Brevet FR2535991A1 — publié le 19840518

1. La présente invention concerne un alliage de revê- tement à base de nickel pour pièces en fonte et un procédé de revêtement de pièces en fontetelles que des pièces de moule pour verre La présente invention concerne également des articles composites obtenus avec le procédé de l'inven- tion. La fonte est définie en page 7 de l'ouvrage ASM Metals Handbook (volume 1, 8 ème édition, 1961) comme du fer contenant du carbone en excès de solubilité dans la pha- se austénitique qui existe dans l'alliage à la température eutectique L'expression "fonte" employée ici comprend la fonte grise, la fonte blanche, la fonte malléable et la fonte nodulaire Les fontes contiennent en général plus de 1,5 % de carbone en poids Par exemple, la fonte grise peut contenir de 1,7 à 4,5 % de carbone et de 1 à 3 % de sili- cium La fonte malléable peut contenir entre environ 2 et 2,65 % de carbone et entre 0,9 et 165 % de silicium, entre autres éléments La composition d'une fonte nodulaire ou ductile non alliée est semblable à celle de la fonte grise. Une composition connue de fonte nodulaire contient en poids 3,2 à 41 l % Cf 1,8 à 2,8 % Si, jusqu'à 0,8 % Mn; 0,1 % maximum de phosphore et 0,03 % maximum de soufre D'une ma- nière générale, la teneur en carbone peut être comprise entre environ 2 et 4,5 %, On sait former du verre en façonnant du verre en fusion hautement visqueux dans des moules métalliques jusqu'à ce que le verre se refroidisse suffisamment pour permettre l'enlèvement de la forme vitreuse moulée Comme le verre en fusion a tendance à adhérer à un moule métallique et que la surface du moule en contact avec le verre en fusion a tendance à s'user si elle n'est pas lubrifiées un agent de démoulage est généralement appliqué sur la surface intérieure du moule pour faciliter la libération de l'article en verre moulé, et dans une certaine mesure réduire l'usure, Cela cause un problème particulier dans le cas o le verre en fusion a une température d'environ 980 à 12000 C Cependant, à ces températures, l'agent de démoulage a tendance à se vaporiser et la partie du moule en contact avec le verre chaud peut par conséquent s'user rapidement. Un équipement de formation du verre, par exemple des moules à ébauches des moules de soufflage, des plon- geurs, des chicanes,des plaques inférieures, etc. sont largement constitués de fonte La fonte est sujette à usure dans les conditions discutées ci-dessus Il serait souhaitable de disposer d'un procédé de dépôt d'un revê- tement métallique dur, dense, résistant à l'usure, sur des parties de moule pour verres employant une technique de sou- dage pour rendre la pièce en fonte plus résistante à l'usu- re aux températures élevées de moulage du verre Cependant, un inconvénient de la production de revêtements soudés sur la fonte est la tendance qu'a le carbone libre de la fonte de réagir, aux températures élevées de soudage, à l'air contigu à la soudure pour former des gaz tels que CO 2 qui produisent des dépôts très poreux ayant des propriétés métalliques inférieures Un objet de la présente invention est un procédé de fabrication d'un revêtement d'une partie en fonte avec un alliage à base de nick el, lié par soudure, Un autre objet de la présente invention est une poudre en alliage à base de nickel destinée à être utilis sée dans la fabrication d'un revêtement dense, à soudure 3- 2535991 par pulvérisation, lié par soudure à une surface en fon- te. Un autre objet de la présente invention est de fournir comme article composite manufacturé une pièce en fonte revêtue d'alliage, obtenue à partir d'un allia- ge à base de nickel contenant du titane. Un autre objet de la présente invention est une partie de moule pour verre en fonte revêtue d'un alliage à base de nickel. La présente invention sera bien comprise lors de la description sivante faite en liaison avec les des- sins ci-joints dans lesquels - Les figures 1 et 2 représentent schématiquement une opération de soudage à l'arc transféré par plasma selon la présente invention, et selon l'art antérieur, respectivement, dans le cas d'une application à une sur- face en fonte; La figure 3 est une vue en coupe d'un ajutage pour arc transféré par plasma et un schéma sous forme de blocs d'un circuit électrique relié à l'ajutage, et au substrat métallique en cours de revêtement en faisant appel à la technique de revêtement par arc par transfert en plasma; et Les figures 4 et 5 sont des représentations photomicrographiques de la section du revêtement en allia- ge à base de nickel après liaison par soudage à une sur, face en fonte. Un mode de réalisation de la présente invention réside dans un procédé de fabrication d'un revêtement d'une pièce en fonte avec un alliage à base de nickel, lié par soudure, presentant une porosité minimum à l'interface de la soudure Le procédé comprend l'applica- tion d'une poudre d'unalliage constitué essentiellement d'environ 0,5 à 5 % Ti, d'environ 0,5 à 5 % Sir de O à environ 5 % Br de O à environ 2 % Mn, de O à environ 1 % Ai, de O à environ 5 % Pe F de O à environ 15 % Cr, de O à environ 0,5 % C, le reste étant essentiellement du nickel, en utilisant le processus à arc avec transfert par 4. plasma, avec la pièce en fonte couplée électrique- ment au circuit de formation de plasma en en constituant l'anode, le courant de poudre étant dirigé par un gaz de support dans l'arc a plasma vers la surface de la piè- ce en fonte Le dépôt de l'alliage est contrô 81 é pendant la pulvérisation de manière à maintenir une flaque de l'allia- ge entre le plasma de l'arc et la substrat de la pièce en fonte pour la protéger contre une fusion excessive à par- tir de l'arc de transfert, tout en facilitant une réaction de soudage entre la flaque et le substrat en fonte, La pul- vérisation par plasma se-poursuit progressivement le long du substrat en fonte en cours de revêtement, tout en mainte- nant la flaque d'alliage entre l'arc a plasma et le subs- trat en fonte Jusqu'à la terminaison du revêtement, d'o il résulte un revêtement dense enkalliage à base de nickel lié par soudage, qui est caractérisé par une microstructu- re ayant une fine distribution du carbure de titane secon- daire, formé par réaction du titane de l'alliage avec le carbone de la fonte. Un autre mode de réalisation de la présente in- vention concerne un article composite comprenant une pièce en fonte revêtue d'alliage, le revêtement en alliage étant un alliage à base de nickel constitué essentiellement d'en- viron 0,5 à 5 % Ti, d'environ 0,5 à 5 % Sip de O à environ 5 % B, de O à environ 2 % Mn, de O à environ 1 % Al, de O à environ 5 % Fe, de O à environ 15 % Cr, de O à environ 0,5 % C,le reste étant essentiellement-du nickel lié par soudure à la partie en fonte, et caractérisé par une mi- crostructure contenant une fine distribution de carbure de titane secondaire formé par réaction du titane de l'allia- ge avec le carbone de la fonte, Un autre mode de réalisation comprend une partie de moule pour verre en fonte, ayant lié par soudure à. au moins une partie de sa surface qui est en contact avec le verre en fusion, nn revêtement en alliage à base de nie ckel constitué essentiellement d'environ 0,5 à 5 % Ti, d'environ 0,5 à 5 % Si, de O à environ 5 % B, de O à envi ron 2 % Mn, de O à environ 1 % Al, de O a environ 5 % Fe. 5. 2535991 de O à environ 15 % Cr, de O à environ 0,5 % C, le reste étant essentiellement du nickel, le revêtement en alliage étant lié par soudage à la partie du moule pour verre et étant caractérisé par une microstructure contenant une fi- ne distribution de carbure de titane secondaire formé - par réaction du titane de l'alliage avec le carbone de la partie du moule en fonte, Un revêtement préféré en alliage à base de nickel contient environ 0,5 à 3 % Ti, environ 0,5 à 3 % Si, envi- ron 0,5 à 2 % B, environ 1 % Mn au maximum, environ 1 % A 1 au maximum, environ 0,5 à 3 % Fe, O à environ 10 % Cr, environ 0,05 à 0,3 % C, le reste étant essentiellement du nickel. L'alliage de revêtement est de préférence une poudre atomisée caraetérisée par une taille moyenne de par- ticule tombant dans la plage allant d'environ 44 à 177 mi- crons. La microdureté de l'alliage déposé est comprise entre environ 80 Rockwell HRB et 35 HRC, et, grâce à la dispersion du carbure de titane secondaire dans le dépôt de soudure, la résistance à l'usure est excellente L'uti- lisation du titane comme additif d'alliage est très im- portante à cause de sa solide affinité pour le carbone et pour l'azote De manière à assurer un dépôt dense de soudu- re, il est important que le revêtement soit exécuté dans des conditions permettant d'éviter une fusion excessive du substrat en fonte et donc la réaction de l'interface de la fonte à la soudure avec l'oxygène de l'air et par consé- quent l'oxydation du carbone libre dans la fonte pour donner du C 02 qui rend poreux le dép 8 t de soudure et a des proprié- tés métallurgiques inférieures quant au revêtement de pro- tection. Pour éviter la porosité de la soudure, l'arc à plasma est contrôlé en maintenant une flaque de l'alliage déposée entre l'arc et le substrat en fonte 1 d'oû il résulte que la surchauffe du substrat est inhibée et que l'oxyda- tion du carbone libre de la fonte est minimisée, Cela est représenté en figures 1 et 2, 6, Le procédé représenté en figure 1 est indési, rable comme cela apparaîtra clairement dans la description suivante L'ajutage de plasma 10 est représenté pendant qu'il dépose de la poudrevia un arc à plasma 11, sur un métal de base 12 (fonte) Un dépôt 13 sous forme d'une flaque est formé avec l'arc 11 conduisant la flaque de sorte qu'une partie importante de l'arc frappe le subs- trat en fonte en 14. D'autre part, la figure 2 montre que, en contrô- lant l'arc à plasma et la vitesse relative de déplacement entre l'ajutage O 10 A et la pièce, c'est-a-dire en déplaçant la pièce par rapport à l'ajutage ou bien en déplaçant l'ajutage par rapport à la pièce, une flaque 13 A d'allia- ge de revêtement peut être maintenue et placée par rapport à l'ajutage de façon à subir la totalité de l'arc et proté- ger le substrat contre un contact direct avec l'arc. La relation de l'arc de transfert entre le cha- lumeau à plasma et la pièce (fonte) est représentée schéma- tiquement et par un diagramme en forme de blocs en figure 3, qui illustre un chalumeau 15 en coupe comprenant une électrode centrale 16 en tungstène entourée par une élec- trode annulaire en cuivre 17 refroidie par eau, Un gaz de plasma à l'argon 18 traverse l'espace annulaire 19 entre l'électrode en tungstène 16 qui constitue la cathode et l'électrode en cuivre 17 qui constitue l'anode En liai- son avec le schéma sous forme de blocs situé à la droite du chalumeau, l'électrode en tungstène 16 est représentée alors qu'elle est couplée à la borne négative d'un généra- teur haute fréquence 20 qui est monté en parallèle sur une source d'alimentation 21 De même, l'anode en cuivre 17 est couplée à la borne positive du générateur haute fréquen- ce et la source d'alimentation avec la pièce est également couplée pour constituer l'anode afin d'assurer la formation de l'arc de transfert, Un arc pilote 22 est formé à l'extrémité de l'ajutage entre les électrodes en tungstène et en cuivre, qui a pour effet d'ioniser le gaz argon 18 traversant l'espace annulaire qui entoure l'électrode en tungstène 25359 1 7. et amorce l'arc de transfert qui est attiré vers la piè- ce par le potentiel plus élevé de celle-ci, cette pièce constituant l'anode. Un gaz de protection constitué soit de 93 % d'argon plus 7 % d'hydrogène ( 23) soit d'argon traverse également un espace annulaire extérieur 24, Une alimenta- tion séparée en argon sert de gaz porteur et dirige la poudre, par passage dans des orifices 25, vers l'arc à plasma, Le gaz de protection permet d'éviter l'oxydation du dépôt, dépôt qui, en regard de l'ajutage, protège à. son tour le substrat en fonte contre un contact direct avec l'arc de transfert à haute température On doit ajou- ter que le mélange A/a 2 a la préférence car son emploi permet également d'améliorer la mouillabilité de l'allia- ge en fusion, vis-à-vis du substrat Les détails du sys- tème avec arc de transfert n'ont pas besoin d'être dé- crits davantage Le système utilisé de-préférence est celui qui est appelé Eutronic Gap (marque déposée), utili- sant le chalumeau Eutronic Gap vendu par la société dite Eutectic Corporationde Flushing, New York, Pour la mise en pratique de laprésente inven- tion, on a déposé, en utilisant le système d'arc transfé- ré Eutronic Gac, les compositions suivantes d'alliage à base de nickel. _ Le procédé décrit pour la figure 3 a été em- ployé dans le revêtement d'une chicane-de moule pour verre, en fonte (fonte ductile ou fonte nodulaire) L'aju- tage a été maintenu à une distance de 10 mm de la pièce. La poudre a été introduite une cadence de 2,2 kg/heure dans un gaz porteur constitué d'argon fourni à une pres- sion de 1,4 bar (jauge), le gaz ionisé étant de l'argon Allia-I%Ti %Si %B %Mn I%A 1 %Fe %Cr%C l%Ni qe N O I i 1 1,6 1,5,O 0,12 0,12 1,6 5,0 0,17 reste 2 2,76 0,005 0,24 023 O 0051 0,05 reste 3 0,8 1,8 1,0 1,5 0,8 1,1 0, 15 reste 4 1,1 Q,9 0,8 0,8 0,8 1,1 0,13 reste J 8. pur fourni à une pression de 4,2 bars, le gaz de protec- tion étant constitué de 93 % d'argon et de 7 % d'hydrogène et fourni à une pression de 4,2 bars On a ainsi obtenu un revêtement constitué de chacune des compositions d'alliage. L'examen de chacun des revêtements d'alliage - talliages n 1 à 4) a montré que le dépôt était très den-. se, solidement lié par soudage au substrat en fonte èt sensiblement exempt de poches de gaz ou de porosité, Les microstructure des alliages numéro 1 et 2 ont également montré que le titane de l'alliage réagit avec le carbone libre de la fonte pour former une fine dispersion de car- bure de titane dans la matrice d'alliage à base de nickel (voir les figures 4 et 5) La dureté de chacun des revêtements tombait dans la plage allant d'environ 80 HRB à 35 IRC, Rockwell C comme suit: Alliage N O Dureté Rockwell 1 HRC 28 2 f RS 80 3 URC 35 4 ERC 2 O L'appréciation de certaines des valeurs de mesu- res indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de varian- tes qui apparaîtront à l'homme de l'art, a, 25359 REVENDICATIONS 1, Procédé de fabrication par soudage à arc de transfert à plasma d'un revêtement d'une piece en fon- te avec un alliage à base de nickel, lié par soudure, pré- sentant une porosité minimum l'interface de la soudure, caractérisé en ce qu'il comprend: - le dépôt d'un revêtement en alliage constitué essentiellement d'environ 0,5 à 5 % Ti, d'environ 0,5 à % Si, de O à environ 5 % B, de O à environ 2 % Mn, de à environ 1 % AI, de O à environ 5 % Fe, de O à envie ron 15 % Cr, de O à environ 0,5 % C, le reste étant essen- tiellement du nickel en faisant appel à un processus avec plasma du type arc de transfert, avec la pièce en fonte reliée électriquement à un circuit de formation de plasma en en constituant l'anode, le courant de poudre étant dirigé par un gaz porteur dans l'arc à plasma, et vers la surface de la pièece en fonte, le contrôle du dép 8 t de l'alliage au cours du processus de dépôt de manière à maintenir une flaque de l'alliage entre le plasma de l'arc de transfert et le subs- trat de la pièce en fonte de manière à la protéger contre une fusion excessive due à l'arc, tout en facilitant la réaction de diffusion entre la flaque et le substrat en fonte, et la poursuite du processus de revêtement par arc à plasma en progressant le long du substrat en fonte à revêtir tout en maintenant la flaque d'alliage entre l'arc et la fonte jusqu'à la terminaison de son revêtement, d'oa il résulte l'obtention d'un alliage dense 3 Q à base de nickel, lié par soudure,qui est caractérisé par une microstructure ayant une fine distribution de carbure de titane secondaire formé par réaction du titane de l'alliage avec le carbone de la fonte, 2 Procédé selon la revendication 1 caractéri- sé en ce que l'alliage déposé a une composition constituée essentiellement d'environ 05 à 3 % Ti, d'environ 0,5 à 3 % Si, d'environ 0,5 2 % a, d'environ 1 % Mn au maximum, d'environ 1 % A 1 au maximum, d'environ 0,5 à 3 % Fe, de 25359 1 , 0 à environ 10 % Cr, d'environ 0,05 à 0,3 % C, le res- te étant essentiellement du nickel, 3 A titre d'article composite manufacturé, pièce en fonte revêtue d'un alliage, ce revêtement en al- liage étant un alliage à base de nickel, constitué essentiel- lement d'environ 0,5 à 5 % Ti, d'environ 0,5 à 5 % Si, de O à environ 5 % B, de O a environ 2 % Mn, de O à envi- ron 1 % Al, de O à environ 5 % Fe, de O à environ 15 % Cr, de O à environ 0,5 % C, le reste étant essentiellement du nickel, le revêtement en alliage étant lié par soudure à la pièce en fonte et étant caractérisé par une micro- structure contenant une fine distribution de carbure de titane secondaire formé par réaction du titane de l'allia- ge avec le carbone de la fonte, 4 Article composite selon la revendication 3, caractérisé en ce que la composition est constituée essen- tiellement d'environ 0,5 à 3 % Ti, d'environ 0,5 à 3 % Si,d'environ 0,5 à 2 % B, d'environ 1,0 % Mn au maximum, d'environ 1,0 % Al au maximum, d'environ 0,5 à 3 % Fe, de O à environ 10 % Cr, d'environ 0,05 à 0,3 % C, le reste étant essentiellement du nickel, A titre d'article composite manufacture, partie de moule en fonte pour verrelayant lié par soudure au moins une partie de sa surface qui contient du verre en fusion, un revêtement en alliage à base de nickel cons- titué essentiellement d'environ 0,5 à 5 % Ti, d'environ 0,5 à 5 % Si, de O à environ 5 % B, de Q à environ 2 % Mn, de O à environ 1 % Al,de O à environ 5 % Fe, de O à envi- ron 15 % Cr, de O à environ 0,5 % C, le reste étant essen- tiellement du nickel, le revêtement en alliage étant lié par soudure à la partie du moule et étant caractérisé par une microstructure contenant une fine distribution de car- bure de titane secondaire formé par réaction du titane de l'alliage avec le carbone de la pièce en fonte du moule. 6 -: Article comp Qsite selon la revendication 5, caractérisé en ce que la composition est constituée essen- tiellement d'environ 0,5 à 3 % Ti, d'environ 0,5 à 3 % Si, d'environ 0,5 à 2 % B, d'environ 1 % Mn maximum, d'environ 11 -2535991 1,0 %-A 1 maximum, d'environ 0,5 à 3 % Fe, de O à environ % Cr,d'environ 0,05 à 0,3 % Cile reste étant essentiel- lement du nickel. 7 Alliage de revêtement pour fonte, constitué essentiellement d'environ 0, 5 à 5 % Ti, d'environ 0,5 à % Si, de Q à environ 5 % B, de O à environ 2 % Mn, de O à environ 1 % Ai, de O à environ 5 % Fe, de O à environ % Crde O à environ 0,5 % Cle reste étant essentielle- ment du nickel, 8 Alliage de revêtement selon la revendication 7, caractérisé en ce que la composition est constituée es- sentiellement d'environ 0,5 à 3 % Ti, d'environ 0,5 3 % Si, d'environ 0,5 à 2 % B, d'environ 1,0 % Mn au maximum, d'environ 1,0 % Ai aumaximum, d'environ 0,5 à 3 % Fe, de Q à environ 10 % Cr, d'environ 0,05 à 0,3 % C, le reste étant essentiellement du nickel, 9 Poudre d'alliage à base de nickel atomisée, destinée à être utilisée dans un soudage par arc transféré par plasma constituée essentiellement d'environ 0,5 à 5 % Si, de O à environ 5 % B, de O à environ 2 % Mn, de O à environ 1 % Alede O à environ 5 % Fe, de O à environ 15 % Cr, de O à environ 0,5 % C, le reste étant essentiellement du nickel, la poudre de pulvérisation par flamme étant caractérisée par un diamètre moyen de particule tombant dans la plage allant entre environ 44 et 177 microns, Poudre d'alliage selon la revendication 9, caractérisé en ce que la composition est constituée essen- tiellement d'environ 0,5 à 3 % Ti, d'environ 0,5 à 3 %'Si, d'environ 0,5 à 2 % B, d'environ 1 % Mn maximum, d'environ 1 % A 1 au maximum, d'environ 0,5 à 3 % Fe, de O à environ % Cr, d'environ 0,5 à 0,3 % C, le reste étant essen- tiellement du nickel.