Brevet FR2524906A1 — publié le 19831014

La présente invention se rapporte à un alliage de cobalt qui peut être utilisé dans le soudage par accumulation pour former des cordons durs ayant une forte résistance à l'usure et aux fissures de soudure. Dans la fabrication des pompes et des vannes, les pièces qui doivent avoir une forte résistance à l'usure sont jointes les unes aux autres par soudage par accumulation d'un métal dur Des alliages typiques conven- tionnellement utilisés dans ce but sont un alliage de cobalt consistant essentiellement en 2 % Ni, 30 % Cr, 12 % W, 2 % Fe, 2,5 % C, le restant étant Co, et un alliage de cobalt consistant essentiellement en 2,5 % Ni, 28 % Cr, 4 % W, 4 % Mo, 2 % Fe, 1,0 % C, le restant étant Co, le pourcentage étant sur une base pondérale Cependant, pendant les opérations de soudage, des fissures fines se développent souvent dans un cordon du fait des éléments B, P et S qui sont contenus dans l'alliage comme impuretés accidentelles, et le fabricant accepte, de façon tacite, les fissures parce que le cordon de soudure présente un avantage important, sa forte résistance à l'usure. Récemment, une proposition a été faite pour que ces alliages durs de Co avec leur forte résistance à l'usure soient utilisés comme métal à souder dans le soudage par accumulation de pièces de générateurs nucléaires, et quand on les utilise dans ce but, la plus légère fissure est fatale et doit être évitée par tous les moyens. Les présents inventeurs ont fait diverses études pour obtenir un alliage pouvant être utilisé dans un soudage par accumulation afin de produire un cordon ne présentant pas de fissure de soudure et ayant une résis- tance à l'usure aussi élevée que celle d'un alliage dur en cobalt conventionnel pour le soudage par accumulation, et ils sont arrivés à un alliage de cobalt consistant essentiellement en 1,là 3,0 % Si, 0,2 à 0,5 % C, 25,0 à 30,0 % Cr, 0,1 à 1,0 % W, 0,2 à 3,0 % Fe, 0,4 à 6,0 % Mo, 0,1 à 2,0 % Mn, 1,0 à 4,0 % Ni, le restant étant Co et des impuretés accidentelles (le pourcentage étant sur une base pondérale) Même lorsque cet alliage contient environ 0,007 % B, 0,01 % P, et 0,2 % S comme impuretés, on peut l'utiliser dans le soudage par accumulation pour former des cordons ne présentant pas de fissures, en particulier des fissures fines usuellement trouvées entre les cordons, et qui sont remarquablement durs et présentent une forte résistance à l'usure. La criticalité des quantités des composants respectifs des alliages de cobalt selon l'invention est décrite ci-après. (a) Si Le composant Si confine les fissures fines déve- loppées pendant le soudage par accumulation et empêche ainsi les fissures d'affecter le cordon de soudure Le silicium a un effet désoxydmt et de plus, il améliore l'aptitude au moulage d'un matériau de soudage Si la teneur en Si est inférieure à 1,1 %, la résistance souhaitée aux fissures de soudure n'est pas garantie et si la teneur en Si dépasse 3,0 %, le cordon de soudure devient trop dur pour être usiné en le coupant ou en le meulant Par conséquent, le silicium est contenu dans l'alliage de Co de la présente invention en une quantité de 1,1 à 3,0 %. (b) C Le composant C est lié à Cr, W et Mo pour former des carbures respectifs améliorant ainsi la dureté à chaud et à froid et la résistance à l'usure du cordon de soudure. Si la teneur en carbone est inférieure à 0,2 %, il ne se produit pas de cordon de soudure ayant la résistance à l'usure souhaitée et si la teneur dépasse 0,5 %, il y a réduction de la résistance au choc thermique Par conséquent, la teneur en carbone de l'alliage de cobalt selon l'inven- tion est limitée à une valeur entre 0,2 et 0,5 %. (c) Cr Le composant Cr forme une solution solide dans le métal de base et augmente sa résistance et sa dureté à chaud De plus, le chrome se lie au carbone pour former un carbure qui contribue à l'augmentation de la résistance à l'usure du cordon de soudure Si la teneur en Cr est inférieure à 25,0 %, on ne produit pas de cordon de soudure ayant les propriétés souhaitées et si la teneur dépasse ,0 % il y a une forte diminution de la ténacité du cordon de soudure Par conséquent, le chrome est contenu dans l'alliage de cobalt de la présente invention en une quantité de 25,0 à 30,0 %. (d) Mn Le composant Mn a des effets désoxydants et désulfurants ainsi que la capacité d'améliorer l'aptitude au soudage par accumulation Si la teneur en Mn est infé- rieure à 0,1 %, ces propriétés souhaitées ne peuvent être atteintes et si la teneur dépasse 2,0 %, il se forme beaucoup de scories pendant le soudage, rendant impossible la production d'un cordon de soudure normal Par conséquent, le manganèse est contenu dans l'alliage de cobalt de la présente invention en une quantité de 0,1 à 2,0 %. (e) W Le composant W, comme Cr forme une solution solide dans le métal de base et augmente sa résistance et forme un carbure augmentant ainsi la résistance et la dureté à chaud du cordon de soudure Si la teneur en W est inférieure à 0,1 %, ces propriétés ne peuvent être atteintes et si la teneur dépasse 1,0 %, l'usinabilité du cordon de soudure diminue Par conséquent, le tungstène est contenu dans l'alliage de cobalt de la présente invention en une quantité de 0,1 à 1,0 %. (f) Fe Le composant Fe est efficace pour former un cordon de soudure ayant une meilleure résistance au choc thermique. La quanti-té minimale pour atteindre la résistance souhaitée au choc thermique est de 0,2 %, mais si la teneur en Fe dépasse 3,0 %, il y a réduction de la résistance à l'usure du cordon de soudure Par conséquent, le fer est contenu dans l'alliage de cobalt de la présente invention en une quantité comprise entre 0,1 et 3,0 %. (g) Mo Le composant Mo, comme Cr et W, est lié au carbone pour former un carbure qui donne une meilleure dureté à chaud Si la teneur en Mo est inférieure à 0,4 %, la dureté à chaud souhaitée n'est pas assurée, et si la teneur dépasse 6,0 %, il y a diminution de la solidité du cordon de soudure Par conséquent, le molybdène est contenu dans l'alliage de cobalt de la présente invention en une quantité comprise entre 0,4 et 6,0 %. (h) Ni Le composant Ni est efficace pour former un cordon de soudure ayant une résistance accrue au choc thermique. Si la teneur en Ni est inférieure à 1,0 %, la résistance souhaitée au choc thermique n'est pas garantie et si la teneur dépasse 4,0 %, la fluidité du métal de soudure diminue pour empêcher une opération régulière de soudage. Par conséquent, le nickel est contenu dans l'alliage de cobalt de la présente invention en une quantité de 1,0 à 4,0 %. L'alliage de cobalt pour une soudure par accumu- lation selon la présente invention sera maintenant décrit en plus de détail en se référant à l'exemple non limitatif qui suit. EXEMPLE Des échantillons d'alliage fondu ayant les compositions indiquées au tableau 1 ont été préparés par la technique conventionnelle de fusion Des baguettes de soudure N O S 1 à 17 (faites d'alliage de cobalt selon l'invention) et N O S 1 à 8 (alliage de cobalt de comparaison), ayant chacune un diamètre de 4,8 mm ont été coulées à partir des échantillons respectifs d'alliage par étirage sous vide Dans les baguettes de soudure 1 à 8, l'un des composants indiqué par un astérisque sur le tableau 1 était en dehors de la gamme spécifiée dans la présente invention. En utilisant les baguettes de soudure, deux couches ont été déposées sur des plaques d'acier doux ( 25 mm X 65 mm x 200 mm) par soudage manuel par accumulation TIG à un courant de soudage de 230-240 A et une température entre les couches de 200 WC ou moins A chaque passe, on a formé un cordon de soudure de 25 mm de large Aucun pré- chauffage n'a été effectué Les cordons résultants de soudure ont été vérifiés à la recherche des fissures, par vérification de couleur Les critères étaient les suivants O pour aucune fissure de la soudure, A pour la présence de fissures uniquement dans des cratères, X pour la présence de fissures sur toute la surface du cordon. La couche supérieure du cordon de chaque échantillon a été retirée et la couche inférieure a été soumise à un essai d'usure avec une machine d'essai d'usure par frotte- ment Ogoshi o une plaque d'acier selon la norme japonaise JIS SUJ-2 (dureté: HRC-60) a été érodée contre la couche inférieure à une vitesse de 0,1 m/s à la température ambiante à l'état sec sous une charge de 178, 5 N Les données de l'usure résultante avec la valeur de 1,00 prise comme référence sont indiquées au tableau 1. Les cordons respectifs ont été soumis à un essai de coupe o le temps nécessaire pour percer trois trous de mm d e profondeur dans les cordons avec une mèche super- dure (diamètre 2,5 mm) a été mesuré, la valeur de 100 se- condes étant prise comme référence Les résultats sont indiqués au tableau 1, qui donne également des données concernant la dureté de la surface des cordons à une échelle Rockwell C. Comme le montre le tableau, les baguettes de soudure N s 1 à 17 de la présente invention qui contenaient des impuretés de B, P et S pouvant provoquer des fines fissures de soudure ont produit des cordons de soudure totalement dépourvus de fissures de soudure, et ayant une forte résistance à l'usure et une forte usinabilité Au contraire, les baguettes témoins de soudure N O S 1 à 8 o l'un des composants était en dehors de la plage spécifiée dans la présente invention ont produit des cordons qui étaient inférieurs à ceux formés par les baguettes de la présente invention par rapport à au moins l'une des propriétés de soudage, comme la résistance aux fissures de soudure, résistance à l'usure et usinabilité. Comme on l'a décrit ci-dessus, l'alliage de cobalt de la présente invention peut être utilisé dans un soudage par accumulation et forme un cordon de soudure n'ayant pas de fissures microscopiques et encore moins macroscopiques Le cordon produit a une forte résistance à l'usure et au choc thermique, ainsi qu'une très-bonne usinabilité. Tableau 1-1 Echan- tillon éléments d'alliage (% en poids) de ba- guette de sou- dure Si C Cr W Fe Mo Mn Ni B P S Co N 1 1,11 O 24 28 O 0,30 O 55 0,81 0 78 2,01 O 007 00130,021 reste 2 2,03 0,39 28,0 0,30 0,56 0,72 0,71 2,01 0, 007 0,013 0,022 reste O *' 3 2,98 0,41 28,1 0,30 0,58 0,70 0,70 2,02 0, 007 0,012 0,023 reste 4 1,30 0,21 28,3 0,52 0,92 1,02 1,02 2,00 0,005 0, 013 0,019 reste 1,30 0,49 28,3 0,51 0,91 1,01 1,50 2,03 0,004 0,015 0,019 reste 6 1,11 0,24 25,1 0,51 1,02 2,01 1,30 2,02 0,007 0,013 0,018 reste Co> * 7 1,21 0,30 29,7 0,53 0,81 2,00 1,31 2,02 0,007 0,014 0,021 reste X 8 1,33 0,31 28,1 0,12 1,02 2,31 0,82 2,31 0,007 0,015 0,021 reste H - X 9 1,33 0,31 28,5 0,99 1,51 2,51 0,71 2,30 0,007 0,013 0,023 reste e 10 1,50 0,29 28,1 0,33 0,21 2,50 0,60 2,30 0,007 0,010 0,021 reste o 11 l 1, 50 0,30 28,3 0,41 2,96 3,02 0,52 2,41 0,004 0,013,022reste 12 1,50 0,31 28,3 0,30 1,01 0,42 0,31 2,41 0,005 0,012 0,023 reste > 13 1,50 0,29 28,3 0,45 1,01 5,95 0,50 2,50 0,005 0,015 0,022 reste N n ce o O Tableau I-I (suite) Ecban- tillon Fissures Usure Temps pour de ba de relative percer Dureté guette suue(l e ru de sou sodr 2 x f e ru dure N/mm 2 (s) (HC I O 9,3 86 25 2 O 8,8 89 27 o 3 O 8,3 95 29 4 o 9,3 85 25 O 8,3 94 29 a> 6 O 9,8 80 23 S:4 7 0 8,3 95 29 H 8 O 8,3 96 29 a> Id 9 O 8,3 95 29 0 10 O 9,3 84 25 Il O 9,3 85 25 12 O 9,3 84 25 > 13O 8,3 93 29 Tableau 1-2 Echan éléments d'alliage (%) en poids) tillon de ba- guette de sou- dure Si C Cr W Fe Mo Mn Ni B P S Co NO 14 1,50 0,25 28,1 0,44 1,02 3,02 0, 12 2,62 0,005 0,013 0,021 reste O H >o 15 1,11 0,29 28,1 0,45 0,80 3,01 1, 98 2,71 0,007 0,011 0,021 reste + 4 + -H _ _ _ _ _ i H O 916 1,11 0,35 28,1 0,55 1,11 3,51 1,30 1,12 0,007 0,011 0,022 reste t 17 1,20 0,39 28,1 0,51 1,80 2,82 1,52 3,96 0,005 0,011 0,021 reste 17 * 01 0,2 28105 509 07720 000 001 001 ret 1 0,51 0,24 28,1 0,51 0,55 0,92 0, 77 2,01 0,007 0,012 0,021 reste 2 0,96 0,24 28,3 0,52 0,55 0,93 0,77 2,32 0,007 0,013 0,022 reste 3 3,22 0,24 28,3 0,62 0,55 1,01 0,77 2,40 0,006 0, 010 0,020 reste 1 4 1,35 0,17 28,1 0,61 0,55 1,00 0,77 2,23 0,006 0,011 0, 021 reste H; 5 1,53 0,25 23,5 0,60 0,53 1,03 0,73 2,30 0,007 0,011 0,021 reste o 6 1,31 0,30 28,2 0,06 0,53 1,21 0,74 2,01 0,007 0,011 0,020 reste 7 1,52 0,30 28,2 1,13 0,60 1,22 0,77 2,01 0,006 0,015 0,020 reste 8 1,60 0,32 28,3 0,52 0,60 0,34 0,77 2,03 0,007 0,010 0,020 reste "o "O c> 0 o Tableau 1-2 (suite) Echan- tillorn Fissures Usure Temps pour Dureté de ba de relative percer guette soudure (x 1 O-7 des trous de sou 2 (HRC) dure N/mm (s)R N O _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ gi 14 0 0,95 86 25 r40 15 0 0,95 83 25 16 0 0,90 88 27 Co ri> S 17 O 0,95 85 25 i X 1,10 81 22 2 A 0,92 99 27 a, O 3 0,85 115 29 4 O 1,20,79 21 00 OM 5 1,21 79 21 6 O 1,22 80 21 0 O 7 O 0,80 130 30 8 O 1,13 83 22 o 1 Ni %â' r N %O l 2524906 R V E N D I C A T I O N S 1. Alliage de cobalt pour soudage par accumulation ayant une forte résistance aux fissures de soudure, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement 1,1 à 3,0 % Si, 0,2 à 0,5 % C, à 30,0 % Cr, 0,1 à 1,0 % W, 0,2 à 3,0 % Fe, 0,4 à 6,0 % Mo, 0,1 à 2,0 % Mn, 1,0 à 4,0 % Ni, il reste étant du cobalt et des impuretés accidentelles, le pourcentage étant sur une base pondérale. 2. Alliage de cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 1,11 % Si, 0,24 % C, 28,0 % Cr, 0,30 % W, 0,55 % Fe, 0,81 % Mo, 0,78 % Mn, 2,01 % Ni, le reste étant Co et des impuretés accidentelles. 3. Alliage de cobalt selon la revendication l,cractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 2,03 % Si, 039 % C, 28,0 % Cr, 0,30 % W, ,56 % Fe, 0,72 % Mo, 0,71 % Mn, 2,01 % Ni, le reste étant Co et des impureté accidentelles. 4. Alliage de cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il sonsiste essentiellement en 2,98 % Si 0,41 % C, 28,1 % Cr, 0,30 % W, ,58 % Fe, 0, 70 % Mo, 0,70 % Mn, 2,02 % Ni, le reste étant Co et des impuretés accidentelles. 5. Alliage de cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 1,30 % Si, 0,21 % C, 28,3 % Cr, 0, 52 % W, 0,92 % Fe, 1,02 % Mo, 1,02 % Mn, 2,00 % Ni, le reste étant Co et des impuretés accidentelles. X 6 Alliage de cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 1,30 % Si, 0,49 % C, 28,3 % Cr, 0,51 % W, 0,91 % Fe, 1,01 % Mo, 1,50 % Mn, 2,03 % Ni, le reste étant Co et des impuretés accidentelles. 7 Alliage de cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 1, 11 % Si, 0,24 % C, 25,1 % Cr, 0,51 % W, 1,02 % Fe, 2,01 % Mo, 1,30 % Mn, 2,02 % Ni, le reste du cobalt et des impuretés accidentelles. 8 Alliage de cobalt selon la revendication 1, 0,12 % Mn, 2,62 % Ni, le reste étant Co et des impuretés accidentelles. caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 1,21 % Si, 0,30 % C, 29,7 % Cr, 0,53 % W, 0,81 % Fe, 2,00 % Mo, 1,31 % Mn, 2,02 % Ni, le reste étant du cobalt et des impuretés accidentelles. 9 Alliage de cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 1,33 % Si, 0,31 % C, 28,1 % Cr, 0,12 % W, 1, 02 % Fe, 2,31 % Mo, 0,82 % Mn, 2,31 % Ni, le reste étant du cobalt et des impuretés accidentelles. 10 Alliage de cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 1,33 % Si, 0,31 % C, 28,5 % Cr, 0,99 % W, 1, 51 Fe, 2,51 % Mo, 0,71 Mn, 2,30 % Ni, le reste étant Co et des impuretés accidentelles. 11 Alliage de cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 1,50 % Si, 0,29 % C, 28,1 % Cr, 0, 33 % W, 0,21 % Fe, 2,5 % Mo, 0,60 % Mn, 2,30 % Ni, le reste étant Co et des impuretés accidentelles. 12 Alliage de cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 1,50 % Si, 0,30 % C, 28,3 % Or, 0,41 % W, 2,96 % Fe, 3,02 % Mo, 0,52 % Mn, 2,41 % Ni, le reste étant Co et des impuretés accidentelles. 13 Alliage de cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 1, 50 % Si, 0,31 % C, 28,3 % Cr, 0,30 % W, 1,01 % Fe, 0,42 % Mo, 0,31 % Mn, 2,41 % Ni, le reste étant Co et des impuretés accidentelles. 14 Alliage de cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 1,50 % Si, 0,29 % C, 28,3 % Cr, 0,45 % W, 1,01 Fe, 5, 95 % Mo, 0,50 % Mn, 2,50 % Ni, le reste étant Co et des impuretés accidentelles. 15 Alliage de cobalt selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement en 1,50 % Si, 0,25 % C, 28,1 % Cr, 0, 44 % W, 1,02 % Fe, 3,02 % Mo, 13 2524906 16. Alliage de cobalt selon qu'il consiste essentiellement en 1,11 % 0,80 % Fe, 3,01 % Mo, 1,98 % Mn, 2,71 % Ni, accidentelles. 17. Alliage de cobalt selon qu'il consiste essentiellement en 1,11 % 1,11 % Fe, 3,51 % Mo, 1,30 % Mn, 1,12 % Ni, accidentelles. 18. Alliage de cobalt selon qu'il consiste essentiellement en 1,20 % 1,80 % Fe, 2,82 % Mo, 1,52 % Mn, 3,96 % Ni, accidentelles. la revendication 1, caractérisé en ce Si, 0,29 % C, 28,1 % Cr, 0,45 % W, le reste étant Co et des impuretés la revendication 1, caractérisé en c E Si, 0,35 % C, 28,1 % Cr, 0,55 % W, le reste étant Co et des impuretés la revendication 1, caractérisé en c E Si, 0,39 % C, 28,1 % Cr, 0,51 % W, le reste étant Co et des impuretés