FR2540889A1 - Method for forming a wear-resistant coating on the surface of a metal substrate - Google Patents

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Abstract

A layer of a high-tenacity metal alloy is formed on the surface of a metal substrate by spraying particles of this alloy, by means of a plasma torch, and passing these particles through the plasma so as to cause them to fuse. Grains of an additive material are then deposited onto this layer, such as for example a hard refractory compound, with a hardness greater than that of the metal alloy, this deposition being made when the alloy layer is sufficiently fluid for the grains of additive material to penetrate into this layer. A coating is thus obtained which is resistant to wear, consisting of a matrix of the alloy in which the grains of the additive material are dispersed. The proportion of this material in the coating may reach a value of the order of 80% by weight, which is markedly greater than that permitted by known methods.

Description

PROCEDE POUR FORMER UN REVETEMENT RESISTANT A L'USURE
SUR LA SURFACE D'UN SUBSTRAT METALLIQUE
La présente invention a pour objet un procédé pour former, sur la surface d'un substrat métallique, un revêtement résistant à l'usure, constitué par une matrice d'alliage métallique a haute ténacité dans laquelle sont dispersés des grains d 1au moins un matériau d'apport, tel qu'un composé réfractaire dur, choisi parmi les carbures, les nitrures, les borures, les oxydes et les siii-ciures des éléments suivants :Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta Mo, W et Cr,ce matériau d'apport ayant une dureté supérieure à celle de cet alliage,
Les procédés connus jusqu'à présent pour former un revêtement du genre qui vient d'être mentionné sur la surface d'un substrat métallique ne donnent pas entière satisfaction.PROCESS FOR FORMING A WEAR RESISTANT COATING
ON THE SURFACE OF A METAL SUBSTRATE
The subject of the present invention is a method for forming, on the surface of a metallic substrate, a wear-resistant coating, consisting of a matrix of high tenacity metallic alloy in which grains of at least one material are dispersed. filler, such as a hard refractory compound, chosen from carbides, nitrides, borides, oxides and silicates of the following elements: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta Mo, W and Cr , this filler material having a hardness greater than that of this alloy,
The methods hitherto known for forming a coating of the kind which has just been mentioned on the surface of a metal substrate are not entirely satisfactory.

L'un de ces procédés consiste à former ce revêtement par projection thermique, au moyen d'un appareil de projection à flamme, à arc ou à plasma, d'une poudre constituée par un mélange mécanique de particules d'alliage de matrice et de grains de matériau d'apport.One of these methods consists in forming this coating by thermal spraying, by means of a flame, arc or plasma spraying apparatus, of a powder constituted by a mechanical mixture of particles of matrix alloy and grains of filler material.

Ce procédé présente l'inconvénient que la proportion maximale de matériau d'apport dans le revêtement obtenu est relativement faible, par exemple, au plus égale à 30% en poids par rapport au poids total du revêtement. Ceci résulte du fait que, kors de la projection, les particules de matériau d'apport restent à l'état solide alors que les particules de l'alliage de matrice sont au.moins partiellement fondues Par conséquent, lorsque les particules du mélange projeté arrivent en contact avec la surface du substrat métallique, une certaine proportion, qui peut etre importante, des particules de matériau d'apport rebondis- sent sur le substrat et ne restent pas dans la couche formée par collage des particules de l'alliage de matrice sur le substrat.Ceci se traduit par une perte en matériau d'apport qui augmente le cout de la mise en oeuvre du procédé.This method has the disadvantage that the maximum proportion of filler material in the coating obtained is relatively low, for example, at most equal to 30% by weight relative to the total weight of the coating. This results from the fact that, during the projection, the particles of filler material remain in the solid state while the particles of the matrix alloy are at least partially melted Consequently, when the particles of the projected mixture arrive in contact with the surface of the metallic substrate, a certain proportion, which may be significant, of the particles of filler material rebound on the substrate and do not remain in the layer formed by bonding of the particles of the matrix alloy on the substrate. This results in a loss of filler material which increases the cost of implementing the process.

D'autre part, du fait que la résistance à l'usure du revEte- ment est une fonction directe de la proportion en matériau d'apport, la limitation de cette proportion se traduit par une limitation de la résistance à l'usure du revêtement.On the other hand, since the wear resistance of the coating is a direct function of the proportion of filler material, the limitation of this proportion results in a limitation of the wear resistance of the coating. .

Selon d'autres procédés connus, on forme le revêtement par projection thermique de matériaux introduits dans la flamme, le plasma ou l'arc sous forme de tiges pleines constituées par une dispersion de grains du matériau d'apport dans l'alliage de matrice ou bien sous forme de tiges creuses ou tubes en alliage de matrice dont l'intérieur est rempli de grains de matériau d'apport, ou encore sous forme d'agglo mérats composites renfermant des grains du matériau d'apport entourés par l'alliage de matrice. Ces procédés présentent l'inconvénient de nécessiter une préparation spéciale, onéreuse, du matériau à projeter.According to other known methods, the coating is formed by thermal spraying of materials introduced into the flame, the plasma or the arc in the form of solid rods formed by a dispersion of grains of the filler material in the matrix alloy or well in the form of hollow rods or tubes of matrix alloy whose interior is filled with grains of filler material, or in the form of composite agglomerates containing grains of filler material surrounded by the matrix alloy . These methods have the disadvantage of requiring a special, expensive preparation of the material to be sprayed.

De façon générale, tous les procédés connus susmentionnés présentent l'inconvénient supplémentaire que le matériau d'apport est introduit, lors de la projection dans la flamme, l'arc ou le plasma, en même temps que le matériau d'alliage de matrice, ce qui peut entralner des reactions chimiques indésirables de ce matériau se traduisant par une détérioration des propriétés du revêtement obtenu, notamment en ce qui concerne sa résistance à l'usure. D'aube part, le fait que le matériau d'apport-soit projeté thermiquement en méme. temps que le matériau de matrice peut se traduire par une certaine diffusion de ce matériau dans la matrice ce qui peut également affecter les propriétés du revêtement -obtenu. In general, all the aforementioned known methods have the additional disadvantage that the filler material is introduced, during the projection into the flame, the arc or the plasma, at the same time as the matrix alloy material, which can lead to undesirable chemical reactions of this material resulting in a deterioration of the properties of the coating obtained, in particular with regard to its resistance to wear. On the other hand, the fact that the filler material is sprayed thermally as well. time that the matrix material can result in a certain diffusion of this material in the matrix which can also affect the properties of the coating obtained.

L'invention a pour but d'eliminer les inconvenients qui viennent d'être mentionnés en permettant l'obtention d'un revêtement pouvant renfermer une proportion de matériau d'apport dur bien supérieure à celle que l'on peut atteindre par les procédés connus, par exemple de l'ordre de 80% en poids.A cet effet, le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on forme, sur la surface du substrat, une couche de matrice, par projection, au moyen d'une torche à plasma, de particules d'un alliage métallique de composition correspondant à celle de cette matrice, en faisant passer ces particules à travers le plasma de fa çon à provoquer leur fusion au moins partielle, et que l'on dépose sur cette couche des grains du matériau d'apport alors que la couche de matrice est au moins en partie dans un état de fluidité suffisante pour que ces grains pénètrent dans cette. couche.The object of the invention is to eliminate the drawbacks which have just been mentioned by making it possible to obtain a coating which may contain a proportion of hard filler material much higher than that which can be achieved by known methods. , for example of the order of 80% by weight. To this end, the method according to the invention is characterized in that a matrix layer is formed on the surface of the substrate, by projection, by means of a plasma torch, particles of a metal alloy with a composition corresponding to that of this matrix, by passing these particles through the plasma so as to cause their at least partial fusion, and which are deposited on this layer of grains of the filler material while the matrix layer is at least partly in a state of sufficient fluidity for these grains to penetrate into this. layer.

Comme dispositif de projection thermique a torche à plasma, on peut utiliser tout dispositif connu. Cependant, on peut avantageusement effectuer le dépôt de la couche de matrice au moyen d'une torche à plasma agencée de manière à produire simultanément un arc transféré et un arc non transféré.As a plasma torch thermal projection device, any known device can be used. However, the deposition of the matrix layer can advantageously be carried out by means of a plasma torch arranged so as to simultaneously produce a transferred arc and a non-transferred arc.

De préférence on effectue le dépôt des grains de matériau d'apport immédiatement après la formation de la couche de matrice, alors que celle-ci est encore au moins partiellement à l'état fondu.Preferably, the grains of filler material are deposited immediately after the formation of the matrix layer, when the latter is still at least partially in the molten state.

Conformément à un mode de mise en oeuvre particulièrement avantageux du procédé, on effectue simultanément le dépôt des grains de matériau d'apport sur la couche de matrice au fur et à mesure de la formation de cette couche, en faisant avancer progressivement le front de la couche de matrice le long de la surfacé du substrat et en faisant écouler les grains du composé réfractaire à proximite immédiate et en retrait du front de la couche de matrice, ces grains étant distribués à l'extérieur du plasma mais à l'intérieur d'une nappe de gaz inerte protecteur.In accordance with a particularly advantageous embodiment of the method, the grains of filler material are deposited simultaneously on the matrix layer as this layer is formed, progressively advancing the front of the matrix layer along the surface of the substrate and causing the grains of the refractory compound to flow in the immediate vicinity and set back from the front of the matrix layer, these grains being distributed outside of the plasma but inside a layer of protective inert gas.

L invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Ce dispositif est caractérisé par le fait qu'il comprend un distributeur de poudre disposé au dessous d'un récipient de poudre1 ce distributeur comprenant un organe transporteur de poudre comprenant un tambour entrainé en rotation à vitesse réglable, la périphérie de ce tambour étant munie d'alvéoles réceptrices de poudre, ce tambour étant disposé dans un logement, au dessous-du réservoir de poudre, de façon que la poudre puisse s'écouler par gravité dans le logement et soit recueillie dans les alvéoles du tambour au fur et à mesure de la rotation de celui-ci, une trémie réceptrice de poudre étant disposée de façon que la poudre entraînée dans les alvéoles du tambour s'y décharge, cette trémie étant prolongée par un conduit d'écoulement de poudre raccordé à une torche à plasma comprenant un dispositif d'alimentation en alliage métallique destiné à constituer la matrice du revêtement résistant à l'usure, indépendant de l'alimentation en matériau d'apport.The invention also relates to a device for implementing the method. This device is characterized by the fact that it comprises a powder distributor placed below a powder container1 this distributor comprising a powder transport member comprising a drum driven in rotation at adjustable speed, the periphery of this drum being provided with powder receiving cells, this drum being arranged in a housing, below the powder reservoir, so that the powder can flow by gravity into the housing and is collected in the cells of the drum as and when the rotation of the latter, a powder receiving hopper being arranged so that the powder entrained in the cells of the drum discharges there, this hopper being extended by a powder flow conduit connected to a plasma torch comprising a metallic alloy supply device intended to constitute the matrix of the wear-resistant coating, independent of the supply of filler material.

L'invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée qui va suivre, donnée à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé dans lequel la figure unique représente une vue schematique en coupe d'une partie du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.The invention will be better understood thanks to the detailed description which follows, given by way of example, with reference to the appended drawing in which the single figure represents a schematic sectional view of a part of the device for implementation. of the process according to the invention.

La partie du dispositif représentée au dessin comprend un réservoir 1 pour le matériau d'apport pulvérulent et un distributeur 2 de matériau d'apport placé au dessous du réservoir 1. Le distributeur 2 comporte un logement 3 relie à une trémie 4 , qui constitue la partie inférieure du réservoir 1, par un conduit d'amenée de poudre 5. Le logement 3 est de forme cylindrique mais comporte une partie élargie 6 dans laquelle débouche le conduit 5, de sorte que le matériau d'apport pulvérulent provenant du réservoir 1 s'accumule dans cette partie 6 sans remplir tout le logement 3.The part of the device shown in the drawing comprises a reservoir 1 for the powdery filler material and a distributor 2 of filler material placed below the reservoir 1. The distributor 2 comprises a housing 3 connected to a hopper 4, which constitutes the lower part of the reservoir 1, by a powder supply conduit 5. The housing 3 is cylindrical in shape but has an enlarged part 6 into which the conduit 5 opens, so that the powdery filler material from the reservoir 1 s '' accumulates in this part 6 without filling all the housing 3.

Un tambour rotatif 7, entraîné par un moteur (non représen te), est placE dans le logement 3 avec son axe de rotation légèrement décentré par rapport à l'axe du cylindre du logement 3. La périphérie du tambour 7 est muni d'alvéoles 8 ayant une forme telle que lorsque le tambour 7 tourne dans la direction indiquée par la flèche 9, du matériau d'apport pulvérulent est entraîné par ces alvéoles et déversé à l'extérieur du logement 3 dans un réceptacle conique 10.A rotary drum 7, driven by a motor (not shown), is placed in the housing 3 with its axis of rotation slightly off-center relative to the axis of the cylinder of the housing 3. The periphery of the drum 7 is provided with cells 8 having a shape such that when the drum 7 rotates in the direction indicated by the arrow 9, powdery filler material is entrained by these cells and poured out of the housing 3 into a conical receptacle 10.

Le réceptacle 10 est placé à l'extrémité d'un conduit d'alimentation 11 raccordé, par exemple au moyen d'un conduit flexible, à la torche à plasma (non représentée) servant à l'application de la couche d'alliage de matrice sur la surface du substrat.The receptacle 10 is placed at the end of a supply conduit 11 connected, for example by means of a flexible conduit, to the plasma torch (not shown) used for the application of the alloy layer of matrix on the surface of the substrate.

Un tuyau d'admission 12 de gaz protecteur (par exemple de mélange d'argon et hydrogène) débouchant par une buse 13 au dessus du réceptacle 10 permet d'amener un courant de gaz protecteur, insuffle sous faible pression dans le conduit 11. Ainsi, le matériau d'apport entraîne dans ce conduit 11 est entouré d'une atmosphère protectrice ce qui permet d'éviter toute oxydation de ce matériau au moment où il-est distribué sur la couche d'alliage de matrice.A protective gas inlet pipe 12 (for example of a mixture of argon and hydrogen) emerging through a nozzle 13 above the receptacle 10 makes it possible to bring a stream of protective gas, blows under low pressure into the conduit 11. Thus , the filler material entrained in this conduit 11 is surrounded by a protective atmosphere which makes it possible to avoid any oxidation of this material when it is distributed on the layer of matrix alloy.

En faisant varier la vitesse de rotation du tambour 7, on peut règler de manière très précise le débit d'alimentation en matériau d'apport, par exemple entre 15 grammes et 120 grammes par minute dans le cas ou ce matériau est constitué par du carbure de tungstène concassé sous forme de grains ayant une granulométrie de 0,4 à 0,8 millimètres L'interruption de l'alimentation s'effectue simplement par arret de la rotation du tambour 7. La partie inférieure du logement 3 est munie d'un prifice de vidange 14 obturé par un couvercle amovible 15.By varying the speed of rotation of the drum 7, it is possible to very precisely regulate the rate of supply of filler material, for example between 15 grams and 120 grams per minute in the case where this material consists of carbide of crushed tungsten in the form of grains having a particle size of 0.4 to 0.8 millimeters The interruption of the feeding is done simply by stopping the rotation of the drum 7. The lower part of the housing 3 is provided with a drain port 14 closed by a removable cover 15.

Le dispositif qui vient d'être décrit fonctionne de manière indépendante du dispositif d'alimentation de la torche à plasma en poudre d'alliage de matrice. Cependant, il peut être avantageusement juxtaposé à ce dernier dispositif.The device which has just been described operates independently of the device for supplying the plasma torch with matrix alloy powder. However, it can advantageously be juxtaposed with the latter device.

Exemple : En utilisant le dispositif d'alimentation qui vient d'être décrit et une torche à plasma alimentée par un courant électrique d'une intensité de i50 Ampères, on forme, sur la surface d'une vis d' rchimède d'alimentation en acier, une couche de matrice en alliage de composition suivante (exprimée en pourcentage pondéral) : Cr Cr : 28
W:4
C 1,2
Co : reste
Le débit d'alimentation en alliage de matrice étant de 10 grammes/minute,on déplace la torche à plasma de façon à obtenir une couche de matrice déposée à l'état fondu ayant une épaisseur de l'ordre de 3 millimètres. Simultanément, on applique, au moyen du dispositif d'alimentation qui vient d'être décrit, du carbure de tungstène WC, concassé sous forme de grains de 0,4 à 0,8 millimètres, sur la couche de matrice avec un débit d'alimentation de 5 grammes/ minute, de façon que l'arrivée des grains de carbure de tungstène s'effectue à environ 5 millimètres en arrière de la zone d'application de l'arc transféré de la torche à plasma sur la pièce. On obtient ainsi un revêtement formé par une couche composite d'alliage de matrice contenant, sous forme dispersée de manière homogène, environ 50 % en poids de carbure de tungstène WC. Ce revêtement présente une résistance à l'usure très élevée. Example: Using the supply device which has just been described and a plasma torch supplied by an electric current with an intensity of i50 amperes, a screw is formed on the surface of a chimedium supplying steel, an alloy matrix layer of the following composition (expressed as a percentage by weight): Cr Cr: 28
W: 4
C 1.2
Co: rest
The feed rate of matrix alloy being 10 grams / minute, the plasma torch is moved so as to obtain a layer of matrix deposited in the molten state having a thickness of the order of 3 millimeters. Simultaneously, by means of the feed device which has just been described, WC tungsten carbide, crushed in the form of grains from 0.4 to 0.8 millimeters, is applied to the matrix layer with a flow of feeding of 5 grams / minute, so that the arrival of the tungsten carbide grains takes place approximately 5 millimeters behind the area of application of the arc transferred from the plasma torch to the workpiece. A coating is thus obtained formed by a composite layer of matrix alloy containing, in homogeneously dispersed form, approximately 50% by weight of WC tungsten carbide. This coating has a very high wear resistance.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. Procédé pour former, sur la surface d'un substrat métallique, un revêtement résistant l'usure, constitué par une matrice d'alliage métallique à haute ténacité dans laquelle sont dispersés des grains d'au moins un matériau d'apport, tel qu'un composé réfractaire dur, choisi parmi les carbures, les nitrures, les borures, les oxydes et les siliciures des éléments suivants :Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo,1. Method for forming, on the surface of a metallic substrate, a wear-resistant coating, constituted by a matrix of high tenacity metallic alloy in which are dispersed grains of at least one filler material, such than a hard refractory compound, chosen from carbides, nitrides, borides, oxides and silicides of the following elements: Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W et Cr, ce matériau d'apport ayant une dureté supérieure à celle de cet alliage, caractérisé par le fait que l'on forme, sur la surface du substrat, une couche de matrice, par projection, au moyen d'une torche plasma, de particules d'un alliage métallique de composition correspondant à celle de cette matrice, en faisant passer ces particules à travers le plasma de façon à provoquer leur fusion au moins partielle, et que l'on dépose sur cette couche des grains du matériau d'apport alors que la couche de matrice est au moins en partie dans un état de fluidité suffisante pour que ces grains pénètrent dans cette couche.W and Cr, this filler material having a hardness greater than that of this alloy, characterized in that a matrix layer is formed on the surface of the substrate, by projection, by means of a plasma torch , of particles of a metal alloy with a composition corresponding to that of this matrix, by passing these particles through the plasma so as to cause their at least partial fusion, and which grains of the material d are deposited on this layer. 'contribution while the matrix layer is at least partly in a state of sufficient fluidity for these grains to penetrate into this layer. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on effectue le dépôt de la couche de matrice au moyen d'une torche à plasma agencée de maniere à produire simultanément un arc transféré et un arc non transféré.2. Method according to claim 1, characterized in that the deposition of the matrix layer is carried out by means of a plasma torch arranged so as to simultaneously produce a transferred arc and a non-transferred arc. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on effectue le dépôt des grains de matériau d'apport immédiatement après la formation de la couche de matrice, alors que celle-ci est encore au moins partiellement à l'état fondu.3. Method according to claim 1, characterized in that one carries out the deposition of the grains of filler material immediately after the formation of the matrix layer, while the latter is still at least partially in the state molten. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on effectue le dépôt des grains de matériau d'apport sur la couche de matrice au fur et à mesure de la formation de cette couche1 en faisant avancer progressivement le front de la couche de matrice le long de la surface du substrat et en faisant écouler les grains du composé réfractaire à proximité immédiate et en retrait du front de la couche de matrice, ces grains étant distribués à l'extérieur du plasma mais a l'intérieur d'une nappe de gaz inerte protecteur.4. Method according to claim 1, characterized in that one carries out the deposition of the grains of filler material on the matrix layer as and when this layer1 is formed by progressively advancing the front of the matrix layer along the surface of the substrate and causing the grains of the refractory compound to flow in the immediate vicinity and set back from the front of the matrix layer, these grains being distributed outside the plasma but inside a layer of protective inert gas. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un distributeur de poudre disposé au dessous d'un récipient de poudre, ce distributeur comprenant un organe transporteur de poudre comprenant un tambour entraîné en rotation à vitesse réglable, la périphérie de ce tambour étant munie d'alvéoles réceptrices de poudre, ce tambour étant disposé dans un logement, au dessous du réservoir de poudre, de façon que la poudre puisse s'écouler par gravité dans le logement et soit recueillie dans les alvéoles du tambour au fur et a mesure de la rotation de celui-ci, une trémie réceptrice de poudre étant disposée de façon que la poudre entraînée dans les alvéoles du tambour s'y décharge, cette trémie etant prolongéeparun conduit d'écoulement de poudre raccordé à une torche à plasma comprenant un dispositif d'alimentation en alliage métallique destiné à constituer la matrice du revêtement résistant à l'usure, indépendant de l'alimentation en matériau d'apport. 5. Device for implementing the method according to claim 1, characterized in that it comprises a powder distributor disposed below a powder container, this distributor comprising a powder transport member comprising a drum driven in rotation at adjustable speed, the periphery of this drum being provided with powder receiving cells, this drum being arranged in a housing, below the powder reservoir, so that the powder can flow by gravity into the housing and either collected in the cells of the drum as it rotates, a powder receiving hopper being arranged so that the powder entrained in the cells of the drum discharges there, this hopper being extended by a flow conduit powder connected to a plasma torch comprising a metal alloy supply device intended to constitute the matrix of the wear-resistant coating, independent of the supply one in filler material.
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