CH635869A5 - Alliage a base de nickel. - Google Patents

Description

L'invention concerne un alliage à base de nickel, contenant principalement du chrome et du molybdène, destiné à la fabrication de pièces moulées et au rechargement et au revêtement de pièces, en particulier de pièces utilisées dans la construction des réacteurs nucléaires.

Les exigences croissantes en matière de sécurité du personnel travaillant dans les usines de production d'énergie à partir des phénomènes de fission ou de fusion nucléaires amènent les constructeurs des unités productrices à mettre en œuvre des matériaux de moins en moins riches en éléments facilement activables par les produits de fission ou de fusion.

De telles unités productrices d'énergie comportent de nombreuses pièces (telles que vannes, soupapes, etc.) soumises à des phénomènes de frottement nécessitant, outre de faibles coefficients de frottement, une bonne résistance à la corrosion, à l'abrasion et au grippage.

Ces bonnes propriétés de frottement sont obtenues sur les composants intéressés grâce à un revêtement superficiel de métal ou d'alliage dur qui est déposé en couche continue et usiné.

On utilise habituellement pour le revêtement superficiel de tels composants un alliage à base de cobalt. On sait en effet que le cobalt à l'état pur ou comme composant de phases métalliques d'alliages favorise l'obtention d'un faible coefficient de frottement et d'une bonne résistance à l'usure lorsque les phases métalliques sont de dureté suffisante.

L'alliage le plus couramment utilisé est composé de 1 % de carbone, 1 % de silicium, 4,5% de tungstène et 28,5% de chrome, le solde étant constitué par du cobalt, à l'exception des impuretés inévitables. D'autres alliages à base de cobalt de composition voisine sont également utilisés pour le même type d'application.

L'ensemble de ces alliages comporte des proportions importantes d'éléments activables par les produits des réactions primaires de fission ou de fusion, en particulier par les neutrons, tels que le tungstène et le bore et, bien sûr, le cobalt.

Cela est nuisible à la sécurité du personnel des installations de production d'énergie, soit parce que les revêtements des pièces sont contaminés, soit parce que les produits de cette activation peuvent s'échapper des revêtements par abrasion au cours des frottements, ou par corrosion, et ainsi contaminer les fluides contenus dans ces pièces revêtues, et propager, à de grandes distances des pièces contaminées, le danger d'irradiation.

Néanmoins, il existe de nombreuses publications sur l'utilisation de tels alliages pour le revêtement de pièces de frottement utilisées par les réacteurs nucléaires.

Les alliages les plus fréquemment cités pour ces utilisations sont les alliages vendus sous la marque Haynes Stellite Alloy Nos 6,12 et 21.

On a effectué différentes tentatives pour trouver des produits de substitution à ces alliages, contenant de fortes proportions de cobalt afin de disposer de matériaux moins facilement activables en ambiance nucléaire.

En particulier, on a proposé un alliage comportant sensiblement 60% de nickel, 15% de cobalt, 15% de chrome et 10% de bore.

Une étude relative à cet alliage a été publiée dans la revue «Welding Research Supplement», numéro d'octobre 1976, les auteurs de cet article étant E. Lugscheider, O. Knotek et K.H. Battenfeld.

Cet alliage présente une courbe de dureté en fonction de la température tout à fait comparable à celle des alliages de type Stellite N° 6 et, vraisemblablement, l'ensemble de ses propriétés mécaniques est relativement proche de celles de l'alliage Stellite N° 6.

On a proposé également, dans une autre publication («Metallur-gical Reports» du CRM N° 49 de décembre 1966), d'autres alliages où une partie du cobalt est remplacée par du molybdène, ce qui permet d'obtenir une meilleure résistance à l'abrasion en milieu aqueux tout en conservant un niveau de dureté suffisant.

Si l'on utilise ces alliages comportant une proportion plus faible de cobalt pour le revêtement des pièces soumises au frottement dans les réacteurs nucléaires, on diminue bien entendu leur capacité d'ac-tivation, mais cette diminution de la teneur en cobalt est cependant très insuffisante pour obtenir une réduction de la susceptibilité à l'activation suffisante pour le rendre utilisable dans de bonnes conditions de sécurité.

L'objet de l'invention est donc de proposer un alliage à base de nickel ayant une structure et des propriétés mécaniques à cœur et en surface aussi voisines que possible de celles des alliages de cobalt utilisés jusqu'ici pour le revêtement des pièces de frottement utilisées dans les réacteurs nucléaires et ne présentant pas l'inconvénient d'une activation nucléaire par les produits de réaction provenant des phénomènes de fusion ou de fission.

Dans ce but, l'alliage de nickel selon l'invention contient en proportions pondérales 1,4 à 2,5% de carbone, 0 à 2% de silicium, 25 à 33% de chrome et 6 à 15% de molybdène, le complément, à l'exception des impuretés inévitables, étant constitué par du nickel.

On va maintenant décrire à titre d'exemple les résultats obtenus à partir d'une coulée d'un alliage selon l'invention.

On a élaboré une coulée d'un alliage selon l'invention au four à induction à l'air à partir des éléments constitutifs, de façon à avoir approximativement la composition suivante: carbone (1,70%), silicium (1%), chrome (28%), molybdène (7,5%), nickel le solde, fer inférieur à 0,5% avec une teneur en oxygène inférieure à 200 ppm.

La coulée a ensuite été transformée en poudre par pulvérisation au gaz inerte du jet de métal lors de sa coulée.

On a également réalisé une analyse précise de la coulée dont le résultat est le suivant: carbone (1,69%), silicium (0,96%), chrome (27,93%), molybdène (7,24%), fer (0,12%), oxygène (0,010%), le solde étant pratiquement uniquement constitué de nickel.

On a ensuite réalisé des dépôts sur des pièces d'acier à partir de ces poudres refondues dans une torche de plasma. L'épaisseur des dépôts allait de 3 à 8 mm. On a utilisé une plaque d'acier recouverte d'un dépôt de 4 mm obtenu à partir des poudres de l'alliage selon l'invention pour divers essais.

En particulier, on a réalisé une micrographie du dépôt après attaque au réactif de Grosbeck.

Les résultats de ces essais sont donnés ci-dessous en se référant aux figures jointes en annexes.

La fig. 1 représente la microstructure du dépôt après attaque au réactif de Grosbeck avec un grossissement de 200.

La fig. 2 représente les courbes de dureté du dépôt réalisé en fonction de la température et, par comparaison, la courbe de dureté correspondante de l'alliage Haynes Stellite N° 6.

La structure de l'alliage après dépôt réalisé à la torche à plasma est une structure homogène proche de l'eutectique.

On a également procédé à une analyse par diffraction des rayons X des phases précipitées et on a identifié deux phases carbure

5

10

15

20

25

30

35

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55

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65

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635 869

à structure hexagonale, l'une de ces phases ayant une composition du type M7C3 et l'autre de ces phases une structure M6C où M est un métal qui peut être le chrome. La matrice a une structure entièrement austénitique.

On a également effectué des mesures de dureté à haute tempéra- s ture sur les dépôts réalisés et sur des dépôts semblables obtenus à partir de l'alliage Haynes Stellite N° 6.

On voit sur la fig. 2 que les duretés à chaud des deux alliages sont tout à fait comparables et que la dureté de l'alliage selon l'invention est même supérieure à celle du Haynes Stellite N° 6 dans la zone de io température 400-600° C.

Ces courbes montrent que les propriétés mécaniques à haute température de l'alliage selon l'invention et du Haynes Stellite N° 6 sont extrêmement proches.

La structure de solidification à deux phases proche d'un eutecti- is que extrêmement homogène ainsi que les propriétés mécaniques à chaud proches du Stellite, comme cela ressort de la fig. 2, ne peuvent être obtenues que lorsque les teneurs des divers éléments de l'alliage se situent dans les fourchettes de compositions données.

On a également effectué des mesures du coefficient de dilatation 20 de l'alliage élaboré comme décrit ci-dessus. On trouvera au tableau I les résultats de ces mesures de dilatation et, comparativement, les résultats de mesures semblables effectuées sur un échantillon de Haynes Stellite N 6. (Tableau en tête de la colonne suivante) ^

De plus, dans le cas d'une utilisation de l'alliage dans le domaine nucléaire, on limite volontairement les teneurs en cobalt, tungstène et bore, éléments pouvant subsister dans l'alliage en très faible quan-. tité, à une teneur inférieure à 0,2% en poids pour l'ensemble de ces trois composants. 30

Sous cette forme, l'alliage peut être utilisé avantageusement dans le domaine nucléaire, en particulier pour les pièces de robinetterie soumises à des frottements.

Dans ces utilisations, l'alliage suivant l'invention utilisé sous forme de poudre pour réaliser des revêtements de pièces de frotte- 35

Tableau I

Intervalle de température

Coefficient de dilatation

Alliage - selon l'invention

Alliage type Stellite N° 6

20-100°C

11,5 ■ 10—6

11,35-10"6

20-200°C

11,95

13,0

20-300°C

12,3

13,6

20-400°C

12,7

13,9

20-500°C

13,1

14,2

20-600°C

13,6

14,5

20-700°C

14,0

14,7

20-800° C

14,5

15,0

ment aura l'avantage, tout en possédant les propriétés mécaniques suffisantes, de ne pas présenter une activation nucléaire par les produits de réaction résultant de la fusion ou de la fission.

Le dépôt, en plus de son homogénéité, a d'autre part l'avantage de présenter une très bonne liaison métallurgique avec le substrat.

L'alliage suivant l'invention peut être aisément élaboré au four à induction à l'air et se prête avantageusement au moulage de pièces massives dont la structure brute de fonderie est identique à la structure du revêtement représenté sur la fig. 1.

Cet alliage peut donc connaître de nombreuses applications dans les domaines où l'on utilisait jusqu'ici les alliages de cobalt du type Haynes Stellite.

On peut également réaliser à partir de l'alliage suivant l'invention des fils ou baguettes nus, enrobés ou fourrés pour la réalisation de soudures, de rechargements durs ou de revêtements d'épaisseur quelconque.

R

2 feuilles dessins

Claims (5)

1. 635 869

   2

   REVENDICATIONS

   1. Alliage à base de nickel contenant principalement du chrome et du molybdène, caractérisé en ce qu'il contient en proportions pondérales 1,4 à 2,5% de carbone, 25 à 33% de chrome et 6 à 15% de molybdène, le complément, à l'exception des impuretés, étant constitué par du nickel.
2. 2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient additionnellement jusqu'à 2% en poids de silicium.
3. 3. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une teneur pondérale totale en cobalt, tungstène et bore inférieure à 0,2%.
4. 4. Alliage selon la revendication 1 sous la forme d'une poudre pour revêtement.
5. 5. Alliage selon la revendication 1 sous forme de baguettes de soudage ou fils nus, enrobés ou fourrés pour la réalisation de revêtements.