Brevet FR2482627A1 — publié le 19811120

i 2 4-82627 L'invention est relative aux alliages à durcissement superficiel et plus particulièrement à un alliage présentant une résistance élevée à l'érosiono L'acier au manganèse composé d'approximativement 12%o de manganèse, 1%> de carbone et de fer pour le complément, est employé usuellement quand un traitement de durcissement est aussi bien permis que souhaité. A l'origine, l'acier au manganèse a une dureté liockwell d'environ 88 à 92 Rbqui est augmentée après traitement de durcissement jusqlu'à environ 50 à 5.' iec. Alors que l'acier au manganèse a une résistance suf- fisante à divers types d'usure tels que l'usure par abrasion, l'usure par adhérence y compris l'excoriation, il manque de résistance à l'usure par érosion, en particulier avant traite- ment de durcissement. Il a été constaté qlue même les alliages bien connus à durcissement superficiel à base de nickel manquent de résistance à l'usure par érosion. A des fins d'expérimentation, un alliage bien connu à base de nickele, durcissementde surface,composéen poidsdenviron 0,5% de carbone, 2,2% de bore, 13,5> de chrome, 3,5% de sili- cium et 27e8o de fer, le complément à 100)o étant du nickel, est déposé sur un substrat d'acier au manganèse au moyen du pro- cédé à arc à transfert de plasma. Pour cette expérimentation, l'installation de Linde à arc à transfert de plasma est mise en oeuvre avec un courant de 200 ampères et une tension de volts pour déposer une couche de revêtement de 3e2mm d'é- paisseur de l'alliage à durcissement de surface sur un morceau d'acier au manganèse de 50mm x 50mm x 25mm. La surface de l'alliage à base de nickel durci en sur- face'est soumise à une usure par érosion en projetant sur elle des grains de fonte trempés sous une pression relative de 7000 N/m2 pendant 4 minutes, et on compare la perte de poids due à l'usure par l'érosion à la perte de poids d'une éprouvette de référence en acier au manganèse soumise à la même usure par érosion. De façon surprenante, l'alliage à base de nickel durci en surface perd 4,5g alors nue l'éprou- vette de référence en ancier au manganèse perd seulement 2,8g. La présente invention fournit des alliages à dur- cissement de surface nouveaux et utiles qui présentent une résistance élevée à l'érosion par rapport à l'acier au manganèse et aux alliages à durcissement de surface connus. Selon l'invention, les alliages à durcissement de surface résistant à l'érosion, adaptés pour la technique à arc à transfert de plasma et d'autres applications, sont carac- térisés en ce qu'ils comprennent essentiellement un carbure de titane dans une matrice appropriée. Selon l'invention, il a été constaté qu'un alliage composé essentiellement d'environ 10 à 25% en poids de carbure de titane dans une matrice appropriée, de préférence à base de fer, présente une résistance élevée à l'érosion, une faible porosité et une absence de crique, comme cela est montré par les tests suivants. On utilise quatre éprouvettes en différents matériaux. L'éprouvette n0 1 est une plaque en acier au manga- nèse ordinaire composé en poids d'environ 12% de manganèse, 1% de carbone, le reste étant du fer. L'éprouvette n02 est un alliage composé en poids de % de carbure de titane, 7% de nickel et de 78% d'une matrice à base de fer composée en poids de sensiLlement 29% de chrome, 2,5%o de carbone, le reste étant du fer. Ce matériau est déposé sur un substrat d'acier au manganèse de 50mm x 50mm x 25mm grâce au procédé à arc à transfert de plasma, la couche dé- posée ayant approximativement 3mm d'épaisseur. L'éprouvette n03 est composée essentiellement en poids d'environ 50> de carbure de tungstène et 50% d'une matri- ce à base de nickel composée en poids d'approximativement 14% de chrome, 3% de bore,4% de silicium, le reste étant du nickel. L'éprouvette n04 est composée essentiellement en poids d'environ 20% de carbure de titane, 7% de nickel et 73% d'acier inoxydable 316. Les matériaux des éprouvettes 3 et 4 sont déposés sur un substrat d'acier au manganèse grâce au même procédé que celui utilisé pour l'éprouvette n02. Les quatre éprouvettes sont soumises à divers essais y compris l'usure par érosion, l'usure par abrasion et la 3 2482627 dureté. L'essai d'usure par érosion consiste à projeter des grains de fonte (fer no 16) trempés sous une pression diffé- rentielle de 7000 iN/m2 sur la.surface de l'éprouvette pendant 4 minutes et à noter la perte de poids de trois échantillons de chaque type d'éprouvette. Les résultats suivants sont obtenus. ESSAI D'USURE PAl EROSION Eprouvette N 1 2 3 4 Perte de poids (grammes) 2,7 0,10 392 290 2,6 0,20 3,8 1,8 391 0917 - 199 Perte de poids moyenne 2,8 0915 395 1,9 L'alliage au carbure de titane dans une matrice a base de fer apparaît nettement supérieur aux autres matériaux. L'essai d'abrasion consiste à meuler l'éprouvette en la faisant tourner contre un disque stationnaire en acier, dans un récipient dans lequel est présent un mélange de cm3 d'eau et de 50g de grains abrasifs (140 mesh) de car- bure de silicium. Les éprouvettes sont fixées à une presse de perceuse soumis à un poids de 2,250 Kg. avec un bras de levier de 15 cm. L'éprouvetted'essai tourne à 250 tours/minute pendant 15 minutes. La perte de poids de l'éprouvette est alors déterminée. ESSAI D'USURE l'A ABRASION Eprouvette NO 1 2 3 4 Perte de poids (grammes) 1,37 0924 193 0959 1944 0914 1,2 0960' L'essai d'usure par abrasion démontre que l'alliage au carbure de titane dans une matrice à base de fer est nettement supérieur. La dureté de chacune des éprouvettes est aussi détermi- née selon les normes ASTM E-78-14, VOL. 10-1975. La valeur moyenne de cinq essais réalisés sur chacun des échantillons est portée ci-dessous: Eprouvette N 1 2 3 4 dureté (Rockwell) Rb9O Rc52 ltc52 Rc32 On constate qu'il n'y a pas de perte de dureté du dépôt comparé à l'éprouvette à 50% de carbure de tungstène. Afin de déterminer la concentration optimale de carbure de tungstène dans la matrice à base de fer, la dureté a été déterminée pour plusieurs compositions. Les résultats sont les suivants: COMPOSITION EN POIDS % DURETE (Rockwell) A. 10% TiC + 12% Ni + 78% Fe-Cr-C Rc 48 B. 15% TiC + 5% Ni + 80%/ Fe-Cr-C Rc 51,5 C. 25% TiC + 7% Ni + 68% Fe-Cr-C Rc 54 D. 35% TiC + 10% Ni + 55% Fe-Cr-C non mesurable E. 45% TiC + 12% Ni + 43% Fe-CrC non mesurable Les dépôts des alliages contenant 35%o et 45%o en poids de carbure de titane présentent des criques et ne sont pas soumis aux tests. Sur la base de l'ensemble des données observables ré- sultant des essais, un alliage composé essentiellement en poids d'approximativement 5% à 25% de carbure de titane, approxima- tivement 5% de nickel, et le reste étant une matrice d'un alliage à base de fer composé essentiellement en poids d'ap- proximativement 29%o de chrome, 2,8% de carbone, 0,1% de man- ganèse, 0,8% de silicium, le reste étant du fer, à une résis- tance à l'érosion sensiblement augmentée par rapport à l'art antérieur, sans sacrifier d'autres qualités. Au-delà de la composition chimique de l'alliage au carbure de titane décrit ci-dessus, il a été constaté que la granulométrie du carbure de titane doit de préférence 8trede 270 mesh ou moins, et encore plus préféremment que la dimension moyenne des particules soit comprise entre 10 et 20 microns. Pour des dimensions de particules plus'grandesily a une légère perte de résistance à l'usure par érosion, et pour des dimen- sions de particules inférieures, l'efficacité du dép8t est perdue et on constate une légère oxydation des particules de carbure de titane. En outre, il a été constaté que des résultats optimaux sont obtenus si le nickel a une granulométrie inférieure à meshetsila matrice à base de fer a une granulométrie in- férieure à 60 mesh et supérieure à 325 mesh. Si la matrice a une granulométrie supérieure à 60 mesh, elle ne circule pas bien dans les buses de lances de dimensions usuelies. Bien sdr, ceci n'est pas un problème si on n'utilise pas le pro- cédé à arc à transfert de plasma. Si la poudre de matrice a une granulométrie inférieure à 325 mesh, l'oxydation des parti- cules de la matrice a tendance à apparattre. Là encore, si le procédé à arc à transfert de plasma n'est pas utilisé, la plus petite granulométrie n'est pas un problèmeo Bien que les essais soient.co3duits pourdes déptsappJi- qués par arc à transfert de plasma, toute installation de fusion déposition peut 8tre utilisée, y compris la soudure autogène, la soudure au tungstène sous gaz inerte et la sou- dure plasma - MIG sous gaz inerte* En plus des essais-ci-dessus réalisés sur des alliages au carbure de titane employant une matrice à, base de fer, des matrices à base de nickel et à base de-cobalt ont aussi une résistance élevée à l'usure par érosion. Une série d'essais comparatifs sont réalisés sur des matrices à base de cobalt et à base de nickel comparées l'une à l'autre,et des matrices à base de fer sans utilisation de nickel additionnel, commeessay6- plus haut.Six différentes con- centrations en poids de carbure de titane, à partir de 5% jusqu'à 60,ffle reste étant la matrice, sont ossaydes Chaque alliage d>.essai est déposé sous la forme d'une couche plate selon une épaisseur sensiblement uniforme de 3mm sur un mor- ceau de 50mm x 50mm x 25mm d'acier 1020 servant de substrat en utilisant l'installation de Linde à arc à transfert de plasma, modèle nO PT-9-H.D., avec un courant de 200 ampères. sous une tension de 30 volts. Chaque éprouvette est bombardée avec des grains (no 16) de fonte trempés sous une pression différentielle de 7000 N/m2 pendant 4 minutes, et on détermine la perte en poids par érosion, Les compositions des matrices sont les suivantes: Base Fe Base Co Base Ni C 0,12 1,2 1,9 Cr 13,00 29,0 27,0 Mn 0,50 1,0 0,15 Si 1,00 1,0 1,50 Fe reste 3,0 10,00 W - 4,5 5,20 Ni - 3,0 reste Co - reste 9,0 Les matrices ont une granulométrie inférieure à mesh et supérieure à 325 mesh. Le carbure de titane a une granulométrie inférieure à 270 mesh (15 à 20 microns). La dureté de chaque éprouvette est déterminée au moyen d'un banc d'épreuve standard pour la dureté Rockwell. Pour ces séries d'essais, les matrices sont des allia- ges connus à durcissement de surface. Les résultats des essaim tels que reportés ci-dessusy démontrent que l'addition de carbure de titane à des alliages connus à durcissement de sur- face augmente considérablement la dureté et la résistance à l'usure par érosion de la matrice. RESULTAT DES ESSAIS TiC dans une matrice à base de cobalt Dép8t Perte de poids (g) Dureté du dép8t Matrice 3,2 Rc 37 5% TiC+95% Matrice 1,8 Re 49 % TiC+85% Matrice 1, 0 ce 52 % TiC+75% Matrice 0,8 Rc 58 % TiC+65% Matrice 0,8 -Re 62 % TiC+ 55% Matrice 0,4 Rc 64 60%o TiC+40% Matrice 0,1 Rc 65 TiC dans une matrice à base de fer Dépôt Perte de poids () Dureté du dépft Matrice 2,8 Rc 26 % TiC+95% Matrice 2,1 Re 34 15% TiC+85%o Matrice 1,5 Rc 43 % TiC+75% Matrice 0,9 Rc 64 % TiC+65% Matrice 0,7 Rc 68 % TiC+55% Matrice 0,3 Rc 69 %o TiC+40% Matrice 0,4 Rc 66 TiC dans une matrice à base de nickel Dépt Perte depoids (g) Dureté du dépôt Matrice 4,6 Rc 31 % TiC+95% Matrice 4,6 Rc 32 15% TiC+85%o Matrice 4,4 Rc 34 %o TiC+75% Matrice 4,3 Rc 45 % TiC+ 65%o Matrice 4,1 Rc 50 % TiC+55%o Matrice 2,9 Rc 56 % TiC+40% Matrice 2,4 Rc 62 Les résultats des essais viennent à l'appui des conclusions suivantes: 1. La soudabilité de tous les mélanges de poudres a une excellente valeur. Les poudres "mouillent".bien le maté- riau du substrat (acier 1020), 2. Aussi peu que 5% en poids de particules de TiC dans une matrice entraîne des différences saisibles des propriétés physiques du dépôt. La dureté du dépôt et la résistance à l'érosion du dépôt sont augmentées. 3. Les dépôts comprenant 60% en poids de particules de TiC ne forment pas de crique, ce qui indique que de grandes quantités de carbure peuvent être utilisées pour obtenir une dureté maximale et une capacité maximale de résistance à l'érosion. 4. On peut utiliser différents matériaux de matrice, par exemple à base de fer, à base de cobalt ou à base de nickel pour obtenir un dépôt résistant à l'érosion. REYENIDICAT IONS 1. Alliage à durcissement de surface résistant à l'érosion, caractérisé en ce qu'il est essentiellement com- posé de carbure de titane et d'une matrice appropriée, les concentrations en carbure de titane étant juste suffisantes pour atteindre le niveau souhaité de résistance à l'éro-, sion. 2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est un alliage à base de fer. 3. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est à base de cobalt. 4. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice est à base de nickel. 5. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la concentration en poids de carbure de titane est comprise entre approximativement 5 et %. 6. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la granulométrie du carbure de titane est égale ou inférieure à approximativement 270 mesh. 7. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 b 4, caractérisé en ce que la granulométrie du matériau constituant la matrice est inférieure à approximativement mesh, et est supérieure à approximativement 325 mesh, 8. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la concentration du carbure de titane esten poidscomprise entre environ 5% et environ %, et en ce que la granulométrie du carbure de titane est inférieure à environ 270 mesh. 9. Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à, 4, caractérisé en ce que la concentration en poids du carbure de titane est comprise entre environ 5% et environ >, en ce que la granulométrie du carbure de titane est inférieure à 270 mesh environ, et en ce que la granulométrie du matériau de la matrice est inférieure à 60 mesh environ et est supérieure à 325 mesh environe