Brevet FR2533481A1 — publié le 19840330

1. La présente invention concerne une électrode'tubu- laire continue fabriquée à partir d'une bande en acier à faible teneur en carbone à laquelle on a mécaniquement con- féré une forme en coupe circulaire et qui renferme un mélan- ge uniforme de composés décapants et d'ingrédients d'allia- ge,lesquels en meme temps que la gaine en acier à faible te- neur en carbone fournissent un dépôt de soudure en alliage à base de fer qui présente une meilleure dureté et une plus grande résistance à l'usure, On connaît dans l'art antérieur un fil d'électro- de à noyau en décapant, le fil comportant une gaine en acier à faible teneur en carbone dans laquelle est enfermé un no- yau de matériaux fondants et d'alliage. Comme indiqué dans le volume 6 du manuel "ASM Metals Handbook" ( 8 ème édition 1971) ayant pour titre "Welding and Brazing", pages 26 à 29, la fabrication d'un fil d'électrode avec noyau en fondant est une opération spé- cialisée et précise. On traite une bande en acier à faible teneur en carbone, par exemple en aciers au carbone tels que les aciers S.A E, 1006 10 Q 08, 1009, 1 Q 010 1012, 1015, 1016, 1017 et 1018 à 1025, etc, en la faisant passer dans des rouleaux de mise en forme qui confèrent à la bande une section en coupe en forme de U ou canal qui est alors rempli d'un mélange pré- 2 2533481 déterminé de fondant et d'ingrédients d'alliage en poudre. Après remplissage, la bande en forme de U, traverse alors deux rouleaux de fermeture qui la transforment mécanique- ment en tube par compression du matériau constituant le noyau En option, le tube rempli peut être réduit en le faisant passer dans des matrices d'étirage L'électrode peut ou non être cuite On peut obtenir une vaste gamme de dimen- sions allant des tailles standard d'un diamètre de 1,1 mm jusqu'à 4 mm ou plus, avec des intervalles de 0,8 ou 1,6 mm entre tailles. Les tailles précédentes permettent d'enrouler fa- cilement le fil pour former un rouleau continu ou de l'en- rouler sur des bobines. Dans la production de dépôts de soudure de grande dureté ou de revêtements de surface durs en faisant appel à des électrodes tubulaires dont le noyau est un fondant, il est important que le dépôt de soudure ne se fendille pas à l'issue du refroidissement à partir de l'état de masse fon- due De façon générale, plus le dépôt de soudure est dur, plus grande est la tendance qu'a le dépôt à se fendiller pendant son refroidissement, On connaît dans l'art des alliages de surface à base de fer, qui contiennent du carbone, du bore, du manga- nèse et du silicium Un alliage particulier talliage de bore AZ-3) est décrit dans un article de S N Levitskii et collaborateurs, dans une publication ayant pour titre Wel- ding Production 1977, volume 24, n 7, page 29 Cet alliage contient 0,8 % C, 1,8 % Si, 2,0 % Mn, 5,8 % B, le reste étant du fer, Un inconvénient des nombreux alliages haute- ment alliés en bore de ce type est la tendance qu'a le dé- pôt de soudure à se fendiller, Il serait souhaitable de disposer d'un dépôt de soudure hautement résistant à l'usure, de grande dureté, qui ne se fendille pas pendant son refroidissement à partir de l'état fondu, en particulier d'alliages à base de fer ayant une teneur élevée en bore du type dont il a été question ci-dessus, Un dépôt de soudure à base de fer, à haute teneur 3. en bore, a maintenant été mis au point qui présente une grande dureté, combinée avec une meilleure résistance à l'usure et une plus grande résistance au fendillement. Un objet de la présente invention est une compo- sition de dépôt de soudure présentant une meilleure dureté combinée a une plus grande résistance à l'usure. Un autre Objet de la présente invention est une électrode tubulaire dont le noyau est en fondant, formée à partir d'une bande en acier a faible teneur en carbone ou gaine renfermant un mélange de composés de fondants et d'ingrédients d'alliage pour la production d'un dépôt de soudure à base de fer contenant une teneur élevée en bore caractérisé par une grande dureté, une meilleure résistan- ce à l'usure et aux fendillements, car le dépôt de soudure ainsi produit est refroidi in situ à partir de l'état fondu. Un mode de réalisation de la présente invention réside dans une composition de dépôt de soudure comprenant essentiellement entre environ 014 et 0,8 % C, entre environ 4,8 et 6,2 % B, entre environ 1,6 et 3,0 % Mn, entre envi- ron 1,6 et 2,8 % Ni, entre environ 1,4 et 2,4 % Si, le res- te étant essentiellement du fer De préférence, la composi- tion peut comprendre entre environ 0,5 et 0,7 % C, entre environ 5 et 5,6 % B, entre environ 1,8 et 2,8 % Mn, en- tre environ 1,8 et 2,4 % Ni, entre environ 1,5 et 2,0 % Si, le reste étant essentiellement du fer. Un dép 8 t spécifique de soudure est un dépôt con- tenant approximativement 0,6 % C, 5,2 % B, 2 % Mn, 2 % Ni, 1,8 % Si, le reste étant essentiellement du fer. La présente invention prévoit en outre une élec- trode tubulaire continue constituée d'une bande en acier à faible teneur en carbone du type choisi dans les composi- tions d'aciers $ A,E, identifiées par S A E sous les nu- méros 1006 à 1025 et analogues, o D l'électrode est produi- te par lamtinage de la bande pour lui conférer une section circul&ire dans laquelle egt enfermé un noyau en métal d'apport constitué d'additions d'alliage de métaux en pou- dre mélangées à des composés de fondante La composition des matériaux d'apport (fondant et ingrédients d'alliage) 4, est contrôlée de façon à fournir un dépôt de soudure ou composition de surfaçage qui durcisse à l'air. Les dépôts durcissant à l'air obtenus à partir de l'électrode tubulaire de soudure sont caractérisés par une dureté extrêmement élevée, une résistance exception- nelle à l'abrasion et à l'usure aux températures ambiantes,- un faible coefficient de frottement et, en outre, sont uniques quant à leur ductilité ou ténacité car ils sont exempts de fendillements transversaux. Le fil de soudage fonctionne efficacement et ré- gulièrement sur des alimentations en courant continu et en courant alternatif et la dureté très élevée du dépôt et la résistance à l'usure sont obtenues dans une vaste gamme de conditions de dépôt, par exemple tension, ampérage, mas- se des parties, température des parties, composition du substrat, et analogue. On pense que la valeur élevée de la dureté et de la résistance à l'usure est due à la fraction, de volume élevé,de borures prismatiques, extrêmement durs, uniformé- ment répartis qui sont dispersés dans la totalité de la ma- trice de fer renforcée en solution solide de C, Mn, Si et Ni On croit que la morphologie prismatique et la distri- bution cristallographique des particules de borure contri- buent à la résistance exceptionnelle à l'usure du dépôt par exposition préférentielle d'une plus grande surface de la phase dure de fonctionnement à l'interface d'usure L'ad- dition de nickel à l'alliage est unique et essentielle en ce sens qu'elle contribue à la dureté tant des borures (Fe, Ni) que de la matrice, et, ce qui est des plus impor- tants, confère de la ductilité et de la ténacité à la ma- trice et aide à éviter le fendillement du dépôt dû aux con- traintea de cassure pendant le refroidissement, et donc l'écaill Jge et le piquage du dépôt en service. Dans la production du fil de soudure à partir d'une bande d'acier à Xible teneur en carbone (teneur en carbone comprise entre environ 0,05 % et environ 0,25 %), les composés du fondant compatibles avec l'alliage à base de fer de la présente invention peuvent être compris entre 5. environ 2 et environ 6 % de la composition totale du fil comprenant la gaine à faible teneur en carbone, Comme le fondant n'entre pas dans la composition de l'alliage suivant une quantité mesurable, la composition totale de l'alliage, y compris l'acier à faible teneur en carbone qui s'allie aux ingrédients d'alliage du noyau, constituera entre environ 94 % et 98 % du poids total du fil d'électrode Comme cela sera évident pour l'homme de l'art,cela est pris en compte dans la prédétermination de la composition du dépôt de soudure, en supposant une récu- pération sensiblement complète de la totalité des compo- sants d'alliage dans le dépôt final de soudure. Ainsi, si le fondant utilisé représente environ 4 % de la composition totale,le reste constituera les in- grédients d'alliage,y compris la gaine en acier à faible teneur en carbone-mélange d'alliage qui fournira la compo- sition de soudure désirée L'expression "dépôt de soudure" utilisée ici s'entend comme concernant tout dépôt lié, tel qu'un revêtement de surfaçage. A titre d'illustration des diverses compositions d'électrode (pourcentages en poids), on donnera les plages suivantes: Composition de l'électrode Plage vaste (%) Plage étroite Optimum (%) (A) Composés de fon- dant environ 2-6 environ 3-5 environ 4 (B) Ingré- dients 3 Q Td'allia- Bore environ 4,5-6 environ 4,75 environ 5,5 r 75 Maiganè- se environ 153 f 2 envron7 environ 2,1 2,75 Nickel environ 1 f 5 environ l,73 environ 1,9 2075 2 r 3 Sili environ 13 environ 1,45 environ 1,5 cium 3 2,25 1,9 Carbone environ 0,375,environ 0,45 environ 0,575 1,2 0,7 Fer reste reste reste 6. X La quantité d'ingrédients d'alliage indiquée ci-dessus tient compte de la quantité des ingrédients formant la crasse, des pertes dues à l'oxydation et aux réactions de la crasse, etc. 1 Le bore est généralement ajouté sous forme d'alliage ferro-bore contenant environ 20 % de bore. 2 Le manganèse est ajouté sous forme d'alliage ferro- manganèse contenant environ 80 % de Mn. 3 Le silicium est ajouté sous formé de Si C contenant environ 70 % Si. Les quantités des ingrédients d'alliage sont indi- quées sous forme élémentaire, bien que certains soient ajoutés sous forme de ferro-alliages comme indiqué dans le tableau précédent. T Promnros 6 omde fnndant préférés constituant en- tre environ 2 et 6 % de la composition totale sont indiqués ci-dessous en termes de composition totale du fil de sou- dure. En option, un ou plusieurs des fondants suivants peuvent être ajoutés; jusqu'à environ 1 % de feldspath (par exemple 0,5 1 %, jusqu'à environ 1 % de cryolite (par exemple 0,4-1 %) et jusqu'à environ 0,6 % A 1203 (par exemple 0,2 à 6 %), Une plage préférée va d'environ 0,6- 0,8 % de feldspath (par exemple 0,8 %), d'environ 0,8 à 1 % de'cryolite (par exemple environ 0,8 %) et d'environ O t 3 et 0,5 % A 1203 (par exemple environ 0,4 %), Comme cela est généralement le cas, certains des ingrédients d'alliage peuvent contenir des impuretés sui- vant des quantités qui n'affectent pas de façon néfaste les Composé Plage vaste (%) Plage étroite Optimum (%) (%) Fluorine environ 0,2-1,4 environ 0,8 environ 1,1 1,2 Rutile environ 0,4-1,0 environ 0,8 environ 0,8 1,0 Aluminium environ 0,2-0,6 environ 0,3 environ 0,4 0,5 Magnétite environ 1, 5-2,5 environ 1,8 environ 1,9 2,0 2 '533481 propriétés du dépôt de soudure De tels ingrédients d'allia- ge peuvent contenir également des quantités résiduelles de silicium, manganèse,carbone, fer et analogue, qui peuvent être prises en considération lors de la détermination de la composition globale de l'alliage. A titre d'illustration de la présente invention, on se reportera aux exemples suivants concernant la composi- tion d'électrode: Composition en % en poids Qomposition Exemple Exemple 2 Exemple 3 Exemple 4 e 'électrode -1 arbone 1,10 0,9 1 l,1 Bore 5,6 5,3 5, 3 5,3 Manganèse 2,1 2,0 3,2 2,3 Nickel 2,0 1,9 1,9 1,9 Silicium 1,5 1,4 1, 4 1,4 Fluorine 1,2 0,4 1,1 1,1 Rutile 0,8 0,4 0,8 0,8 Aluminium 0,4 0,4 0, 4 0,4 Titane 1,1 Magnétite 2,0 1,9 1,9 1,9 Feldspath 0,8 Fer 83,3 83,4 83, 1 83,8 Composition en % en poids Composition Exemple 1 Exemple 2 Exemple 3 Exemple 4 de soudure Carbone 0,63 0,67 0,70 0,66 Bore 5,2 5,2 5,3 5,1 Manganèse 2,0 2,0 2,8 2,1 Nickel 2,0 2,0 2,2 2,1 Silicium 1,7 1,9 1,9 1,6 Titane 0,3 __ Fer 88,47 87,93 87,10 88,44 Les tests concernant la dans le tableau suivant; dureté et l'usure sont résumés 8 2533481 ^Le facteur d'usure est défini par la réciproque de la perte en volume de l'échantillon et est basé sur une densité d'échantillon calculée de 6,6 g/cm, Le test d'usure utilisé ici est celui qui est dé- crit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 013 453, colonne 9, dans lequel on utilise un système à pivot compre- nant un arbre nonté en pivotement qui supporte un poids prédé- terminé de manière à créer une force à l'extrémité opposée du pivot comprenant un élément en forme de L qui s'appuie con- tre une roue en rotation avec un échantillon à tester monté sur la face de l'élément en forme de L Les parties dures de Si Q 2 ou Si C proviennent d'une trémie et se dirigent vers un endroit situé entre l'échantillon et la roue en contact avec celui-ci et l'usure est calculée en termes de volume de dépôt de soudure enlevé Le facteur d'usure est alors dé- terminé par la réciproque du volume enlevé Plus le volume enlevé est faible,plus grande est la résistance à l'usure. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits,elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. Exepxemle 2 Exemple 3 Exem le 4 Dureté Rock- well "C" de la soudure brute de dépôt 63 68 67 69 Facteur d'usure par abrasion 110,9 54,4 73,7 63,6 y, REVENDICATQIONS 1 Dépôt de soudure, caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué d'environ 0,4 à O 08 % C, d'envi- ron 4,8 à 6,2 % B,d'environ-l,6 à 3,0 % Mn, d'environ 1,6 à 2,8 % Ni, d'environ 1,4 à 2 e 4 % Si, le reste étant essen- tiellement du fer. 2 Dépôt de soudure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition est constituée essen- tiellement d'environ 0,5 à 0,7 % C, d'environ 5,0 à 5,6 % B, d'environ 1,8 à 2,2 % Mn, d'environ 1,8 à 2,4 % Ni, d'envi- ron 1,5 à lr 8 % Si, le reste étant essentiellement du fer. 3 Dépôt de soudure selon la revendication 2, caractérisé en ce que la composition comprend essentielle- ment les éléments suivants; 0,6 % C; 5,2 % B; 2 % Mn; 2 % Ni, 1,8 % Si, le reste étant essentiellement du fer. 4 Electrode tubulaire de soudage à noyau en fon- dant constituée d'une bande en acier à faible teneur en carbone dans laquelle est enfermé un mélange uniforme d'in- grédients d'alliages et de composés de fondant dans des pro- portions telles que sensiblement la composition totale de l'électrode de soudage comprenant la gaine en acier à faible teneur en carbone est constituée essentiellement, en poids, d'environ 4,5 % à 6 % B, d'environ 1,5 à 3,2 % Mn, d'envi- *ron 1,5 à 2,75 % Ni,d'environ 1,-3 à 2,25 % Si, d'environ 0,375 à 1,2 % C, d'environ 2 à 6 % de matériau fondant compatible avec les ingrédients d'alliage, le reste'étant essentiellement du fer, la composition de l'électrode étant telle que le dépôt de soudure produit par l'électrode est constitué essentiellement, en poids, d'environ 0,4 à O,8 % C, d'environ 4 r 8 à 6,2 % B, d'environ 1,6 à 3,0 % Mn, d'en- viron 1,6 à 2,8 % Ni, d'environ 1,4 à 2,4 % Si, le reste étant essentiellement du fer, Electrode selon la revendication 4, caracté- risée en ce que la composition de fondant dans la gamme allant d'environ 2 à 6 % contient d'environ 0,2 à 1,4 % de fluori- ne, d'environ 0,4 à 1 % de rutile, d'environ 0,2 à 0,6 % d'aluminium et d'environ 1,5 à 25 % de magnétite. 6 Electrode selon la revendication 5,caractéri- t sée en ce qu'elle comprend en option au moins un fondant supplémentaire choisi dans le groupe constitué de: jusqu'à environ 1 % de feldspath, jusqu'à environ 1 % de cryolite et jusqu'à environ 0,6 % A 1203. 7 Electrode tubulaire de soudage à noyau en fondant, constituée d'une bande en acier à faible teneur en carbone, renfermant un mélange uniforme d'ingrédients d'alliage et de composés de fondant dans des proportions telles que sensiblement la composition totale de l'électro- de comprenant la gaine en acier à faible teneur en carbone est constituée essentiellement, en poids, d'environ 4,75 à 5,75 % B, d'environ 1,7 à 2, 75 % Mn, d'environ 1,7 à 2,3 % Ni, d'environ 1,45 à 1,9 % Si, d'environ 0, 45 à 0,7 % C, d'environ 3 à 5 % de matériau de fondant compatible avec les ingrédients d'alliage,le reste étant essentiellement du fer, la composition de l'électrode étant telle que le dépôt de soudure provenant de l'électrode est constituée essen- tiellement, en poids,d'environ 5 à 5,6 % B, d'environ 1,8 à 2,8 Mn, d'environ 1,8 à 2,4 % Ni, d'environ 1,5 à 2,0 % Si, le reste étant essentiellement du fer. 8 Electrode selon la revendication 7, caractéri- sée en ce que la composition du fondant dans la gamme allant d'environ 3 à 5 % contient d'environ 0,8 à 1,2 % de fluori- ne, d'environ 0,8 à 1 % de rutile, d'environ 0,3 à 0,5 % d'aluminium et d'environ 1,8 à 2 % de magnétite. 9 Electrode selon la revendication 8, caracté- risée en ce qu'elle comprend, en option, au moins un fon- dant supplémentaire choisi dans le groupe constitué: d'en- viron 0,5 à 1 % de feldspath, d'environ 0,4 à 1 % de cryoli te et d'environ 0,2 à 0,6 % A 1203.