WO1995004628A1 - Procede de fabrication d'une piece metallique resistant a l'abrasion par un fluide et piece metallique obtenue - Google Patents

Procede de fabrication d'une piece metallique resistant a l'abrasion par un fluide et piece metallique obtenue Download PDF

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Lionel Renaud
Pierre Bocquet
Guy-Pierre Ziemianski
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Creusot-Loire Industrie
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    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints

Definitions

  • the invention relates to the manufacture or repair of metal parts intended to be subjected to wear by abrasion by a fluid loaded with solid particles.
  • Certain equipment and in particular the turbines of hydroelectric power stations are subjected to very vigorous water circu ⁇ lations which tend to deteriorate them.
  • these pieces of equipment are produced in the form of massive pieces of martensitic stainless steel or manganese steel.
  • these parts are repaired locally by hard-fired reloading using cobalt-based or nickel-based alloys possibly charged with very hard particles such as carbides or borides, or with the aid of chromium cast irons. (> 25% Cr) or white fonts.
  • the object of the present invention is to remedy this drawback by proposing a means of manufacturing or repairing parts of hydraulic equipment subjected to high abrasion which have a wear resistance much higher than the wear resistance. parts manufactured or repaired using known techniques.
  • the subject of the invention is a method of manufacturing or repairing metal parts for hydraulic equipment intended to be subjected to abrasion wear by a fluid loaded with solid particles according to which at least a part is produced.
  • a coating consisting of a cast iron containing by weight from 2 to 5% of carbon and 0.5 to 2.5% of silicon, from 0 to 10% of chromium, from 0 to 10% of nickel and at least 1 one of the elements molybdenum, manganese, nitrogen and boron in a weight proposal at most equal to 5% and possibly one at least of the elements W, V, Nb, Ti and Ta in a weight proportion at most equal to 5%, the balance being impurities resulting from 1'élaboration and subjecting the thus coated to a heat treatment by heating to between 200 ° C and 700 ⁇ C.
  • the metal part is made of stainless steel or low alloy steel containing less than 0.4% carbon.
  • the cast iron constituting the coating contains by weight:
  • the cast iron constituting the coating contains by weight: 2% to 3.7% of carbon
  • the coating is in particular produced by deposition by welding and it is preferable to adjust the energy and the welding speed so that the cooling rate of the deposit, measured at the passage at 700 ° C., is between 50 ° C / s and 400 ° C / s in such a way that controlled cracking is released on the covering, releasing stresses.
  • the invention also relates to metal parts of hydraulic equipment and in particular penstock parts, guide vanes, Francis, Kaplan or Pelton wheels for hydroelectric power plants, bulb groups, pump bodies and rotors which are at least partially coated with a reload of cast iron containing by weight from 2 to 5% of carbon and 0.5 to 2.5% of silicon, at least one of the elements chromium, nickel, molybdenum and manganese, in a weight proportion at most equal to 10% for chromium, 10% for nickel, 5% for molybdenum and 5% for manganese as well as possibly one of the elements W, V, Nb, Al , Ti, N and B in a proportion by weight equal to 5%, the remainder being iron and impurities resulting from the production.
  • the melting of the coating of the part contains by weight, 2% to 5% of carbon
  • the cast iron coating of the part contains by weight:
  • the cast iron coating of the part has a crazing and that the size character- of the coating microstructure is smaller than the average size of the solid particles carried by the fluid.
  • the fine network of cracks in the coating have a crack density of between 0.1 and 10 cracks per square centimeter and a cumulative length of cracks between 0.5 and 5 cm of crack per centimeter square.
  • sque ⁇ lette of the part in stainless steel or carbon or low alloy steel.
  • These stainless or low-alloyed steels preferably contain less than 0.4% of carbon and low-alloyed steels less than 5% of alloying elements, this in particular in order to have sufficient weldability.
  • the skeleton of the part is a part whose shape can be deduced from the shape of the part that we want to manufacture by removing locally or over the entire surface a certain thickness.
  • an alloyed iron containing by weight: - 2% to 5% of carbon is deposited by welding, metallization or other thermal process, for example by welding with a gas-filled wire. and preferably 2% to 3.7% carbon,
  • the nickel content will preferably be chosen between 2% and 6%,
  • To these main elements can be added from 0% to 5% of at least one element selected from W, V, Nb, Al, Ti, N and B in order to increase the mechanical properties and the resistance to abrasion wear /erosion.
  • the rest of the composition being iron and impurities resulting from the production.
  • the energy and the welding speed used to make the deposit are adjusted to obtain a size characteristic of the structure of the cast iron, that is to say the average dimension of the interdendritic spaces, which is less than the average size of the particles. solids transported by the fluid which causes erosion and so that a fine network of cracks does not reach the substrate (or part skeleton) on the coating so as to relax the residual stresses of the substrate.
  • the energy and the rate of welding are chosen so that the rate of cooling of the deposit, measured at the transition to the temperature of 700 "C, is between 20 ° C / s and 50 ° C / This allows in particular to obtain a network of cracks characterized by a number of cracks per square centimeter of between 0.1 and 10 and a cumulative length of cracks per square centimeter of between 0.5 and 5 cm.
  • a Francis wheel was made, the skeleton of which was made of 13Cr-4Ni martensitic stainless steel and the blades were coated with a layer of cast iron 6 mm thick, the average composition of which was the next :
  • Ni 3.5% the remainder being iron and impurities resulting from the preparation.
  • the deposition was made by welding using a cored wire and the open arc technique with an energy of 0.36 kJ / mm.
  • the deposition was followed by a heat treatment by maintaining at 450 ° C. and followed by air cooling.
  • the average size of the structure obtained, estimated by the average space between the primary dendrites, is on average 50 ⁇ m.
  • the primary dendrites are martensitic and the interdendritic spaces consist of a globularized eutectic mixture.
  • the average hardness is 53 HRC.
  • the part thus obtained has a resistance to wear by abrasion increased by 100% compared to a part not recharged and by at least 20% compared to a part recharged with stellite.
  • Abrasion resistance tests were carried out using a test bench consisting of a hydraulic loop comprising in particular a pump and a spray nozzle using SiC particles of 500 ⁇ m in diameter transported by a stream of water having a speed of 10 cm / s and projected at an angle of 45 ° on the materials to be tested.
  • the abrasion resistance is measured by an index which is greater the greater the abrasion resistance.
  • the following results were obtained: Abrasion resistance index Martensitic stainless steel 13.4 1
  • Cast iron according to the invention - reloading by open arc brazing - cored wire 2.25

Abstract

On réalise sur une partie au moins de la pièce un revêtement constitué d'une fonte contenant en poids de 2 à 5 % de carbone et 0,5 à 2,5 % de silicium, au moins l'un des éléments chrome, nickel, molybdène et manganèse ainsi qu'éventuellement l'un au moins des éléments W, V, Nb, Al, Ti, N et B puis on soumet la pièce à un traitement thermique par chauffage entre 200 et 700 °C. L'invention peut être utilisée en particulier pour obtenir des pièces pour équipement hydraulique.

Description

Procédé de fabrication d'une pièce métallique résistant à l'abrasion par un fluide et pièce métallique obtenue.
L'invention est relative à la fabrication ou à la réparation de pièces métalliques destinées à être soumises à une usure par abrasion par un fluide chargé en particules solides. Certains équipements et notamment les turbines des centrales hydro-électriques sont soumis à des circu¬ lations d'eau très vigoureuses qui tendent à les dété¬ riorer. Pour résister à cette usure, ces équipements sont réalisés sous forme de pièces massives en acier inoxydable martensitique ou en acier au manganèse. Souvent, ces pièces sont réparées localement par rechargement par sou¬ dure à l'aide d'alliages à base cobalt ou à base nickel éventuellement chargés de particules très dures telles que des carbures ou des borures, ou à 1'aide de fontes au chrome (> 25 % de Cr) ou de fontes blanches.
Cependant, dans certaines régions du monde l'eau qui alimente les centrales est très chargée en particules solides très abrasives (quartz, silice, ...) ou arrive aux turbines après des chutes très importantes (plus de 1000m) de dénivelée, et la durée de vie des équipements est très réduite. Dans ces régions il est nécessaire de changer très fréquemment les turbines, ce qui conduit à des surcoûts d'exploitation très élevés.
Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un moyen de fabriquer ou de réparer des pièces d'équipements hydrauliques soumises à une forte abrasion qui aient une résistance à 1'usure beaucoup plus élevée que la résistance à l'usure des pièces fabriquées ou réparées à 1'aide des techniques connues.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication ou de réparation de pièces métalliques pour équipement hydraulique destinées à être soumises à une usure par abrasion par un fluide chargé en particules solides selon lequel on réalise sur au moins une partie desdites pièces un revêtement constitué d'une fonte contenant en poids de 2 à 5 % de carbone et 0,5 à 2,5 % de silicium, de 0 à 10 % de chrome, de O à 10 % de nickel et au moins l'un des éléments molybdène, manganèse, azote et bore dans une propostion pondérale au plus égale à 5 % et éventuellement l'un au moins des éléments W, V, Nb, Ti et Ta dans une proportion pondérale au plus égale à 5 %, le reste étant des impuretés résultant de 1'élaboration et on soumet la pièce ainsi revêtue à un traitement thermique par chauffage entre 200°C et 700βC.
La pièce métallique est constituée d'un acier inoxydable ou d'un acier faiblement allié contenant moins de 0,4% de carbone.
De préférence, la fonte constituant le revête- ment contient en poids :
2 % à 5 % de carbone
1 % à 5 % de chrome 0,5 % à 1,5 % de silicium 0,2 % à 1 % de manganèse 2 % à 6 % de nickel et le traitement thermique est réalisé par chauffage entre 400°C et 500°C.
Plus préférentiellement encore, la fonte cons¬ tituant le revêtement contient en poids : 2 % à 3,7 % de carbone
1,5 % à 3,5 % de chrome 0,8 % à 1,5 % de silicium 0,4 % à 1 % de manganèse
2 % à 6 % de nickel, le reste étant du fer et des impuretés résultant de 1'élaboration.
Le revêtement est notamment réalisé par dépôt par soudure et il est préférable d'ajuster l'énergie et la vitesse de soudage pour que la vitesse de refroidissement du dépôt, mesurée au passage à 700°C, soit comprise entre 50°C/s et 400°C/s de telle façon qu'il se forme sur le revêtement un faïençage contrôlé libérant les contraintes. L'invention concerne également des pièces métalliques d'équipements hydrauliques et notamment des pièces de conduites forcées, des aubes directrices, des roues Francis, Kaplan ou Pelton pour centrales hydro¬ électriques, des groupes bulbes, des corps et des rotors de pompes qui sont au moins partiellement revêtues d'un rechargement en une fonte contenant en poids de 2 à 5 % de carbone et 0,5 à 2,5 % de silicium, au moins l'un des éléments chrome, nickel, molybdène et manganèse, dans une proportion pondérale au plus égale à 10 % pour le chrome, à 10 % pour le nickel, à 5 % pour le molybdène et à 5 % pour le manganèse ainsi qu'éventuellement 1'un des élé- ments W, V, Nb, Al, Ti, N et B dans une proportion pondé¬ rale égale à 5 %, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
De préférence, la fonte du revêtement de la pièce contient en poids, 2 % à 5 % de carbone
1 % à 5 % de chrome 0,5 % à 1,5 % de silicium 0,2 % à 1 % de manganèse 2,5 % à 6 % de nickel. Plus préférentiellement encore, la fonte de revêtement de la pièce contient en poids :
2 % à 3,7 % de carbone 1,5 % à 3,5 % de chrome 0,8 % à 1,5 % de silicium 0,4 % à 1 % de manganèse
2 % à 6 % de nickel, le reste étant du fer et des impuretés résultant de 1'élaboration.
Il est préférable que le revêtement en fonte de la pièce comporte un faïençage et que la taille caracté- ristique de la microstructure du revêtement soit infé¬ rieure à la taille moyenne des particules solides trans¬ portées par le fluide.
En particulier, il est souhaitable que le fin réseau de fissures du revêtement ait une densité de fis¬ sure comprise entre 0,1 et 10 fissures par centimètre carré et une longueur cumulée de fissures comprise entre 0,5 et 5 cm de fissure par centimètre carré.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative.
Pour fabriquer des pièces d'équipements hydrau¬ liques pour centrales hydro-électriques telles que pièces de conduite forcée, aubes directrices, roue Francis, Kaplan ou Pelton, groupes bulbes ou des corps ou des rotors de pompes soumises à l'érosion par un fluide chargé en particules solides, on commence par réaliser un sque¬ lette de la pièce en acier inoxydable ou en acier au car¬ bone ou faiblement allié. Ces aciers inoxydables ou faiblement alliés contiennent de préférence moins de 0,4% de carbone et les aciers faiblement alliés moins de 5% d'éléments d'alliage, ceci afin, notamment d'avoir une soudabilité suffisante. Le squelette de la pièce est une pièce dont la forme se déduit de la forme de la pièce qu'on veut fabriquer en enlevant localement ou sur toute la surface une certaine épaisseur.
Sur le squelette de la pièce on dépose par sou¬ dage, métallisation ou autre procédé thermique, par exem¬ ple par soudage au fil fourré sous gaz, une fonte alliée contenant en poids : - 2 % à 5 % de carbone pour obtenir une fonte et de préférence 2 % à 3,7 % de carbone,
- de 0 % à 10 % de chrome pour assurer une cer¬ taine résistance à la corrosion et de préférence de 1 % à 5 % de chrome, et mieux encore de 1,5 % à 3,7 % de chrome, - de 0 4 à 10 % de nickel pour obtenir une structure martensitique ; la teneur en nickel sera choisie de préférence entre 2 % et 6 %,
- de 0 % à 5 % de molybdène pour durcir par solution solide,
- de 0,5 % à 2,5 %, de préférence 0,5 % à 1,5 % et mieux de 0,8 à 1,5 % de silicium pour durcir par solution solide.
- de 0 % à 5 % et de préférence de 0,4 % à 1 % de manganèse pour durcir également par solution solide.
A ces éléments principaux on peut ajouter de 0 % à 5 % d'au moins un élément pris parmi W, V, Nb, Al, Ti, N et B afin d'augmenter les propriétés mécaniques et la résistance à l'usure par abrasion/érosion. Le reste de la composition étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
L'énergie et la vitesse de soudage utilisées pour faire le dépôt sont ajustées pour obtenir une taille caractéristique de la structure de la fonte, c'est-à-dire la dimension moyenne des espaces interdendritiques, qui soit inférieure à la taille moyenne des particules solides transportées par le fluide qui provoque 1'érosion et pour qu'il se forme sur le revêtement un fin réseau de fissures n'atteignant pas le substrat (ou squelette de la pièce) de façon à relaxer les contraintes résiduelles du substrat.
En particulier, l'énergie et la vitesse de sou¬ dage sont choisies de telle sorte que la vitesse de re¬ froidissement du dépôt mesurée au passage à la température de 700"C soit comprise entre 20°C/s et 50°C/s. Ceci permet en particulier d'obtenir un réseau de fissures caractérisé par un nombre de fissures par centimètre carré compris entre 0,1 et 10 et une longueur cumulée de fissures par centimètre carré comprise entre 0,5 et 5 cm.
On peut alors usiner la pièce pour lui donner sa forme définitive, puis on lui fait subir un traitement thermique par chauffage entre 200 " C et 700°C et de préfé¬ rence entre 400°C et 500°C pour provoquer un durcissement secondaire de la fonte. Ce traitement est ajusté en fonction de 1'acier du squelette de la pièce de façon à ne pas détériorer ses caractéristiques mécaniques.
A titre d'exemple on a fabriqué une roue Francis dont le squelette a été fabriqué en acier inoxydable mar- tensitique 13Cr-4Ni et les aubes ont été revêtues d'une couche de fonte de 6 mm d'épaisseur dont la composition moyenne était la suivante :
C : 3 %
Cr : 2,5 %
Si : 0,9 %
Mn : 0,5 % Ni : 3,5 % le reste étant du fer et des impuretés résultant de 1'élaboration.
Le dépôt a été fait par soudage en utilisant un fil fourré et la technique de 1'open arc à froid avec une énergie de 0,36 kJ/mm.
Le dépôt a été suivi d'un traitement thermique par maintien à 450°C et suivi d'un refroidissement à 1'air.
La taille moyenne de la structure obtenue, esti- mée par l'espace moyen entre les dendrites primaires est d'en moyenne 50 μm.
Après traitement thermique, les dendrites pri¬ maires sont martensitiques et les espaces interdendriti- ques sont constitués d'un mélange eutectique globularisé. La dureté moyenne est de 53 HRC.
La pièce ainsi obtenue a une résistance à l'usure par abrasion augmentée de 100 % par rapport à une pièce non rechargée et d'au moins 20 % par rapport à une pièce rechargée avec de la stellite. Des essais de résistance à 1'abrasion ont été faits à 1'aide d'un banc d'essai constitué d'une boucle hydraulique comprenant notamment une pompe et une buse de projection en utilisant des particules de SiC de 500 μm de diamètre véhiculées par un courant d'eau ayant une vitesse de 10 cm/s et projetées sous un angle de 45° sur les maté¬ riaux à tester. La résistance à l'abrasion est mesurée par un indice d'autant plus grand que la résistance à l'abra¬ sion est grande. On a obtenu les résultats suivants : Indice résistance abrasion Acier inoxydable martensitique 13.4 1
Stellite GR 12 - rechargement MIG 1,7
Stellite GR6 + Carbures de W - Soudobrasage au chalumeau à poudre 1,55
Fonte selon 1'invention - rechargement par soudobrasage open arc - fil fourré 2,25

Claims

REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication ou de réparation d'une pièce métallique pour équipement hydraulique desti¬ née à être soumise à une usure par abrasion par un fluide chargé en particules solides caractérisé en ce que :
- on réalise sur au moins une partie de ladite pièce un revêtement constitué d'une fonte contenant en poids de 2 à 5 % de carbone et 0,5 à 2,5 % de silicium, de 0 à 10 % de chrome, de 0 à 10 % de nickel et au moins l'un des éléments molybdène, manganèse, azote et bore dans une proportion pondérale au plus égale à 5 % et éventuellement l'un au moins des éléments W, V, Nb, Ti et Ta dans une proportion pondérale au plus égale à 5 %, le reste étant des impuretés résultant de l'élaboration, - et on soumet la pièce ainsi revêtue à un traitement thermique par chauffage entre 200"C et 700"C.
2.- Procédé selon la revendication 1, caracté¬ risé en ce que la pièce métallique est constituée d'un acier inoxydable ou d'un acier faiblement allié contenant moins de 0,4% de carbone.
3.- Procédé selon la revendication 1, caracté¬ risé en ce que la fonte constituant le revêtement contient en poids :
2 % à 5 % de carbone 1 % à 5 % de chrome
0,5 % à 1,5 % de silicium 0,4 % à 1 % de manganèse 2 % à 6 % de nickel et en ce que le traitement thermique est réalisé par chauffage entre 400°C et 500°C suivi d'un refroidissement à l'air.
4.- Procédé selon la revendication 3, caracté¬ risé en ce que la fonte constituant le revêtement contient en poids : 2 % à 3,7 % de carbone 1,5 % à 3,5 % de chrome 0,8 % à 1,5 % de silicium 0,4 % à 1 % de manganèse 2 % à 6 % de nickel le reste étant du fer et des impuretés résultant de 1'élaboration.
5.- Procédé selon 1'une quelconque des reven¬ dications 1 à 4, caractérisé en ce que le revêtement est réalisé par dépôt par soudure.
6.- Procédé selon la revendication 5, caracté¬ risé en ce que l'énergie et la vitesse de soudage sont ajustées pour que la vitesse de refroidissement du dépôt, mesurée au passage à 700"C soit comprise entre 50°C/s et 400°C/s de telle façon qu'il se forme sur le revêtement un faïençage contrôlé libérant les contraintes.
7.- Pièce métallique d'équipement hydraulique et notamment pièce de conduites forcées, aube directrice, roue Francis, Kaplan ou Pelton pour centrales hydro-élec- triques, groupe bulbe, corps et rotor de pompe, caractéri¬ sée en ce qu'elle est au moins partiellement revêtue d'un rechargement en une fonte contenant en poids de 2 à 5 % de carbone et 0,5 à 2,5 % de silicium, au moins l'un des éléments chrome, nickel, molybdène et manganèse, dans une proportion pondérale au plus égale à 10 % pour le chrome, à 10 % pour le nickel, à 5 % pour le molybdène et à 5 % pour le manganèse ainsi qu'éventuellement l'un des élé¬ ments W, V, Nb, Al, Ti, N et B dans une proportion pondé¬ rale égale à 5 %, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
8.- Pièce selon la revendication 7, caractérisée en ce que la fonte du revêtement contient en poids : 2 % à 5 % de carbone 1 % à 5 % de chrome 0,5 % à 1,5 % de silicium 0, 4 % à 1 % de manganèse
2 % à 6 % de nickel .
9.- Pièce selon la revendication 8, caractérisée en ce que la fonte du revêtement contient en poids : 2 % à 3,7 % de carbone
1,5 % à 3,5 % de chrome
0,8 % à 1,5 % de silicium
0,4 % à 1 % de manganèse
2 % à 6 % de nickel le reste étant du fer et des impuretés résultant de 1'élaboration.
10.- Pièce selon 1'une quelconque des revendi¬ cations 7 à 9, caractérisée en ce que le revêtement en fonte comporte un faïençage et en ce que la taille carac- téristique de la microstructure du revêtement est infé¬ rieure à la taille moyenne des particules solides trans¬ portées par le fluide.
11.- Pièce selon la revendication 10, caracté¬ risée en ce que le fin réseau de fissures du revêtement a une densité de fissure de 0,1 à 10 fissures par centimètre carré et une longueur cumulée de fissures de 0,5 à 5 cm de fissures par centimètre carré.
PCT/FR1994/000997 1993-08-11 1994-08-10 Procede de fabrication d'une piece metallique resistant a l'abrasion par un fluide et piece metallique obtenue WO1995004628A1 (fr)

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PCT/FR1994/000997 WO1995004628A1 (fr) 1993-08-11 1994-08-10 Procede de fabrication d'une piece metallique resistant a l'abrasion par un fluide et piece metallique obtenue

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