EP0605585A1 - Procede de realisation d'une piece composite a surface antiabrasion, et pieces obtenues par ce procede. - Google Patents

Procede de realisation d'une piece composite a surface antiabrasion, et pieces obtenues par ce procede.

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EP0605585A1
EP0605585A1 EP92920632A EP92920632A EP0605585A1 EP 0605585 A1 EP0605585 A1 EP 0605585A1 EP 92920632 A EP92920632 A EP 92920632A EP 92920632 A EP92920632 A EP 92920632A EP 0605585 A1 EP0605585 A1 EP 0605585A1
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EP
European Patent Office
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abrasion
resistant
substrate
mold
alloy
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EP0605585B1 (fr
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Pierre Brunet
Guy Maybon
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Technogenia SA
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Technogenia SA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
    • C23C26/02—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00 applying molten material to the substrate

Definitions

  • the present invention relates to the production of composite metal parts comprising a contact coating intended to resist abrasion.
  • Such mechanical parts known as “wearing parts” are known, which are superficially reinforced by the addition of a material having improved characteristics in terms of resistance to wear by abrasion.
  • the present invention relates more particularly to hard reloads using a structure of grains of high hardness bonded together by a metal alloy which is commonly referred to as the metallic matrix.
  • the grains of high hardness can advantageously be grains based on tungsten carbide.
  • a first known technique for producing an abrasion-resistant coating is hard hardfacing by welding.
  • rigid rods or flexible rods are used, one end of which is applied to the surface to be recharged and is subjected to an electric arc or to an oxyacetylene flame.
  • the rod includes a tungsten carbide powder embedded in an alloy based on nickel or other suitable metals.
  • Such hard surfacing obtained with tungsten carbide rods has drawbacks, however: in particular, the welding processes result in depositing the surfacing in the form of successive beads, juxtaposed side by side one after the other . It is understood that the realization of a relatively large area using such a technique is tedious, and requires a certain dexterity and a certain habit on the part of the operator. On the other hand, the waves inherent in such a material deposition process, reproducing the shape of the successive beads, cause thickness irregularities of up to several millimeters.
  • Document FR-A-814 171 describes a process for producing a shaped part by sintering in the liquid phase, in which a mixture of carbide chips and molten metal powder is introduced into a carbon mold. The shaped part is melted under pressure. Such a process causes, during the fusion, a significant dimensional shrinkage.
  • a more advanced technique for producing a layer of abrasion-resistant material is described in document FR-A-1 398 732. It is an infiltration technique, in which a hollow mold is used "n carbon or ceramic material having a desired shape; a metal substrate is placed in the hollow of the mold, opposite the mold molding walls; filling with grains of tungsten carbide or equivalent the hollow interior space between the substrate and the mold molding walls, vibrating the assembly to pack the grains; grains or pellets of metal or of alloy binder are placed above the grains of carbide; the assembly is heated to a temperature above the melting temperature of the alloy and below the melting temperature of the core and the mold.
  • the rise in temperature melts the alloy or binder metal, which infiltrates the space filled with tungsten carbide grains, and ensures the welding with the metal substrate. It is then left to cool and can be removed from the mold.
  • This infiltration technique is quite suitable for rooms in which a convex substrate is of relatively small dimensions, and of relatively compact shape, the abrasion-resistant layer being relatively massive. The technique is also suitable when the substrate is concave.
  • the abrasion-resistant coating tends to break under the action of impacts, and that in particular this coating does not allow subsequent re-machining after infiltration.
  • the weld between the thickness of the abrasion-resistant material and the metal substrate is of poor quality.
  • this technique of infiltration on a metal substrate does not allow the production of a part that is mechanically strong enough to constitute a needle for a needle valve used in hydroelectric plants. Indeed, during the closing of the needle on its seat, the anti-abrasion coating of the needle tends to burst under the effect of shocks and mechanical stresses occurring at this closing time.
  • the problem proposed by the present invention is to ensure satisfactory mechanical resistance to an abrasion-resistant coating based on infiltrated tungsten carbide grains covering a substrate of a different nature, the assembly constituting a composite part.
  • Such a composite part must have qualities of mechanical resistance at the surface sufficient to withstand shocks, and to allow possible re-machining of its abrasion-resistant coating surface without cracking or falling apart.
  • the idea which is the basis of the present invention is that the defects observed in mechanical strength of the abrasion-resistant coatings based on tungsten carbide grains produced by infiltration on a substrate would result from differential expansions occurring during infiltration.
  • the entire substrate and the surface reloading of tungsten carbide grains must be brought to a temperature sufficient for the melting of the alloy or binder metal which must infiltrate into space. filled with tungsten carbide grains and which must ensure the weld with the substrate.
  • the metal substrate expands appreciably, while the grains of tungsten carbide which form a compact stack expand very little, roll on each other and can thus follow the expansion of the mold and the substrate.
  • the substrate tends to contract, while the very compact stacking of tungsten carbide grains contracts very little. This results in significant mechanical stresses at the interface between the substrate and the layer of abrasion-resistant material which covers it.
  • the tungsten carbide grains no longer have the possibility of rolling over one another, since they are bonded by the alloy or binder metal, so that the abrasion-resistant coating can no longer be shrink by a coefficient similar to that of the substrate.
  • abrasion-resistant parts obtained by infiltration appear advantageous, because the abrasion-resistant surface thus obtained by infiltration exhibits remarkable properties of abrasion resistance.
  • infiltration makes it possible to produce abrasion-resistant surfaces having particularly regular and smooth shapes, promoting the efficiency of the parts thus produced.
  • a valve needle for a hydroelectric plant such a needle must have a very regular conical surface allowing efficient sealing.
  • the surfaces Being a kneader tooth or a paving stone of a kneader cylinder, the surfaces must also be very regular, so as not to impede the flow of the fluid to be kneaded.
  • the object of the present invention is therefore to produce parts whose abrasion-resistant coating is obtained by infiltration of alloy into a stack of tungsten carbide grains, these parts having, after production, markedly improved qualities of mechanical resistance to impact resistance. , avoiding separation between the substrate and its abrasion-resistant layer.
  • such parts with abrasion-resistant coating can be obtained at low cost, in particular when the parts are large dimensions, lowering costs being obtained in particular by reducing the risk of waste.
  • Another advantage of the invention is that it becomes possible to produce relays or abrasion-resistant coatings on substrates which are themselves liable to not withstand temperatures as high as that necessary for melting the alloy or binder metal during infiltration. It is thus possible to design a part made of composite material in which the substrate can be non-metallic, associated with a layer of abrasion-resistant material based on infiltrated tungsten carbide grains.
  • the present invention provides a new process for producing a composite part with an abrasion-resistant coating, the part comprising at least one substrate covered with a layer of anti-abrasion material based on carbide grains.
  • tungsten the method comprising the following steps: a) providing a substrate whose shape and surface condition are suitable for receiving by bonding coating elements made of abrasion-resistant material based on tungsten carbide grains, b) producing, by infiltration of a binder alloy into a stack of tungsten carbide grains, one or more coating elements made of abrasion-resistant material, comprising an internal face shaped to adapt to the surface of the substrate, and comprising an external face shaped to constitute the abrasion-resistant face of the composite part to be produced, c) joining the covering element or elements in anti-material material by bonding abrasion on the substrate, by applying said coating elements on the substrate with the interposition of an appropriate layer of adhesive.
  • the substrate can be made of steel.
  • the glue used for bonding can be an epoxy glue.
  • the epoxy adhesive is of a single-component or poly-component type which can be polymerized under heat.
  • the bonding step then comprises a step of heating to an appropriate temperature for the duration of polymerization of the adhesive.
  • an alloy infiltration technique is used in a stack of tungsten carbide grains.
  • the mold used is advantageously a mold for molding walls in foundry sand bound by resins. A difficulty is then encountered because the mold comprises walls whose surface is relatively large relative to the volume of the abrasion-resistant layer to be produced, since this layer generally does not have to have a very large thickness relative to its surface.
  • the difficulty then appears by the fact that the resin used to bind the sand of the mold tends to be consumed during infiltration, and impairs the production of a good quality abrasion-resistant layer.
  • the amount of resin will be less than 6% by weight of the amount of foundry sand.
  • FIG. 1 shows atically dried in perspective a mold according to the invention for producing a coating member in abrasion-resistant material in the form of a cylindrical sector intended to cover a cylindrical substrate;
  • FIGs 2 to 5 schematically illustrate the different steps of the process for producing a coating element in antiabra ⁇ sion material in a mold of Figure 1 shown in section;
  • FIG. 6 shows the abrasion-resistant coating element thus obtained
  • FIG. 7 and 8 illustrate the steps of forming the substrate intended to receive the abrasion-resistant coating elements
  • FIG. 9 illustrates the step of assembling the abrasion-resistant coating elements on the substrate of Figure .8;
  • FIG. 10 is a longitudinal section along the axis I-I of Figure 9;
  • FIG. 11 illustrates the stage of production by infiltration of a conical abrasion-resistant coating element, in a mold shown in chopped off ;
  • - Figure 12 illustrates the step of assembling the conical element of Figure 11 on a substrate which is itself conical, for producing a valve needle for a hydroelectric plant
  • - Figure 13 illustrates, in longitudinal section, the structure of a valve needle according to the present invention
  • FIGS. 10 and 13 to 14 illustrate the internal structure of the composite parts with abrasion-resistant coating obtained by a method according to the present invention.
  • these parts comprise a substrate 1 covered at least in part by a layer of antiabra ⁇ ion material 2 which is secured to it by an intermediate layer 3 of glue.
  • Smelter mixers include a cylindrical tubular enclosure, several meters long, with a diameter of around 60 centimeters, intended to contain a carbon paste to be kneaded by kneader teeth. Some teeth are mounted fixed on the wall of the enclosure and protrude towards the inside of the enclosure, other teeth are mounted on a rotor rotating axially in the enclosure.
  • the mixer teeth are for example as shown in longitudinal section in FIGS. 14 and 15.
  • FIGS. 1 to 6 one of the coating elements made of abrasion-resistant material which will be used to cover the internal surface of the cylindrical enclosure is produced by infiltration of a binder alloy in a stack of tungsten carbide grains of mixer.
  • a hollow mold 4 is prepared, comprising an interior recess 5 delimited by molding walls having the shape of the surface element made of abrasion-resistant material to be produced. This mold is shown empty in section in FIG. 2.
  • FIG. 3 we introduce into the recess 5 of the mold 4 particles 6 of hard material such as molten tungsten carbide, vibrating the assembly, so that the surface particles come to bear against the mold walls as much as possible and are joined to each other.
  • a sufficient quantity of an appropriate alloy 7 is prepared in suitable form, to ensure a subsequent distribution of the alloy during its subsequent melting phase.
  • the alloy 7 is a brazing alloy capable of wetting the particles of hard material and of melting at a temperature below the melting temperature of the particles of hard material 6 and of the mold 4.
  • FIG. 5 the assembly is heated of the mold 4 and its content up to a temperature above the melting temperature of the alloy 7 and below the melting temperature of the hard material particles 6 and of the mold 4.
  • This temperature is maintained for a sufficient time to ensuring the infiltration of the molten alloy 7 into the space filled with particles of hard material 6. It is then allowed to cool, and it is removed from the mold, in order to obtain the element 8 of coating in abrasion-resistant material shown in FIG. 6.
  • FIGS. 7 and 8 the substrate intended to receive the coating elements made of abrasion-resistant material is prepared.
  • FIG. 7 we start from a rectangular sheet 9.
  • this rectangular sheet 9 is bent to give it a semi-cylindrical shape of appropriate diameter so that, after affixing of the elements of coating in antiabra ⁇ ion material, the internal diameter of the assembly is in accordance with the diameter of the mixer tube to be produced.
  • the assembly and the attachment of the abrasion-resistant coating elements such as the element 8 are carried out on the substrate 1 such as the curved sheet metal. This attachment is effected by gluing, by applying the said abrasion-resistant coating elements 8 on the substrate 1 of curved sheet 9 with the interposition of an appropriate layer of adhesive.
  • FIG. 10 is a longitudinal section along the axis I-I in FIG. 9, the assembly thus obtained, showing the abrasion-resistant layer 2, the substrate 1 or sheet 9 and the intermediate layer of glue 3.
  • the adhesive 3 used is an epoxy adhesive, preferably of a single-component or poly-component type which can be polymerized hot.
  • the assembly and bonding step shown on FIG. 9 comprises a step of heating to an appropriate temperature during the polymerization time of the glue 3.
  • the mechanical resistance thus obtained from all of the abrasion-resistant elements bonded to the sheet 9 is sufficient so that the abrasion-resistant surface can be subsequently equalized during a subsequent machining step.
  • the mold 4 used can be made of different materials.
  • a graphite mold 4 previously machined to form the recess 5.
  • a more advantageous solution consists in using a mold 4 comprising molding walls made of foundry sand bound by resins.
  • the hollow 5 is then produced by immersing a model in the mold 4 before setting the resin, and removing the model after setting the resin, according to a traditional technique in molding for the casting of metals.
  • the abrasion-resistant coating element 8 to be formed has a very large surface area in relation to its volume. This is due to the fact that the covering element is generally flat.
  • the problem that can occur is that, during infiltration, the combustion of the resin binding the sand of the mold 4 produces gas emissions which tend to seep into the recess 5 filled with hard abrasion-resistant particles 6. These gas evolution can form deposits on the particles, and, if these deposits are in excess, they can harm the wetting of the particles by the binder alloy 7 during infiltration. This then results in a poor quality of mechanical strength of the abrasion-resistant element 8 thus produced.
  • the quantity of resin present in the mold 4 is adjusted to be just sufficient to maintain the foundry sand until infiltration. In practice, the quantity of resin can be chosen less than 6 ° L in weight of the amount of mold foundry sand 4.
  • a composite part shown in Figure 9, comprising a sheet metal substrate 1 9 of semi-cylindrical steel shape, with, on the inner surface of the half-cylinder , a layer of polymerized glue adhering to the half-cylinder and, adhering to the layer of polymerized glue and surmounting it, a paving of abrasion-resistant plates or covering elements 8 in the form of a cylinder sector with generally rectangular outline, the paving according to the curvature of the inner surface of the half-cylinder, the assembly forming a shielding plate for an aluminum mixer.
  • the composite part obtained by the method of the invention comprises a steel substrate 1 having a generally convex shape.
  • a layer of polymerized adhesive 3 On the exterior surface of the substrate, there is a layer of polymerized adhesive 3.
  • a cap 2 Overlying said layer of glue 3, there is a cap 2 made of abrasion-resistant material.
  • Figures 11 to 13 relate to the production of a needle valve needle used in hydroelectric plants.
  • a needle is conical in shape, and comprises a conical substrate 1 of steel whose conical outer surface is covered with a conical cap 2 forming an element made of abrasion-resistant material.
  • the substrate 1 and the cap 2 are produced separately.
  • the cap 2 is itself produced by infiltration, as shown diagrammatically in FIG. 11, in a mold 4 comprising a removable core 40, the mold 4 forming the outer surface of the cap, the core 40 forming the inner surface of the conical cap.
  • the cap 2 is adapted on the substrate 1. as shown in FIG. 12, with the interposition of a layer of glue, and the needle is obtained as shown in section in FIG. 13, presenting the cap 2 , the substrate 1 and the intermediate layer of adhesive 3.
  • Figures 14 and 15 relate to the. production of an aluminum mixer knuckle.
  • the part must advantageously have the shape shown in the figures. This part is formed according to a process similar to that described in relation to the previous figures, by separately producing the substrate 1 and the cap 2, the cap 2 being obtained by infiltration in a mold.
  • the assembly of the substrate and the cap by gluing allows the intermediate adhesive 3 to act as a damper between the substrate 1 and the abrasion-resistant element 2. It increases considerably the apparent mechanical resistance of the abrasion-resistant coating thus produced, so that subsequent re-machining of its surface is made possible.
  • the part has a significantly improved impact resistance compared to production techniques by overmolding infiltration.
  • this technique according to the present invention avoids heating the substrate 1, so that one does not alter its external appearance.
  • the heating of the substrate 1, when it is made of steel causes an alteration of its surface and requires re-machining.

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Abstract

Le procédé de réalisation d'une pièce composite à surface antiabrasion (2) se caractérise par une étape de réalisation d'un substrat (1) dont la forme et l'état de surface sont appropriés pour recevoir par collage des éléments de surface en matière antiabrasion (2), une étape de réalisation d'un ou plusieurs éléments de surface en matière antiabrasion (2) par infiltration d'un alliage liant dans un empilement de grains de carbure de tungstène, et par une étape de solidarisation des éléments de surface en matière antiabrasion (2) sur le substrat (1) par collage à l'aide d'une colle époxy (3).

Description

TITRE DE L'INVENTION
PROCEDE DE REALISATION D'UNE PIECE COMPOSITE A SURFACE ANTIABRASION, ET PIECES OBTENUES PAR CE PROCEDE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne la fabrication des pièces métalliques composites comportant un revêtement de contact destiné à résister à l'abrasion.
On connaît de telles pièces mécaniques dites "pièces d'usure", qui sont renforcées superficiellement par l'apport d'un matériau présentant des caractéristiques améliorées au plan de la résistance à l'usure par abrasion.
La présente invention concerne plus particulièrement les rechargements durs mettant en oeuvre une structure de grains de haute dureté liés entre eux par un alliage métallique que l'on désigne communément sous le terme de matrice métallique. Les grains de haute dureté peuvent avantageusement être des grains à base de carbure de tungstène.
Une première technique connue pour réaliser un revêtement antiabrasion est.le rechargement dur par soudage. On utilise par exemple des baguettes rigides ou des baguettes souples, dont une extrémité est appliquée sur la surface à recharger et est soumise à un arc électrique ou à une flamme oxyacétylénique. La baguette comprend une poudre de carbure de tungstène noyée dans un alliage à base de nickel ou d'autres métaux appropriés. Un tel rechargement dur obtenu avec des baguettes à base de carbure de tungstène présente toutefois des inconvénients : en particu¬ lier, les procédés de soudage conduisent à déposer le rechargement sous forme de cordons successifs, juxtaposés côte-à-côte les uns après les autres. On comprend que la réalisation d'une surface relativement importante à l'aide d'une telle technique est fastidieuse, et requiert une certaine dextérité et une certaine habitude de la part de l'opérateur. D'autre part, les vagues inhérentes à un tel procédé de dépôt de matières, reproduisant la forme des cordons successifs, entraînent des irrégularités d'épaisseur pouvant atteindre plusieurs millimètres.
Il en résulte que cette technique ne permet pas de réaliser des pièces dont les dimensions sont précises, ou dont les formes sont complexes.
Le document FR-A-814 171 décrit un procédé de réalisation de pièce de forme par frittage en phase liquide, dans lequel on introduit dans un moule en carbone un mélange d'éclats de carbure et de poudre de métal de fusion. La pièce de forme est fondue sous pression. Un tel procédé entraîne, au cours de la fusion, un retrait dimensionnel important.
On connaît également, du document US-A-4 307 845, un broyeur comportant des barreaux massifs en céramique fixés par collage sur une pièce support intermédiaire elle-même solidarisée au broyeur par un boulon. Ce document ne comporte aucun enseignement relatif à la fabrication du barreau massif en céramique, et son objet est très éloigné de la réalisation d'un revêtement antiabrasion.
Une technique plus évoluée de réalisation de couche en matière antiabrasion est décrite dans le document FR-A-1 398 732. Il s'agit d'une technique d'infiltration, dans laquelle on utilise un moule creux «n carbone ou en matière céramique ayant une forme désirée ; on place un substrat métallique dans le creux du moule, en regard des parois de moulage du moule ; on remplit avec des grains de carbure de tungstène ou équivalent l'espace intérieur creux compris entre le substrat et les parois de moulage du moule, en vibrant l'ensemble pour tasser les grains ; on place des grains ou pastilles de métal ou d'alliage liant au-dessus des grains de carbure ; on chauffe l'ensemble à une température supérieure à la température de fusion de l'alliage et inférieure à la température de fusion du noyau et du moule. L'élévation de température assure la fusion de l'alliage ou métal liant, qui s'infiltre dans l'espace rempli de grains de carbure de tungstène, et assure la soudure avec le substrat métallique. On laisse ensuite refroidir et on peut démouler. Cette technique d'infiltration convient assez bien pour des pièces dans lesquelles un substrat convexe est de dimensions relative¬ ment faibles, et de forme relativement compacte, la couche antiabrasion étant relativement massive. La technique convient également lorsque le substrat est concave. Cependant, en tentant d'appliquer cette technique d'infiltra¬ tion à des pièces dans lesquelles le substrat présente une forme convexe, en particulier des pièces dont la surface est relativement importante par rapport à son volume, les inventeurs ont constaté que le revêtement antiabrasion tend à se briser sous l'action de chocs, et qu'en particulier ce revêtement ne permet pas un réusinage ultérieur après infiltration. La soudure entre l'épaisseur de matériau antiabra- sion et le substrat métallique est de mauvaise qualité.
Par exemple, cette technique d'infiltration sur un substrat métallique ne permet pas la réalisation d'une pièce suffisamment résistante mécaniquement pour constituer un pointeau pour vanne à pointeau utilisée dans les usines hydroélectriques. En effet, lors de la fermeture du pointeau sur son siège, le revêtement antiabrasion du pointeau tend à éclater sous l'effet des chocs et tensions mécaniques intervenant à cet instant de fermeture.
De même, cette technique d'infiltration sur substrat métallique ne permet pas de réaliser des dents de malaxeurs d'aluminerie présentant des qualités suffisantes de résistance mécanique. RESUME DE L'INVENTION
Le problème proposé par la présente invention est d'assurer une résistance mécanique satisfaisante à un revêtement antiabrasion à base de grains de carbure de tungstène infiltrés recouvrant un substrat de nature différente, l'ensemble constituant une pièce composite. Une telle pièce composite doit présenter des qualités de résistance mécanique en surface suffisantes pour supporter des chocs, et pour permettre un réusinage éventuel de sa surface de revêtement antiabrasion sans se fendre ou se désagréger. L'idée qui est à la base de la présente invention est que les défauts constatés de résistance mécanique des revêtements antiabrasion à base de grains de carbure de tungstène réalisés par infiltration sur un substrat résulteraient des dilatations différentielles intervenant lors de l'infiltration. En effet, lors de l'infiltration, on doit porter l'ensemble du substrat et du rechargement superficiel de grains de carbure de tungstène à une température suffisante pour la fusion de l'alliage ou métal liant qui doit s'infiltrer dans l'espace rempli de grains de carbure de tungstène et qui doit assurer la soudure avec le substrat. Lors de cet échauffement, le substrat métallique se dilate sensiblement, tandis que les grains de carbure de tungstène qui forment un empilement compact se dilatent très peu, roulent les uns sur les autres et peuvent ainsi suivre la dilatation du moule et du substrat. Après infiltration, lorsque l'on refroidit l'ensemble, le substrat tend à se contracter, tandis que l'empilement très compact de grains de carbure de tungstène ne se contracte que très peu. Il en résulte des tensions mécaniques importantes à l'interface entre le substrat et la couche de matière antiabrasion qui le recouvre. Ces tensions mécaniques importantes sont vraisemblablement à l'origine des défauts de résistance mécanique constatés sur les pièces ainsi rechargées par infiltration sur un substrat, ainsi que des défauts constatés sur la soudure entre le revêtement antiabrasion et le substrat métallique. Lors de l'échauffement pour obtenir l'infiltration, les grains de carbure de tungstène tendent à rouler les uns sur les autres, ce qui leur permet d'occuper tout l'espace entre le moule et le substrat.
Lors du refroidissement de l'ensemble, les grains de carbure de tungstène n'ont plus la possibilité de rouler les uns sur les autres, car ils sont liés par l'alliage ou métal liant, de sorte que le revêtement antiabrasion ne peut plus se rétracter selon un coefficient similaire à celui du substrat.
Malgré ces défauts de résistance mécanique aux chocs, des pièces antiabrasion obtenues par infiltration paraissent intéressantes, car la surface antiabrasion ainsi obtenue par infiltration présente des propriétés remarquables de résistance à l'abrasion. D'autre part, l'infiltration permet de réaliser des surfaces antiabrasion présentant des formes particulièrement régulières et lisses, favorisant l'effica¬ cité des pièces ainsi réalisées. Par exemple s'agissant d'un pointeau de vannes pour usine hydroélectrique, un tel pointeau doit présenter une surface conique bien régulière permettant une obturation efficace. S'agisεant d'une dent de malaxeur ou d'un pavage de cylindre de malaxeur, les surfaces doivent également être bien régulières, pour ne pas contrarier le débit du fluide à malaxer. La présente invention a ainsi pour objet de réaliser des pièces dont le revêtement antiabrasion est obtenu par infiltration d'alliage dans un empilement de grains de carbure de tungstène, ces pièces présentant, après réalisation, des qualités nettement améliorées de résistance mécanique de tenue aux chocs, évitant la séparation entre le substrat et sa couche antiabrasion.
Selon l'invention, de telles pièces à revêtement antiabrasion peuvent être obtenues à moindre coût, notamment lorsque les pièces sont de grandes dimensions, l'abaissement des coûts étant obtenu notamment en diminuant les risques de rebut.
Un autre avantage de l'invention est qu'il devient possible de réaliser des rechargements ou revêtements antiabrasion sur des substrats qui sont eux-mêmes susceptibles de ne pas supporter des températures aussi élevées que celle nécessaire pour fondre l'alliage ou métal liant lors de l'infiltration. On peut ainsi concevoir une pièce en matériau composite dans laquelle le substrat peut être non métallique, associé à une couche de matière antiabrasion à base de grains de carbure de tungstène infiltrés.
Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un nouveau procédé de réalisation d'une pièce composite à revêtement antiabrasion, la pièce comportant au moins un substrat recouvert d'une couche de matière antiabraεion à base de grains de carbure de tungstène, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) prévoir un substrat dont la forme et l'état de surface sont appropriés pour recevoir par collage des éléments de revêtement en matière antiabrasion à base de grains de carbure de tungstène, b) réaliser, par infiltration d'un alliage liant dans un empilement de grains de carbure de tungstène, un ou plusieurs éléments de revêtement en matière antiabrasion, comportant une face interne conformée pour s'adapter sur la surface du substrat, et comportant une face externe conformée pour constituer la face antiabrasion de la pièce composite à réaliser, c) solidariser par collage le ou les éléments de revêtement en matière antiabrasion sur le substrat, en appliquant lesdits éléments de revêtement sur le substrat avec interposition d'une couche appropriée de colle.
Selon une première application, le substrat peut être en acier. La colle utilisée pour le collage peut être une colle époxy.
De préférence, la colle époxy est d'un type monocomposant ou polycomposant polymérisable à chaud. L'étape de collage comprend alors une étape de chauffage à température appropriée pendant la durée de polymérisation de la colle. Pour la réalisation de la couche antiabrasion, on utilise une technique d'infiltration d'alliage dans un empilement de grains de carbure de tungstène. Le moule utilisé est avantageusement un moule à parois de moulage en sable de fonderie lié par des résines. Une difficulté est alors rencontrée car le moule comprend des parois dont la surface est relativement importante par rapport au volume de la couche antiabrasion à réaliser, puisque cette couche n'a en général pas à avoir une épaisseur très importante par rapport à sa surface. La difficulté apparaît alors par le fait que la résine utilisée pour lier le sable du moule tend à se consumer lors de l'infiltration, et nuit à la réalisation d'une couche antiabrasion de bonne qualité. Pour résoudre cette difficulté, il convient de régler la quantité de résine présente dans le moule, pour l'ajuster à une quantité juste suffisante au maintien du sable de fonderie jusqu'à infiltration, limitant ainsi les dégagements gazeux résultant de la combustion de la résine pendant l'étape de chauffage et d'infiltration. En pratique, la quantité de résine sera inférieure à 6 7. en poids de la quantité de sable de fonderie.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisa¬ tion particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles :
- la figure 1 représente sché atiquement en perspective un moule selon l'invention permettant de réaliser un élément de revêtement en matière antiabrasion en forme de secteur cylindrique destiné à recouvrir un substrat cylindrique ; - les figures 2 à 5 illustrent schématiquement les différentes étapes du procédé de réalisation d'un élément de revêtement en matière antiabra¬ sion dans un moule de la figure 1 représenté en coupe ;
- la figure 6 représente l'élément de revêtement antiabrasion ainsi obtenu ; - les figures 7 et 8 illustrent les étapes de formage du substrat destiné à recevoir les éléments de revêtement antiabrasion ;
- la figure 9 illustre l'étape d'assemblage des éléments de revêtement antiabrasion sur le substrat de la figure .8 ;
- la figure 10 est une coupe longitudinale selon l'axe I-I de la figure 9 ;
- la figure 11 illustre l'étape de réalisation par infiltration d'un élément de revêtement antiabrasion conique, dans un moule représenté en coupe ;
- la figure 12 illustre l'étape d'assemblage de l'élément conique de la figure 11 sur un substrat lui-même conique, pour réalisation d'un pointeau de vanne pour usine hydroélectrique ; - la figure 13 illustre, en coupe longitudinale, la structure d'un pointeau de vanne selon la présente invention ; et
- les figures 14 et 15 illustrent, en coupes longitudinales selon deux plans perpendiculaires, la structure d'une dent de malaxeur selon la présente invention. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES
Les figures 10 et 13 à 14 illustrent la structure interne des pièces composites à revêtement antiabrasion obtenues par un procédé selon la présente invention. Dans tous les modes de réalisation, ces pièces comportent un substrat 1 recouvert au moins en partie par une couche de matière antiabraεion 2 qui lui est solidarisée par une couche intermédiaire 3 de colle.
On a représenté, sur les figures 1 à 9, les étapes successives de réalisation d'une pièce antiabrasion selon l'invention, dans un mode de réalisation correspondant à la fabrication d'un blindage pour malaxeurs d 'aluminerie.
Les malaxeurs d'aluminerie comprennent une enceinte cylindrique tubulaire, de plusieurs mètres de long, de diamètre de l'ordre de 60 centimètres environ, destinée à contenir une pâte de carbone à malaxer par des dents de malaxeur. Certaines dents sont montées fixes sur la paroi de l'enceinte et dépassent vers l'intérieur de l'enceinte, d'autres dents sont montées sur un rotor tournant axialement dans l'enceinte. Les dents de malaxeur sont par exemple telles que représen¬ tées en coupe longitudinale sur les figures 14 et 15.
Sur les figures 1 à 6, on réalise, par infiltration d'un alliage liant dans un empilement de grains de carbure de tungstène, l'un des éléments de revêtement en matière antiabrasion qui seront utilisés pour recouvrir la surface intérieure de l'enceinte cylindrique de malaxeur. Sur la figure 1, on prépare un moule 4 creux, comprenant un évidement intérieur 5 délimité par des parois de moulage ayant la forme de l'élément de surface en matière antiabrasion à réaliser. Ce moule est représenté vide en coupe sur la figure 2.
Sur la figure 3, on introduit dans l'évidement 5 du moule 4 des particules 6 de matière dure telle que du carbure de tungstène fondu, en vibrant l'ensemble, de sorte que les particules superficielles viennent au maximum en appui contre les parois de moulage et sont jointives les unes aux autres. Sur la figure 4, on prépare une quantité suffisante d'un alliage approprié 7 sous forme adaptée, pour assurer une réparti¬ tion ultérieure de l'alliage au cours de sa phase de fusion ultérieure. L'alliage 7 est un alliage de brasage susceptible de mouiller les particules de matière dure et de fondre à une température inférieure à la température de fusion des particules de matière dure 6 et du moule 4. Sur la figure 5, on chauffe l'ensemble du moule 4 et de son contenu jusqu'à une température supérieure à la température de fusion de l'alliage 7 et inférieure à la température de fusion des particules de matière dure 6 et du moule 4. On maintient cette température pendant une durée suffisante pour assurer l'infiltration de l'alliage 7 en fusion dans l'espace rempli de particules de matière dure 6. On laisse ensuite refroidir, et on démoule, pour obtenir l'élément 8 de revêtement en matière antiabrasion représenté sur la figure 6.
Sur les figures 7 et 8, on prépare le substrat destiné à recevoir les éléments de revêtement en matière antiabrasion. Sur la figure 7, on part d'une tôle rectangulaire 9. Sur la figure 8, on cintre cette tôle rectangulaire 9 pour lui donner une forme demi-cylindrique de diamètre approprié pour que, après apposition des éléments de revêtement en matière antiabraεion, le diamètre interne de l'ensemble soit conforme au diamètre du tube de malaxeur à réaliser. Sur la figure 9, on réalise l'assemblage et la solidarisation des éléments de revêtement antiabrasion tels que l'élément 8 sur le substrat 1 tel que la tôle cintrée 9. Cette solidarisation s'effectue par collage, en appliquant lesdits éléments de revêtement antiabrasion 8 sur le substrat 1 en tôle cintrée 9 avec interposition d'une couche appropriée de colle. On a représenté, sur la figure 10 en coupe longitudinale selon l'axe I-I de la figure 9, l'assemblage ainsi obtenu, montrant la couche antiabrasion 2, le substrat 1 ou tôle 9 et la couche intermédiaire de colle 3.
Dans le cas d'un malaxeur pour aluminerie, on utilise avanta- geusement une tôle 9 en acier. La colle 3 utilisée est une colle époxy, de préférence d'un type monocomposant ou polycomposant polymérisable à chaud. Dans ce cas, l'étape d'assemblage et de collage représentée sur la figure 9 comprend une étape de chauffage à température appropriée pendant la durée de polymérisation de la colle 3.
Après assemblage des éléments de revêtement antiabrasion 8 sur le substrat 1 en tôle cintrée 9, on peut avantageusement prévoir une étape ultérieure d'usinage des excès de colle et des bords de la surface antiabrasion, afin de réaliser des éléments demi-cylindriques pouvant être disposés les uns après les autres bord-à-bord sans apparition de fentes ou d'interstices entre deux éléments adjacents.
Egalement, la résistance mécanique ainsi obtenue de l'ensemble des éléments antiabrasion collés sur la tôle 9 est suffisante pour que la surface antiabrasion puisse être ultérieurement égalisée lorε d'une étape ultérieure d'usinage.
Lors de la réalisation de l'élément de revêtement antiabrasion 8, le moule 4 utilisé peut être réalisé en différentes matières. Par exemple, on peut utiliser un moule 4 en graphite, préalablement usiné pour former 1'évidement 5. Une solution plus avantageuse consiste à utiliser un moule 4 comprenant des parois de moulage en sable de fonderie lié par des résines. L'évide ent 5 est alors réalisé en plongeant un modèle dans le moule 4 avant prise de la résine, et en retirant le modèle après prise de la résine, selon une technique traditionnelle dans le moulage pour la coulée des métaux.
Toutefois, lorsque l'on utilise un tel moule 4 en sable de fonderie lié par des résines, une difficulté peut apparaître par le fait que l'élément de revêtement antiabrasion 8 à former présente une surface très importante par rapport à son volume. Cela est dû au fait que l'élément de revêtement est généralement plat. Le problème qui peut se produire est alors que, lors de l'infiltration, la combustion de la résine liant le sable du moule 4 produit des dégagements gazeux qui tendent à s'infiltrer dans l'évidement 5 rempli de particules dures antiabrasion 6. Ces dégagements gazeux peuvent former des dépôts sur les particules, et, si ces dépôts sont en excès, ils peuvent nuire au mouillage des particules par l'alliage liant 7 lors de l'infiltration. Il en résulte alors une qualité médiocre de résistance mécanique de l'élément antiabrasion 8 ainsi réalisé. Pour éviter cette difficulté, la quantité de résine présente dans le moule 4 est ajustée pour être juste suffisante au maintien du sable de fonderie jusqu'à infiltration. En pratique, la quantité de résine peut être choisie inférieure à 6 °L en poids de la quantité de sable de fonderie du moule 4.
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 10, on obtient une pièce composite, représentée sur la figure 9, comprenant un substrat 1 en tôle 9 en acier de forme demi-cylindrique, avec, sur la surface intérieure du demi-cylindre, une couche de colle polymérisée adhérant au demi-cylindre et, adhérant à la couche de colle polymérisée et la surmontant, un pavage de plaques ou éléments de revêtement antiabrasion 8 en forme de secteur de cylindre à contour généralement rectangulaire, le pavage suivant la courbure de la surface intérieure de demi-cylindre, l'ensemble formant une plaque de blindage pour malaxeur d'aluminerie.
Dans les modes de réalisation représentés sur les figures 13 à 15, la pièce composite obtenue par le procédé de l'invention comprend une substrat 1 en acier présentant une forme générale convexe. Sur la surface extérieure du substrat, on retrouve une couche de colle 3 polymérisée. Surmontant ladite couche de colle 3, on trouve une coiffe 2 en matériau antiabrasion.
Les figures 11 à 13 se rapportent à la réalisation d'un pointeau de vanne à pointeau utilisée dans les usines hydroélectriques. Un tel pointeau est de forme conique, et comprend un substrat conique 1 en acier dont la surface extérieure conique est recouverte d'une coiffe 2 conique formant élément en matériau antiabrasion. Comme dans le mode de réalisation des figures 1 à 10, on réalise séparément le substrat 1 et la coiffe 2. La coiffe 2 est elle-même réalisée par infiltration, comme le représente schématiquement la figure 11, dans un moule 4 comportant un noyau amovible 40, le moule 4 formant la surface extérieure de la coiffe, le noyau 40 formant la surface intérieure de la coiffe conique. Après démoulage, on adapte la coiffe 2 sur le substrat 1. comme le représente la figure 12, avec interposition d'une couche de colle, et l'on obtient le pointeau tel que représenté en coupe sur la figure 13, présentant la coiffe 2, le substrat 1 et la couche intermédiaire de colle 3.
Le mode de réalisation des figures 14 et 15 est relatif à la. réalisation d'une dent de malaxeur d'aluminerie. On remarque, sur ces figures, le substrat 1, la coiffe 2 formant élément de revêtement antiabrasion, et la couche intermédiaire 3 de colle. La pièce doit présenter avantageusement la forme représentée sur les figures. Cette pièce est formée selon un procédé similaire à celui décrit en relation avec les figures précédentes, en réalisant séparément le substrat 1 et la coiffe 2, la coiffe 2 étant obtenue par infiltration dans un moule.
L'assemblage du substrat et de la coiffe par collage, dans tous les modes de réalisation de l'invention, permet à la colle intermédiaire 3 de jouer le rôle d'amortisseur entre le substrat 1 et l'élément antiabrasion 2. On augmente considérablement la résistance mécanique apparente du revêtement antiabrasion ainsi réalisé, de sorte qu'un réusinage ultérieur de sa surface est rendu possible. La pièce présente une résistance aux chocs nettement améliorée par rapport aux techniques de réalisation par infiltration en surmoulage.
En outre, cette technique selon la présente invention évite d'échauffer le substrat 1, de sorte que l'on n'altère pas son aspect extérieur. En revanche, dans les techniques connues d'infiltration en surmoulage, l'échauffement du substrat 1, lorsqu'il est en acier, provoque une altération de sa surface et nécessite un réusinage.
On comprend que la réalisation d'éléments de revêtement partiels, comme représenté sur la figure 9, permet de réaliser ces éléments en diminuant les risques de rebut. En effet, si un élément est défectueux, il suffit de le remplacer par un autre, sans avoir à refaire la totalité du revêtement.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisa¬ tion qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendica- tions ci-après.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de réalisation d'une pièce composite à revêtement antiabrasion, ladite pièce comportant au moins un substrat (1) recouvert d'une couche de matière antiabrasion (2) à base de grains de carbure de tungstène, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivan¬ tes : a) prévoir un substrat (1) dont la forme et l'état de surface sont appropriés pour recevoir par collage des éléments de revêtement (2) en matière antiabrasion à base de grains de carbure de tungstène, b) réaliser, par infiltration d'un alliage liant (7) dans un empilement de grains de carbure de tungstène (6), un ou plusieurs éléments (2, 8) de revêtement en matière antiabrasion, comportant une face interne conformée pour s'adapter sur la surface du substrat (1), et comportant une face externe conformée pour constituer la face antiabrasion de la pièce composite à réaliser, c) solidariser par collage le ou les éléments de revêtement (8) en matière antiabrasion sur le substrat, en appliquant lesdits éléments de revêtement (8) sur le substrat (1) avec interposition d'une couche appropriée de colle (3). 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que :
- le substrat (1) est en acier,
- la colle (3) est une colle époxy.
3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que :
- la colle époxy (3) est d'un type monocomposant ou polycomposant polymérisable à chaud, l'étape de collage comprend une étape de chauffage à température appropriée pendant la durée de polymérisation de la colle (3).
4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une étape ultérieure d'usinage des excès de colle et des bords de la surface antiabrasion.
5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une étape ultérieure d'usinage de la surface antiabrasion.
6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable de fabrication d'un élément de surface (8) en matière antiabrasion, étape dans laquelle :
- on prépare des moyens de moule (4) creux comprenant un évidement intérieur (5) délimité par des parois de moulage ayant la forme de l'élément de surface en matière antiabrasion à réaliser,
- on introduit des particules de matière dure telle que du carbure de tungstène (6) dans l'évidement intérieur (5) du moule (4), en vibrant l'ensemble, de sorte que les particules superficielles viennent au maximum en appui contre les parois du moule et sont jointives les unes aux autres ,
- on prépare une quantité suffisante d'un alliage approprié (7) sous forme adaptée pour assurer une répartition ultérieure de l'alliage au cours de sa phase de fusion ultérieure, l'alliage étant un alliage de brasage susceptible de mouiller les particules de matière dure (6) et de fondre à une température inférieure à la température de fusion des particules de matière dure (6) et du moule (4),
- on chauffe l'ensemble à une température supérieure à la température de fusion de l'alliage (7) et inférieure à la température de fusion des particules de matière dure (6) et du moule (4),
- on maintient cette température de fusion pendant une durée suffisante pour assurer l'infiltration de l'alliage (7) en fusion dans l'espace (5) rempli de particules de matière dure (6), - on laisse refroidir et on démoule l'élément de surface antiabrasion.
7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de moule (4) comprennent des parois de moulage en sable de fonderie lié par des résines.
8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la quantité de résine présente dans les moyens de moule (4) est ajustée pour être juste suffisante au maintien du sable de fonderie jusqu'à infiltration, limitant les dégagements gazeux résultant de la combustion de la résine pendant l'étape de chauffage et d'infiltration.
9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la quantité de résine est inférieure à 6 7. en poids de la quantité de sable de fonderie.
10 - Pièce composite à revêtement antiabrasion obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend : - un substrat (1) en tôle cintrée (9) en forme de demi-cylindre,
- sur la surface intérieure du demi-cylindre, une couche de colle (3) polymérisée, adhérant au demi-cylindre, - adhérant à la couche de colle (3) polymérisée et la surmontant, un pavage de plaques (8) en matière antiabrasion à base de carbure de tungstène, ledit pavage suivant la courbure de surface intérieure de demi-cylindre, - l'ensemble formant une plaque de blindage pour malaxeurs d'aluminerie.
11 - Pièce composite à surface antiabrasion selon la revendica¬ tion 10, caractérisée en ce que les plaques (8) sont des secteurs de cylindre à contour généralement rectangulaire.
12 - Pièce composite à surface antiabrasion obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend :
- un substrat (1) en acier présentant une forme générale convexe,
- sur la surface extérieure du substrat (1), une couche de colle polymérisée (3), - adhérant à ladite couche de colle (3) polymérisée, une coiffe (2) en matériau antiabrasion à base de carbure de tungstène.
13 - Pièce composite à surface antiabrasion selon la revendica¬ tion 12, caractérisée en ce que ladite pièce est une dent de malaxeur d'aluminerie. 14 - Pièce composite à surface antiabrasion selon la revendica¬ tion 12, caractérisée en ce que ladite pièce présente une forme générale conique constituant un pointeau de vanne.
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