Brevet FR2473417A1 — publié le 19810717

La présente invention concerne un article métalli- que présentant une résistanceà l'usure accrue. Elle con- cerne plus précisément un substrat métallique résistant à l'usure, sur la surface duquel est liée une matière résis- tant à l'usure comportant un mélange d'aluminiure de nickel dans une matrice à base de cuivre et un procédé de fabri- cation de cet article. Diverses techniques ont été suggérées pour augmen- ter la résistance à l'usure d'articles métalliques. Cer- taines d'entre elles canprennent un durcissement superfi- -ciel du métal, par exemple par nitruration, tandis que d'aUitres concernent le dépôt d'une matière plus résistante sur la surface de l 'article lui-même. Divers carbures et nitrures ont été utilisés dans ce but en raison de leur dureté intrinsèque. Une matière qui, en raison de sa dureté et de sa structure cristalline, est a priori idéale pour être liée à un substrat métallique dans le but d'augmenter sa résis- tance à l'usure est 1'aluminiure de nickel (Ni Al). ce- pendant, lôrsqu'on a essayé- de lier l'aluminiure de nickel à un substrat métallique, on s'est heurté à diverses dif- ficultés. Lorsque l'aluminium de l'aluminiure de nickel entre en contact avec l'oxygène, il se forme à la surface de la particule concernée une couche inerte d'oxyde d'alu- minium qui interfère avec la liaison entre les particules et le substrat. -En conséquence, le but principal de l'invention est de fournir un article métallique à la surface duquel est liée une matière résistant à l'usure qui comprend de l'aluminiure de nickel. Un autre but de l'invention est de fournir un pro- cédé de fabrication d'un substrat métallique à la surface duquel est liée une matière résistant à l'usure qui com- prènd de 1'aluminiure de nickel. D'autres buts de l'invention apparaîtront aux spé- cialistes à la lecture de la description etdes revendica- tioxns ci-après., 247341 7 Par un de ses aspects, la présente invention con- cerne un procédé de fabrication d'un substrat métallique auquel est liée une couche superficielle résistant à l'u- sure contenant de l'aluminiure de nickel dans une matrice à base de cuivre, lequel procédé comprend les stades sui- vants (a) se procurer un substrat métallique; (b) fixer une couche barrière d'un métal choisi parmi le nickel, les alliages de nickel, le cuivre et les alliages de cuivre sur une surface du substrat métallique; -(c) appliquer une couche d'une matière résistant à l'usure sur la surface de la couche barrière, la matière résistant à l'usure contenant un mélange d'aluminiure de nickel et d'un alliage à base de cuivre (d) fritter la matière résistant à l'usure ainsi appliquée à une température suffisante pour qu'elle se lie au substrat; (e) compacter l'article fritté suffisamment pour amener sa densité à une valeur proche de la valeur théori- que; et (f) fritter à nouveau l'article à une température suffisante pour que la matière-résistant à l'usure se lie à elle-même et au substrat. Par un autre de ses aspects, la présente invention concerne un article métallique résistant à l'usure qui comprend (a) un substrat métallique; (b) une couche barrière d'un métal choisi parmi le nickel, les alliages de nickel, le cuivre, les alliages de cuivre, fixée à-une surface du substrat métallique; et (c) une couche d'une matière résistant à l'usure liée à la surface de la couche barrière, la matière résis- tant à l'usure comprenant un mélange d'aluminiure de nickel et d'un alliage à base de cuivre. L'article métallique résistant à l'usure de l'in- vention peut revêtir différentes formes, c'est-à-dire qu'il peut être fabriqué sous forme de produits finis ou semi- finis. Par exemple, un produit semi-fini peut être utilisé pour fabriquer diverses pièces de support pour des pompes telles que des chemises de pistons, des plaques d'usure et à orifices et autres constituants mobiles. L'article mé- -5 tallique résistant à l'usurede l'invention, est destiné à être utilisé aux endroits o il se produit un contact mé- tal sur métal et o des alliages pour coussinets classiques s'useraient rapidement et trop fortement. Le substrat utilisé pour produire l'article de l'in- vention est fabriqué à partir d'un métal ferreux, et de préférence d'acier. Il peut être produit pratiquement sous n'importe quelle forme désirée. La couche barrière peut être n'importe quel métal choisi parmi le nickel, les alliages de nickel, le cuivre et les alliages de cuivre. Si on utilise comme couche barrière du nickel ou un alliage de nickel, on préfère appliquer ou fixer cette matière sur le substrat par des techniques classiques d'électrodéposition. A cet égard, l'épaisseur.minima de nickel ou d'alliage de nickel néces- saire pour produire une bonne couche barrière est d'envi- ron 0,013 mm. Lorsqu'on utilise comme couche barrière du cuivre ou un alliage de cuivre, on préfère lier le métal en question au substrat par frittage. Dans ce cas, l'é- paisseur minima de métal désirée est d'environ 0,05 mm. La matière résistant à l'usure est de préférence un mélange1d'aluminiure de nickel (Ni2Al3) et de cuivre ou d'alliage à base de cuivre. A cet égard, le cuivre ou l'al- liage de cuivre contient avantageusement plus de 65 % en poids de cuivre, le reste étant constitué d'autres métaux comme l'étain et le zinc qui n'interfèrent pas avec la liaison de la matière résistant à l'usure au substrat par l'intermédiaire de la couche barrière. En pratique, on a trouvé qu'il était souhaitable d'ajouter du plomb au mé- lange d'aluminiure de nickel et d'alliage à base de cuivre pour produire une couche de surface ayant une aptitude amé- liorée au passage sur machine. C'est-à-dire que la présence de plomb est souhaitable mais non nécessaire pour la mise 247341 7 en oeuvre de l'invention. Dans la mise en oeuvre de l'invention, on a décou- vert que l'on pouvait obtenir d'excellents résultats lors- que la poudre d'aluminiure de nickel utilisée pour former la matière résistant à l'usure avant le frittage avait une dureté d'environ 820 à environ 1030 degrés vickers. La matière résistant à l'usure contient de préfé- rence d'environ 2 à environ 20 % en volume d'aluminiure de nickel, le reste étant un alliage à base de cuivre. En pratique, la composition préférée pour la matière résis- tant à l'usure est d'environ 2 à environ 20 % en volume d'aluminiure de nickel, le-reste étant du bronze au plomb. A cet égard, on a trouvé qu'une composition de bronze au plomb donnant satisfaction dans la pratique de l'invention était d'environ 89,5 % de cuivre,.environ 8,5 % d'étain et environ 2 % de plomb. Lorsqu'on utilise du bronze comme matière pour la matrice à base de cuivre, il est avantageux d'utiliser une matière contenant, en pourcentage pondéral, d'environ 87 % à environ 98 % de cuivre et d'environ 2 % à environ 11 % d'étain. Les exemples non limitatifs suivants sont donnés à titre d'illustration de l'invention. EXEMPLE 1. On se procure une bande d'acier de 1,78 x 127 x 152 mm. On dépose à la surface de la bande d'acier une couche de bronze (90 % de cuivre - 10 % d'étain) de 0,38 mm d'é- paisseur. On fritte la bande d'acier en atmosphère réduc- trice à une température d'environ 8600C pendant 2 à 5 mi- nutes environ. On retire ensuite du four la bande ainsi frittée, on la refroidit et on la lamine à un degré suffi- sant pour amener la couche de bronze au voisinage de sa densité théorique. On applique alors sur la couche bar- rière formée sur le substrat ou la bande d'acier une couche de matière résistant à l'usure (5 % en volume d'aluminiure - de nickel, le reste étant un bronze au pl-omb ayant pour composition nominale 89,5 % de cuivre, 8,2 % d'étain et 2 % de plomb). Puis, on fritte la structure ainsi formée en atmosphère réductrice à 7300C environ pendant 2 à 5 minutes environ. On refroidit ensuite la bande dans l'at- mosphère réductrice et on la lamine suffisamment pour com- pacter la couche frittée au voisinage de la densité théo- rique. Après laminage, on fritte à nouveau l'article en atmosphère réductrice à 7300C environ pendant 6 à 20 mi- nutes environ. La durée du frittage est telle que la ma- tière résistant à l'usure se lie à elle-même et au substrat en se liant à la couche barrière. EXEMPLE 2. On répète le mode opératoire de l'exemple 1, excep- té qu'on compacte à nouveau le produit obtenu, puis on le soumet à un traitement de recuit en atmosphère réductrice à une température d'environ 7300C pendant 15 à 25 minutes environ. EXEMPLE 3. On se procure un substrat d'acier de 2,5 x 127 x 152 mm. On dépose par électrolyse par des techniques clas- siques une couche de nickel de 25 microns sur une des fa- ces de la bande d'acier. On applique ensuite sur la couche barrière formée sur la bande ou le substrat d'acier une couche de matière résistant à l'usure (5 vol. % d'alumi- niure de nickel, le reste étant du bronze au plomb ayant pour composition nominale 89,5 % de cuivre, 8,2 % d'étain et 2 % de plomb). On fritte alors la structure ainsi for- mée en atmosphère réductrice à 7300C environ pendant 2 à minutes environ. On refroidit ensuite la bande dans l'atmosphère réductrice et on la lamine suffisamment pour compacter la couche frittée au voisinage de la den- site théorique. Après laminage, on fritte à nouveau l'ar- ticle en atmosphère réductrice à une température de 7300C pendant environ 15 à 20 minutes. La durée du frittage est telle que la matière résistant à l'usure se lie à elle- même et au substrat en se liant à la couche barrière. EXEMPLE 4. On répète le mode opératoire de l'exemple 3, ex- cepté qu'on compacte à nouveau le produit obtenu, puis on- le soumet à un traitement de recuit en atmosthère réductrice à une température d'environ 7300C pendant 15 à 25 minutes. Des articles métalliques résistant à l'usure fa- briqués comme il a été décrit ci-dessus peuvent être dé- coupés et façonnés par des techniques classiques pour donner le produit final désiré. Pour démontrer l'utilité de l'invention et pour simuler le contact métal sur métal que l'on rencontre dans les pompes hydrauliques à haute pression, on utilise une machine d'essai de l'usure LWF-1 (fabriquée par la société Saville Le Vally Corp.) pour comparer les résistances à l'usure de diverses matières fabriquées conformément à l'invention et d'articles trai- tés conformément à la technique antérieure (une surface de bronze au manganèse). L'appareil utilisé frotte l'échan- tillon d'essai contre un anneau d'acier dur baignant dans une huile hydraulique. Des exemples typiques des résultats de ces essais sont les suivants: Matière Largeur moyenne Coefficient de la rayure de friction d'usure après 5000 cycIes-(mm) Bronze de manganèse CDA-673 2,5 0,133 5 % en vol. d'Al3Ni2 dans du bronze au plomb 2,9 0,136 % en vol. d'A13Ni2 dans du bronze au plomb 2,7 0,113 % en vol. d'A13Ni2 dans du bronze au plomb 2,6 0,113 Il ressort clairement de ce qui précède que l'in- vention fournit un article présentant une résistance supé- rieure à l'usure pouvant être utilisé pour fabriquer divers articles résistant à l'usure. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un substrat métallique auquel est liée une couche superficielle résistant à l'usu- re contenant de l'aluminiure de nickel dans une matrice à base en cuivre, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les stades consistant à: (a) se procurer un substrat métallique; (b) fixer une couche barrière d'un métal choisi parmi le nickel, les alliages de nickel, le cuivre et les alliages de cuivre à une surface du substrat métallique; (c) appliquer une couche d'une matière résistant à l'usure sur la surface de cette couche barrière, cette ma- tière résistant à l'usure contenant un mélange d'un alumi- niure de nickel et d'un alliage à base de cuivre; (d) fritter la matière résistant à l'usure ainsi appliquée à une température suffisante pour qu'elle se lie à ce substrat; (e) compacter la couche frittée à un degré suffi- sant pour qu'elle acquière une densité proche de la va- leur théorique, et (f) fritter à nouveau cet article à une température suffisante pour que la matière résistant à l'usure se lie à elle-même et au substrat. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat métallique est fabriqué à partir d'acier. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couche barrière est composée d'un métal choisi parmi le nickel et des alliages de nickel et a une épais- seur supérieure à 0,013 mm environ. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couche barrière est composée d'un métal choisi parmi le cuivre et les alliages de cuivre et a une épais- seur supérieure à 0,05 mm environ. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la matière résistant à l'usure contient d'environ 2 à environ 20 X en volume d'aluminiure de nickel, le reste étant un alliage à base de cuivre. 6. Article métallique résistant à l'usure, carac- térisé en ce qu'il comprend: (a) un substrat métallique, (b) une couche barrière d'un métal choisi parmi le nickel, des alliages de nickel, le cuivre et des allia- ges de cuivre liée à une surface du substrat métallique; et - (c) une couche de matière résistant à l'usure liée à la surface de cette couche barrière, cette matière résis- tant à l'usure contenant un mélange d'aluminiure de-nickel et d'un alliage à base de cuivre. 7. Article suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le substrat métallique est en acier. 8. Article suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la couche barrière est composée-d'un métal choi- si parmi le nickel et les alliages de nickel et a une é- paisseur supérieure à environ 0,013 mm. 9. Article suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la couche barrière est composée d'un métal choi- si parmi le cuivre et les alliages de cuivre et a une é- paisseur supérieure à environ 0,05 mm. 10. Article suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la matière résistantecontient d'environ 2 à en- viron 20 % en volume d'aluminiure de nickel, le reste étant un alliage à base de cuivre.