FR2469969A1

FR2469969A1 - Procede de fabrication d'une piece composite de metal dur et d'acier coule

Info

Publication number: FR2469969A1
Application number: FR8024737A
Authority: FR
Inventors: Fritz Frehn
Original assignee: Thyssen Edelstahlwerke AG
Current assignee: Thyssen Stahl AG
Priority date: 1979-11-24
Filing date: 1980-11-21
Publication date: 1981-05-29
Also published as: JPS5686668A; DE2947393C2; DE2947393A1

Abstract

LE PROCEDE SELON L'INVENTION VISE LA REALISATION D'ASSEMBLAGES INDISSOCIABLES ENTRE LES ALLIAGES FRITTES CONTENANT PLUS DE 50 EN POIDS DE MATERIAU DUR ET DES ALLIAGES COULES, ET IL EST CARACTERISE PAR LE FAIT QU'APRES AVOIR FABRIQUE UNE PIECE DE L'ALLIAGE DE MATERIAU DUR FRITTE, ON ETALE SUR SA SURFACE D'ASSEMBLAGE UNE PATE FORMEE D'UN ALLIAGE DE FER CONTENANT UN OU PLUSIEURS DES ELEMENTS BORE, SILICIUM, PHOSPHORE ET CARBONE, QUE L'ON SECHE LA COUCHE OU QU'ON LA FOND DANS LA PIECE EN ALLIAGE DE MATERIAU DUR, QUE L'ON PLACE ALORS LA PIECE DANS UN MOULE ET QUE L'ON ASSEMBLE ALORS A LA PIECE D'ALLIAGE DE MATERIAU DUR LA PIECE FORMEE DE L'ALLIAGE DE COULEE, DANS LA ZONE D'ASSEMBLAGE, PAR COULEE AVEC INSERTION.

Description

L'invention concerne un procédé de fabrication d'assemblages indissociables entre des alliages frittés contenant plus de 50% en poids de matériau dur et des alliages coulés.

I1 est connu de fabriquer par une technique de coulée, par exemple de coulée par centrifugation ou de coulée avec insertion, des alliages coulés composites de composition différente. I1 est en outre connu d'assembler entre eux des métaux différents par soudage, collage, brasage ou par des moyens mécaniques, par exemple par vissage, rivetage etc. En outre, il est connu de projeter, de fritter ou de vaporiser sur des substrats métalliques des couches métalliques différentes.

Antérieurement, l'assemblage entre des alliages de matériau dur, c'est-à-dire des alliages métalliques fabriqués par métallurgie des poudres et contenant une forte proportion de matériau dur comme les carbures, nitrures, borures et siliciures et des alliages coulés comme la fonte, l'acier etc.

n'était possible que par brasage. Entre les surfaces d'assemblage des pièces préalablement fabriquées, on plaçait une couche de brasage à bas point de fusion, par exemple de cuivre, que l'on fondait de sorte que l'on assemblait les pièces entre elles. De cette manière, on a par exemple fixé des plaquettes de métal dur à des outils de tour. La durabilité de ces assemblages brasés n'était pas particulièrement grande.

D'une part, la couche de brasage ne supportait pas les températures élevées parce qu'elle fondait déjà à des températures relativement basses de sorte que l'assemblage se dissociait, d'autre part la résistance mécanique de la couche intermédiaire de brasage n'était pas particulièrement grande.

On avait donc besoin d'un meilleur assemblage entre des alliages coulés et des alliages de matériau dur. Etant donné que le point de fusion des alliages coulés est inférieur à la température de frittage des alliages de matériau dur, il est exclu de fritter des alliages de matériau dur sur la pièce coulée. En coulant directement les deux alliages avec insertion, on n'obtient pas d'assemblage car à la température de coulée, il ne se produit pas encore de diffusion suffisante avec l'alliage de matériau dur étant donné sa température de frittage plus élevée.

C'est pourquoi l'invention a pour but de fournir un procédé qui permette, de façon simple et efficace, d'assembler durablement des alliages de matériau dur à des alliages coules.

Selon l'invention, ce problème est résolu par le fait qu'après avoir fabriqué une pièce de alliage de matériau dur fritté, on étale sur sa surface d'assemblage une pâte formée d'un alliage de fer à bas point de fusion contenant un ou plusieurs des éléments B, Si, P, C, que l'on sèche la couche ou qu'on la fond dans la pièce en alliage de matériau dur, que l'on place alors la pièce dans unmoule et que l'on assemble alors à la pièce d'alliage de matériau dur la pièce formée de l'alliage de coulée, dans la zone d'assemblage, par coulée avec insertion. Des expériences effectuées par le procédé selon l'invention ont montré qu'il se produit un excellent assemblage entre l'alliage de matériau dur et l'alliage coule.

Grâce à l'application du procédé selon l'invention, il devient possible d'utiliser aussi économiquement que possible les ma -tériaux durs, coûteux à cause deys constituants d'alliage et de les disposer seulement, sur une pièce coulée, là où il se produit une usure accrue.

Selon un mode d'exécution avantageux du procédé, on utilise un alliage de matériau dur fritté contenant plus de 50% en poids de carbure de titane, le reste étant formé d'un alliage à base de nickel, de cobalt et/ou de fer. C'est précisément à ce genre d'alliages à haute teneur en matériau dur que le procédé selon l'invention convient particulièrement bien car ils ne peuvent pas être usinés ainsi qu'il est nécessaire pour les modes d'assemblage classiques où il faut usiner préalablement les pièces aux surfaces d'assemblage. On peut s'en passer dans le procédé selon l'invention. On peut assembler les pièces entre elles sans que la surface d'assemblage de la pièce en alliage de matériau dur soit prétraitée mécaniquement.

On utilise de préférence une pâte d'un alliage à base de fer contenant un petit pourcentage d'un ou plusieurs des élé- ments bore, silicium et phosphore et moins de 1% de carbone, parce que cet alliage est relativement économique. I1 est apparu que l'application de la couche intermédiaire sous forme de pâte était la seule solution praticable pour obtenir un as semblage satisfaisant entre pièce de matériau dur et pièce coulée. Cela n'était pas prévisible pour le praticien.

La solution selon l'invention, qui permet de couvrir de façon satisfaisante tous les matériaux durs contenant jusqu'à 702 de carbure, en particulier de carbure de titane, est la suivante
Avant de les doubler de fonte, d'acier coulé, de laiton, de bronze ou d'alliages de coulée similaires, on débarrasse les matériaux durs de la peau de frittage ou des écailles éventuelles, par meulage, brossage, décapage ou par des procé- dés similaires. Un dépolissage n'est pas nécessaire. Ensuite, on étale sur ces surfaces une pâte d'un alliage à bas point de fusion à base de fer contenant du bore et du silicium.Des pâtes que l'on a elaborées et qui ont donné de bons résultats sont
1) On délaie un alliage bore-silicium-carbone-fer pulvé
risé, à bas point de fusion avec 0,5t d'une résine de
polymère d'acide acrylique ("Plexisol 550") en solu
tion dans du benzène ou du décahydronaphtalène pour
former une bouillie.

2) On remue une poudre B/Si/Fe projetée à la buse avec
1,5% (en solides) d'acide acrylique dissous dans du
décahydronaphtalène et de l'acétone pour former une
pâte.

On applique les pâtes à la spatule et on les sèche à 1' air jusqu'd ce qu'elles adhèrent et durcissent. Ensuite, on peut les fondre au four entre 1050 et 11800C selon l'alliage.

Des fours normaux à gaz ou électrique suffisent si les alliages à bas point de fusion contiennent suffisamment de silicium pour qu'il puisse se former un laitier bore-silicate qui protège de l'oxydation. Les fours à gaz inerte ou les fours à gaz sous vide sont plus avantageux.

Si on utilise principalement du bore ou du phosphore pour abaisser le point de fusion, donc s'il ne peut pas se former de laitier de silicate protecteur, on utilise de préférence, pour la fusion ou le frittage, un four à vide à refroidissement par gaz.

Plus les couches ou surfaces fondues sont propres, plus l'assemblage devient satisfaisant. Il n'est pas alors perturbé par des inclusions d'oxydes ni d'autres impuretés.

I1 est apparu que Si l'on utilise une pâte selon l'invention, la fusion est souvent superflue. On peut alors doubler immédiatement la pièce de matériau dur, bien séchée après 1' application de la pâte. L'assemblage dépend de l'alliage utilisé, c'est-à-dire qu'il faut largement faciliter la diffusion de la couche avec le matériau dur et la coulée en harmonisant les constituants d'alliage, d'autant plus que les carbures sont presque toujours difficiles à mouiller.

Toutefois, il est nécessaire d'utiliser une pâte dont le constituant liant s'échappe rapidement et n'entrave pas les diffusions par des résidus. Le "Plexisol" mentionné à donné les meilleurs résultats à cet égard.

En appliquant le procédé selon l'invention, on obtient les avantages suivants :
1) On peut revêtir de matériau dur de très grande résis
tance à l'usure, d'une façon simple et économique, des
pièces antérieurement connues en fonte, en acier cou
lé, en fonte dure, en métaux non ferreux etc. dont la
résistance à l'usure n'est pas suffisante.

2) Les possibilités d'usinage sont favorables car il suf
fit d'une mince couche de matériau dur et les alliages
coulés peuvent bien s'usiner.

3) I1 n'est pas nécessaire de modifier la structure des
pièces coulées.

4) L'assemblage assure une grande stabilité des pièces
d'usure y compris lorsqu'il s'agit de matériaux durs
à très haute teneur en carbure, contenant jusqu'à 70%
de carbure et dont la dureté atteint 85 HRC.

Les mesures selon l'invention ouvrent un large domaine d'application, surtout en ce qui concerne l'usure qui nécessite des matériaux à très haute teneur en carbure, donc jusqu'à 70% et des duretés atteignant 85 HRC. Des- exemples d'application sont : les pales de sablage, les turbines de grenaillage, les chicanes, les toboggans, les dents d'excavateur, les chenilles, les rotors de pompe, les corps de pompe, les paliers de protection d'arbres, les douilles de protection d'arbres, les obturateurs de soupape, les sièges de soupape, les vis d'extrudeuse, les cylindres d'extrudeuse, les couteaux de toute espèce, surtout servant à couper des matières synthéti- ques, les moules à briquettes, les disques, les battoirs, les bandes de percussion, les pales de mélangeur, les buses, les rouleaux transporteurs, les cylindres de laminoir, les moules à verre, les matrices et poinçon de toute espèce.

On expliquera plus particulièrement l'invention à propos des exemples suivants
EXEMPLE 1
0,75% de carbone
1,00% de silicium
1,50% de manganèse
0,502 de molybdène
0,80% de cuivre
0,18% de vanadium
0,02% de bore
reste : fer
On mélange 40% en poids de cet alliage sous forme de poudre à 60% en poids de carbure de titane sous forme de poudre, en broie et on fritte.

On meule cette pièce frittée à l'endroit qui doit être assemblé à de la fonte et on y étale une pâte ayant la composition suivante
2,0% de bore
3,0% de silicium
0,03% de carbone
4,5% de nickel
reste : fer
Ensuite, on place la pièce frittée dans un moule et on la double de fonte.

Après un traitement thermique d'austénitisation à 8400C sous vide et refroidissement sous azote à une surpression de 1,52 bar, l'alliage atteint une dureté de 80 HRC.

La fonte présente une dureté de 210 Brinell (HB 30) tandis que la couche d'assemblage présente une dureté de 22 HRC.

L'usinage à des dimensions déterminées peut se faire facilement, par le côté coulé, en vertu des duretés susdites et malgré un traitement thermique approprié. Cet assemblage entre le matériau dur de grande dureté et une fonte relativement tendre par l'intermédiaire d'une couche d'assemblage de dureté moyenne a pour effet que même sous de grandes forces de choc, la plaque de matériau dur cassante assemblée à l'alliage coulé peut tout au plus éclater mais ne peut pas sauter en l'air. C'est là un critère particulièrement important car autrement les machines sont détruites par des pièces projetées çà et là, ce qui peut se produire par exemple avec les pales de ventilateurs de sablage.

EXEMPLE 2
Une autre gangue d'alliage de matériau dur à haute teneur en manganèse a la composition suivante
0,75% de carbone
1,00% de silicium
12,50% de manganèse
0,50% de molybdène
0,80% de cuivre
0,18% de vanadium
0,02% de bore
reste : fer
La fabrication de la pièce composite s'effectue comme dans l'exemple 1.

Après un traitement thermique à une température d'austénitisation de 8400C, un refroidissement sous azote à une surpression de 1,52 bar et un revenu à 150 C, la surface de matériau dur donne une dureté de 77/78 HRC. La dureté un peu inférieure à celle de l'alliage 1 tient au fait que l'on forme volontairement de l'austénite résiduelle qui, visà-vis de certains problèmes d'usure, a des propriétés particulièrement bonnes en tant que martensite dite de frottement qui se forme à partir de l'austénite sous une charge.

EXEMPLE 3
La gangue d'un autre alliage de matériau dur usuel à haute teneur en carbure a la composition suivante
0,75% de carbone
14,00% de chrome
3,00% de molybdène
0,40% de nickel
0,80% de cuivre
1,00% d'aluminium
0,50% de vanadium
0,02% de bore
reste : fer
La teneur en carbure de cet alliage de matériau dur est également voisin de 60% en poids.

Après l'avoir doublé de fonte avec interposition d'une couche de nature différente ayant un bas point de fusion de 10800C et la composition suivante
1,5 % de bore
2,5 % de silicium
0,02% de carbone
reste fer on ontient, après un traitement thermique d'austénitisation à 10900C au four à vide et refroidissement sous azote à la pression normale suivi dun revenu de 2 heures à 5200C, une dureté de 78 à 79 HRC de la plaque de matériau dur.

La zone d'assemblage présente une dureté de 25 HRC et la fonte une dureté de 200 Brinell (HB 30).

EXEMPLE 4
Un autre alliage important présente la composition de gangue suivante
14,00% de chrome
9,00% de cobalt
5,50% de nickel
5,00% de molybdène
1,00% d'aluminium
1,00% de titane
0,80% de cuivre
reste : fer
La teneur en carbure de titane est-également voisine de 60% en poids.

I1 s'agit de l'un des alliages dits martensitiques au nickel qui ne durcissent que par vieillissement.

On effectue ici un assemblage à une fonte à graphite sphéroldal ayant une dureté de 160 Brinell (HB 30).

Après le traitement thermique usuel pour la martensite au nickel c'est-à-dire un vieillissement de 6 heures à 480"C, on obtient pour la partie en matériau dur une dureté de 75 à 78 HRC tandis que la couche intermédiaire a une dureté de 30
HRC et la fonte une dureté de 150 HB 30.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de réalisation d'assemblages indissociables entre des alliages frittés contenant plus de 50% en poids de matériau dur et des alliages coulés, caractérisé par le fait qu'après avoir fabriqué une pièce de l'alliage de matériau dur fritté, on étale sur sa surface d'assemblage une pâte formée d'un alliage de fer contenant un ou plusieurs des éléments bore, silicium,phosphore et carbone, que l'on sèche la couche ou qu'on la fond dans la pièce en alliage de matériau dur, que l'on place alors la pièce dans un moule et que l'on assemble alors à la pièce d'alliage de matériau dur-la pièce formée de l'alliage de coulée, dans la zone d'assemblage, par coulée avec insertion.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise un alliage de matériau dur fritté contenant plus de 50% en poids de TiC, le reste étant formé d'un alliage à base de nickel, de cobalt ou de fer.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, carac térisé par le fait que l'on fabrique la pâte à partir d'un alliage à base de fer contenant un petit pourcentage d'un ou plusieurs des éléments bore, silicium et phosphore et moins de 1% de carbone;