Brevet FR2453908A1 — publié le 19801107

La présente invention concerne un procédé de production d'un matériau à base de fer de haute densité, et plus précisément un procédé faisant appel à la métallurgie des poudres pour produire un alliage de fer dans lequel la densité élevée recherchée est obtenue grâce à un frittage en phase liquide. Pour diverses raisons, certaines pièces ou certains articles doivent être fabriqués en un matériau présentant des propriétés particulières. Souvent, le procédé le plus souhaitable pour produire de telles pièces fait appel à la métallurgie des poudres. Par exemple, des pièces ou des articles soumis à diverses conditions de service sont fabriqués de préférence en un alliage possédant une grande résistance à 11 usure. Les matériaux ayant la résistance à l'usure requise sont généralement extrêmement difficiles, voire impossibles,à usiner dans la configuration recherchée. De façon générale, les articles fabriqués à partir de ces alliages sont produits sous forme de moulages et meulés aux dimensions désirées. Le moulage d'articles résistant à l'usure peut être satisfaisant pour la production de pièces relativement grandes, mais il peut être ni réalisable ni économique pour la production d'articles plus petits. En conséquence, il est souhaitable de pouvoir produire de tels articles de dimensions plus faibles par un procédé de métallurgie des poudres. Dans un procédé de métallurgie des poudres pour produire ces articles, la densité élevée requise peut être obtenue au moyen d'un frittage en phase liquide. Ainsi, l'article compacté est fritté à une température se situant entre les températures du solidus et du liquidus de l'alliage particulier à produire, afin d'obtenir une densité proche de la densité totale théorique du matériau. Cependant, certains alliages qui ont des propriétés très souhaitables telles qu'une bonne résistance à l'usure, sont pratiquement eutectiques. En d'autres termes, leurs températures de solidus et de liquidus coïncident ou sont si voisines qu'il devient impossible de régler la température de frittage avec une précision suffisante pour fritter un article entre les deux températures. En conséquence, la production industrielle économique par des procédés de métallurgie des poudres, d'articles fabriqués en des matériaux pratiquement eutectiques, a été pres que impossible jusqu'à présent. L'invention a donc pour objet un procédé de production d'un matériau à base de fer de densité élevée, par un processus de métallurgie des poudres qui supprime les difficultés rencontrées jusqu'ici. Conformément à l'invention, ce but est atteint en ajoutant des particules de carbone à des poudres d'un alliage pratiquement eutectique, de façon à augmenter la différence de température entre les températures du solidus et du liquidus et à faciliter le frittage en phase liquide. L'invention a pour objet un procédé de production d'un alliage à base de fer, à haute teneur en carbone, résistant à la chaleur et à l'abrasion et de densité élevée, ayant une composition finale comprenant au moins 1% d'un des éléments choisis parmi le chrome, le vanadium, le molybdène et le tungstène, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - atomiser un produit fondu ayant une teneur initiale en carbone inférieure à 0,2% afin de former une poudre apte à etre compactée à froid d'un alliage à base de fer, - mélanger une quantité de particules de carbone avec ladite poudre pour augmenter suffisamment la teneur en carbone et faire en sorte de créer un mélange de métal en poudre ayant une teneur en carbone supérieure à la teneur en carbone correspondant au point eutectique de l'alliage à base de fer, de façon à fournir une plus grande différence entre les températures du solidus et du liquidus que la différence existant normalement dans un alliage eutectique à base de fer, - comprimer ledit mélange en un flan compact dans une matrice à une pression dépassant 2800 kg/cm, - sortir le flan compact de la matrice, puis fritter le flan compact à une température comprise entre les températures du solidus et du liquidus du mélange, afin d'obtenir un matériau de densité élevée. La figure unique du dessin annexé représente une partie du diagramme de phase relatif à la teneur en carbone pour un alliage à base de fer ayant une teneur en chrome d'environ 17%. Les diagrammes de phase indiquent les températures auxquelles les diverses phases d'un alliage sont présentes et les limites auxquelles interviennent les changements de phase. La figure du dessin annexé illustre les droites du solidus et du liquidus d'un alliage à base de fer ayant une teneur en chrome d'environ 17%, pour une teneuren carbone allant de 1 à 5% environ. La droite du solidus représente la température au-dessous de laquelle tous les constituants de l'alliage particulier se trouvent en phase solide. La droite du liquidus représente la température au-delà de laquelle tous les constituants de 11 alliage particulier sont en phase liquide. Aux températures comprises entre les droites du solidus et du liquidus, on observe la présence simultanée d'une certaine phase solide et d'une certaine phase liquide. La figure du dessin annexé montre que lorsque la teneur en carbone augmente à partir de 1% environ, les droites du solidus et du liquidus convergent jusqu'à ce qu'elles se rencontrent en un point représentant une teneur en carbone de 3,3 % environ à une température de l'ordre de 12200C. Si la teneur en carbone augmente encore,les droites-divergent rapidement. Le point de rencontre des droites du solidus et du liquidus est appelé le point eutectique. Ainsi, si l'alliage auquel correspond le diagramme de phase représenté sur le dessin a une teneur en carbone de 3,3%, à une température inférieure à 12200C,tous les constituants de l'alliage seront en phase solide, et à une température supérieure à 1220"C tous les constituants seront en phase liquide. -Dans ces conditions, il est théoriquement impossible de procéder à un frittage en phase liquide d'un alliage eutectique, car il n'existe pas de différence entre les températures du solidus et du liquidus. Une température peut être déterminée entre les températures du solidus et du liquidus d'un alliage ayant une teneur en carbone voisine du point eutectique. Cependant, la largeur de la gamme de frittage en phase liquide d'un tel alliage serait probablement si étroite qu'il serait économiquement impossible de régler la température de frittage avec une précision suffisante dans une opération de production industrielle. Ceci serait vrai pour l'alliage à base de fer du dessin annexé si la teneur en carbone était comprise entre environ 3 et 3,5%. Pour une teneur en carbone de 3%, la température du solidus est d'environ 12250C et la température du liquidus est d'en viron 12500C. C'est ainsi que la gamme de frittage en phase liquide n'est que de 250C, ce qui est trop étroit pour une gamme de frittage dans une production industrielle pratique d'articles par la métallurgie des poudres. Selon l'invention,on a trouvé qu'en augmentant la teneur en carbone d'un alliage métallique à base de fer, apte à être compacté à froid, pratiquement eutectique, ressortissant de la métallurgie des poudres,la différence entre les températures du solidus et du liquidus peut être suffisamment augmentée pour fournir une gamme de frittage en phase liquide qui facilite une production industrielle économique. La teneur en carbone est augmentée de préférence en mélangeant la poudre apte à être compactée à froid avec des particules de carbone pour obtenir une teneur en carbone supérieure de 1 à 2% à celle qui est normalement rencontrée dans l'alliage à base de fer pratiquement eutectique.Par exemple, si une poudre apte à être compactée à froid d'un alliage à 3% de carbone ayant un diagramme de phase tel que représenté sur le dessin annexé est mélangée avec une quantité supplémentaire de 1% en poids de particules de carbone, la température du solidus du mélange sera d'environ 12100C et la température du liquidus d'environ 12700C. Ainsi, la largeur de la gamme de frittage en phase liquide augmentera et passera de 25 à 600C environ. Si l'on mélange 2% en poids de particules de carbone avec la poudre apte à etre compactée à froid du meme alliage, la température du solidus (à 5% en carbone sur le dessin annexé) est maintenant voisine de 11950C et la température du liquidus voisine de 1345"C. La largeur de la gamme de frittage de la phase liquide a donc alors été augmentée à 1500C environ. Des gammes de température de 60 à 1500C peuvent être réglées de façon économique dans une opération de production industrielle. On a trouvé en outre que les 1 ou 2% en poids de carbone supplémentaires n'ont que peu ou pas d'effet sur les propriétés de l'alliage obtenu. Autrement dit, le nouvel alliage à teneur plus élevée en carbone a essentiellement les mêmes caractéristiques que l'alliage pratiquement eutectique à partir duquel il a été produit. On notera que dans le procédé de production préféré du matériau a base de fer a haute densité, la poudre apte à être compactée à froid de l'alliage à base de fer pratiquement eutectique est obtenue en atomisant un produit fondu ayant la même composition que l'alliage eutectique, sauf en ce qui concerne la teneur en carbone. Le produit fondu a de préférence une teneur en carbone inférieure à 0,2%. La poudre obtenue peut etre compactée à froid et peut être mélangée avec des particules de carbone afin d'obtenir la poudre apte à être compactée à froid de l'alliage pratiquement eutectique. Les détails et avantages de ce procédé sont décrits plus explicitement dans le brevet US 4 121 927. Si l'on applique le mode de mise en oeuvre de l'invention, il faut noter que le résultat recherché d'élargissement de la gamme de frittage en phase liquide peut également êtrbbtenu en ne mélangeant que la quantité suffisante de particules de carbone avec la poudre à faible teneur en carbone, de façon à obtenir un mélange ayant une teneur en carbone plus faible que 1' alliage eutectique. Ainsi, par exemple, si l'on ajoute suffisamment de particules de carbone a la poudre à faible teneur en carbone pour obtenir un mélange ayant une teneur en carbone de seulement 2% environ, la température du solidus de l'alliage résultant sera d'environ 12400C et la température du liquidus sera d'environ 13450C. La gamme de frittage en phase liquide ainsi obtenue sera donc d'environ 1050C.Ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, une gamme de température de 105"C peut être réglée économiquement dans une opération de production industrielle. Conformément à l'invention, la poudre apte à être compactée à froid peut être obtenue de toute autre manière désirée. Par exemple, on peut atomiser un produit fondu de l'alliage à base de fer pratiquement eutectique, comprenant le carbone, afin de produire une poudre durcie qui ne peut pas être compactée à froid. La poudre durcie peut être traitée pour la rendre apte a être compactée à froid. Le procédé selon l'invention que l'on préfère appliquer à la production d'un matériau résistant à l'usure, à haute densité est illustré par l'exemple suivant . Un alliage à base de fer, qui est normalement coulé en produits et qui a de bonnes propriétés de résistance- à l'usure présente la composition pondérale ci-dessous Chrome environ 17 % Molybdène " 16 % Cobalt " 6 % Carbone rt 3 Vanadium " 1,9 % Silicium " 1,5 % maximum Manganèse " 1 % maximum Nickel " O % Divers " 3 % maximum Fer le complément à 100 % essentiellement. A 3 % en poids de carbone, cet alliage est pratiquement eutectique, mais lorsque la teneur en carbone dépasse 3 %, les températures du solidus et du liquidus divergent selon des droites d'une manière semblable à celle représentée graphiquement par les droites du solidus et du liquidus du dessin annexé. Cependant, la diagramme de phase représenté sur le dessin annexé ne correspond pas exactement au diagramme de phase de l'alliage de cet exemple.L'alliage décrit ci-dessus est fabriqué industriellement et est connu sous le nom deWHaynes Alloy n 93." On a atomisé dans de l'eau une chaude de cet alliage, de teneur différente en carbone, et on a tamisé afin d'obtenir un métal en poudre apte à être compactée à froid, dont la granulométrie est inférieure à 0,163 mm, et la composition pondérale est la suivante Chrome environ 17 % Molybdène " 16 % Cobalt 1, Carbone " 0,2 % maximum Vanadium " 1,9 % Silicium " 1,5 % maximum Manganèse " 1 % maximum Nickel " 0 % Divers " 3 % maximum Fer le complément à 100 % essentiellement. On a mélangé le métal en poudre avec 4 % en poids de graphite naturel afin d'obtenir la haute teneur en carbone désirée. Puis on a compacté à froid le mélange de métal en poudre et de graphite dans une matrice fermée à une pression d'environ 7025 kg/cm2 afin de former des flans d'environ 2,5 cm de diamè tre et 0,75 cm d'épaisseur. Les flans bruts avaient une densité d'environ 5,65 g/cm3, soit 72,7% de la densité théorique. Enfinson a fritté les flans sous vide à 1165"C pendant 2 heures. On a trouvé qu'il était possible d'obtenir 99% de la densité théorique avec des dimensions ajustables en utilisant ce procédé. Les pièces ainsi produites ont une résistance à l'usure pratiquement égale à celle de pièces fabriquées a partir d'une coulée eutectique de Haynes Alloy nO 932 REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'un alliage à base de fer, à haute teneur en carbone, résistant à la chaleur et à l'abrasion et de densité élevée, ayant une composition finale comprenant au moins 1% d'un des éléments choisis parmi le chrome, le vanadium, le molybdène et le tungstène, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - atomiser un produit fondu ayant une teneur initiale en carbone inférieure å 0,2% afin de former une poudre apte à être compactée à froid d'un alliage à base de fer, - mélanger une quantité de particules de carbone avec ladite poudre pour augmenter suffisamment la teneur en carbone et faire en sorte de créer un mélange de métal en poudre ayant une teneur en carbone supérieure à la teneur en carbone correspondant au point eutectique de l'alliage à base de fer, de façon à fournir une plus grande différence entre les températures du solidus et du liquidus que la différence existant normalement dans un alliage eutectique à base de fer, - comprimer ledit mélange en un flan compact dans une matrice à une pression dépassant 2800 kg/cm, - sortir le flan compact de la matrice, puis fritter le flan compact à une température comprise entre les températures du solidus et du liquidus du mélange, afin d'obtenir un matériau de densité élevée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre apte à être compactée à froid a la composition ci-dessous Chrome environ 17 % Molybdène " 16 % Cobalt " 6 % CarbOne " 0,2 % maximum Vanadium " 1,9 % Silicium " 1,5 % maximum Manganèse " 1 % maximum Nickel " O % Divers (( 3 % maximum Fer le complément à 100 % essentiellement. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les particules de carbone représentent de 3,8 à 4,8 % du mélange en poids. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les particules de carbone représentent environ 3,8 % du mélange en poids et le frittage est conduit à environ 1165oC pendant deux heures environ. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le frittage est conduit sous vide.