Brevet FR3049819A1 — publié le 20171013

FER A CHEVAL COMPORTANT UN REVETEMENT RESISTANT A L'ABRASION ET AU CHOC La présente invention concerne un fer à cheval comportant un revêtement résistant à l'abrasion, notamment à l'usure par abrasion, et également résistant au choc. Par le brevet japonais JP10127219, on connaît un procédé de renforcement d'un fer à cheval en aluminium vis-à-vis de l'usure provoquée par le sol par l'application par un procédé électrochimique d'une couche superficielle d'alumine dont la dureté est supérieure à celle de l'aluminium. JP2002/186395 décrit également un procédé d'électrochimie en voie liquide pour déposer à la surface d'un fer à cheval en aluminium des couches destinées à en 20 améliorer la résistance à l'usure. W08808866 décrit un procédé capable de renforcer la résistance à l'usure de fers à cheval en métaux légers par fixation de particules céramiques de grande dureté, 25 comme des carbures, sur les zones du fer à cheval soumises à de fortes contraintes par fusion assistée par laser. CN2211701 décrit également l'augmentation de la durée de vie de fers à cheval par application en surface de 30 particules de dureté élevée, telles que des particules de carbure de tungstène, de nitrure de bore, de diamant. 3049819 2 Les demandeurs ont recherché à obtenir des fers à cheval présentant une bonne résistance à l'usure associée à une bonne résistance au choc, en vue notamment d'un usage sous forte contrainte (compétition, entraînement'). 5 Leurs recherches leur ont permis de parvenir à des compositions de revêtement particulièrement efficaces à cet effet, la durée de vie des fers à cheval selon l'invention étant prolongée de façon très importante, avec 10 comme conséquences, d'une part, la réduction de la fréquence du changement de ferrure, améliorant ainsi le bien-être du cheval et réduisant la pénibilité du travail du maréchal-ferrant, et, d'autre part, la possibilité d'utiliser des fers à cheval d'épaisseur plus faible, donc 15 plus légers, généralement moins coûteux, du fait de la réduction de matière. L'invention a donc d'abord pour objet un fer à cheval dont la surface du substrat métallique destinée à venir en contact avec le sol est revêtue d'une couche de revêtement résistant à l'abrasion, caractérisé par le fait que la couche de revêtement comporte ou est constituée par du nickel (a) sous forme d'un alliage avec au moins un élément choisi parmi le cobalt, le chrome, l'aluminium et l'yttrium ; ou (b) contenant des inclusions d'au moins une matière céramique ; ou (c) sous forme d'un alliage avec au moins un élément choisi parmi le cobalt, le chrome, l'aluminium et l'yttrium, ledit alliage contenant des inclusions d'au moins une matière céramique. 3049819 3 Le fer à cheval selon l'invention peut être de n'importe quel type, ouvert ou fermé. On peut choisir le substrat métallique parmi les 5 substrats en aluminium, se présentant notamment sous la forme d'alliages d'aluminium avec au moins un élément choisi notamment parmi le cuivre et le magnésium, et les substrats en acier ou en acier inoxydable, tels que les aciers 304 et 316 (normes américaines). 10 La matière céramique est notamment choisie parmi WC ; TiC ; B4C ; Cr3C2 ; A1203 ; les mélanges d'A1203 avec ZrO2 et/ou TiO2 ainsi que leurs eutectiques ; ZrO2 non dopé ou dopé avec au moins l'un parmi CaO, MgO, Ce02 et Y203. 15 Le nickel ou l'alliage de nickel représente avantageusement au moins 50 % en masse de ladite couche de revêtement. 20 Conformément à un premier mode de réalisation particulier du fer à cheval selon la présente invention, la couche de revêtement est une couche de nickel ou dudit alliage de nickel contenant des inclusions de ladite ou desdites matières céramiques, lesquelles ont notamment une 25 dimension correspondant au diamètre de la sphère équivalente qui est comprise entre 1 et 20 pm, en particulier entre 5 et 10 pm. Conformément à un second mode de réalisation 30 particulier du fer à cheval selon la présente invention la couche de revêtement est une couche à base d'agglomérats fusionnés entre eux de grains du nickel ou dudit alliage de nickel et d'inclusions de ladite ou desdites matières 3049819 4 céramiques, lesdits agglomérats ayant une dimension correspondant au diamètre de la sphère équivalente qui est comprise entre 10 et 200 pm, en particulier entre 20 et 60 pm. 5 Par ailleurs, la couche de revêtement peut aussi être un alliage de nickel ayant la formulation suivante : NiaCobCrAldYe 10 où a = 50 - complément à 100 ; - b = 0 - 50 ; c = 0 - 50 ; - d = 0 - 50 ; et 15 e = 0 - 50, à la condition qu'au moins l'un parmi b, c, d et e soit différent de 0 ; a, b, c, d et e représentant les pourcentages massiques, étant en particulier Ni73Cr22,8A1o,6Y3,6- 20 On peut noter que, dans cette formulation, le nickel peut aller jusqu'à être totalement remplacé par le cobalt. 25 Conformément à une caractéristique particulière du fer à cheval selon l'invention, la surface du substrat sur laquelle est appliquée la couche de revêtement présente une rugosité moyenne de 1 à 30 pm, en particulier de 8 à 25 pm, telle que mesurée par la méthode de profilométrie par 30 contact. 3049819 5 La couche de revêtement a notamment une épaisseur comprise entre 10 et 1000 pm, en particulier entre 50 et 500 pm. 5 La face extérieure de la couche de revêtement peut présenter une rugosité moyenne comprise entre 5 et 30 pm, telle que mesurée par la méthode de profilométrie par contact. Cette rugosité, grâce à laquelle le cheval présente le moindre risque de glisser, provient du procédé 10 d'élaboration. Le fer à cheval selon la présente invention peut présenter un indice Taber exprimé en mg.1000tr inférieur à 700, en particulier de 30 à 230. Il peut présenter une 15 dureté de 150 à 2500 HV, en particulier de 600 à 1200 HV. L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'un fer à cheval tel que défini ci-dessus, caractérisé par le fait que, sur un fer à cheval dont la 20 dimension est ou a été adaptée au sabot du cheval à ferrer, on forme, sur la face destinée à venir en contact avec le sol, la couche de revêtement par projection thermique de particules de matière fondue ou semi-fondue d'une composition correspondant à celle du revêtement à former, 25 ladite projection sur le substrat étant réalisée en au moins une passe jusqu'à obtention de l'épaisseur de couche de revêtement désirée, notamment de 10 à 1000 pm, en particulier de 50 à 500 pm. 30 La projection thermique se réfère aux techniques de déposition consistant à projeter le matériau d'apport dans un état fondu ou semi-fondu à forte vitesse 3049819 6 (> 100 m.s 1) sur le substrat, en particulier aux techniques suivantes : la projection par flamme, par exemple flamme-fil ou 5 cordon, flamme-poudre, la flamme étant une flamme produite par un mélange acétylène-oxygène ou propane-oxygène ; la projection par flamme à haute vitesse et à haute pression (HVOF « high velocity oxy fuel »), la flamme 10 étant notamment produite par un mélange sous pression kérosène/oxygène ; la projection dynamique à froid (« cold spray ») ; la projection par un plasma produit par dissociation et ionisation d'un gaz introduit dans un arc 15 électrique en court-circuit ; la projection par arc-fil à partir d'un arc électrique établi entre deux fils ; la projection par canon à détonation produite par un mélange carburant - comburant et de poudre que l'on 20 fait exploser ; et la projection du matériau sur un substrat en acier suivie d'un chauffage à haute température pour diffusion du matériau dans le substrat. 25 On peut mentionner à titre d'exemple qu'une passe peut permettre de former une épaisseur de 5 à 10 pm. Avant la formation de la couche de revêtement, on peut avantageusement rendre rugueuse la face du fer 30 cheval destinée à recevoir ladite couche de revêtement, notamment par sablage, par exemple avec du corindon, ou par ponçage à l'aide d'un support abrasif, jusqu'à obtention de 3049819 7 la rugosité moyenne désirée, notamment de 5 à 30 pm, telle que mesurée par profilométrie par contact. La surface du substrat du fer à cheval à l'issue 5 du sablage doit être exempte de poussières ou de composés organiques. Conformément à un premier mode de réalisation du procédé selon la présente invention, on réalise la 10 projection de particules de matière fondue ou semi-fondue à partir d'une poudre par projection par flamme supersonique (HVOF) avec : une vitesse des particules de 400 à 800 m.s-1 ; et une température de particules de 600 à 2000°C. 15 La distance de projection est généralement de l'ordre de 0,1-0,3 m. Conformément à un second mode de réalisation du 20 procédé selon la présente invention, on réalise la projection de particules de matière fondue ou semi-fondue à partir de deux fils entre lesquels on établit un arc électrique en court-circuit continu (Arc-Fil), avec une vitesse des particules de 150 à 400 m.s-1 ; et 25 une température de particules de 1500 à 2500°C. Les Exemples suivants illustrent la présente invention sans toutefois en limiter la portée. Les Figures 1 et 2 du dessin annexé représentent chacune une 30 photographie au microscope électronique à balayage d'une coupe du revêtement des Exemples respectivement 1 et 2. 3049819 8 Dans ces Exemples, les méthodes employées pour la caractérisation des couches de revêtement des fers à cheval étaient les suivantes : 5 Rugosité La face extérieure d'une couche de revêtement doit présenter une rugosité suffisante pour que le cheval ne glisse pas. La rugosité a été directement mesurée grâce à un rugosimètre de marque MITUTOYO. Dureté La dureté d'une couche de revêtement permet d'exprimer les caractéristiques mécaniques, représentatives de la résistance au choc et à l'usure du fer à cheval comportant une telle couche de revêtement. 20 Dans les Exemples, la dureté mesurée était la dureté HV (Vickers), déterminée à l'aide d'un microduromètre de marque PRESI, avec une charge de 100 g appliquée pendant 15 secondes (HV 0,1-15s) sur la coupe 25 transversale de la couche de revêtement. Usure L'usure a été caractérisée de deux façons : par 30 l'abrasion Taber (1) et par des tests avec des chevaux ferrés, en conditions d'utilisation (2). (1) Abrasion Taber 10 15 3049819 9 Le matériel utilisé était un abrasimètre circulaire Taber. Le protocole utilisé lors des essais est indiqué dans le Tableau 1 ci-après. 5 Tableau 1 Type de meule H-22 (liant vitrifié grain grossier) Vitesse de rotation du plateau (tpm) 72 Charge appliquée (g) 1000 Réactivation meule Refaçonnage diamant Nombre de tours avant refaçonnage 2000 meule Nombre total de tours 10 000 Les résultats d'abrasion d'une couche de revêtement, exprimés en indices Taber (mg.1000tr), ont été 10 comparés avec l'abrasion d'une surface extérieure du fer à cheval non revêtu de la couche de revêtement selon l'invention. (2) Tests sur chevaux 15 On a pesé le fer à cheval doté de sa couche de revêtement avant de ferrer le cheval pour la première fois avec ce fer (Masse initiale). 20 Le cheval ainsi ferré a suivi un programme d'exercices hebdomadaire défini comme suit : - 25 km de trot, le cheval étant attelé à un sulky ; et - 3 h de marcheur par semaine. 3049819 10 Au bout de deux mois, on a retiré le fer à cheval et on l'a pesé (Masse 2 mois) et on a fait de même au bout de 6 mois (Masse 6 mois). 5 L'usure du fer à cheval est exprimée par la différence entre ces masses et la masse initiale. Exemple 1 10 (a) Préparation du fer à cheval On a adapté au sabot d'un cheval à ferrer un fer à cheval en alliage d'aluminium AU4G (nouvelle désignation 2017A) : aluminium 95 % en masse, 4% en masse de cuivre, 1% 15 en masse de magnésium. On a réalisé un sablage du fer à cheval sur l'une de ses faces. Pour cela, on a pris en main le fer à cheval et effectué le sablage de cette face au pistolet à 0,4 MPa 20 (4 bars) avec du corindon blanc dont 99,9% présentaient une granulométrie de 0,600 à 0,425 mm, jusqu'à obtenir une rugosité moyenne de 25 pm (telle que mesurée par le rugosimètre), permettant une bonne accroche de la couche de revêtement sur cette face du fer à cheval. 25 (b) Revêtement du fer à cheval Dans la buse d'un appareil de projection par flamme supersonique (HVOF) de marque WORKAJET, on a 30 introduit une poudre agglomérée de WC-Ni de granulométrie comprise entre 20 et 60 pm, directement achetée à la Société OERLIKON et ayant la composition suivante, pour 100 % en masse : 3049819 11 - 85 % en masse de Ni d'une granulométrie de l'ordre de 5 pm ; et - 15 % en masse de WC d'une granulométrie de l'ordre de 5 5 pm. On a choisi les paramètres suivants pour l'HVOF : - vitesse des particules de 600 m.s-1 ; et 10 - température des particules de 1800°C. On a pesé le fer à cheval à revêtir avant d'effectuer le dépôt de la couche de WC-Ni. Ensuite, on a placé le fer à cheval verticalement, sa face rendue 15 rugueuse par le sablage étant disposée en face du pistolet de projection et à 0,2 mètre de celui-ci. On a projeté de façon uniforme une quantité de WC-Ni en un nombre de passes suffisant pour obtenir un dépôt d'une épaisseur de 100 pm. On a attendu le refroidissement complet du fer à cheval 20 ainsi revêtu, puis on a pesé celui-ci afin de déduire la masse du dépôt et, connaissant cette dernière, la masse volumique du dépôt et la surface de la face du fer à revêtir (surface totale de la face du fer moins la surface des trous ou rainures de passage des vis), il a été 25 possible de confirmer que l'épaisseur du dépôt était de 100 pm. Sur la Figure 1 du dessin annexé, on peut voir que le substrat d'alliage d'aluminium est revêtu de la couche de WC-Ni avec la résine d'enrobage nécessaire à la 30 visualisation au microscope. Les annotations Pal à Pas sont indicatives de l'épaisseur de la couche de revêtement. (c) Evaluation du fer à cheval revêtu 3049819 12 On a ensuite évalué les caractéristiques du fer à cheval doté de sa couche de revêtement de WC-Ni : 5 - Rugosité moyenne : 8 pm Il a été constaté que le cheval ferré ne glissait pas. - Dureté : 1200 HV. - Usure : 10 (1) Abrasion Taber :comme indiqué dans le Tableau 2 ci-après. Tableau 2 Fer à cheval Masse fer Masse fer Usure fer Indice Taber avant essai après essai (g) mg.1000tr (g) (g) Substrat non 86 78,9 7,1 710 revêtu Substrat revêtu 94,4 94,1 0,3 30 15 On peut constater que l'indice Taber est nettement amélioré pour la couche de WC-Ni. (2) Test sur cheval 20 Masse initiale : 94,4 g Masse 2 mois : 91,9 g Masse 6 mois : 85,4 g Ces résultats montrent que la couche de 25 revêtement est remarquablement adaptée à l'application car il n'a pas été nécessaire de changer de fer à cheval même après 6 mois, par comparaison avec les quatre à six 3049819 13 semaines dans le cas des fers à cheval actuellement utilisés. 5 Exemple 2 (a) Préparation du fer à cheval On a adapté un fer à cheval en acier inoxydable 10 316L (norme américaine) ou 1.4404 (norme européenne) au sabot du cheval à ferrer. On a réalisé un sablage du fer à cheval de la même façon qu'à l'Exemple 1, excepté que l'on a utilisé du 15 corindon blanc dont 99,9 % présentaient une granulométrie de 1,000 à 1,410 mm, jusqu'à obtenir une rugosité moyenne de 25 pm (telle que mesurée par le rugosimètre) permettant une bonne accroche de la couche de revêtement sur cette face du fer à cheval. 20 (b) Revêtement du fer à cheval Un fil de Ni73Cr22,8A10,6Y3,6 acheté à la Société OERLIKON a été utilisé pour la projection Arc-Fil de marque 25 TAFA 9000 afin d'être fondu. On a choisi les paramètres suivants pour l'Arc- Fil : 30 - vitesse des particules de 250 m.s-1 ; et - température de fusion de 1800°C. 3049819 14 On a pesé le fer à cheval à revêtir avant d'effectuer le dépôt de la couche de Ni73Cr22,8A10,6Y3,6- Ensuite, on a projeté de façon uniforme, sur la face du fer à cheval rendue rugueuse par le sablage, une quantité de 5 Ni73Cr22,8A10,6Y3,6 en un nombre de passes suffisant pour obtenir un dépôt d'une épaisseur de 350 pm. On a attendu le refroidissement complet du fer à cheval ainsi revêtu, puis on a pesé celui-ci afin de confirmer l'épaisseur du revêtement comme on l'a fait pour l'Exemple 1. 10 Sur la Figure 2, on peut voir que le substrat d'acier inoxydable est revêtu de la couche de Ni 73Cr 22, 8A10, 6Y3, 6 (présence de lamelles), avec la résine d'enrobage nécessaire à la visualisation au microscope. Les annotations Pat à Pas sont indicatives de l'épaisseur (la 15 mesure Pal n'a pas été retenue car non significative). (c) Evaluation du fer à cheval On a ensuite évalué les caractéristiques du fer à 20 cheval doté de sa couche de revêtement de Ni73Cr22,5A10,6Y3,6 Rugosité moyenne : 25 pm Il a été constaté que le cheval ferré ne glissait pas. Dureté : 600 HV. 25 - Usure : (1) Abrasion Taber :comme indiqué dans le Tableau 3 ci-après. 30 Tableau 3 Fer à cheval Masse fer Masse fer Usure fer Indice Taber avant essai après essai (g) mg.1000 tr (g) (g) 3049819 15 Substrat non 86 78,9 7,1 710 revêtu Substrat revêtu 97,4 95,1 2,3 230 On peut constater que l'indice Taber est amélioré, l'usure étant divisée par trois. (2) Test sur cheval Masse initiale : 94,4 g Masse 2 mois : 88,8 g 5 10 REVENDICATIONS1 - Fer à cheval dont la surface du substrat métallique destinée à venir en contact avec le sol est revêtue d'une couche de revêtement résistant à l'abrasion, caractérisé par le fait que la couche de revêtement comporte du nickel (a) sous forme d'un alliage avec au moins un élément choisi parmi le cobalt, le chrome, l'aluminium et l'yttrium ; ou (b) contenant des inclusions d'au moins une matière céramique ; ou (c) sous forme d'un alliage avec au moins un élément choisi parmi le cobalt, le chrome, l'aluminium et l'yttrium, ledit alliage contenant des inclusions d'au moins une matière céramique. 2 - Fer à cheval selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la matière céramique est choisie parmi WC ; TiC ; B4C ; Cr3C2 ; A1203 ; les mélanges d'A1203 avec ZrO2 et/ou TiO2 ainsi que leurs eutectiques ; ZrO2 non dopé ou dopé avec au moins l'un parmi CaO, MgO, Ce02 et Y203. 3 - Fer à cheval selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le nickel ou l'alliage de nickel représente au moins 50 % en masse de ladite couche de revêtement. 4 - Fer à cheval selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la couche de revêtement est une couche de nickel ou dudit alliage de nickel contenant des inclusions de ladite ou desdites matières 3049819 17 céramiques, lesquelles ont notamment une dimension correspondant au diamètre de la sphère équivalente qui est comprise entre 1 et 20 pm, en particulier entre 5 et 10 pm. 5 5 - Fer à cheval selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la couche de revêtement est une couche à base d'agglomérats fusionnés entre eux de grains du nickel ou dudit alliage de nickel et d'inclusions de ladite ou desdites matières céramiques, lesdits 10 agglomérats ayant une dimension correspondant au diamètre de la sphère équivalente qui est comprise entre 10 et 200 pm, en particulier entre 20 et 60 pm. 6 - Fer à cheval selon l'une des revendications 1 15 à 5, caractérisé par le fait que la couche de revêtement est un alliage de nickel ayant la formulation suivante : NiaCObCrcAldYe où 20 - a = 50 - complément à 100 ; - b = 0 - 50 ; - c = 0 - 50 ; - d = 0 - 50 ; et - e = 0 - 50, 25 à la condition qu'au moins l'un parmi b, c, d et e soit différent de 0 ; a, b, c, d et e représentant les pourcentages massiques, étant en particulier Ni73Cr22,8A10,6Y3,6- 30 7 - Fer à cheval selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la surface du substrat sur laquelle est appliquée la couche de revêtement présente une rugosité moyenne de 1 à 30 pm, en particulier de 8 à 25 pm, 3049819 18 telle que mesurée par la méthode de profilométrie par contact. 8 - Fer à cheval selon l'une des revendications 1 5 à 7, caractérisé par le fait que la couche de revêtement a une épaisseur comprise entre 10 et 1000 pm, en particulier entre 50 et 500 pm. 9 - Fer à cheval selon l'une des revendications 1 10 à 8, caractérisé par le fait que la face extérieure de la couche de revêtement présente une rugosité moyenne comprise entre 5 et 30 pm, telle que mesurée par la méthode de profilométrie par contact. 15 10 - Procédé de fabrication d'un fer à cheval tel que défini à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que, sur un fer à cheval dont la dimension est ou a été adaptée au sabot du cheval à ferrer, on forme, sur la face destinée à venir en contact avec le sol, la couche 20 de revêtement par projection thermique de particules de matière fondue ou semi-fondue d'une composition correspondant celle du revêtement à former, ladite projection sur le substrat étant réalisée en au moins une passe jusqu'à obtention de l'épaisseur de couche de 25 revêtement désirée, notamment de 10 à 1000 pm, en particulier de 50 à 500 pm. 11 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'avant la formation de la couche 30 de revêtement, on rend rugueuse la face du fer à cheval destinée à recevoir ladite couche de revêtement, notamment par sablage ou ponçage, jusqu'à obtention de la rugosité 3049819 19 moyenne désirée, notamment de 5 à 30 pm, telle que mesurée par profilométrie par contact. 12 - Procédé selon l'une des revendications 10 ou 5 11, caractérisé par le fait que l'on réalise la projection de particules de matière fondue ou semi-fondue à partir d'une poudre par projection par flamme supersonique (HVOF) avec : une vitesse des particules de 400 à 800 m.s-1 ; et 10 une température de particules de 600 à 2000°C, ou que l'on réalise la projection de particules de matière fondue ou semi-fondue à partir de deux fils entre lesquels on établit un arc électrique en court-circuit continu, avec une vitesse des particules de 150 à 400 m.s-1 ; et 15 - une température de particules de 1500 à 2500°C.