CH634111A5 - Procede de chargement dur d'une surface d'un substrat en alliage a base de fer. - Google Patents

Procede de chargement dur d'une surface d'un substrat en alliage a base de fer. Download PDF

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Description

La présente invention se rapporte au chargement dur des substrats en alliage à base de fer. Plus particulièrement, l'invention se rapporte au chargement dur des substrats en alliage à base de fer avec utilisation, comme matière de chargement dur, d'une composition contenant un carbure de vanadium et du carbone libre, en vue de procurer une résistance améliorée à l'usure et aux chocs.
Le chargement dur de substrats, par exemple de surfaces métalliques (voir «The Oxy-Acetylene Handbook», 1 Ie éd., Linde Air Products Division of Union Carbide Corporation, et «Welding Handbook», 3e éd., American Welding Society) est de pratique courante dans l'industrie. Par exemple, on dépose, par les techniques de chargement dar, du carbure de tungstène (W2C-WC) en particules moulées, ou de WC lié par du cobalt, généralement gainé par un tube d'acier, sur des alliages à base de fer dans la fabrication d'outils de coupe, d'appareillages de déplacement de terre, etc., résistant à l'usure. On a cependant constaté que, peut-être en raison de propriétés physiques différentes du métal de base et du carbure de tungstène, la matière de chargement dur a tendance à se distribuer irrégulièrement dans la partie fondue du substrat métallique. Il en résulte que des variations de dureté indésirables peuvent se produire dans les surfaces chargées solidifiées finales.
En outre, au cours du dépôt du carbure de tungstène, aussi bien moulé que lié au cobalt, sur des substrats en et en acier, le fer fondu du substrat dissout une partie du carbure de tungstène et il en résulte, au cours du refroidissement, la précipitation des carbures mixtes (FeW)gC et Fe3W3C conformément à l'équation 3WC+9Fe -» Fe3 W3C+2Fe3C, ayant pour conséquence un appauvrissement notable du tungstène déposé produisant une phase résistant moins à l'usure.
Lorsque du cabure de tungstène est employé dans le chargement dur, il faut un poids de carbure de tungstène relativement important pour un chargement dur satisfaisant, en raison de la haute densité du carbure de tungstène.
Un but de la présente invention est donc de procurer un procédé
de chargement dur dans lequel on utilise une matière contenant du carbure de vanadium et du carbone libre pour produire une surface présentant des propriétés de résistance à l'usure au moins comparable à celles procurées par l'emploi du carbure de tungstène usuel.
Dans le dessin annexé:
la fig. 1 est une photographie (grossissement original 10 x ) d'un granule de matière de chargement dur pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention,
la fig. 2 est une micrographie (grossissement original 1500 x ) d'une matière de chargement dur pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.
La présente invention a pour objet un perfectionnement des procédés classiques de chargement dur, consistant à employer comme matière de chargement dur une matière solide consistant essentiellement en vanadium et carbone chimiquement combinés et en carbone libre ou non combiné, le vanadium et le carbone chimiquement combinés étant combinés sous forme de VC0 89 et le carbone libre étant en teneur de 5,7 à 15,4% en poids du vanadium et du carbone combinés. La composition sus-décrite peut aussi contenir jusqu'à 15% en poids globalement de cobalt, fer, nickel et molybdène, de préférence de 3 à 6%.
La matière de chargement dur sus-décrite, pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, est formée de grains de carbure de vanadium, VC0 89, contenant du carbone libre dispersé entre les grains de carbure de vanadium. Cela est montré à titre d'exemple dans la microphotographie de la fig. 2, dont le grossissement original est de 1500 x, et où l'on voit les grains de carbure de vanadium sous forme de zones grises et le carbone libre sous forme de zones noires. Des exemples de grains de carbure de vanadium sont montrés en 10 et 20 et du carbone libre est montré en 30. Les surfaces blanches 40 sont du cobalt. La composition de la fig. 2 contenait 22% de carbone (5,7% de carbone libre) et 3% de cobalt.
Bien que diverses techniques puissent être utilisées pour produire la matière de chargement dur sus-décrite à partir de matières premières classiques, comprenant le vanadium et le carbone élémentaires, ainsi que des oxydes de vanadium, la forme préférée de la matière de chargement dur pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention est une matière en particules, pressée à froid et frittée, par exemple sous atmosphère d'hydrogène ou sous vide, puis granulée, illustrée à titre d'exemple dans le présent exposé. Dans ces exemples, les matières premières contenant le vanadium, le carbone et le cobalt sont mélangées, comprimées et frittées sous atmosphère d'hydrogène à des températures élevées, par exemple de 1200 à 1600°C, pendant des périodes, par exemple de lA à 3 h, suffisantes pour produire la matière sus-décrite.
Une forme particulière d'exécution de la présente invention comprend une baguette de chargement dur de forme usuelle à utiliser pour le chargement dur des substrats en fer et en alliages à base de fer, par exemple en acier doux, en acier Hadfield, etc. Une telle baguette de chargement dur comprend une gaine, ou un tube métallique, formé de métaux usuels, tels que fer, acier, aluminium, cuivre, etc., contenant une composition de chargement dur comme précédemment décrite.
Le procédé de chargement dur selon l'invention peut être exécuté à l'aide des techniques connues de soudage au gaz etélectrique, le soudage au gaz, le soudage à l'arc et d'autres techniques décrites dans «Master Chart of Welding Processes», American Welding Society (1969) en utilisant des fondants usuels.
Le procédé de chargement dur selon l'invention peut également être exécuté à l'aide des techniques connues de pulvérisation ou revêtement à la flamme de plasma («Flame Spray Handbook», vol. III, Meteo Inc., 1965).
Lors du chargement dur de substrats métalliques conformément à l'invention, à l'aide des techniques classiques susmentionnées, le substrat métallique et la matière de chargement dur appliquée deviennent liés l'un à l'autre métallurgiquement.
Les exemples qui suivent illustrent des matières à utiliser comme composition de chargement dur conformément à l'invention.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
3
634111
Exemple 1
On a utilisé les matières suivantes pour obtenir une composition de chargement dur pressée à froid et frittée, contenant VC089 avec 5,7% de carbone libre et 3% de cobalt (25% de carbone total) pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.
a) 450,8 g d'une matière du commerce (Union Carbide Corporation) contenant un mélange V2C+VC, granulométrie 65 mesh et plus fin, dont l'analyse est la suivante:
83,18% V io
13,21% C
2,3% O
0,50% Fe le solde étant de l'humidité et des impuretés fortuites. I5
b) 73,2 g de poudre de graphite Acheson (marque de fabrique de Union Carbide Corporation), qualité G39, granulométrie plus fine que 100 mesh.
c) 15 g de poudre de cobalt, qualité extra-fine provenant de African Metals Corp.
On a placé les poudres dans un moulin à billes (203 mm de diamètre x 280 mm de hauteur avec 4,1 kg de billes de 12,7 mm de diamètre) et on a fait tourner à 110 tr/min pendant 40 h. Après 40 h de mouture, on a comprimé la matière par laminage en une feuille 2J (densité: 3,76 g/cm3). On a broyé la matière laminée en granules de 12 à 28 mesh. On a placé les granules dans des nacelles de graphite et on les a frittées dans un four poussant de traitement thermique, à enroulement de molybdène, sous atmosphère d'hydrogène pur. Le cycle de frittage a été le suivant : on a placé la nacelle de graphite à 3Q l'intérieur de la porte du four pendant Vi h pour faire diffuser les gaz atmosphériques résiduels. Ensuite, on a fait avancer la nacelle jusque dans une zone de 900 à 1200°C pour permettre la réduction des oxydes résiduels éventuels èt l'élimination des produits de réduction. Ensuite, on a fait avancer la nacelle dans la zone chaude à 1400°C 3J pendant 1 Zi h pour provoquer le frittage de la matière pressée à froid. Ensuite, on a poussé la nacelle hors de la zone chaude et jusque dans une chambre refroidie par l'eau et on l'a ramenée à la température ordinaire en 12 min. Les granules étaient légèrement soudés, mais on a pu les séparer facilement dans un broyeur à mâchoires. En dehors de sa teneur en cobalt, la matière était formée de vanadium et carbone combinés chimiquement, VC0 89, et d'environ 4,5% de carbone non combiné.
La matière pressée à froid et frittée, préparée dans l'exemple précédent, tamisée à environ 12-32 mesh, a été employée comme 45 matière de chargement dur de la manière suivante.
On a mélangé les granules avec environ 5% d'un fondant ayant la composition suivante:
25,00% graphite
19,75% A1203 en poudre
20,00% Fe,03 5,00% MgO
20,00% (17,4% Si; 66,1% Mn; 1,7% C)
10,00% NiO 0,25% borax anhydre
100,00%
On a lié le fondant à la surface du grain pour prévenir une ségrégation, en mouillant le mélange avec une solution de silicate de sodium à 50%. Les grains ci-dessus ont été entassés dans un tube en acier doux ayant une extrémité plissée. Le rapport à l'état tassé est d'environ 50% de tube de fer et 50% de charge. On a ensuite fait sécher le tube et la charge dans une étuve à vide à 90°C jusqu'au lendemain. Les deux extrémités du tube sont doublement plissées et on lamine le tube jusqu'à une réduction de volume d'environ 20% pour bien serrer les grains. On obtient ainsi une baguette utilisable pour déposer la matière de chargement sur à l'aide des techniques usuelles de soudage électrique dur un substrat en alliage à base de fer.
Exemple 2
On a préparé diverses compositions de chargement dur à base de vanadium, carbone et cobalt en suivant la méthode de l'exemple 1 et comme montré dans le tableau A.
On a déposé les compositions de chargement dur sur des substrats en acier doux au carbone et en acier Hadfield, par soudage électrique. Au départ, on a porté le substrat métallique à la température de suage, c'est-à-dire qu'on a amené la surface au point de fusion et on a déposé la matière de chargement dur avec un minimum de pénétration dans le substrat. L'enrobage en métal fondu a lié les granules au substrat et une liaison métallurgique s'est formée entre la matière de chargement dur et le substrat après solidification du métal fondu.
Les surfaces du chargement dur résultant ont été soumises à des essais de résistance à l'abrasion en utilisant du sable et un disque de caoutchouc. L'épreuve d'usure et d'abrasion a été la suivante: un substrat en acier mesurant 25,4 x 76,3 x 12,7 mm d'épaisseur reçoit un chargement dur par dépôt d'une matière de chargement dur et la surface du chargement dur est meulée plate. On utilise un disque circulaire en Néoprène (dureté shore A 50-60) mesurant 26 cm de diamètre extérieur par 12,7 mm d'épaisseur en chargeant la surface essayée avec 3,9 kgm contre le disque de Néoprène. Du sable de silice (sable de sablage grosseur 2, QROK) est amené en excès entre le disque de Néoprène et la surface essayée, et on fait tourner le disque de Néoprène à 200/min pendant 200 tr. L'échantillon essayé est pesé avant et après, et on répète l'opération jusqu'à ce qu'on obtienne une perte de poids constante au cours des essais répétés, et on utilise cette perte de poids comme mesure de la résistance à l'usure et à labrasion. Les résultats comparatifs obtenus sont donnés dans le tableau A.
Composition de départ (%)
Matière de chargement dur
Dépôt par soudure électrique
Analyse des dépôts sur acier doux (% en poids)
Dépôts sur acier Hadfield
Dureté des
Car
Dureté
Dureté
Essai d'usure
dépôts,
Essai d'usure
bone
Rockwell
Rockwell perte de poids
Rockwell perte de poids
V
C
Co libre
A
A
(g)
Fe
V
Co
0
N
C total
A
(g)
85
15
3
—
90,0
70
0,096
—
—
—
—
•
—
83
17
3
—
90,5
76
0,051
—
—
—
—
—
82
18
3
0,8
91,0
76
0,042
68,70
24,68
1,15
0,70
0,6
5,31
75
0,024
78
22
3
5,7
91,0
76
0,026
72,33
21,12
1,00
0,66
0,6
6,16
79
0,013
75
25
3
9,3
75,7
80
0,023
75,40
15,22
0,90
0,49
0,2
6,41
81
0,067
70
30
3
15,4
29,0
80
0,030
74,23
19,03
0,88
0,53
0,3
6,46
87
0,067
Tableau A
Analyse de dépôts formés par soudure électrique sur acier doux
634111
4
Le taux d'usure du dépôt pour la matière V + 25C (7,5% de carbone libre) conforme à la présente invention est au moins aussi bon que celui du carbure de tungstène moulé et supérieur à celui des autres matières au vanadium-carbone essayées.
Un autre avantage est la haute ténacité du dépôt réalisé au moyen de la matière conforme à la présente invention. Comme le carbure de vanadium n'est que faiblement soluble dans le fer, la matrice de fer martensitique trempée du dépôt reste insaturée et tenace.
Dans la présente invention, la présence de carbone libre dispersé entre les grains de carbure de vanadium est supposée inhiber la décarburation, au cours de l'opération de chargement, de VCo,89 en carbures inférieurs qui ne sont pas aussi durs et résistants à l'usure que VC089.
Le carbone libre qui se dissout dans le fer fondu du substrat tend également à abaisser le point de fusion du fer, le rendant plus fluide et facilitant ainsi le mélange du fer et du carbure de chargement dur, favorisant ainsi les propriétés d'écoulement du dépôt de soudure.
On a procédé à d'autres essais en utilisant les matières de chargement dures préparées suivant la méthode de l'exemple 1. Les résultats sont donnés dans le tableau B.
Ainsi qu'il ressort des tableaux A et B, les matières de chargement dures contenant du carbone libre, conformes à la présente invention, confèrent aux substrats pourvus du chargement dur une résistance à l'usure et une dureté accrue.
Tableau B
Composition du grain
Essai d'abrasion au disque de caoutchouc-
sable Perte de poids (mg)
Carbone faible,
vanadium libre
97 V+C(90 V
13,2 C) 3 Co
0,160
vc0«9
pas ae C libre
97 V+C (82,8 V
17,5 C) 3 Co
0,125
VC
97 V+C (81,5 V
17,5 C) 3 Co
0,074
Carbone libre
fort, 7,5%
97 V+C (75 V
25 C) 3 Co
0,044
1 feuille dessin

Claims (7)

634111
1. Procédé de chargement dur d'une surface d'un substrat en alliage à base de fer, par formation d'une liaison entre cette surface et une matière de chargement dur, caractérisé en ce qu'on utilise comme matière de chargement dur une composition consistant essentiellement en carbone et vanadium chimiquement combinés sous forme de VC0 89 et en carbone libre en teneur de 5,7 à 15,4% en poids du vanadium et du carbone chimiquement combinés."
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition de chargement dur est une matière solide en particules.
2
REVENDICATIONS
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition de chargement dur est une matière solide pressée à froid et frittée, sous forme de particules.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite composition contient jusqu'à 15% de cobalt.
5. Baguette de chargement dur pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant une gaine métallique contenant une matière de chargement dur consistant essentiellement en vanadium et en carbone chimiquement combinés sous forme de VC0 89 et en carbone libre en teneur de 5,7 a 15,4% en poids du vanadium et du carbone chimiquement combinés.
6. Baguette selon la revendication 5, caractérisée en ce que la composition de chargement dur est sous la forme d'une matière solide pressée à froid et frittée, sous forme de particules.
7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue la fusion d'une partie de la surface métallique et que l'on applique sur la partie fondue une composition solide consistant essentiellement en vanadium et carbone chimiquement combinés sous forme de VC0 s9 et en carbone libre en teneur de 5,7 à 15,4% en poids du vanadium et du carbone chimiquement combinés.
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