80% dudit alliage binaire passent dans le tamis BSS à mailles 400.

7. Mélange selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit alliage binaire passe en totalité dans le tamis BSS à mailles 400.

8. Mélange selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le nickel, le manganèse et le carbone sont présents selon les pourcentages en poids suivants:

Nickel Cuivre Manganèse Bore

Carbone (graphite)

Fer et impuretés courantes

0,5 à 0,5 à 0,5 à 0,01 à 0,05 à

6 % 5 % 4 % 0,4% 1,5%

Complément à 100 %

15 L'addition de manganèse comme poudre élémentaire dans ledit mélange présente l'inconvénient résidant en ce que le manganèse s'oxyde facilement, donnant, de ce fait, une couche très difficile à réduire. La teneur en bore de ce mélange est exigée pour parvenir à réduire cet oxyde, car la présence de toute trace 20 d'oxyde interdit l'alliage et la diffusion et, de plus, altère défavorablement les propriétés, particulièrement la résistance à l'usure des objets ou articles fabriqués avec ledit mélange de poudres. Cependant, la présence du bore ne parvient pas à donner une solution satisfaisante au problème posé par l'oxydation, lorsque 25 des objets ayant une haute résistance à l'usure sont demandés.

Il est montré dans la demande de brevet anglais N° 46671/75 en instance au nom de la titulaire que les problèmes posés par la présence de l'oxyde de manganèse dans ledit mélange peuvent être résolus et que des articles ayant une résistance à l'usure améliorée 30 pouvaient être obtenus en ajoutant la teneur de nickel et de manganèse du mélange, uniquement sous la forme d'un alliage binaire ayant un rapport en poids nickel/manganèse compris entre 15/85 et 65/35. En particulier, ladite demande révèle et revendique un mélange composé de la manière suivante:

35

Composants

Pourcentage en poids

40

Nickel

Manganèse

Carbone (graphite)

Cuivre (le cas échéant)

Bore (le cas échéant)

Fer et impuretés courantes

0,5 à 0,5 à 0,05 à Jusqu'à Jusqu'à

5 % 0,4%

Complément à 100 %