Brevet FR2542649A1 — publié le 19840921

La présente invention est relative à un procédé de fabrication d'un corps composite résistant à l'usure qui est constitué, dans les zones exposées, par une matrice métallique à laquelle sont incorporés des substances dures et/ou des métaux durs, ayant unegranulométrie de 0,1 à 5 mm. Un matériau composite de ce type est décrit par exemple par le brevet allemand N" 29 19 477. Le matériau en question est constitué par une matrice métallique, réalisée par frittage ou par coulée et ayant une composition pondérale de 1 à 4 % de C ; 0,3 à û,6 % de Si; 0,5 à 1,5 % de I4n; 0,8 à 2,8 % de V ; 0,5 à 1,5 % de Cr; 2à 10 % de W ; 0,01 7o d'Al, le reste étant du Fer, lé rapport initial des poids de substance dure ou de métaldur et de la matrice métallique étant de 1/Li. Par substances dures ou métaux durs, on entend des carbures, des nitrures, des borures, des siliciures et'des oxydes qui donnent la dureté ou des alliages fondus à base de Co-Cr-W-C-B et les métaux durs frittés avec Co, à base de carbure de tungstène et/ou de carbure de titane ou de carbure de tantale La granulométrie des particules de substance dure et/ou de métal dur doit être comprise entre 0,5 et 5 mm. Le procédé recommandé pour la fabrication de ce matériau composite est un procédé par coulée. Par contre, sa fabrication par frittagepré sente des difficultés. L'expérience a montré, par ailleurs, que les matériaux composites résistant à l'usure ne peuvent pas toujours etre fixés d'une manière satisfaisante, par soudage ou par brasage, sur les outils dont ils doivent faire partie. Dans certains cas, llutilisation dusoudage et du brasage aboutit à une dissociation prématurée de la liaison avec la couche de protection contre l'usure. Le but de l'invention est de permettre la réalisation d'un corps composite qui corresponde à la forme de l'outil sur lequel le matériau composite doit etre appliqué et qui puisse se fixer dans de bonnes conditions, par soudage ou brasage. Ce but est atteint-par le procédé selon l'invention qui se caractérise en ce qu'on introduit, dans une capsule dont la cavité intérieure correspond au contour en négatif du corps composite à réaliser, d'abord un mélange pulvérulent du matériau constituant la matrice métallique et de la substance dure et/ou des métaux durs, selon une proportion qui peut varier de 5 : 3 à 10 : 7 et qui est de préférence de 3: 2. On ajoute ensuite, par-dessus, au moins une autre couche pulvérulente de métal pouvant etre brasé et/ou soudé. La capsule est ensuite soudées placée sous vide, chauffée et-soumise, dans une enceinte à vide étanche à une compression isostatique à chauds en présence de gaz inertes ou de gaz qui peuvent modifier la matrice. Ce procédé présente ltavantage de permettre d'assembler les unes aux autres des parties de machines très différentes les unes des autres. C'est ainsi, par exemple que 1lo3l peut assembler des matériaux soudables et non soudables, comme l'acier et l'acier moulé, dans un élément de machine. Le matériau composite résistant à l'usure s'applique facilement sur l'outil qui doit etre protégé contre la corrosion. On peut, en particulier; soumettre à un usinage avec enlèvement de copeaux la partie de la pièce qui n'est pas recouverte du revetement protecteur. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les opérations de fabrication du corps composite exposé à l'usure et de son soudage sur la pièce peuvent etre associées l'une à l'autre. Dans ce cas, on commence par introduire, sous forme de poudre, le métal qui peut entre brasé et/ou soudé puis, le cas échéant, une autre couche de métal et, enfin on introduit le mélange pulvérulent de métal et de substance dure et/ou de métal dur I1 est préférable que les substances constituant la matrice métal lique associée au métal dur et/ou aux substances dures aient les compositions suivante s En particulier, grenaille d'acier ayant comme compositions en poids 0,75 % de C; 0,1 à 0,3 7o de Si ; 0,1 à O,3 % de Mn; le reste étantdu Fer Acier austénitique au manganèse ayant comme composition: 1,2 % de C, 12 % de Mn, le reste étant duFer (x 120 Mn [2]; 123 Acier à outils ayant comme composition: 1,2% de C, 13% de Cr, le reste étant duFer [X 120 Cr 133 en particulier, acier rapide à 0,85 % de C, 6 % de W, 5 % de Mo, 4 % de Cr9 2 % de V, le reste étant du Fer [s 6-5-23; Alliages de nickel et/ou aciers tenaces à froid, contenant de 3 à 14 % de Ni [x 2 CrNiMoN 18 12]. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, la poudre métallique possède une granulométrie de 0,2 à 3 mm, de préférence de 1 à 1,5 mm. De plus, on utilise de préférence de l'acier, comme matériau pouvant entre soudé ou brasé. Le procédé de compression isostatique à chaud, qui est connu d'après l'état de la technique, estappliqué de préférence à des températures comprises entre 800 et 1 300C avec des pressions comprises entre 1000 et 5000 bars, pendant 1 à 5 heures, notamment à 1000 C, sous une pression de 1500 bars, pendant2 heures. La compressionisostatique à chaud s'effectueen principe en présence de gaz inertes, par exemple d'argon. Cependant, on peut utiliser également dans certains cas de l'azote et d'autres gaz non inertes, par esemple des gaz contenant du carbone qui interviennent non seulement comme milieu de pression, mais également comme éléments d'alliage pour la modification de la matrice métallique. L'expérience a montré que la résistance a' l'usure du matériau composite est maxirnales lorsque les particules de substance dure et/ou de métal dur ont une une granulométrie de 0,5 à 1,5 mm, car c'est alors quelles ont le moins tendance à se briser. Comme substances dures, on utilise de préférence les carbures de tungstène des types WC; W2CXde meme que EC et TaC. Sont également intéressants les carbures mixtes du système cubique du type Ew, Ti, Ta, NbJ C. Les corps composite s résistant à l'abrasion, suivant l'invention, sont d'un emploi particulièrement avantageux dans les outils qui doivent comporter des bords et des coins extrêmement résistants à l'usure. Comme exemples de ces outils, on peut citer les grilles de drague, les pièces d'usure, telles que les massettes et les marteaux de moulins, les mâchoires de marteaux les plaques d'usure des dispositifs de changement de direction dans les installations transporteuses, les pales de projection d'appareils à jet d'air comprimé, les plaques de blindage sur ou dans des plaques de matrices ou dispositifs analogues. L'expérience a montré que le procédé, suivant l'invention, permet d'appliquer sur les pièces de machine, comportant des bords et des coins exposés à l'usure des plaques protectrices qui empêchent l'usure, du fait qu'au cours de la compression isostatique à chaud, le métal dur et l'acier se sont fixés à la pièce, sans fissures par diffusion et/ou dissolution. L'invention est décrite ci-dessous d'une manière plus détaillée5 au moyen d'exemples de réalisation, en se référant au dessin. Les Figures la et lb représentent une capsule utilisée pour la compression isostatique à chaud, d'abord en perspective et vide, puis en coupe et remplie de mélange pulvérulent. Les Figures 2a et 2b représentent respectivement en perspective et en coupe une partie d'outil sur laquelle on applique une couche de protection contre l'usure en matériau composite. La capsule 1 en tôle qui est représentée sur la Figure la et dont la cavité intérieure constitue le contour en négatif du corps composite qui doit présenter le contour positif correspondant, comporte un couvercle amovible 2 et une conduite 3 > permettant de faire le vide dans la capsule. Pour l'application du procédé suivant l'inventionn on commence par remplir la capsule 1 d'un mélange pulvérulent constitué, comme on l'a w, dans une proportion de 3 2, par de la poudre d'acier et des substances dures. Sur cette couche 4, on verse ensuite une couche de meme épaisseur d'une poudre métallique dont la composition correspond à celle de la poudre métallique utilisée pour la couche sous-jacente. Sur cette couche 5, on verse une couche 6 de meme épaisseur, constituée par de la poudre de fer. On ferme ensuite le couvercle 2 que l'on soude àla capsule 1, puis on fait le vide dans la capsule 1, en utilisant la conduite 3 peton chauffe. On ferme ensuite le passage par la conduite 3 que l'on sépare, la capsule 1 étant maintenue sous vide et fermée. La capsule 1 est ensuite soumise à une compression dans une installation de compressionisostatique à chaud, pendant deux heures à 1000"C et sous une pression d'argon de 1500 bars. Dans ces conditions, la compression dans les différentes couches atteint le taux de serrage théorique des cristaux des différents constituants.Dans le matériau ainsi obtenu, les différentes couches 4, 5 et 6 sont étroitement et solidement reliées les unes aux autres par diffusion et/ou par dissolution, la couche d'acier pur pouvant se souder dans des conditions optimales à la partie de la machine sur laquelle le matériau composite doit être appliqué (Figure lb). La partie d'outil 7 représentée par les Figures 2a et 2b comporte une couche de matériau composite résistant à l'usure qui est appliquée suivant le procédé qui fait l'objet de l'invention et constitue les parties désignées par les références 8 et 9. La partie 8 contient les particules de métal dur et/ou de substance dure enrobées dans la matrice métallique. La composition de la couche de matériau composite résistant à l'usure correspond à celle qui est indiquée dans l'exemple précédent. L'épaisseur des différentes couches est déterminée d'après les besoins, mais en général, l'épaisseur de la couche résistant à l'usure et constituée par la matrice et les particules de métal dur et/ou de substance dure qui y sont enrobées doit être de 10 à 40 mm, la ou les autres couches, constituées par le matériau qui peut être brasé et/ou soudé, pouvant avoir une épaisseur quelconque, sans cependant, pour des raisons de soudabilité, etre inférieure à5 mm environ. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la fabrication d'un corps composite qui doit être exposé à une usure due surtout à des abrasifs, dans lequel le matériau sup- port est constitué par un métal pouvant être brasé et/ou soudé et qui, dans les zones exposées à l'usure, est constitué par une matrice mLétallique à laquelle sont incorporés des constituants, formés de substances dures et/ou de métaux durs, ayant une granulométrie de 091 à 5 mm9 caractérisé en ce que, dans une capsule dont la forme intérieure correspond au contour en positif du corps com posite à fabriquer, on dispose au moins deux couches dont l'une au moins est constituée par un mélange pulvérulent de métal pouvant etre soudé et/ou brasé, l'autre couche étant constituée par un mélange de ce métal pouvant être soudé et/ou brasé et de substances dures et/ou de métauxduzs, dans une proportion variant de 5 : 3 à 10 : 7 et de préférence égale à 3 :2, après quoi on soude la capsule, on y fait le vide, on la chauffe, on la ferme de manière qu'elle soit étanche au vide et on la soumet à une compression isostatique à chaud5 en présence de gaz inertes ou de gaz qui peuvent contribuer à la modification de la matrice métallique. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise une couche de poudre métallique et une couche constituée par un mélange de cette même poudre métallique et de substances dures et/ou de métal dur. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la capsule est soudée sur une partie de machine sur laquelle une couche de matériau composite résistant à l'usure doit être appliquée, le côté tourné vers la partie de la machine étant ouvert, et en ce que la couche de poudre de métal et enfin le mélange pulvérulent de métal et de substance dure et/oude métal dur y sont introduits. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la substance constituant la matrice métallique, contenant le métal dur et/ou la substance dure et/ou la couche de métal pulvérulentest de la grenaille d'acier ayant comme composition en poids 0,75% deC; 0,1 à0,3 % deSi ; 0,1 à0 > 3 %de Mn, le reste étantduFer de l'acier austénitique au manganèse ayant comme composition 1,2 % de C ; 12 % de Mn, le reste étant du Fer IX 120 Mn 12 , de l'acier à outils ayant comme composition: 1,2 % de C ; 13 % de Cr, le reste étant duFerLX 120 Cr 13] en particulier de l'acier rapide ayant comme composition: 0,85 % de C ; 6 % de W ; 5 %--de Mo ; 4% de Cr ; 2 % de V, le reste en Fe Es 6-5-21; des alliages de nickel et/ou des aciers tenaces àfroid à 3 à 14 % de Ni 2 2 CrNiMoN 18 123 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la poudre métallique a une granulométrie de 0 > 2à 3 mm, de préférence de 1 à 1,5 mm. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau pouvant etre soudé ou brasé est de l'acier. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la compression isostatique à chaud s'effectue à des températures comprises entre 5000 et 1300 C et sous des pressions de 1000 à 5009 bars, pendant une durée de 1 à 5 heures. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 7, caractérisé en ce qutonutilise comme milieu de pression des gaz rares, de l'azote et/ou des gaz contenant du carbone. 9 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise des particules de substance dure et/ou de métaldur, ayant une granulométrie de 0,5 à 1 > 5 mm. 10 - Procédé selon l'une quelconque desrevendicationsl ou 9, caractérisé en ce qu'on utilise comme substances dures des substances dures du type WC ou W2C, du TiC ou du TaC et des cristaux mixtes de carbures du type [W Ti, Ta, Nb] C. il - Utilisation du matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 sur des outils exposés à l'abrasion comme les- grilles de drague, les massettes et marteaux de moulins, les mâchoires de marteaux, les plaques d'usure des dispositifs de changementde direction dans les installations transporteuses, les pales de projection des appareils à air comprimé et/ou comme blindage dans ou sur des plaques de matrices.