Brevet FR2513149A1 — publié le 19830325

"Procédé pour l'application d'un revêtement lubrifiant sur un fil en acier à basse teneur en carbone utilisable, après étirage, comme fil de soudage". L'invention est relative au traitement d'un fil en acier à basse teneur en carbone se prêtant finalement à une utilisa- tion comme fil de soudage. Au cours de la fabrication d'un fil en acier à bass te- neur en carbone utilisé pour des opérations de soudage, l'opé- ration élémentaire initiale implique la formation, en fonde- rie, d'un fil qui possède un diamètre trop important en vue de son utilisation commerciale et industrielle pratique, tel quel Ce fil relativement gros fait alors l'objet d'une opé- ration de réduction de son diamètre par étirage à froid, ou tréfilage, en utilisant une série de filières dont les diamè- tres sont décroissants et au travers desquelles on fait passer le fil La filière finale produit un fil possédant le diamè- tre qui le rend commercialement utilisable en pratique. Au cours de cette opération de tréfilage ou d'étirage à froid, on constate que, à moins que le fil destiné au soudage soit spécialement traité avec un lubrifiant, ledit fil se rompt fréquemment par suite de son coincement par serrage dans les filières Le lubrifiant le plus communément utilisé en pratique actuelle afin d'empocher une telle rupture du fil est un mince revêtement de cuivre métallique formé sur l'extérieur du fil en plongeant ledit fil d ns une solution acide de sul- fate de cuivre avant de procéder ai l'opération d'étirage Tou tefois, le revêtement de cuivre demeure sur le fil étiré, ce qui pose des problèmes lors de son utilisation par le soudeur. En particulier risque éventuellement sérieux qui surgit la san e du. pour la/soudeur r 4 sulte de la formation de fumées cuivriques résultant d'une volatilisation du revêtement En outre, le revêtement de cuivre s'écaille parfois, ce qui provoque un encrassement, voire même un coincement ou une obstruction, des pistolets de soudage qui sont souvent utilisés dans l'indus- trie pour amener le fil jusqu'au lieu de soudage. En conséquence, des efforts ont été tentés en vue de pré- parer du fil de soudage utilisant des revêtements lubrifiants autres que des revêtements de cuivre, et de tels fils de sou- dage sont maintenant disponibles dans le commerce Toutefois, les techniques de fabrication utilisées pour préparer de tels fils nécessitent une élimination du revêtement lubrifiant après l'opération d'étirage, ce qui est une opération élémen- taire de traitement additionnelle coûteuse De tels autlres revêtements doivent être enlevés du fil avant son utilisation afin d'éviter un encrassement ou un coincement des pistolets de soudage et pour éliminer des phénomènes inacceptables, tels que des projections et la formation de bourrelets irréguliers, que l'on observe lorsqu'on n'a pas enlevé les revêtements lu- brifiants du fil à Des spécialistes travaillant à la mise au point de la présente invention ont découvert un procédé pour l'application d'un revêtement lubrifiant sur un fil de soudage en acier à basse teneur en carbone, lequel procédé n'exige pas l'applica- tion d'un revêtement de cuivre et confère au produit d'excel- lentes qualités lubrifiantes en vue de l'étirage à froid du fil de soudage En outre, le revêtement est facilement élimi- nable par les filières de tréfilage, de façon telle que le fil étiré est brillant, pratiquement exempt de tout revêtement, et très adéquat en vue de son utilisation pour des opérations de soudage sans aucun autre traitement ultérieur. L'invention a donc pour objet un procédé pour l'applica- tion d'un revêtement lubrifiant sur un fil, pour soudage, en acier à basse teneur en carbone, lequel procédé comporte les opérations élémentaires consistant: - (A) à mettre un fil pour soudage en acier à basse teneur en carbone, propre, décapé, en contact avec une solution aqueu- se de revêtement contenant, par litre de solution, de i,6 à 3,8 g d'ion zinc bivalent, de 9,0 à 16,9 g d'acide a 7tholhoser- rique, et de 1,6 à 3,5 g d'ion chlorate, à une température comprise entre 380 C et 660 C, afin de former un mince revê- tement sur le fil; (B) à éliminer pratiquement tout l'excès de la solution de revêtement à partir de la surface du fil revêtu; (C) à mettre le fil revêtu en contact avec une solution aqueuse contenant un sel de métal alcalin d'un acide gras en C 12 à C 20; et (D) à retirer le fil revêtu hors de la solution aqueuse spécifiée pour l'opération élémentaire (C) et à chauffer le fil revêtu à une température comprise entre 1490 C et 20400 pendant au moins cinq minutes. Les-fils pour soudage qui peuvent être utilisés lors de la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention sont des fils en acier à basse teneur en carbone conçus en vue de leur utilisation au cours d'opérations de soudage, c'est-à- dire des fils en acier dont la teneur en carbone est comprise entre environ 0,05 et environ 0,19 pour cent (en abrégé: %). Le procédé selon la présente invention est utilisable pour produire des fils pour soudage d'un diamètre désiré quelcon- que, y compris des fils des cinq diamètres d'usage courant et disponibles dans le commerce, c'est-à-dire de 0,076, 0,089, 0,11, 0,13 et 0,16 cm de diamètre. Un fil de soudage fabriqué en fonderie peut être nettoyé et décapé, avant son utilisation pour mettre en oeuvre le pro- cédé selon la présente invention, en ayant recours à des mé- thodes bien connues des spécialistes; par exemple, du fil recuit peut être nettoyé dans une solution de permanganate de potassium, décapé dans une solution d'acide chlorhydrique à 15 %, et rincé Du fil non recuit peut être nettoyé dans un un bain nettoyant alcalin normal, rincé, décapé dans une solu- tion d'acide chlorhydrique à 15 %, et rincé. Le fil pour soudage, nettoyé et décapé, est ensuite trai- té par mise en oeuvre du procédé selon l'invention comme suit: (A) Le fil pour soudage est mis en contact avec une so- lution aqueuse contenant des concentrations d'ingrédients com- prises dans les intervalles approximatifs suivants: Ingrédients grammes par litre de solution Zn de 1,6 à 3,8, et de préférence de 2,3 à 2,8 H 3 PO 4 ( 100 %)de 9,0 à 16,9, et de préférence de 10,0 à 13,1 C 103 D de 1, 6 à 3,5, et de préférence de 2,0 à 2,6- Facultativement, la solution peut contenir aussi au moins un des deux ingrédients suivants, bien qu'ils ne soient pas essentiels en vue de la mise en oeuvre de l'invention: Ingrédients Teneur approximative en grammes par litre de solution Ni O de 0,18 à 0,23 Fe de 0,05 à 0,57 L'ion nickel peut être ajouté pour accélérer la formation du dépôt de revêtement L'ion ferreux peut être ajouté pour accroître la teneur en fer du revêtement afin de faciliter l'élimination dudit revêtement au cours de l'étirage à froid du fil pour soudage revêtu. L'ion zinc bivalent peut être apporté à la solution par addition de n'importe quelle source minérale non toxique de cet ion, source telle qu'oxyde de zinc, nitrate de zinc, carbonate de zinc, bicarbonate de zinc ou zinc métallique finement divisé. L'acide orthophosphorique est de préférence ajouté sous sa forme commerciale commune, c'est-à-dire sous la forme d'une solution aqueuse à 75 %. L'ion chlorate est de préférence ajouté sous la forme d'un chlorate de métal alcalin, par exemple du chlorate de sodium ou du chlorate de potassium. Quand de l'ion nickel est présent, l'ion nickel peuit être fourni à la solution sous la forme de n'importe quelle source minérale non toxique de cet ion, source telle qu'oxyde de nickel, nitrate de nickel, carbonate de nickel, bicarbonate de nickel, ou nickel métallique finement divisé. Quand de l'ion ferreux est présent, cet ion est de préfé- rence fourni à la solution sous la forme de "laine d'acier", bien qu'un sel ferreux d'un anion choisi parmi ceux qui sont énumérés ci-dessus pour l'addition d'ion zinc puisse aussi être utilisé. Le fil pour soudage peut être mis en contact avec la so- lution en pulvérisant et projetant la solution jusque sur le- dit fil; à titre de variante,, on peut plonger le fil dans la solution Le mode opératoire pour la mise en contact est, jusqu'à un certain point, déterminé par la forme sous laquelle il s'agit de traiter le fil Par exemple, quand le fil est enroulé de façon à former une couronne ou une bobine, communé- ment désignée sous la dénomination de "rouleau", on préfère recourir à une immersion dans la solution afin de favoriser un contact avec les spires sous-jacentes de fil Quand il s'agit de traiter une bobine de fil lâchement enroulée, on peut avoir recours soit à une pulvérisation et projection de solution, soit à l'immersion dans la solution ' Quand un uni- que brin du fil suit un parcours au travers de l'installation de traitement sur des galets de guidage, on a de préférence recours à la méthode par immersion afin d'assurer le respect d'une durée adéquate du temps de contact. La solution est généralement maintenue à une température comprise entre environ 38 o C et environ 66 C, de préférence entre environ 540 C et environ 63 C, et de la manière la plus avantageuse entre environ 560 C et environ 58 C La durée du temps de contact avec le fil est généralement comprise entre environ 45 secondes et environ 8 minutes, de préférence entre environ 1 minute 45 secondes et environ 2 minutes 15 secondes. La température et les durées du temps de contact sont genéra- lement ajustées de façon à provoquer sur le fil la formation d'un revêtement dont le poids est compris entre environ 0,22 et environ 0,38 mg par cm 2 de surface développe par ledit fil En général, des poids de revêtemerit plus proches de la limite supérieur e d cet intervwlle sont avantageux qullnd il s'agit d'imposer au fil d'importants pourcentages de réduc- tion de diamètre, par exemple quand le diamètre doit étre réduit de moitié, et il convient donc d'utiliser de plus lon- gues durées du temps d'immersion, par exemple pour accroître le poids du revêtement jusque dans l'intervalle compris entre 0,30 et 0,38 mg par cm 2 de surface développée par le fil Il convient aussi de ne pas perdre de vue qu'il suffit d'une du- rée du temps de contact plus brève pour obtenir un poids de revêtement désiré sur un fil recuit que sur du fil non recuit. (B) Après cette opération de formation du revêtement, on enlève pratiquement la totalité de la solution de revête- ment en excès qui se trouve encore sur le fil de soudage revê- tu Ceci est commodément réalisable par rinçage avec de l'eau, et de préférence avec de l'eau contenant de l'alcali et possé- dant un p H compris entre environ 8,0 et environ 9,5 Le p H alcalin est convenablement obtenu par l'addition d'un alcali, tel que du carbonate de sodium, de l'hydroxyde de sodium ou du borax,à l'eau Bien qu'il soit possible d'utiliser, au cours de l'opération élémentaire (C), le fil revêtu sans en éliminer la solution de revêtement en excès, l'acide phosphorique pré- sent dans la solution de revêtement qui reste 5 ur le fil ne tarderait pas à contaminer et à rendre inefficace la solution utilisée au cours de l'opération élémentaire (C) Par consé- quent, en pratique industrielle, on enlève la solution de re- vêtement en excès Cet enlèvement peut être effectué aux tem- pératures ambiantes, et soit en pulvérisant et en projetant de l'eau de rinçage sur le fil, soit en plongeant le fil dans cette eau de rinçage. (C) Le fil revêtu est ensuite traité en utilisant une solution aqueuse contenant un sel de métal alcalin, par exem- ple le sel de sodium oit de potassium, et de préférence le sel de sodium, d'un acide gras en C 12 à C 20 ou d'un mélange d'au moins deux tels acides, habituellement à une température d'au moins environ 660 C, de préférence à une température comprise entre environ 660 C et environ 1000 C, et plus avantageusement entre environ 770 C et environ 880 C Les durées du temps de contact avec cette solution de savon sont habituellement com- prises entre environ 1 minute et environ 10 minutes Le sel d'acide gras en 012 à C 20 est de préférence un sel d'acide gras saturé tel qu'un sel d'acide stéarique, palmitique ou laurique, ou de mélanges de tels acides On peut aussi utili- ser des sels d'acides gras en Cî 2 a C 20 non saturés, tels que des sels d'acide oléique, linoléique, linolénique, ou ricin- oléique, mais ils ont tendance à être moins stables dans les conditions opératoires susspécifiées Toutefois, des savons préparées à partir de graisses animales naturelles sont un mélange de sels d'acides gras saturés et non saturés, et de tels savons sont utilisables lors de la mise en oeuvre de 1 ' invention La concentration du sel de métal alcalin d'un aci- de gras en 012 à 020, ou d'un mélange de tels acides, dans la solution n'est pas critique Il est convenable et commode d' utiliser depuis environ 35 g jusqu'à environ 60 g de savon par litre d'eau Au cours de la présente opération élémentai- re, la surface du revêtement (lequel est principalement con- stitué par du phosphate de zinc) réagit avec lé sel d'acide gras pour former un sel de zinc de l'acide gras sur la surface du revêtement Cette modification dans la surface du revête- ment accroit le pouvoir lubrifiant du revêtement au cours de l'opération élémentaire d'étirage à froid. (D) Le fil revêtu est sorti de la solution de savon et est chauffé jusqu'à une température comprise entre environ 1490 C et environ 20400 pendant au moins environ 5 minutes, par exemple pendant un temps d'une durée comprise entre envi- ron 5 minutes et environ 15 minutes,-et il peut ensuite être utilisé sans rinçageni autre traitement ultérieur, au cours d'une opération de tréfilage ou d'étirage à froid. Après l'opération élémentaire (D), le fil revêtu peut être admis à passer au travers d'au moins une filière pour la réduction du diamètre du fil, par exemple du type de celles communément utilisées dans la technique, afin de réduire le diamètre du fil jusqu'à toute grosseur de fil désirée, par exemple en ayant recours à des techniques opératoires normali- sées D'une manière avantageuse, et tout au moins à la derni- ère filière, on peut appliquer de la paraffine pour protéger le fil contre la rouille Le fil étiré est généralement d'un aspect brillant, et généralement il n'y subsiste, éventuelle- ment, qu'un très léger revêtement de phosphate de zinc, le reste de ce phosphate ayant été enlevé par les filières au cours de l'opération de tréfilage, et on obtient donc ainsi un fil de soudage de haute qualité, commercialement accepta- ble, qui peut être enroulé en' couronne ou en bobine pour être ainsi expédié, vendu, puis utilisé industriellement sans autre traitement ultérieur. Facultativement, si l'on désire un fil encore plus bril- lant, on peut le soumettre à un nettoyage par ultra-sons après la réduction de diamètre et avant la mise en couronne Toute- fois, une telle opération élémentaire de nettoyage n'est pas nécessaire pour produire un fil de soudage commercialement et industriellement utilisable. Le fil pour soudage produit par mise en oeuvre du procédé selon l'invention est utilisable pour mettre en oeuvre n'impor- te laquelle des méthodes de soudage industriel couramment pra- tiquées, par exemple les méthodes connues des spécialistes sous les dénominations "Tig" (arc entre électrodes de tungstè- ne dans un gaz), "Mig" (arc entre électrodes métalliques dans un gaz), et les méthodes recourant à des appareils de soudage à arc submergé. Une autre opération élémentaire facultative qui peut être utilisée lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'inven- tion est une opération élémentaire d'activation du métal que l'on peut effectuer avant l'opération élémentaire (A) On effectue une telle opération élémentaire d'activation du mé- tal en mettant le fil pour soudage, nettoyé et décapé, en contact avec une solution d'activation du métal qui peut être n'importe quelle solution connue comme étant capable d'acti- ver de l'acier C'est ainsi que l'on peut utiliser, par exem- ple, une solution aqueuse contenant un fluorure de titane et de métal alcalin, un phosphate de métal alcalin et un citrate de métal alcalin. L'invention est illustréepar les exemples suivants qui, bien entendu, ne sont pas limitatifs. Exemple 1 Une couronne contenant du fil pour soudage à basse teneur en carbone, non recuit (Type ER 70 S-3, American Welding Society), ayant un diamètre de 0,22 cm et qui a été nettoyé et décapé en utilisant une solution alcaline aqueuse contenant de l'hydroxyde de sodium, et une solution acide aqueuse contenant 15 % d'acide chlorhydrique, respectivement, est traitée comme suit: On constitue un bain en préparant d'abord le concentré aqueux suivant: Ingrédients Quantité en gramnes par litre Zn O 201,7 H 3 PO 4 ( 75 %) 936,8 Ni O 18,0 Na Cl O 3 193,8 On ajoute ensuite 1,68 litre de ce concentré à, suffisamment d'eau pour former 100 litres de bain On chauffe ce bain jusqu'à 580 C, puis on y plonge la couronne du fil pour soudage pendant deux minutes, ce qui a pour résultat de former sur le fil un revêtement pesant de 0,29 h 0,34 mg par cm 2 de surface de fil. On sort la couronne de fil du bain et on la rince en la plongeant pendant cinq minutes dans une solution neutralisan- te, à la température ambiante ordinaire Cette solution neu- tralisante contient 1,2 g de Na 2 C O 03 par litre d'eau, et elle possède un p H égal à 9,3. On sort ensuite la couronne de fil de la solution neutra- lisante et on la plonge pendant cinq minutes dans un bain aqueux chaud ( 820 C) contenant, par litre, 50 g d'un mélange contenant 90 % de stearate de sodium et 8 % de palmitate de sodium. On sort ensuite la couronne de fil du susdit bain chaud, on la sèche dans un four à 2040 C pendant 10 minutes, puis on fait passer le fil dans une sûrie de filibres pour en réduire le diamètre jusqu'à une valeur finale de 0,13 cm Le fil éti- ré résultant est brillant, propre et, quand on l'utilise soit pour du soudage à l'arc, soit dans un équipement de soudage "Mig", il produit un cordon de soudage régulier, avec le mini- mum de crachements, et sans encrassement ni obstruction de l'équipement de soudage. Exemple 2 Une couronne constituée par du fil pour sou- dage à basse teneur en carbone, recuit (Type ER, 705-6, American Welding Society), ayant un diamtre de O,24 cm et qui a été nettoyé dans une solution de permanganate de potassium puis décapé dans une solution à 15 % d'acide chlorhydrique, est traitée comme suit: On prépare un bain aqueux contenant les quantités sui- vantes d'ingrédients Ingrédients Grammes par litre de solution Zn NO 3 3 H 20 12,7 H 3 P 04 ( 100 %) 11,3 KC 103 3,7 On chauffe le bain jusqu'à 5700, et on y plonge la cou- ronne de fil pour soudage pendant une minute quarante-cinq secondes. On sort la couronne du bain et on la plonge pendant trois minutes dans une solution neutralisante contenant 1,08 g de borax et 0,12 g de nitrite de sodium par litre d'eau, à la température ambiante ordinaire. On sort ensuite la couronne de fil de la solution neutra- lisante, puis on la plonge pendant cinq minutes à 880 C dans une solution aqueuse qui est en fait un bain de savon conte- nant, par litre, 60 g d'un mélange des sels de sodium d'acide stéarique ( 46 %), d'acide palmitique ( 49 e) et d'acide myris- tique ( 4 %)). On sort la couronne du bain de savon, on la sèche dans un four à 1770 C pendant 5 minutes, puis on fait passer le fil dans une série de filières pour en abaisser le diamètre jus- qu'à une valeur finale de 0,O 76 cm le fil résultant est brillant, propre, et il produit un cordon de soudage lisse et 1 1 régulier, avec le minimum de crachements, et sans encrassement ni obstruction de l'équipement de soudage. Exemple 3 On répète le mode opératoire de l'exemple 1, aux exceptions près spécifiées ci-dessous Le fil nettoyé et décapé est d'abord plongé pendant une minute dans une solution à 270 C pour l'activation du métal, contenant, pour un litre d'eau, 1,2 g d'un mélange ayaht la composition suivante: Ingrédients Composition É, en poids fluorure de titane et de potassium 2,36 phosphate disodique 44,79 citrate de sodium ( 2 H 20) 47, 15 phosphate trisodique 5,70 On sort le fil de la solution servant à activer le métal et on le traite par mise en oeuvre du procédé décrit dans l'exemple 1, à l'exception du fait que la durée du temps de contact dans le bain aqueux de revêtement contenant de l'aci- de phosphorique est abrégée jusqu'à une minute et demie. Le fil ainsi obtenu est brillant, propre, et, au cours d'une opération de soudage, il donne des résultats très ana- logues à ceux obtenus avec le fil produit en opérant de la manière décrite dans l'exemple 1. REVENDICATIONS 1 Procédé pour l'application d'un revêtement lubrifiant sur un fil, pour soudage, en acier à basse teneur en carbone, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il comporte les opéra- tions élémentaires successives consistant (A) à mettre un fil pour soudage en acier à basse teneur en carbone propre, décapé, en contact avec une solution aqueuse de revêtement contenant,-par litre de solution, de 1,6 à 3,8 g d'ion zinc bivalent, de 9,0 à 16,9 g d'acide orthophosphori- que, et de 1,6 à 3,5 g d'ion chlorate, à une température com- prise entre 380 C et 660 C, afin de former un mince revêtement sur le fil; (B) à éliminer -pratiquement toutl'excès de la solution de revêtement à partir de la surface du fil revêtu; (C) à mettre le fil revêtu en contact avec une solution aqueuse contenant un sel de métal alcalin d'un acide gras en 012 à 20; et (D) à retirer le fil revêtu hors de la solution aqueuse spécifiée pour l'opération élémentaire (C) et à chauffer le fil revêtu à une température comprise entre 1490 C et 2040 C pendant au moins cinq minutes. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, au cours de l'opération élémentaire (A), on met le fil en contact avec la solution de revêtement pendant un temps d'une durée comprise entre 45 secondes et 8 minutes. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, au cours de l'opération élémentaire (B), on élimine la solution de revêtement en excès à partir de la surface du fil revêtu en mettant ledit fil en contact avec de l'eau con- tenant un alcali et ayant un p H compris entre 8,0 et 9,5. 4 Procédé Selo l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que, au cours de l'opéra- tion élémentaire ( 0), on utilise, comme sel de métal alcalin d'un acide gras en C 12 à Cea, un sel de sodium d'un acide gras saturé en 012 à C 20, ledit sel étant de préférence du stéarate de sodium. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue l'opération élémentaire (C) à une température égale à au moins 66 o C. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce que l'on effectue l'opération élémentaire (A) à une température comprise entre 540 C et 630 C 0. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solution de revêtement spécifiée pour l'opération élémentaire (A) contient aussi, par litre, de 0,18 à 0, 23 g d'ion nickel bivalent et/ou de 0,05 à 0,37 g d'ion ferreux 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solution de revêtement spécifiée pour l'opération élémentaire (A) contient, par li- tre, de 2,3 à 2,8 g d'ion zinc bivalent, de 10,0 à 13,1 g d'acide orthophosphorique, et de 2,0 à 2,6 g d'ion chlorate. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, au cours de l'opération élémentaire (A), on fournit l'ion zinc à la solution sous la forme d'oxyde de zinc, et on fournit l'ion chlorate à la so- lution sous la forme de chlorate de sodium. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, au cours de l'opération élémentaire (A), la température de la solution et la durée du temps de contact de la solution avec le fil sont telles qu'il se forme sur le fil un revêtement pesant de 0,22 à 0,38 mg par centimètre-carré de surface développée par le fil, 11 Procédé pour réduire le diamÈtre d'un fil pour soudage, en acier à basse teneur en carbone, en le faisant passer au travers d'au moins une filiire réductrice du diamè- tre d'un fil, lequel procédé est caractérisé en ce qu'on le met en oeuvre sur un fil traité par mise en oeuvre d'un pro- cédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on nettoie le fil, par application d'ultra-sons, après en avoir réduit le diamètre. Utilisation, au cours d'une opération de soudage, pour soudage qui a subi une réduction de diamètre en oeuvre d'un procédé selon la revendication Il ou 13. d'un fil par mise 12.