Brevet FR2546448A1 — publié le 19841130

"Objet métallique revêtu et procédé pour sa fabrication" L'invention concerne un objet auquel, par un revête- ment spécial, on donne tant une dureté et une résistance à la com- pression particulières, qu'une résistance à l'usure remarquable. L'invention s'étend à un procédé pour la fabrication d'un tel obje revêtu. Il est connu de faire fondre la surface de pièces en acier en ajoutant en même temps des éléments d'alliage, de sorte qu'après solidification on a-communiqué à la surface de la pièce ainsi traitée des propriétés déterminées souhaitées. Ainsi on a déjà allié des surfaces en acier par rayo nement Laser, la diffusion d'éléments d'alliage ajoutés ayant lieu dans la surface localement fondue (il s'agit du procédé appelé "alliage au Laser") En alliant en même temps du chrome et du car- bone, on réalise des surfaces dures avec des dépôts de Cr 3 Cr 2 aya une granulométrie et une morphologie uniformes. Toutefois, un tel traitement préalable des surfaces métalliques est naturellement soumis à des limitations considérabl L'addition d'éléments d'alliage de surface déterminés, qui conduit à de bonnes propriétés de surface pour un acier donné, peut, pour un autre acier, conduire à des échecs manifestes en raison de sa composition de base différente, et ceci parce que, par suite de la fusion de la pièce en surface, des composants de l'alliage de base sont repris dans l'alliage de surface Etant donné déjà que les résu tats obtenus lors du traitement de surface d'un acier déterminé ne sont pas transportablesau traitement d' un autre acier, une telle transposition est encore moins possible à d'autres métaux et à d'autres alliages métalliques. Un autre inconvénient se présente lorsque, pour aug- menter la capacité de sollicitation en compression, on essaie de faire en sorte,qu'une pièce traitée ensurface suivant le procédé ci-dess soit en plus munie, en appliquant le procédé de dépôt chimique en phase vapeur ou le procédé de dépôt physique en phase vapeur, d'un couche résistante à l'usure en matière de résistance mécanique éle vée telle que par exemple, Ti C ou Ti N. 2 2546448 En effet, dans ce procédé de revêtement, les températures à utiliser sont si élevées que, sous leur action, la résistance à la compres- sion obtenue par le traitement considéré de la pièce en surface disparaît à nouveau par suite des modifications de microstructure de la matière de base si l'on n'utilise pas des matières de base bien déterminées résistantes aux variations de microstructure On ne dispose cependant, de telles matières qu'avec un choix très restreint. C'est pourquoi, l'invention a pour but de créer un objet métallique revêtu qui, à la suite de son revêtement, se dis- tingue tant par une dureté et une capacité de sollicitation en compression particulières que par une résistance à l'usure remar- quable, le choix de la matière de base n'étant pas un point cri- tique L'invention a également pour but de fournir un procédé pour la fabrication d'un tel objet revêtu. A cet effet, l'invention a pour objet, un objet du type ci-dessus caractérisé en ce qu'il porte sur sa surface un revête- ment en forme de nappe sur lequel se trouve une couche de matière de résistance mécanique élevée. Le procédé pour fabriquer un tel objet métallique re- vêtu est caractérisé en ce qu'on applique un revêtement en forme de nappe sur la surface d'une matière de base et on dépose ensuite une couche de matière de résistance élevée surle revêtement en forme de nappe. Grâce à l'invention, on obtient, à partir d'un corps de base métallique, un objet hautement résistant à l'usure, avec un revêtement en matière dure de-résistance élevée comprimé de façon isostatique à chaud et un revêtement de surface en matière de revêtement mécanique élevée. Le principe de construction de l'objet est essentiel- lement le suivant; une matière de base ductile et tenace, de pré- férence bon marché, est munie au moyen d'une technique appropriée, d'un revêtement de résistance mécanique élevéeen forme de nappe dont l'épaisseur peut aller de quelques dixièmes de millimètre à quelques millimètres Ensuite, après un usinage superficiel (très léger) des surfaces sollicitées à l'usure en fonctionnement, on uti- lise le procédé chimique de dépôt en phase vapeur (procédé CVD) ou 2 _ 5 4 ''6 4 '4 '8, ou le procédé physique de dépôt en phase vapeur (procédé PVD) pour déposer sur le revêtement en forme de nappe une couche de surface mince extrêmement dure. Des techniques appropriées pour l'application du re- vêtement en forme de nappe sont: la projection (au plasma, à la flamme), le soudage au tungstène sous gaz inerte (procédé WIG) ou au laser, et en particulier la compression isostatique à chaud (procédé HIP) L'avantage particulier de la compression isostatiqu à chaud réside dans la formation d'une microstructure isotrope à grain fin pour la matière de revêtement choisie et dans la faible importance de l'usinage mécanique de la surface que l'on doit ef- fectuer après coup Pour la formation du revêtementen forme de napl toutes les matières en poudre qui procurent une résistance méca- nique du revêtement d'au moins 2000 N/mm 2 conviennent Il s'agit, par exemple, des aciers d'usinage à froid, des aciers rapides, des stellites et des métaux durs. Des matières qui conviennent pour le revêtement de surface qui suit sont toutes les matières dures qui peuvent être déposées au moyen du procéd CVD(dépôt chimique en phase vapeur)et au moyen du procédé PVD (dépôt physique en phase vapeur), de préférence pour le procédé CVD: le nitrure de titane(Ti N), le carbure de titane(Ti C),le carbure de chrome(Cr Cx), l'oxyde d'aluminium(A 1203) et des combinaisons de ces produits(c'est-àdire des couches multiples)et, Dour le procédé PVD: le nitrure de titane (Ti N). Les éléments de construction à revêtir ou à recouvrir peuvent, come cela est usuel d'une façon générale, être fabriqués à une cote inférieure à la cote théorique pour tenir compte de l'épaisseur du revêtement et du recou- vrement. L'invention sera mieux comprise en regard de la description en regard de la description ci-après se rapportant à des exemples de réalisatior Exemple 1: Jusqu'à maintenant, les fourreaux d'arbres de pompes ont été fabriqués entièrement en métal dur pour pouvoir s'opposer à l'usure Cette solution est onéreuse et, en raison de la fragilité du métal dur, elle peut conduire à des ruptures. Conformément à l'invention, on a alors fabriqué un fourreau d'arbre en acier GX 22 Cr Ni 17 en tant que matière de base pour répondre à des conditions de milieux corrosifs, la fabrication ayant lieu à une cote inférieure à la cote théo- rique Sur la base en acier, on a soudé,par diffusion avec un liant au nickel, un revêtement en métal dur sur la surface de fonctionnement suivant le procédé HIP pendant trois heures à 1200 OC et sous 1000 bars L'épaisseur du revêtement était égale à 2 mm environ et conduisait à une cote dépassant fai- blement la cote théorique Par usinage mécanique, la surface du revêtement a été-amenée à une valeur inférieure de 1/100 mm à cette cote théorique Sur la surface polie, on a déposé au mnyen du procédé CVD d'abord à 10501 C et en deux heures une-couche de Ti C épaisse de 3 à 5 y et ensuite, en deux heures et à une température conorise entre 9500 C et 10000 C, une couche de Ti N de 5 y environ d'épaisseur Le dépôt a été effectué en utilisant du dorure de titane (IV) et de l'azote dans de l'hydrogène en tant que gaz porteur. En variante, on a appliqué le revêtement métallique dur par projection au plasma. Les fourreaux d'arbres conformes à -l'invention ont pu être fabriqués bien plus économiquement que jusqu'à mainte- nant La résistance à l'usure a été aussi bonne qu'avec une réalisation complètement en métal dur Mais la sécurité de ma- nipulation a été considérablement améliorée par rapport à cette dernière réalisation. Exemple 2 Sur une plaque de poussoir de soupape en acier C 45 fabriquée avec une cote inférieure à la cote théorique, on a sou- dé par diffusion suivant le procédé HIP, pendant trois heures à 1050 CET sous 1000 bars, un revêtement de 1 mm d'épaisseur en un acier pour travail à froid riche en carbone contenant 2,3 % C 13 % Cr, 4 % V et 1 % Mo Le revêtement a été poli Ensuite, le poussoir a été revêtu de Ti C par leprocédé CVD, le Ti C ayant été déposé à partir de Ti C 14 et de méthane (CH 4) dans H 2 en tant que véhicule gazeux Le revêtement a été effectué à 1050 OC. La durée de revêtement a été de deux heures et on a obtenu une épaisseur de couche de 'y environ L'acier d'usinage à froid a été trempé parrefroidissement au gaz à partir de la température de revêtement CVD Cet acier a subi ensuite un traitement d'atté- nuation des tensions internes. En variante, le revêtement en acier pour travail à froid a été appliqué par soudage suivant le procédé WIG. Le poussoir ainsi fabriqué s'est distingué par un coefficient de frottement très faible et par une résistance à l'usure élevée. Exemple 3 Sur une garniture de matrice d'estampage en acier pour travail à chaud x 40 Cr Mo V 5 1, on a appliqué par soudage par diffusion un revêtement en stellite ayant pour composition 1,05 à 1,25 % C, 27 à 30 % Cr, 4 à 5 % W, 1 à 1,25 %Si et le reste en Co, l'application ayant été effectuée suivant te-procédé HIP pendant trois heures Les conditions d'application étaient les sui vantes: 1 100 OC et 900 bars Après le travail de finissage méca- nique, on a déposé sur le revêtement en stellite, suivant le pro- cédé CVD, une couche de A 1203 avec une couche intermédiaire en Ti N Le Ti N a été déposé comme dans l'exemple 1 pendant une heure. On a ainsi réalisé une couche de 3 y d'épaisseur envi ron La température a ensuite été élevée à 10000 C et on a effectué le dépôt de A 1203 avec Al C 13 et C 02 dans l'hydrogène en tant que véhicule gazeux Pour cela, la durée de dépôt a été également de u heure; on a alors produit une couche de A 1203 de 5 y environ d'épa seur La garniture de matrice a été ensuite soumise à une trempe sous vide et à un traitement de revenu. Exemple 4 Une aube de turbine en acier réfractaire à 12 % de chrome a été, de façon analogue à l'exemple 3, munie sur son bord d'écoulement d'un revêtement en stellite par le procédé HIP, et revêtue de Ti N et de A 1203 au moyen du procédé CVD L'aube de turbine a été soumise ensuite à un traitement thermique séparé. Exemple 5 Sur un cylindre de fluotourna e en acier rapide S 6-5-2, on a appliqué par soudage par diffusion à 1200 OC et, sous 1000 .6 2546448 bars, suivant le procédé HIP, un revêtement de nétai dur fixé au cobalt de 2 mm d'épaisseur, La durée del'opération a été de trois heures Après la rectification à la cote et le polissage du re- vêtement, le cylindre a été revêtu de 5 yde Ti N au moyen du procé- dé PVD suivant la variante "ion plating'" (revêtement ionique). On a alors vaporisé du titane au moyen dun faisceau d'électrons et on l'a fait réagir avec de l'azote Ona travaillé avec une tension de polarisation du substrat de 1 k V et une pression de gaz de 10-3 mbar environ La température du substrat était égale à 500 C. Avec le cylindre de fluotournage conforme à l'invention, on a pu obtenir une amélioration considérable du temps de service par rapport aux cylindres en acier rapide utilisés habituellement. Exemple 6 Les vis de malaxage et de transport ainsi que les or- ganes anti-retour en acier pour travail à chaud (X 40 Cr Mb V 5 1), tels qu'on les utilise dans les machines à matière plastique, on été munis suivant le procédé HIP d'un revêtement de 0,5 mm d'épaisseur en acier rapide ayant pour composition: 1,3 %C, 4,2 %Cr, 6 % W environ, 4 à 5 % Mo, 3 à 4 % V et le reste en Fe, à 1050 C et sous 1000 bars. La durée de diffusion a été de trois heures Après le traitement de finissage mécanique des surfaces de fonctionnement, les éléments ont été revêtus de Ti C suivant le procédé CVD, comme dans l'exemple 2, mais pendant quatre heures. On a réalisé une couche de Ti C ayant une épaisseur de 6 à 8 y après le traitement CVD, les éléments ont été soumis à une trempe sous vide à 1060 C et ont subi un revenu à 54 OPC. 7. REVENDICATIONS 2546448 1 ) Objet métallique revêtu, caractérisé en ce qu'il porte sur sa surface un revêtement en forme de nappe sur lequel est déposée une couche de matière de résistance mécanique élevée. 20) Objet selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il est constitué par une matière de base ductile et tenace, un revêtement en forme de nappe formé à partir d'une matière pul- vérulente et une couche de matière de résistance mécanique élevée déposée sur lui. 30) Objet selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la matière pulvérulente est un acier pour travail à froid, un acier rapide, une stellite et/ou un métal dur. ) Objet selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que la couche de matière de résistance mécanique élevée est en Ti N, en Ti C, en Cr Cx, en A 1203 ou en- des combinaisons de ces matières. ) Objet selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière de base est un acier des classes n O 10 à 80 (aciers spéciaux non-alliés et alliés) suivant le sys- tème des numéros des matières (liste acier-fer, 7 ème édition 1981, page 5). 6 ) Procédé pour fabriquer un objet métallique revêtu selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on applique un revêtement en forme de nappe sur la surface d'une ma- tière de base et on;dépose ensuite une couche de mçatîre de résis- tance élevée sur ce revêtement en forme de nappe. ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on applique, sur une matière de base ductile et tenace, le re- vêtement en forme de nappe par projection compression isostatique à chaud (HIP). 8 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'on dépose la couche de matière de résis- tance mécanique élevée suivant le procédé CVD (dépôt chimique en phase vapeur) ou le procédé PVD (dépôt physique en phase vapeur).