FR2542649A1

FR2542649A1 - Abrasion resistant metal-cermet composite

Info

Publication number: FR2542649A1
Application number: FR8403740A
Authority: FR
Inventors: Hans Grewe; Rudolf Mohs
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1983-03-19
Filing date: 1984-03-12
Publication date: 1984-09-21
Also published as: SE8401518L; DE3310038A1; ES530678A0; ES8503990A1; IT1173859B; DE3310038C2; IT8420086A0; SE8401518D0

Abstract

A composite, which is exposed to abrasive wear and which comprises a solderable and/or weldable metal substrate and, in the wear zones, a metal matrix including ceramic and/or hard metal components of grain size 0.1-5 mm., is produced by (a) filling a container, corresponding to the positive contour of the composite article to be produced, with at least two layers, at least one layer comprising a powder mixt. of the weldable and/or solderable metal and one layer comprising a mixt. of the weldable/solderable metal and the ceramic and/or hard metal in the ratio 5:3 to 10:7 (pref. 3:2);(b) welding, evacuating, heating and sealing the container vacuum-tight; and (c) hot isostatically pressing the container in the presence of inert gases or gases which promote alloying of the metal matrix.

Description

La présente invention est relative à un procédé de fabrication d'un corps composite résistant à l'usure qui est constitué, dans les zones exposées, par une matrice métallique à laquelle sont incorporés des substances dures et/ou des métaux durs, ayant unegranulométrie de 0,1 à 5 mm. The present invention relates to a method of manufacturing a wear-resistant composite body which consists, in the exposed areas, of a metal matrix in which hard substances and / or hard metals are incorporated, having a granularity of 0.1 to 5 mm.

Un matériau composite de ce type est décrit par exemple par le brevet allemand N" 29 19 477. Le matériau en question est constitué par une matrice métallique, réalisée par frittage ou par coulée et ayant une composition pondérale de 1 à 4 % de C ; 0,3 à û,6 % de Si; 0,5 à 1,5 % de I4n; 0,8 à 2,8 % de V ; 0,5 à 1,5 % de Cr; 2à 10 % de W ; 0,01 7o d'Al, le reste étant du Fer, lé rapport initial des poids de substance dure ou de métaldur et de la matrice métallique étant de 1/Li. Par substances dures ou métaux durs, on entend des carbures, des nitrures, des borures, des siliciures et'des oxydes qui donnent la dureté ou des alliages fondus à base de Co-Cr-W-C-B et les métaux durs frittés avec Co, à base de carbure de tungstène et/ou de carbure de titane ou de carbure de tantale La granulométrie des particules de substance dure et/ou de métal dur doit être comprise entre 0,5 et 5 mm. A composite material of this type is described for example by German Patent No. 29 19 477. The material in question consists of a metal matrix, made by sintering or casting and having a weight composition of 1 to 4% C; 0.3 to 6.0% Si, 0.5 to 1.5% I n, 0.8 to 2.8% V, 0.5 to 1.5% Cr, 2 to 10% W; 0.01% Al, the remainder being Iron, the initial ratio of the weight of hard substance or metaldur and the metal matrix being 1 / Li. Hard substances or hard metals are carbides, nitrides , borides, silicides and oxides which give the hardness or molten alloys based on Co-Cr-WCB and hard metals sintered with Co, based on tungsten carbide and / or titanium carbide or carbide The particle size of the hard substance and / or hard metal particles must be between 0.5 and 5 mm.

Le procédé recommandé pour la fabrication de ce matériau composite est un procédé par coulée. Par contre, sa fabrication par frittagepré sente des difficultés. The recommended method for manufacturing this composite material is a casting process. On the other hand, its sintering production presents difficulties.

L'expérience a montré, par ailleurs, que les matériaux composites résistant à l'usure ne peuvent pas toujours etre fixés d'une manière satisfaisante, par soudage ou par brasage, sur les outils dont ils doivent faire partie. Experience has shown, moreover, that wear-resistant composite materials can not always be satisfactorily fixed by welding or brazing on the tools to which they belong.

Dans certains cas, llutilisation dusoudage et du brasage aboutit à une dissociation prématurée de la liaison avec la couche de protection contre l'usure.In some cases, the use of soldering and brazing results in premature dissociation of the bond with the wear protection layer.

Le but de l'invention est de permettre la réalisation d'un corps composite qui corresponde à la forme de l'outil sur lequel le matériau composite doit etre appliqué et qui puisse se fixer dans de bonnes conditions, par soudage ou brasage. The object of the invention is to allow the production of a composite body which corresponds to the shape of the tool on which the composite material is to be applied and which can be fixed in good conditions by welding or brazing.

Ce but est atteint-par le procédé selon l'invention qui se caractérise en ce qu'on introduit, dans une capsule dont la cavité intérieure correspond au contour en négatif du corps composite à réaliser, d'abord un mélange pulvérulent du matériau constituant la matrice métallique et de la substance dure et/ou des métaux durs, selon une proportion qui peut varier de 5 : 3 à 10 : 7 et qui est de préférence de 3: 2. On ajoute ensuite, par-dessus, au moins une autre couche pulvérulente de métal pouvant etre brasé et/ou soudé. This object is achieved by the process according to the invention which is characterized in that, in a capsule whose inner cavity corresponds to the negative contour of the composite body to be produced, a powder mixture of the material constituting the metal matrix and hard substance and / or hard metals, in a proportion that can vary from 5: 3 to 10: 7 and which is preferably 3: 2. Then, on top, at least one other powdery layer of metal which can be brazed and / or welded.

La capsule est ensuite soudées placée sous vide, chauffée et-soumise, dans une enceinte à vide étanche à une compression isostatique à chauds en présence de gaz inertes ou de gaz qui peuvent modifier la matrice.The capsule is then welded placed under vacuum, heated and subjected, in a vacuum chamber sealed to hot isostatic compression in the presence of inert gases or gases that can modify the matrix.

Ce procédé présente ltavantage de permettre d'assembler les unes aux autres des parties de machines très différentes les unes des autres. This method has the advantage of allowing to assemble to each other parts of machines very different from each other.

C'est ainsi, par exemple que 1lo3l peut assembler des matériaux soudables et non soudables, comme l'acier et l'acier moulé, dans un élément de machine.For example, 1lo3l can assemble weldable and non-weldable materials, such as steel and cast steel, into a machine member.

Le matériau composite résistant à l'usure s'applique facilement sur l'outil qui doit etre protégé contre la corrosion. On peut, en particulier; soumettre à un usinage avec enlèvement de copeaux la partie de la pièce qui n'est pas recouverte du revetement protecteur.The wear-resistant composite material is easily applied to the tool, which must be protected against corrosion. One can, in particular; subject to machining with chip removal the part of the part that is not covered with the protective coating.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les opérations de fabrication du corps composite exposé à l'usure et de son soudage sur la pièce peuvent etre associées l'une à l'autre. Dans ce cas, on commence par introduire, sous forme de poudre, le métal qui peut entre brasé et/ou soudé puis, le cas échéant, une autre couche de métal et, enfin on introduit le mélange pulvérulent de métal et de substance dure et/ou de métal dur
I1 est préférable que les substances constituant la matrice métal lique associée au métal dur et/ou aux substances dures aient les compositions suivante s
En particulier, grenaille d'acier ayant comme compositions en poids 0,75 % de C; 0,1 à 0,3 7o de Si ; 0,1 à O,3 % de Mn; le reste étantdu
Fer
Acier austénitique au manganèse ayant comme composition: 1,2 % de C, 12 % de Mn, le reste étant duFer (x 120 Mn [2]; 123
Acier à outils ayant comme composition: 1,2% de C, 13% de Cr, le reste étant duFer [X 120 Cr 133
en particulier, acier rapide à 0,85 % de C, 6 % de W, 5 % de Mo, 4 % de Cr9 2 % de V, le reste étant du
Fer [s 6-5-23;
Alliages de nickel et/ou aciers tenaces à froid, contenant de 3 à 14 % de Ni [x 2 CrNiMoN 18 12]. According to another embodiment of the invention, the manufacturing operations of the composite body exposed to wear and its welding on the part can be associated with one another. In this case, it begins by introducing, in powder form, the metal which can between brazed and / or welded and, if necessary, another layer of metal and finally introduced the powder mixture of metal and hard substance and / or hard metal
It is preferred that the substances constituting the metal matrix associated with the hard metal and / or the hard substances have the following compositions.
In particular, steel shot having as compositions by weight 0.75% C; 0.1 to 0.3% Si; 0.1 to 0.3% Mn; the rest beingdu
Iron
A manganese austenitic steel having as composition: 1.2% C, 12% Mn, the remainder being FeFer (x 120 Mn [2];
Tool steel having as composition: 1.2% C, 13% Cr, the remainder being Iron [X 120 Cr 133
in particular, fast steel at 0.85% C, 6% W, 5% Mo, 4% Cr9 2% V, the remainder being
Iron [s 6-5-23;
Nickel alloys and / or cold-hardened steels containing 3 to 14% Ni [x 2 CrNiMoN 18 12].

Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, la poudre métallique possède une granulométrie de 0,2 à 3 mm, de préférence de 1 à 1,5 mm. De plus, on utilise de préférence de l'acier, comme matériau pouvant entre soudé ou brasé. According to yet another embodiment of the invention, the metal powder has a particle size of 0.2 to 3 mm, preferably 1 to 1.5 mm. In addition, steel is preferably used as a material which can be welded or brazed.

Le procédé de compression isostatique à chaud, qui est connu d'après l'état de la technique, estappliqué de préférence à des températures comprises entre 800 et 1 300C avec des pressions comprises entre 1000 et 5000 bars, pendant 1 à 5 heures, notamment à 1000 C, sous une pression de 1500 bars, pendant2 heures. La compressionisostatique à chaud s'effectueen principe en présence de gaz inertes, par exemple d'argon. Cependant, on peut utiliser également dans certains cas de l'azote et d'autres gaz non inertes, par esemple des gaz contenant du carbone qui interviennent non seulement comme milieu de pression, mais également comme éléments d'alliage pour la modification de la matrice métallique. The hot isostatic pressing process, which is known from the state of the art, is preferably applied at temperatures between 800 and 1300C with pressures between 1000 and 5000 bar, for 1 to 5 hours, in particular at 1000 ° C. under a pressure of 1500 bar for 2 hours. Hot compressisostatic is normally carried out in the presence of inert gases, for example argon. However, nitrogen and other non-inert gases can also be used in some cases, for example, carbon containing gases which not only act as a pressure medium, but also as alloying elements for the modification of the matrix. metallic.

L'expérience a montré que la résistance a' l'usure du matériau composite est maxirnales lorsque les particules de substance dure et/ou de métal dur ont une une granulométrie de 0,5 à 1,5 mm, car c'est alors quelles ont le moins tendance à se briser. Comme substances dures, on utilise de préférence les carbures de tungstène des types WC; W2CXde meme que EC et TaC. Sont également intéressants les carbures mixtes du système cubique du type
Ew, Ti, Ta, NbJ C.Experience has shown that the wear resistance of the composite material is maximum when the particles of hard substance and / or hard metal have a particle size of 0.5 to 1.5 mm, because it is then what have the least tendency to break. As hard substances, WC type tungsten carbides are preferably used; W2CX as well as EC and TaC. Also interesting are the mixed carbides of the cubic system of the type
Ew, Ti, Ta, NbJ

Les corps composite s résistant à l'abrasion, suivant l'invention, sont d'un emploi particulièrement avantageux dans les outils qui doivent comporter des bords et des coins extrêmement résistants à l'usure. Comme exemples de ces outils, on peut citer les grilles de drague, les pièces d'usure, telles que les massettes et les marteaux de moulins, les mâchoires de marteaux les plaques d'usure des dispositifs de changement de direction dans les installations transporteuses, les pales de projection d'appareils à jet d'air comprimé, les plaques de blindage sur ou dans des plaques de matrices ou dispositifs analogues. The abrasion-resistant composite bodies according to the invention are of particularly advantageous use in tools which must have edges and corners which are extremely resistant to wear. Examples of such tools include drag racks, wear parts, such as hammers and mill hammers, hammer jaws, wear plates of direction change devices in conveyor systems, the blasting blades of compressed air blasting apparatus, the shielding plates on or in die plates or the like.

L'expérience a montré que le procédé, suivant l'invention, permet d'appliquer sur les pièces de machine, comportant des bords et des coins exposés à l'usure des plaques protectrices qui empêchent l'usure, du fait qu'au cours de la compression isostatique à chaud, le métal dur et l'acier se sont fixés à la pièce, sans fissures par diffusion et/ou dissolution. Experience has shown that the method according to the invention makes it possible to apply to the machine parts, having edges and corners exposed to wear, protective plates which prevent wear, because during hot isostatic compression, the hard metal and steel are attached to the workpiece, without cracks by diffusion and / or dissolution.

L'invention est décrite ci-dessous d'une manière plus détaillée5 au moyen d'exemples de réalisation, en se référant au dessin. The invention is described below in more detail by means of exemplary embodiments, with reference to the drawing.

Les Figures la et lb représentent une capsule utilisée pour la compression isostatique à chaud, d'abord en perspective et vide, puis en coupe et remplie de mélange pulvérulent. Figures la and lb represent a capsule used for hot isostatic pressing, first in perspective and empty, then in section and filled with powder mixture.

Les Figures 2a et 2b représentent respectivement en perspective et en coupe une partie d'outil sur laquelle on applique une couche de protection contre l'usure en matériau composite. Figures 2a and 2b respectively show in perspective and in section a tool portion on which a wear protection layer of composite material is applied.

La capsule 1 en tôle qui est représentée sur la Figure la et dont la cavité intérieure constitue le contour en négatif du corps composite qui doit présenter le contour positif correspondant, comporte un couvercle amovible 2 et une conduite 3 > permettant de faire le vide dans la capsule. The sheet metal capsule 1, which is shown in FIG. 1a and whose internal cavity constitutes the negative contour of the composite body which must have the corresponding positive contour, comprises a removable cover 2 and a pipe 3 which makes it possible to evacuate the capsule.

Pour l'application du procédé suivant l'inventionn on commence par remplir la capsule 1 d'un mélange pulvérulent constitué, comme on l'a w, dans une proportion de 3 2, par de la poudre d'acier et des substances dures. Sur cette couche 4, on verse ensuite une couche de meme épaisseur d'une poudre métallique dont la composition correspond à celle de la poudre métallique utilisée pour la couche sous-jacente. Sur cette couche 5, on verse une couche 6 de meme épaisseur, constituée par de la poudre de fer. For the application of the process according to the invention, the capsule 1 is first filled with a pulverulent mixture consisting, as in w, in a proportion of 32, with steel powder and hard substances. On this layer 4 is then poured a layer of the same thickness of a metal powder whose composition corresponds to that of the metal powder used for the underlying layer. On this layer 5 is poured a layer 6 of the same thickness, consisting of iron powder.

On ferme ensuite le couvercle 2 que l'on soude àla capsule 1, puis on fait le vide dans la capsule 1, en utilisant la conduite 3 peton chauffe. On ferme ensuite le passage par la conduite 3 que l'on sépare, la capsule 1 étant maintenue sous vide et fermée. La capsule 1 est ensuite soumise à une compression dans une installation de compressionisostatique à chaud, pendant deux heures à 1000"C et sous une pression d'argon de 1500 bars. Dans ces conditions, la compression dans les différentes couches atteint le taux de serrage théorique des cristaux des différents constituants.Dans le matériau ainsi obtenu, les différentes couches 4, 5 et 6 sont étroitement et solidement reliées les unes aux autres par diffusion et/ou par dissolution, la couche d'acier pur pouvant se souder dans des conditions optimales à la partie de la machine sur laquelle le matériau composite doit être appliqué (Figure lb). The lid 2 is then closed and soldered to the capsule 1, and the capsule 1 is evacuated using the heated pipe 3. The passage is then closed by the pipe 3 which is separated, the capsule 1 being kept under vacuum and closed. The capsule 1 is then subjected to compression in a hot compressing system, for two hours at 1000 ° C. and under an argon pressure of 1500 bars, in which case the compression in the various layers reaches the tightening ratio. the material thus obtained, the different layers 4, 5 and 6 are closely and securely connected to each other by diffusion and / or dissolution, the pure steel layer being welded under conditions optimal for the part of the machine on which the composite material is to be applied (Figure lb).

La partie d'outil 7 représentée par les Figures 2a et 2b comporte une couche de matériau composite résistant à l'usure qui est appliquée suivant le procédé qui fait l'objet de l'invention et constitue les parties désignées par les références 8 et 9. La partie 8 contient les particules de métal dur et/ou de substance dure enrobées dans la matrice métallique. La composition de la couche de matériau composite résistant à l'usure correspond à celle qui est indiquée dans l'exemple précédent. The tool portion 7 shown in FIGS. 2a and 2b comprises a layer of wear-resistant composite material which is applied according to the method which is the subject of the invention and constitutes the parts designated by the references 8 and 9. Part 8 contains the particles of hard metal and / or hard substance embedded in the metal matrix. The composition of the layer of wear-resistant composite material corresponds to that indicated in the preceding example.

L'épaisseur des différentes couches est déterminée d'après les besoins, mais en général, l'épaisseur de la couche résistant à l'usure et constituée par la matrice et les particules de métal dur et/ou de substance dure qui y sont enrobées doit être de 10 à 40 mm, la ou les autres couches, constituées par le matériau qui peut être brasé et/ou soudé, pouvant avoir une épaisseur quelconque, sans cependant, pour des raisons de soudabilité, etre inférieure à5 mm environ. The thickness of the different layers is determined according to the needs, but in general the thickness of the wear-resistant layer consisting of the matrix and the particles of hard metal and / or hard substance which are coated therein. should be 10 to 40 mm, the other layer or layers, consisting of the material that can be brazed and / or welded, may have any thickness, but without, for reasons of weldability, be less than about 5 mm.

Claims

1 - Process for the manufacture of a composite body which is to be exposed to abrasive wear, in which the support material is a brazeable and / or welded metal and which in the exposed areas at wear, is constituted by a matrixMetallic to which are incorporated constituents, formed of hard substances and / or hard metals, having a particle size of 091 to 5 mm9, characterized in that, in a capsule whose inner shape corresponds in the positive contour of the composite body to be manufactured, at least two layers are provided, at least one of which consists of a powder mixture of metal that can be welded and / or brazed, the other layer being constituted by a mixture of weldable and / or brazed metal and hard substances and / or molten metals, in a proportion varying from 5: 3 to 10: 7 and preferably equal to 3: 2, after which the capsule is welded, the video When heated, it is closed so that it is vacuum-tight and subjected to hot isostatic pressing in the presence of inert gases or gases which may contribute to the modification of the metal matrix.

2 - Process according to claim 1, characterized in that a layer of metal powder and a layer consisting of a mixture of the same metal powder and hard substances and / or hard metal.

3 - Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the capsule is welded to a machine part on which a layer of wear-resistant composite material is to be applied, the side facing the part of the the machine being open, and in that the layer of metal powder and finally the powder mixture of metal and hard substance and / or hard metal are introduced therein.

4 - Process according to one of claims 1 to 3, characterized in that the substance constituting the metal matrix, containing the hard metal and / or the hard substance and / or the powdery metal layer is steel shot having as composition by weight 0.75% C; 0.1 to 0.3% SiI; 0.1 to 0> 3% Mn, the remainder being from Fe of manganese austenitic steel having as composition 1.2% C; 12% Mn, the remainder being Iron IX 120 Mn 12, tool steel having as composition: 1.2% C; 13% of Cr, the remainder being FerLX 120 Cr 13], in particular fast steel having as composition: 0.85% C; 6% of W; 5% - of Mo; 4% Cr; 2% of V, the rest in Fe

Es 6-5-21; Nickel alloys and / or cold-soaked steels with 3 to 14% Ni 2 2 CrNiMoN 18 123

5 - Process according to claim 4, characterized in that the metal powder has a particle size of 0> 2 to 3 mm, preferably 1 to 1.5 mm.

6 - Process according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the material capable of being welded or brazed is steel.

7 - Process according to claim 1, characterized in that the hot isostatic compression is carried out at temperatures between 5000 and 1300 C and at pressures of 1000 to 5009 bar, for a period of 1 to 5 hours.

8 - Process according to one of claims 1 or 7, characterized in that used as a pressure medium of rare gases, nitrogen and / or carbon-containing gases.

9 - Process according to claim 1 characterized in that one uses particles of hard substance and / or metaldur, having a particle size of 0.5 to 1> 5 mm.

10 - Process according to any one of claims 1 or 9, characterized in that hard substances used hard substances of the type WC or W2C, TiC or TaC and mixed crystals of carbides type

[W Ti, Ta, Nb] C.

II - Use of the composite material according to any one of claims 1 to 10 on tools exposed to abrasion such as dredge grates, hammers and mill hammers, hammer jaws, wear plates of the devices change of direction in conveyor systems, blasting blades of compressed air apparatus and / or shielding in or on die plates.