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Perfectionnements aux compositions d'alliages à carbures.
La présente invention concerne-des perfectionnements aux compositions d'alliages à carbures et se rapporte à la production d'un alliage métallique dur supérieur se rapprochant de la dureté des diamants, qui peut être employé pour des pièces résistant à l'usure, des filières pour l'étirage de fil métallique, des outils de coupe et des contacts de choc et d'allumage et de nombreuses autres applications analogues,
Un des buts de l'invention est de produire un métal de coupe supérieur pour l'acier et les aciers spéciaux à
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alliage avec lesquels il faut pour l'outil une composition de métal exceptionnellement tenace et dur.
Les outils ordinaires au carbure de tungstène produits jusque présent ont convenu pour usiner la fonte, mais ont été trouvés non satisfaisants lors de l'emploi pour tailler l'acier et les aciers à alliage. Pour cette dernière application , ces outils de coupe étaient trop cassants et tendaient à se désin- tégrer et en outre, par suite de la faible conductibilité ther - mique, la pointe des outils tendait à s'échauffer à l'excès avec ce résultat que des cratères se formaient et que l'usure se pro- duisait très rapidement.
11 a déjà été proposé de mettre du vanadium par exemple dans une composition d'alliage au carbure de tungstène. Dans certaines de ces propositions, des carbures de tungstène et des carbures ou des carbonitrures de titane étaient frittés avec un milieu liant de tungstène et de cobalt, contenant si on le désire une autre addition métallique d'un groupe de métaux qui contenait du vanadium.
Il a également été proposé de produire des alliages durs frittés à partir d'un mélange pulvérisé com- prenant de la poudre de carbure de tungstène et une addition métallique auxiliaire ayant un plus bas point de fusion et ren- fermant un ou plusieurs alliages de fer, de nickel ou de cobalt avec un métal d'un groupe comprenant le vanadium. il a été découvert que par l'addition de petites quantités de vanadium à des carbures de tungstène, ces derniers sont con- sidérablement durcis et ne se désintègrent pas aussi fcr tement.
En conséquence, la présente invention prévoit une composition d'alliage à carbure comprenant un carbure métallique réfractaire consistant en carbure de tungstène ne contenant pas plus de 2,6% en poids de carbure de vanadium et un milieu liant métallique pour agglomérer les particules de carbure de métal réfractaire, liant lequel milieu/ consiste en un alliage de vanadium et d'un ou de
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plusieurs métaux ayant un point de fusion inférieur à celui du métal réfractaire et dans le voisinage de 10000 C et au-delà.
Il a été trouvé également que par l'addition de titane au carbure réfractaire, la conductibilité thermique de l'alliage est augmentée considérablement, de sorte que l'outil de coupe ne s'échauffe pas sensiblement et que l'effet usuel de formation de cratères est réduit considérablement ou même éliminé. En conséquence, l'invention comprend une composition dans laquelle le carbure de métal réfractaire est modifié par l'addition de carbure de titanium, de façon qu'il consiste en carbure de tungstène et en carbure de titane qui ensemble ne contiennent pas plus de 2,5% de carbure de vanadium. Une semblable composition peut être employée pour former une filière supérieure convenant particulièrement pour l'étirage de compositions d'acier à grandes vitesses pour former du fil.
11 semble qu'une raison de la supériorité de la présente composition en comparaison des compositions antérieures est que la présence de vanadium dans le milieu liant produit une liaison améliorée et tenace entre les particules de carbures réfractaires.
L'invention comprend une composition sous la forme d'une poudre consistant en de fines particules de forme globulaire et également une composition dure dans laquelle des grains de carbure de métal réfractaire forment une -structure enchevêtrée et sont liés ensemble, aux limites des grains, par le milieu liant.
L'invention comprend également un procédé de production d'une composition d'alliage à carbure à partir de carbure de métaux réfractaires, comprenant l'addition à ce carbure d'un oxyde d'un ou de plusieurs métaux liants, la réduction de l'oxyde par un traitement à chaud à basse température et le traitement du produit résultant au broyeur à boulets de manière à le réduire en une poudre consistant en de petites particules sous la for- me de globules.
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Un exemple va maintenant être donné d'une façon d'opérer préférée à adopter pour la mise en oeuvre de l'invention.
En premier lieu de l'oxyde de titane et du vanadate d'ammonium très finement divisé sont mélangés à du tungstène métallique en proportion telle qu'elles produisent un mélange contenant moins de 8% et de préférence 7% en poids de titane et environ 1% en poids de vanadium, le restant étant du tungstène.
Les ingrédients sont complètement incorporés dans le tungstène métallique par traitement du mélange dans un broyeur à boulets de pierre pendant une période de 4 à 5 heures. Ensuite on ajoute au mélange suffisamment de carbone pour qu'il se combine à l'oxygène de l'oxyde de titane et qu'il forme descarbures de titane et de tungstène ou pour carburer complètement le mélange.
La quantité de carbone requise pour former du carbure est celle qui doit être absorbée par le titane et le tungstène pour produire des carbures représentés par les formules Ti2C et TuC.
La quantité de carbone doit être calculée avec beaucoup de soin et ajoutée de même. S'il y a un excès de carbone, son inclusion peut être notée dans le produit fini. Le carbone peut avantageusement être ajouté sous la forme du noir de fumée.
Le mélange résultant, après traitement soigneux au broyeur à boulets, est placé dans des cuvettes de carbone dans des fours à tubes en carbone et est soumis dans une atmosphère d'hydrogène à une température de 1800 C pendant une période de 1 1/2 heure, la température étant élevée très rapidement. En présence d'hydrogène, l'oxygène est enlevé du vanadate qui est réduit en vanadium métallique et carburé.
Le mélange est alors enlevé, broyé et mis en poudre fine, tamisé dans un tamis à 325 mailles et placé de nouveau dans des cuvettes de carbone et soumis à un second traitement thermique pendant 1/2 heure à une température entre 18000C et
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2000 C jusqu'à ce que la carburation parfaite et la mise en alliage aient eu lieu.
Un mélange liant de poudre de vanadium ou de composés de vanadium et d'un métal liant tel que du cobalt, sous la forme d'oxyde, est alors ajouté à l'alliage réfractaire carburé. Ce mélange liant est tel qu'il contient lors de la réduction environ 0,25% à 0,50% en poids de vanadium et le reste en métal liant. Le mélange liant est ajouté en p roportion telle que la quantité de vanadium et de cobalt ou d'autre métal liant dans celui-ci ne dépasse pas 10%, et est de préférence moindre que 6% en poids de l'alliage réfractaire carburé. Au lieu de cobalt, on peut employer comme métal liant du nickel, du fer ou du manganèse. Lemélange est complètement traité au broyeur à boulets pendant une période de 48 heures avec des boulets en acier.
Il est alors placé dans des cuvettes en nickel et réduit dans une atmosphère d'hydrogène à une température aussi basse que possible effectuant la réduction, savoir environ 350 à 4000 C pendant une période de 12 heures, l'hydrogène étant envoyé à travers les tubes continuellement pour emporter l'humidité aussi rapidement qu'élis se forme.
Le vanadium et le cobalt ou un autre métal liant dans le mélange liant ferment finalement unalliage qui absorbe le carbone en quantité dépendant des constituants de l'alliage et correspondant aux équivalents chimiques de ces constituants.
La composition de métal est enlevée du four très soigneusement après avoir pu se refroidir, des précautions spéciales étant prises pour qu'elle ne se réoxyde pas. On trouve qu'avec du vanadium présent seul ou dans un composé, 1'addition de l'oxyde mentionné, suivie du traitement thermique à basse température, produit une composition qui lors de l'enlèvement du four est telle que par un traitement prolongé au broyeur à boulets, -(habituellement pendant une pério-
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de dépassant huit heures),elle peut être réduite en une poudre consistant en de petites particules de forme globulaire.
En conséquence, la poudre est traitée au broyeur à boulets, comme on l'a indiqué ci-dessus jusqu'à ce qu'elle consiste en de minimes particules de forme globulaire, ceci étant une caractéristique importante du présent procédé . La poudre est alors prête pour le pressage et il est important qu'au moment du pressage ses particules aient une structure globulaire. Ceci la différencie d'un métal qui est mélangé à un milieu liant consistant en de la poudre de cobalt, qui consiste seulement en grains fins et n'est pas de structure globulaire.
La composition métallique pulvériséeproduite comme on l'a indiqué ci-dessus convient pour différentes applications. Elle peut être maintenue en raagasin ou vendue pour servir à former des corps solides résistants à l'usure, mais elle convient également pour l'emploi comme abrasif et pour former une pâte de meulage ou pour former un abrasif à incorporer à des meules ou à mettre en enduit sur des meules.
Si l'on suppose qu'un corps solide doit être formé, la composition de métal pulvérisé est d'abord pressée sous les fermes appropriées dans des moules à une pression suffisante ponr la condenser en des pièces solides de la forme désirée convenant pour la manipulation. Dans certains cas, la pression peut être aussi basse que trois tonnes par pouce carré et dans d'autres cas elle peut être élevée jusqu'à 30 tonnes par pouce carré. Lorsque la pression élevée est employée, la croissance du grain dans l'opération subséquente de frittage est habituellement plus rapide que lorsqu'une basse pression est employée et le temps de frittage peut donc devoir être réglé en conséquence.
La pression à employer pour rendre compacte la composition dépend de la structure de la poudre et également du pourcentage des métaux liants, le critérium essen-
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tiel étant que la pression doit être suffisante pour produire des pièces qui tiennent ensemble et peuvent alors être manipulées sans se briser. On trouve que si on commence avec la matière pulvérisée sous la forme ayant ses particules de forme globulaire et contenant du vanadium, l'opération de pression a pour effet d'obliger la forme des particules à se modifier de telle manière qu'après le frittage subséquent à des températures supérieures à 16000 C, une structure à enchevêtrement est produite.
Les pièces pressées peuvent être soumises à une opération finale de frittage ou bien elles peuvent être soumises à un traitement préliminaire thermique pour les agglomérer légèrement avant le traitement thermique final. Suivant une variante, elles peuvent être soumises à la combinaison d'un traitement faible d'agglomération avec accroissement subséquent de la température pour produire l'effet final de frittage. pour l'opération de frittage, les pièces pressées sont empaquetées dans une cuvette de carbone remplie de carbone finemement divisé tel que du noir de fumée, de préférence de la même nature que celui mélangé pour faire le carbure.
Les pièces ne doivent pas se toucher et elles doivent reposer complètement à plat de fagon qu'elles ne soient pas distordues dans le traitement thermique, car pendant le traitement final à chaud, la masse prend pratiquement un état plastique. Si les pièces sont empaquetées l'une sur l'autre, il doit y avoir une couche de carbone entre elles.
Les cuvettes chargées sont placées dans un four électrique à réglage très soigneux de la température et du temps, le four ayant un moufle en alundum sur lequel les cuvttes sont placées. Le traitement thermique final est habituellement exécuté pendant une période de 3 minutes à la température maxima qui doit être d'environ 1600 à 1650 . Un courant
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d'hydrogène suffisant pour maintenir les cuvettes dans une atmosphère réductrice ou non oxydante est entretenu autour des cuvettes. Après le traitement thermique, le produit résultant est soigneusement enlevé du four et.mis à refroidir.
C'est alors une composition métallique très dure, ayant une dureté d'environ 92 à 94 à l'échelle A de Rockwell et consistant en une structure très fine de grains irréguliers enchevêtrés reliés ensemble par un ciment linéaire intergranulaire consistant sensiblement en un alliage de cobalt et de vanadium, dans lequel est dissoute une partie du carbure de tungstène et de titane.
La présence de vanadium dans le ciment intergranulaire retarde la croissance des grains pendant le traitement thermique, ce qui contribue à la production d'une structure à grains fins et contribue également à produire une structure à enchevêtrement, l'alliage étant ainsi rendu tenace. La présence de carbure de titane à la fois dans la composition et dans le ciment intergranulaire tend à durcir la composition et à augmenter la conductibilité thermique de la matière, ce qui la rend spécialement utile comme matière de coupe supérieure pour l'acier et les aciers à alliage.
Four l'usinage de certains types doux d'acier, il est désirable de supprimer entièrement le titane et de produire seulement un alliage carburé de tungstène, de vanadium et d'un métal de base tel que le cobalt, le fer, le nickel, ou un métal analogue. Dans ce cas, la composition est produite exactement comme on l'a esquissé ci-dessus sauf que le titane est entièrement supprimé l'alliage de vanadium servant toujours de milieu liant.
Les poudres d'alliage produites peuvent, immédiatement avant l'opération de pressage dans le procédé décrit cidessus, être imprégnées de fines particules de diamant noir
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ou d'éclats ou de poudre de diamant et être ensuite pressées sous les formes appropriées pour l'emploi comme meules, forets, et roues réfractaires à dresser. Après avoir été pressées sous ces formes, les pièces façonnées sont frittées à la dureté désirée comme on l'a décrit ci-dessus.
Le métal liant préféré à employer est le cobalt, bien qu'on puisse employer, si on le désire, comme métaux liants le nickel, le fer, le manganèse, etc., ou des mélanges de ceux-ci avec du cobalt. Le métal ou les métaux employés doivent toutefois être tels qu'ils s'all-ient facilement au vanadium vu que le milieu liant final consiste en un alliage contenant un petit pourcentage de vanadium ajouté au métal liant (cobalt, etc.) . Par le fait que le ciment intergranulaire ou le milieu liant consiste en un alliage avec du vanadium, les particules sont liées très fortement et intimement ensemble.
On a trouvé que la composition résultante est très tenace et a une dureté supérieure à 92 de l'échelle A, c' est à dire dépassant fortement celle du carbure ordinaire de tungstène, dont la dureté est habituellement inférieure à 90 sur la même échelle. La présente composition a également une très fine structure de grain avec une quantité de grains supérieure à 60.000 par millimètre carré et fortement différente de celle des présentes compositions à carbure connues dans l'industrie.
Il doit être bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux détails précis exposés dans l'exemple ci-dessus.
Ainsi les proportions des constituants de la composition métallique peuvent être modifiéespar rapport à celles données dans l'exemple qui précède mais il est préférable que l'alliage réfractairre qui est carburé ne comprenne pas moins que 90% en poids de tungstène, pas plus de 8% en poids de titane (lorsque ce dernier est employé) et pas plus de 2 1/2% en poids de
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vanadium, et que l'alliage liant ne dépasse pas 10% en poids de l'alliage réfractaire carburé.
R e v e n d i ca t i o n s. l.- Une composition d'alliage à carbure, comprenant un carbure de métal réfractaire consistant en du carbure de tungstène ne contenant pas plus de 2,5% en poids de carbure de vanadium, et en un milieu liant métallique pour lier ensemble les particules de carbure de métal réfractaire, lequel milieu liant consiste en un alliage de vanadium et d'un ou de plusieurs métaux ayant un point de fusion inférieur à celui du métal réfractaire et situé dans le voisinage ou au-dessus de 1000 C.