Brevet FR2608080A1 — publié le 19880617

La présente invention a pour objet le domaine du soudage à l'arc électrique et, plus précisément, la composition analytique d'une perle de soudure résistante à l'abrasion, à forte teneur en manganèse, et une électrode à flux incorporé pour la production de cette perle de soudure. Des aciers austénitiques au manganèse contenant 10 à 14 % de manganèse sont fréquemment utilisés pour résister à l'usure provenant d'un choc violent et d'une abrasion modérée dans de nombreuses applications industrielles comme : des jonctions de rails ; des coeurs de croisement et des aiguilles ; des marteaux de broyeurs; des pièces de dragues ; des pièces de laminoirs ; des dents de pignons d'entrarnement, etc.Dans ces applications, la surface d'usure est habituellement fournie par : le soudage d'une plaque ou d'une pièce faite de cet acier à forte teneur en manganèse à une structure en acier au carbone ou en acier faiblement allié ; le soudage dur d'une surface usée en utilisant une électrode à forte teneur en manganèse ; ou la réfection de la structure en éliminant la surface usée et en soudant à la place une nouvelle pièce en acier à forte teneur en manganèse. Dans tous les cas, on utilise une électrode comprenant un tube d'acier à faible teneur en carbone rempli de divers fondants connus permettant d'obtenir un arc uni, un minimum de projections et de bonnes conditions d'utilisation pour l'opérateur, et des ingrédients d'alliage, principalement de grandes quantités de manganèse, et des quantités moindres de nickel, de chrome et de carbone, tous en des quantités et rapports qui permettent d'obtenir la teneur optimale désirée en alliage dans la perle de soudure déposée. Bien que la dureté et la résistance à l'abrasion soient d'une extreme importance, l'aptitude à souder un acier à forte teneur en manganèse à une autre pièce en acier à forte teneur en manganèse, ou à une pièce d'acier au carbone ou d'acier faiblement allié sans fissuration présente une importance égale. Ainsi, dans un cas, dans l'art antérieur, un fabricant a fourni une électrode pour le soudage dur et une autre électrode pour le soudage d'une pièce en acier à forte teneur en manganèse à une pièce en acier au carbone ou en acier faiblement allié. Dans l'alternative, la pratique consiste à sacrifier la résistance à l'abrasion de la perle de soudure en faveur de l'aptitude à souder également une pièce en acier à forte teneur en manganèse à une pièce en acier au carbone ou en acier faiblement allié sans fissuration en utilisant la même électrode. Une troisième voie utilisée dans des électrodes de l'art antérieur consiste à sacrifier les caractéristiques d'action et de soudage de l'arc pour obtenir une résistance à la fissuration au degré désiré de résistance à l'abrasion. Ce compromis est réalisé en utilisant un système de scories contenant peu ou pas de Tir2. Il en résulte une très faible teneur résiduelle en. titane dans le dépôt de soudure, ce qui réduit au minimum la fissuration aux teneurs en carbone nécessaires pour une bonne résistance à l'abrasion.Cependant, les caractéristiques de soudage de ce système sont peu souhaitables en raison d'un type très globulaire de transfert de métal qui produit de fortes teneurs en projections de métal, un mauvais aspect de surface de la perle de soudure et des profils de perles plus étroits qui ne permettent pas une association uniforme entre des perles de soudure adjacentes. Un autre problème dans la conception des électrodes pour la production des perles ou des surfaces de soudure à forte résistance à l'abrasion concerne le coût des ingrédients d'alliage. De grandes quantités d'alliages sont utilisées et il est souhaitable de pro duire la forte résistance à l'abrasion à un coût minimal. Cela nécessite l'utilisation de la quantité minimale de charge totale dans l'électrode avec des ingrédients d'alliage sous une forme de faible coût. Dans la conception d'une électrode à forte teneur en manganèse, il est classique d'essayer la résistance à l'abrasion en soumettant des spécimens identiques d'acier à 0,30 % de carbone et de l'acier à forte teneur en manganèse à des essais d'abrasion identiques consistant à appliquer les échantillons contre une meule refroidie à l'eau, en rotation lente, sous une pression relativement forte pendant des durées identiques prédéterminées et à mesurer la quantité de métal éliminée de chaque échantillon par abrasion. Le degré de résistance à l'abrasion est alors déterminé en divisant la quantité de métal éliminée de l'échantillon d'acier à 0,30 La présente invention concerne la composition anal-tise d'une perle de soudure nouvelle et améliorée, à forte teneur en manganèse, et une électrode pour la production de cette perle de soudure, possédant un degré de résistance à l'abrasion supérieur à ce qui était considéré comme étant possible auparavant, un agrément d'utilisation excellent pour l'opérateur et un coût relativement faible. Conformément à la présente invention, il est proposé une perle de soudure ayant la composition chimique du dépôt suivante : 0,4 à 0,7 % de carbone; 10,0 à 16,0 % de manganèse ; 4,5 à 7,5 % de chrome le reste étant du fer et d'autres ingrédients secondaires d'alliage, comme le nickel, l'aluminium et le silicium, plus des impuretés. En outre, confortrement à la présente invention, la cce position analytique cle la perle de soudure comprend jusqu'à 1,0 % de silicium pour permettre une meilleure résistance à la rouille et à l'oxydation et pour obtenir un mouillage et une surface de la perle améliorés, jusqu'à 0,20 % d'aluminium au maximum, ce qui réduit au minimum la perte de chrome par oxydation dans l'arc de soudage, 0,25 % à 1,5 % de nickel, ce qui améliore la résistance à la fissuration et O à 0,30 % de titane, ce qui accroît davantage la dureté et augmente la résistance à l'abrasion. Une perle de soudure classique, illustrant une forme de réalisation préférée de la présente invention, possède la composition suivante C C % Mn % Si % AI Ni % Cr % Ti 0,49/0,60 12,0/14,5 0,20/0,45 0,01/0,10 0,40/0,65 5,0/7,0 0,15/0,25 Une telle composition offre un degré de résistance à l'abrasion de 9 à 13 et une dureté C Rockwell de 18 à 28, comparativement à une dureté C Rockwell de 12 à 23 pour les électrodes de l'art antérieur. Les compositions classiques de perles de soudure et les caractéristiques physiques d'électrodes concurrentielles connues de la Demanderesse et d'une électroue antérieure du cessionnaire de la Demrnderesse, sont les suivantes Concurrent Cessionnaire I Il % C 0,872 0,232 0,468 % Mn 15,0 17,5 13,0 % Si 0,37 0,43 0,35 v Ni 0,35 0,65 2,03 % Cr 2,85 17,3 3,90 % Al % Ti ,0 Fe le reste le reste le reste Degré de résis tance à l'abrasion 8,2 6,9 5,7 Dureté C Rockwell 22,6 21,8 17,8 Une électrode capable de produire un tel dépôt de perle de soudure, conformément à la présente invention, comprend un tube en acier à faible teneur au carbone ayant comme noyau des constituants formant des scories et des constituants d'alliage, généralement en les pourcentages en poids suivant : Minimum Maximum % de la % de % de la % de charge l'électrode charge l'électrode Na20 0,6 0,17 1,3 0,41 MgO 1,5 0,43 2,2 0,69 TiO2 10,0 2,8 15,0 4,7 CaF2 6,0 1,7 9,0 2,8 C 1,4 0,40 2,3 0,72 AI 1,0 0,3 1,8 0,7 Si 0,5 0,14 1,9 0,60 Cr 13,7 4,0 18,5 5,8 Mn 45,0 12,8 49,0 15,5 Ni 1,2 0,34 1,9 0,60 Fe 11,2 3,2 8,5 2,7 Tube le reste le reste le reste le reste Préféré t de la charge % de l'électrode Na 20 1,0 0,3 MgO 1,8 0,54 Ti02 11,9 3,6 CaF2 7,6 2,3 C 1,9 0,57 AI 1,4 0,42 Si 1,5 0,45 Cr 14,5 4,4 Mn -45,8 13,7 Ni 1,5 0,45 Fe 10,2 3,1 Tube le reste Les divers ingrédients à l'intérieur du tube constituent approximativement 30 % du poids total de l'électrode. Le Ti02 est le constituant de scories principal et favorise les caractéristiques avantageuses de l'arc, facilite l'obtention d'un revêtement de scories pour mieux protéger la traversée du métal fondu dans l'arc lors du soudage, donne une couverture de scories sur le dépôt de métal fondu par soudage, et permet d'ajuster la fluidité du métal fondu par soudage pour une forme optimale de la perle de soudure. Le Na20 accroit la stabilité de l'arc et facilite l'ajustement de la plage de fusion du revêtement de scories sur le métal déposé par soudage. Normalement, l'oxyde de sodium seul est hygroscopique, mais est fourni sous la forme la plus stable vis-àvis de l'humidité, à savoir Na2Ti03. Le fluorure de calcium est un ingrédient important et facilite l'ajustement du type de transfert de gouttelettes de l'électrode au bain de soudure afin de réduire au minimum la contamination par l'oxygène et l'azote de la perle de soudure. Cet ingrédient est également important pour abaisser la plage de fusions des scories et pour avoir une action efficace de fusion et de mouillage permettant d'obtenir une perle de soudure déposée plus propre. L'oxyde de magnésium fournit un oxyde fondamental pour un mouillage de la perle et une élimination des scories améliorés. Le manganèse est fourni sous forme d'une poudre métallique et, comme cela est connu, produit un dépôt de manganèse austénitique dur. Le nickel est ajouté pour accroître la résistance à la fissuration dans la perle de soudure déposée. La poudre de nickel étant relativement coûteuse compara tivement au ferro-chrome, l'utilisation de petites quantités de nickel et de quantités supérieures de chrome pour obtenir les caractéristiques physiques désirées permet d'abaisser le coût de l'électrode et ainsi de la soudure finale. Le chrome et le carbone sont fournis sous forme d'un carbure de ferro-chrome granulaire et ces deux ingrédients augmentent conjointement la résistance à l'abrasion. Une teneur supérieure en carbone, tout en offrant une meilleure résistance à l'abrasion, tend à induire un taux de fissuration supérieur. En conséquence, les teneurs en carbone sont importantes. Des teneurs en chrome supérieures seules n'améliorent pas la résistance à l'abrasion et nécessitent des pourcentages et un coût de charge supérieurs. Le carbure de ferro-chrome est moins coûteux que le carbure de chrome. L'aluminium est ajouté pour contribuer à empêcher la perte par oxydation du chrome traversant l'arc et constitue un fixateur d'azote. Le silicium possède un rôle secondaire, facilitant la désoxydation et le mouillage amélioré de la perle, et donne à la perle une surface unie. L'objet principal de la présente invention consiste à proposer une perle de soudure nouvelle et améliorée qui possède un degré de résistance à l'abrasion supérieur à ceux qui étaient obtenus jusqu'ici, avec une faible tendance à la fissuration lors de l'utilisation pour souder de l'acier austénitique au manganèse à un autre acier austénitique au manganèse, à de l'acier au carbone ou à de l'acier faiblement allié. Un autre objet de la présente invention consiste à proposer une électrode nouvelle et perfectionnée qui produit un dépôt à forte teneur en manganèse, résistant à l'abrasion, et qui possède des vitesses de dépôt élevées, une faible perte par projections et un faible coût au gramme. Un autre objet de la présente invention consiste à proposer une électrode de soudage nouvelle et perfectionnée permettant une soudure avec une meilleure résistance à l'abrasion, qui présente un agrément d'utilisation excellent pour l'opérateur, avec un minimum de projections et un bon mouillage de la perle. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Perle de soudure à forte résistance å l'abrasion, caractérisée en ce qu'elle possède la comoosition chimique du dépôt suivante, en poids : 0,4 à 0,7 % de carbone ; 10,0 à 16,0 % de manganèse ; 4,5 à 7,5 % de chrome ; le reste étant du fer et d'autres ingrédients secondaires d'alliage. 2. Electrode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la composition chimique du dépôt comprend O à 1,0 % de silicium. 3. Electrode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la composition chimique du dépôt comprend 0 à 0,20 % d'aluminium. 4. Electrode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la composition chimique du dépôt comprend 0,25 à 1,5 % de nickel. 5. Composition analytique du dépôt suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la canposition chimique du dépôt comprend 0 à 0,30 % de titane. 6. Perle de soudure à forte résistance å l'abrasion, caractérisée en ce qu'elle possède la composition chimique suivante, en poids : 0,4 à 0,7 % de carbone, 10,0 à 16,0 % de manganèse ; 4,5 à 7,5 % de chrome ; O à 1,0 % de silicium ; O à 0,20 % d'aluminium; 0,25 à 1,5 % de nickel ; et O à 0,30 % de titane, le reste étant du fer. 7. Electrode pour le dépôt de perles de soudure résistantes à l'abrasion à forte teneur en manganèse, caractérisée en ce qu'elle consiste en un tube d'acier au carbone contenant une charge comprenant les ingrédients suivants, en pourcentage du poids total de l'électrode Minimum Maximum Na2 0 0,17 0,41 MgO 0,43 0,69 Ti02 2,8 4,7 CaF2 1,7 2,8 C 0,40 0,72 Al 0,3 0,7 Si 0,14 0,60 Cr 4,0 5,8 Mn 12,8 15,5 Ni 0,34 0,60 Fe 3,2 2,7 Tube le reste le reste 8. Electrode suivant la revendication 7, caractérisée en ce que les ingrédients sont les suivants, en pourcentage du poids total de l'électrode: Na 0 0,3 MgO 0,52 TiC2 3,6 CaF2 2,3 0,57 Ai 0,42 S 0,45 Cr 4,4 Mn 13,7 Ni 0,45 Fe 3,1 Tube le reste.