CH652752A5

CH652752A5 - Piece resistante a l'usure.

Info

Publication number: CH652752A5
Application number: CH2241/82A
Authority: CH
Inventors: Nicholas Makrides; Earle W Stephenson
Original assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1981-04-27
Filing date: 1982-04-14
Publication date: 1985-11-29
Also published as: DK185982A; PT74804B; SE454058B; BE892988A; DE3214552A1; NO821367L; AU8199282A; IT1150806B; KR870001312B1; DK162881C; FR2504426B1; PT74804A; CA1192019A; NO159147C; ZA822179B; GB2098112B; NO159147B; IE52547B1; FR2504426A1; FI821423A0

Description

La présente invention concerne le domaine des pièces, notamment des pièces de fonderie, particulièrement résistant à l'usure,

ainsi qu'à leur fabrication. Plus spécialement, l'invention a trait aux pièces de fonderie pour travaux de terrassement et aux dispositifs de sécurité résistant à la pénétration.

Dans le domaine des travaux de terrassement, la durée de vie des dents de l'outil venant en contact avec la surface travaillée est un facteur important du coût de ces travaux.

La durée de vie de ces dents est bien sûr affectée par l'environnement dans lequel elles travaillent. Brièvement, l'environnement rencontré peut affecter la surface des dents par abrasion, charge à l'impact, variations de température, vibrations et corrosion, tous facteurs qui tendent à réduire la durée de vie des dents ou de l'outil. Le coût élevé par arrêt de la machine de même que par le remplacement d'un outil trop usé ou brisé ont conduit au développement d'une grande variété d'outils conçus en vue d'améliorer leur durée de vie en service.

Dans certains cas, on s'est orienté vers des conceptions d'outils où un carbure est noyé à la surface par des procédés de coulée (voir par exemple les brevets US Nos 4024902 et 4140170).

Les techniques de coulée posent des problèmes lorsqu'on désire produire des pièces de fonderie ayant des sections transverses relativement étroites ou lorsqu'on désire placer des particules de carbure à la surface d'un accessoire d'une pièce de fonderie, s'étendant verticalement aussi bien qu'horizontalement.

Afin de minimiser la dissolution des particules de carbure durant la coulée et la phase êta (carbure contenant du tungstène et du fer, M6C ou M12C) cassante qui en résulte et qui se forme aux interfaces carbure/acier, les particules de carbure cémenté utilisées doivent avoir, typiquement, une taille d'au moins 0,3 cm. En augmentant la taille des particules, on diminue la surface d'interface carbure/acier. Toutefois, dans les sections fines présentant une épaisseur à peine supérieure aux tailles du carbure, le carbure, en contact avec le moule, peut refroidir rapidement et excessivement le métal fondu qui l'environne, causant un remplissage incomplet de ces sections fines.

De même, il est impossible de maintenir de grandes particules de carbure cémenté en dispersion uniforme le long d'une section verticale d'une pièce de fonderie sans remplir cette section avec le carbure depuis le bas vers le haut, afin de maintenir ce carbure en place durant la coulée. Cela peut mener à des vides ou à un remplissage incomplet, comme indiqué plus haut, par suite d'un refroidissement excessif du matériau fondu.

Dans le brevet australien N° AU 31362/77, on essaie d'éviter les problèmes de coulée ci-dessus en moulant une poudre d'acier à bas pourcentage d'alliage et traitable par la chaleur avec une poudre de carbure de tungstène ou une poudre de solution solide de carbure de tungstène et de molybdène, et en pressant et frittant un bloc de mélange résultant jusqu'à une densité aussi grande que possible. Un acier à basse teneur en alliage est alors coulé autour du bloc carbure/acier fritté pour former le produit fini. Cependant, ce brevet australien limite les poudres d'acier utilisé aux aciers à basse teneur en chrome.

L'invention surmonte les difficultés en proposant une pièce résistant à l'usure, qui présente des particules de carbure d'une taille supérieure à 0,037 mm, noyées à l'intérieur d'une première matrice métallique. Le composite de particules de carbure avec la première matrice métallique est lié à une seconde matrice métallique.

De préférence, les particules de carbure sont des particules de carbure cémenté, avantageusement de carbure contenant du tungstène. De préférence encore, les particules des carbures représentent

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entre 30 et 80% en poids du composite et ont une taille supérieure à 0,40 mm.

Avantageusement, la seconde matrice métallique entoure le composite des particules de carbure et de la première matrice métallique.

Avantageusement aussi, la première matrice métallique est faite en acier, de préférence en acier inoxydable et mieux encore dans un acier inoxydable austénitique.

Avantageusement toujours, la seconde matrice métallique est faite en acier, de préférence dans un acier à basse teneur en alliage ou dans un acier austénitique et mieux encore dans un acier austénitique inoxydable.

On préfère également que les particules de carbure cémenté utilisées contiennent principalement du carbure de tungstène et un liant choisi parmi le cobalt, le nickel, leurs alliages entre eux ou leurs alliages avec d'autres métaux.

Il faut noter que, lorsque la première matrice métallique est en acier inoxydable austénitique, sa densité peut être inférieure à 90%, par exemple entre 75 et 85%.

Selon la présente invention également, on propose un procédé dans lequel des particules de carbure sont mélangées avec des poudres d'une première matrice métallique, le mélange étant alors compacté et frittê isostatiquement. Une seconde matrice métallique ou métal fondu est alors liée au bloc ainsi obtenu. Le métal fondu peut être coulé autour du bloc ou, s'il ne s'agit que de produire une surface résistante, le métal fondu peut être incorporé dans le composite de façon incomplète seulement.

Ainsi, on minimise les phases cassantes produites lorsque l'on coule du métal fondu autour des carbures. Les pièces obtenues présentent une excellente résistance à l'usure, à la corrosion, à la pénétration par forage, de même qu'une grande ténacité.

On peut ainsi fabriquer des pièces d'outils pour terrassement ou des éléments de dispositif de sécurité résistant à la pénétration.

L'invention sera illustrée par le dessin annexé, donné à titre d'exemple, dans lequel:

la fig. 1 est une vue en perspective d'une boîte de serrure coulée, la fig. 2 est une vue en coupe de la fig. 1 selon les flèches II-II, la fig. 3 est une vue en coupe d'un moule utilisé pour produire la pièce de la fig. 1,

la fig. 4 est une vue en coupe d'une dent d'un outil de terrassement.

Dans le procédé selon l'invention, on mélange des particules de carbure (30 à 80%) avec une podure d'acier (70 à 20% en poids) jusqu'à l'obtention d'un mélange essentiellement uniforme. Les particules de carbure utilisées sont de préférence des carbures de tungstène cémentés ayant une taille de 0,037 mm ou, avantageusement, plus grande que 0,420 mm. Avantageusement encore, ces particules de carbure cémenté ont une taille comprise entre 3,30 et 1,60 mm.

Dans ces gammes de dimension, les composites frittes contenant des particules de carbure cémenté résistent à la pénétration par forage.

On peut encore améliorer la résistance à l'usure et à la pénétration par forage en utilisant des particules de carbure ayant une distribution dimensionnelle bimodale, c'est-à-dire que les dimensions des particules sont centrées en moyenne autour de deux valeurs distinctes. Dans ce mode d'exécution, la taille des plus petites particules de carbure est choisie de façon à se loger dans les interstices formés entre les particules plus grandes, augmentant ainsi la résistance à l'usure.

Le carbure cémenté peut contenir un liant métallique choisi parmi le cobalt, le nickel, ou les alliages cobalt/nickel. En plus du carbure de tungstène, le carbure cémenté peut contenir également des quantités plus petites d'autres carbures, tels que le carbure de tantale, le carbure de niobium, le carbure de hafnium, le carbure de zirconium et le carbure de vanadium.

La limaille de carbure cémenté, convenablement brisée et tamisée, convient très bien à l'affaire.

Des particules de carbure de tungstène plus grandes que 0,037 mm pourraient se substituer en tout ou partie aux particules de carbure cémenté dans le composite. Cependant, on préfère ne pas utiliser la poudre de carbure de tungstène, dans la mesure où elle se lie moins facilement à l'acier, tend à créer des fractures plus facilement et en général produit une moindre résistance à l'usure et à l'impact que des particules de carbure de tungstène cémenté de même taille.

La poudre d'acier utilisée peut être un alliage d'acier quelconque, mais un acier inoxydable est plus avantageux à cause de sa plus grande résistance à la corrosion. Parmi les aciers inoxydables, on préfère des aciers inoxydables austénitiques à cause de leur plus grande résistance à l'usure et à l'impact depuis la température ordinaire jusqu'aux températures cryogéniques. Parmi ceux-ci, on recommandera plus particulièrement les aciers inoxydables austénitiques AISI types 301, 302, 304 et 304L, à cause de leur taux de durcissement.

En plus des poudres de carbure d'acier dans la charge, on peut ajouter des liants organiques pour empêcher la ségrégation, produire une distribution uniforme du carbure durant le mélange et le maintien de celle-ci après le mélange.

Après ce mélange, le mélange de poudres est compacté par pressage uniaxial dans une matrice ou par pressage isostatique dans un moule préformé, de préférence à environ 2380 atm, mais pas moins de 680 atm.

Après compactage, le bloc obtenu est fritté à une température de préférence inférieure au point de fusion de l'acier et avantageusement de 1030 à 1230°C pendant 20 à 90 min. On évite ainsi la formation de phases êta à l'interface carbure/acier, tout en produisant de fortes liaisons métallurgiques entre le carbure cémenté et l'acier.

Dans la plupart des cas, le lien entre l'acier et le carbure cémenté prend la forme d'une couche d'alliage à l'interface carbure cémenté/acier. Cette couche comprend principalement du cobalt et du fer et, typiquement, a une épaisseur inférieure à 40 ji. Cette liaison est importante pour assurer la rétention des particules grossières de carbure cémenté à l'intérieur de la matrice en acier.

Il faut remarquer que les blocs, tels que frittés et n'utilisant qu'une poudre en acier inoxydable austénitique, montrent généralement une microporosité interconnectée et ont une densité de liant acier de moins de 90% à la valeur théorique et, typiquement, de 75 à 85%, la valeur théorique correspondant à une compacité intégrale, sans microporosité. Pour augmenter la densité des blocs lors du pressage isostatique à chaud, on peut utiliser l'infiltration ou des pressions de compactage plus élevées. Ces procédés se traduisent également par une meilleure rétention de carbure dans le composite. L'infiltrat utilisé peut être n'importe quel matériau de brasure à base de cuivre ou d'argent, qui mouille à la fois l'acier inoxydable et le carbure.

Le bloc fritté est alors positionné à l'intérieur d'un moule, et du métal fondu est versé tout autour pour produire une pièce de fonderie. La procédure de coulée utilisée peut être n'importe quelle procédure connue. Toutefois, on préfère la procédure décrite dans le brevet US N° 4024902. On peut préchauffer le bloc avant la coulée du métal fondu dans le moule.

Le métal fondu peut être un alliage ferreux ou non ferreux, de préférence de l'acier. Le type d'acier utilisé n'est pas nécessairement identique à celui du bloc. Si les propriétés de tenue à l'impact et à la corrosion et de dureté sont importantes, l'acier coulé est de préférence un acier inoxydable austénitique. On peut également utiliser des aciers à basse teneur en alliage et des aciers de manganèse austénitique.

L'acier coulé forme une liaison métallurgique avec le liant acier dans le bloc avec un minimum de réaction avec les carbures cémentés. Ainsi, la formation de la phase êta s'en trouve réduite, étant donné que la surface de contact entre les carbures et l'acier fondu est réduite au minimum.

Parallèlement, l'utilisation de blocs carbure cémenté/acier permet au carbure d'être lié sur une large gamme de concentrations, de positions et d'orientations à la fois à la surface et sous la surface des pièces de fonderie.

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Les exemples suivants illustrent l'invention:

Exemple 1 :

On prépare comme suit des dents 1 (voir fig. 4) de creusage résistant à l'usure et à l'impact et présentant des blocs 3 :

On mélange à sec, avec 1,25% en poids de paraffine, 75% en poids d'éthylcellulose, un mélange homogène composé de 60% en poids de granules de carbure de tungstène cémenté au cobalt, de dimensions comprises entre 0,30 et 0,47 cm, et 40% en poids de poudre d'acier inoxydable austénitique, atomisée 304L, de dimensions inférieures à 0,149 mm (fabriquée par Hoeganaes Corporation of New Jersey). Le mélange est compacté manuellement dans la cavité d'un moule en polyuréthanne élastomère à la forme désirée (5 cm de long x 1,9 cm de large x 0,6 cm d'épaisseur), dimension-née pour permettre le compactage isostatique à froid de la poudre, plus un retrait dû au frittage de 1%. Par suite du compactage isostatique à froid à 2380 atm, la forme compactée retirée du moule est frittée sous vide pendant 60 min à 1150°C. On place alors les pièces frittées dans un moule en sable qui présente 8 creux dont la forme correspond à celle des dents de creusage désirées.

Parallèlement, on fait fondre dans un four à induction les ingrédients nécessaires pour produire un acier à basse teneur en alliage AISI4340. On préchauffe les blocs, puis on coule l'acier dans le moule à une température de 1675 à 1730°C pour former la dent de creusage représentée à la fig. 4, dans laquelle l'acier 5 4340 est lié à deux faces du bloc 3 se faisant face.

Par examen métallographique, on constate que la matrice en acier inoxydable contient une structure austénitique avec des particules de carbure de chrome intergranulaires (sensibilisation), ce qui est typique des aciers inoxydables austénitiques refroidis lentement après frittage. La sensibilisation peut être éliminée par un traitement thermique subséquent en solution. Les interfaces de la matrice en acier inoxydable/carbure cémenté contiennent une zone continue de liaisons d'approximativement 15 p. d'épaisseur, faites d'un alliage principalement composé de fer et de cobalt. Les particules dispersées de carbure cémenté apparaissent libres de craquage thermique, avec un degré minimal de dissolution, de fusion ou de dégradation de la phase carbure dispersé, à la frontière interfaciale ou près de celle-ci. On remarque une légère fusion et un léger remélange de l'acier inoxydable et quelque dégradation des carbures là où le métal fondu est entré en contact avec les carbures à la surface du bloc. Cependant, sous la surface du bloc, les frontières interfaciales des carbures sont généralement nettes, à l'exception de la zone de diffusion de l'alliage fer/cobalt mentionné ci-dessus. On ne note aucune concentration en phases êta potentiellement nuisibles.

On frappe de façon répétée (5 et 6 fois) des échantillons à l'aide d'un marteau à panne, à température ambiante et à température de l'azote liquide (—195°C) et on trouve, dans ces échantillons, une bonne résistance à l'impact avec de faibles signes seulement de fractures fragilisantes. On doit noter cependant que, avec un plus haut pourcentage de carbures cémentés dans le composite, la résistance à l'impact serait réduite sensiblement, mais les résistances à l'usure et à la pénétration augmenteraient.

Des micromesures de dureté de la section de la dent de creusage telle que préparée par coulée montre une dureté moyenne d'environ 75 R C, 29 R C et 38 R C avec une traverse de carbure cémenté, d'acier inoxydable 304L et d'acier 4340 (0,30 cm depuis l'interface de l'acier inoxydable) respectivement.

Exemple 2:

On prépare une boîte de serrure 10, représentée à la fig. 1, résistant à la pénétration, en coulant de l'acier 4340 à basse teneur en alliage autour de plaques de carbure/acier inoxydable 304L frittées (10 cm de long x 6 cm de large x 0,30 à 0,45 cm d'épaisseur, et 8 cm de long x 10,3 cm de large x 0,30 à 0,45 cm d'épaisseur). La position d'une des plaques frittées 12 est représentée par des lignes discontinues. Les plaques ont été préparées en faisant un mélange uniforme d'un mélange de limaille de carbure de tungstène cémenté au cobalt de dimensions comprises entre 1,68 et 2,38 mm (50% en poids), de poudre d'acier inoxydable AISI 304L de dimensions inférieures à 0,149 mm (50% en poids) et de liants (10% en poids, Chlo-ruthène Nu et 0,75 éthylcellulose).

On remplit alors un moule en polyuréthanne, adapté aux dimen-5 sions des plaques, avec la poudre d'acier inoxydable faisant matrice dans laquelle est dispersée la phase en carbure dur. Le moule est scellé, placé dans un sac en caoutchouc et est mis sous vide et scellé, puis pressé isostatiquement à 2380 atm. Les plaques compactées, après avoir été retirées du sac en plastique et du moule, sont frittées i° dans un four sous vide pendant 60 min à 1150e C.

On place alors les plaques résistant à la pénétration dans un moule pour la boîte de serrure, devant, derrière et sur les côtés. La fig. 3 montre une coupe à travers un moule en sable 30 présentant une cavité formée entre le couvercle 32 et la base 34. Les plaques 15 frittées 12 sont maintenues en position dans les cavités latérales par des pointes 36 et 40 qui sont noyées dans la base 34 du moule 30. Des particules de carbure cémenté 42 ont été disposées dans la surface de fond de la cavité. Avant de placer le couvercle 32 sur la base 34, on préchauffe les particules de carbure cémenté 42 et les 20 plaques 12. On place alors le couvercle 32 sur la base 34 et on verse dans le moule de l'acier fondu 4340 à basse teneur en alliage.

Ainsi, on prépare une boîte de serrure de sécurité présentant des plaques carbure cémenté/acier inoxydable frittées de 0,30 cm d'épaisseur, lesquelles sont recouvertes d'acier pour la protection 25 contre la pénétration par forage.

En fabriquant la boîte de serrure, la plaque ou les plaques conservent leur forme et les particules de carbure restent uniformément dispersées dans les plaques quand l'acier fondu est coulé autour d'elles et remplissent les vides du moule, la face antérieure 14 de la 30 boîte de serrure 10, telle que représentée à la fig. 1, ne peut pas être pénétrée.

Dans la fig. 2, on a représenté une vue en coupe de la boîte de serrure contenant une plaque en acier inoxydable/carbure. Il y a eu une légère fusion de l'acier inoxydable quand l'acier fondu a été 35 coulé autour des plaques frittées et les carbures sont restés uniformément dispersés dans la plaque 12. Il y a eu une légère dégradation de carbure et un minimum de phases fragiles aux interfaces carbure/ acier 4340. Une liaison métallurgique s'est créée entre la structure austénitique de l'acier inoxydable et la structure de l'acier coulé 4340. 40 Les particules de carbure 42 au fond 20 de la boîte peuvent être remplacées par des plaques identiques ou similaires à celles représentées pour les parois latérales 22.

Exemple 3:

45 On fabrique comme suit des plaques de 0,4 cm d'épaisseur, résistant au forage et à l'impact:

On prépare 15 plaques à partir d'un mélange uniforme de limaille de carbure de tungstène cémenté au cobalt (60% en poids) ayant des dimensions comprises entre 0,23 et 0,30 mm de poudre 50 d'acier inoxydable 304L de dimensions inférieures à 0,149 mm (40% en poids), de chloréthylène Nu (2% en poids), d'éthylcellulose (1% en poids) et de cire armido ('/4%) en poids. On prépare un second groupe de 15 plaques à partir d'un mélange de limaille de carbure cémenté de dimensions comprises entre 1,68 et 2,38 mm (70% en 55 poids) et de poudre d'acier inoxydable 304L de dimensions inférieures à 0,149 mm (30% en poids). La cire armido et l'éthylcellulose ont été ajoutées pendant le mélange des poudres comme lubrifiant de pressage pour éviter la ségrégation des particules de carbure pendant le mélange et le remplissage du moule. Ensuite, la poudre formant 60 matrice contenant la phase carbure dur dispersée est disposée dans un moule préformé de polyuréthanne. Ce moule est alors fermé par un couvercle puis scellé et placé dans un sac de caoutchouc dans lequel on fait le vide. On scelle et on presse isostatiquement à environ 2380 atm. Les plaques sont alors frittées dans un four sous 65 vide à 1150° C pendant 60 min.

Ces plaques peuvent être incorporées dans une pièce de fonderie selon une des techniques mentionnées ci-dessus ou selon toute autre technique.

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3 feuilles dessins

Claims

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1. Pièce résistant à l'usure, caractérisée par le fait qu'elle comprend un composant résistant à la pénétration ayant des particules de carbure d'une taille supérieure à 0,037 mm, une première matrice métallique, les particules étant liées et noyées à l'intérieur de la première matrice, et une seconde matrice métallique, cette seconde matrice métallique étant liée au composant résistant à la pénétration.

2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les particules de carbure sont des particules de carbure cémenté.

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REVENDICATIONS

3. Pièce selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la seconde matrice métallique entoure le composant résistant à la pénétration.

4. Pièce selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que la première matrice métallique comprend un acier inoxydable austénitique.

5. Pièce selon la revendication 4, caractérisée par le fait que la seconde matrice métallique comprend de l'acier.

6. Pièce selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les particules de carbure cémenté ont une taille supérieure à 0,420 mm.

7. Pièce selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les particules de carbure cémenté comprennent du carbure de tungstène.

8. Pièce selon la revendication 6, caractérisée par le fait que les particules de carbure cémenté comprennent un liant choisi dans le groupe comprenant le cobalt, le nickel, leurs alliages entre eux et leurs alliages avec d'autres métaux.

9. Pièce selon la revendication 4, caractérisée par le fait que la matrice d'acier inoxydable austénitique a une densité de moins de 90% de la valeur théorique pour une matrice compacte.

10. Pièce selon la revendication 9, caractérisée par le fait que la matrice a une densité comprise entre 75 et 85% de la valeur théorique pour une matrice compacte.

11. Pièce selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les particules de carbure cémenté ont une taille irrégulière.

12. Pièce selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que les particules de carbure ont une distribution dimension-nelle bimodale.

13. Procédé de fabrication d'une pièce résistant à l'usure selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on forme un bloc comprenant un mélange de particules de carbure cémenté et d'une poudre métallique et qu'on lie à ce bloc un métal fondu.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que la poudre métallique est une poudre d'acier.

15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait qûe les particules de carbure cémenté représentent entre 30 et 80% en poids du bloc.

16. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait qu'on lie le métal fondu en coulant celui-ci autour du bloc.

17. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que, avant la coulée du métal fondu, on fritte le bloc.

18. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait qu'on forme le bloc par pressage isostatique.

19. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que les particules de carbure cémenté ont une dimension supérieure à 0,420 mm.

20. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que le liquide métallique entoure essentiellement le bloc.

21. Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que le frittage du bloc est réalisé à une température inférieure à la température de fusion de la poudre métallique.

22. Boîte métallique, caractérisée en ce qu'elle comprend une base et des parois, ainsi qu'une pièce selon la revendication 1 noyée à l'intérieur de l'une des parois.

23. Boîte selon la revendication 22, caractérisée par le fait que l'épaisseur de la paroi est plus grande que l'épaisseur du bloc.

24. Boîte selon la revendication 22, caractérisée par le fait que les particules de carbure cémenté sont sensiblement uniformément distribuées à travers la pièce.

25. Boîte selon la revendication 22, caractérisée par le fait que les particules de carbure cémenté ont une taille supérieure à 0,037 mm.