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" Perfectionnements à des composés de carbure et à la pro- duction de ceux-ci ".
La présente invention concerne des carbures et un pro- cédé pour leur fabrication et plus particulièrement une nouvelle composition de matière comprenant du tungstène, du titane et du carbone et oorrespondant à la formule chimique WTiC2, ainsi qu'un procédé pour former ce carbure.
Le but principal de l'invention est la production d'un carbure contenant du tungstène et du titane qui soit extrêmement dur et de grande valeur et de grande utili- té comme matière pour l'emploi, conformément aux principes usuels de la métallurgie des poudres, dans la production de composition dures de matière en vue de produire dans celles-ci une grande dureté combinée avec une grande résis- tance ainsi qu'une faible conductibilité thermique et d'au- tres caractéristiques qui permettent aux compositions du- res de matière faites au moyen de cette matière de carbure d'avoir une grande utilité et une grande durabilité lors-
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qu'on les emploie comme pointes coupantes pour la coupe des métaux à grandes vitesses et dans l'emploi comme fi- lières ou étampes et dans l'emploi pour fournir des surfa- ces résistant à la corrosion et pour
d'autres utilisations analogues.
Un autre but de l'invention est de produire un sembla- ble carbure contenant du tungstène et qui, lorsqu'il est employé dans la production de compositions dures de matiè- re, conformément aux principes usuels de la métallurgie des poudres, avec une matière liante contenant du tungstè- ne en poudre ou du molybdène en poudre ou du tungstène ou du molybdène carburé ou d'autres composés de tungstène ou de molybdène, avec ou sans nickel ou cobalt, ne cède rien de sa teneur en carbone à l'un quelconque des métaux ainsi employés comme liant dans les compositions dures de matière.
Un autre but encore de l'invention est la production d'un carbure qui, employé comme ingrédient dans une sem- blable composition dure de matière, permet de faire entrer dans cette composition dure de matière, un pourcentage plus élevé de tungstène métallique comme liant que cela n'a été praticable jusqu'à présent de sorte que la ténacité et la résistance à la rupture de cette composition de matière peut être augmentée sans diminution importante de la dureté et de la capacité de coupe d'une semblable composition de matière.
D'autres buts de l'invention, avec des détails concer- nant les opérations par lesquelles l'invention est mise en pratique, résulteront de la description qui suit.
La nouvelle substance de carbure qui fait l'objet du présent brevet, et obtenue par le procédé ci-dessus décrit est, semble-t-il, un carbure double de tungstène et de tita- ne correspondant à la formule chimique WTiC2 et contenant en substance 71,9% de W, 18,7% de Ti et 9,4% de 0 et ce
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carbure a été obtenu invariablement en suivant le procédé ici décrit, indépendamment de larges variations dans la quantité et les proportions de la teneur en tungstène et en titane, l'excès de tungstène et de titane restant non com- biné de façon à être facilement séparable de la composition, avec les autres substances résultantes.
La nouvelle substance de carbure est préparée par chauffage de tungstène au d'une substance contenant du tungstène telle que l'oxyde de tungstène, ou d'alliages de tungstène, avec du titane ou une substance contenant du titane telle que l'oxyde de titane en présence de carbone, dans un métal servant de dissolvant pour lequel le nickel a été trouvé préférable, la substance étant alors facile- ment séparable,par des moyens chimiques et mécaniques,de la masse résultante. On a de même préparé cette substance de carbure, de façon répétée, en employant comme métal dissol- vant du cobalt ou un mélange de cobalt et de nickel et il est probable que des métaux dissolvants autres que le nic- kel et le cobalt peuvent être employés.
Toutefois à cause du faible prix et de la facilité de son enlèvement,gn con- sidère l'emploi du nickel comme étant préférable a u point de vue commercial. La quantité de métal ou de métaux dissol- vants peut varier largement à partir d'une valeur effective jusqu'à une quantité dépassant considérablement la teneur en tungstène, et on a trouvé que l'emploi de nickel ou de cobalt en quantité approximativement égale à la quantité de tungstène donne les meilleurs résultats au point de vue industriel.
Si l'on emploie seulement une petite quantité de métal dissolvant il doit agir par la mise en solution d'un peu de tungstèneet du titane à la fois, ces métaux dissous se combinant apparemment en solution pour former les carbures, en mettant ainsi en liberté le métal dissol- vant ae telle façon qu'il est disponible pour dissoudre une nouvelle quantité du tungstène et du titane. Comme c'est évident, le temps nécessaire pour achever la réaction
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dans ces circonstances est prolongé de façon excessive.
Comme on l'a indiqué ci-dessus,le présent brevet con- cerne la nouvelle composition de matière et un procédé qui est ioi exposé au moyen duquel elle peut être produite.
Le présent inventeur a imaginé également certains per- fectionnements nouveaux et utiles aux compositions dures de matière contenant cette nouvelle substance de carbure com- me ingrédient,et un procédé pour fabriquer ces compositions dures, décrit et revendiqué dans une autre demande de bre- vet portant la même date.
Dans la mise en pratique du procédé de formation de cette nouvelle substance de carbure, les ingrédients tungstè- ne, titane et métal dissolvant sont chauffés, de préférence dans un creuset en graphite, pendant une période d'environ 5 heures à une température supérieure à 1600 C et de préfé- rence voisine de 2100 C. On a employé des lingots de mé- tal tungstène avec des barres de matière fondante de nickel du commerce, avec de l'oxyde de titane et des copeaux de graphite, le tout étant placé ensemble dans un creuset en graphite. On a également incorporé le tungstène sous la forme de WO3 dans ces bains fondus, avec d'aussi bons résul- tats.
On a trouvé recommandable de mélanger aux autres matiè- res des copeaux ou des tournures de graphite en quantité constituant environ 5 % des matières tungstène et titane combinées. La masse résultant de l'opération de chauffage est broyée après refroidissement,traitée par des solutions aqueu- ses d'acide chlorhydrique et par une petite quantité d'acide nitrique aux températures d'ébullition, ou par des solutions acides oxydantes analogues telles que l'acide chlorhydrique auquel on a ajouté du perchlorate de potassium ; elle est traitée ensuite par de l'ammoniaque ou d'autres solutions d'hydroxyde pour enlever WO3, traitée de nouveau par de l'eau régale ou par d'autres solutions acides oxydantes pour dissoudre le nickel, et traitée de nouveau par des solutions
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d'hydroxyde pour dissoudre tout WO3 restant.
Dans diffé- rentes phases pendant ces traitements, la matière pilvérulen- te est soumise à une concentration mécanique, par exemple dans une bassine ou par concentration par la pesanteur comme sur une table de Wilfley, pour enlever le graphite libre et les particules des impuretés légères.
Les particulesrestant après cette séparation chimique et mécanique d'autres compo- sés sont des particules grises ayant un éclat métallique.Ces particules sont traitées ensuite, de préférence dais des plats en platine, par des solutions fortes d'acide fluorhy- drique, à une température allant jusqu'à son point d'ébulli- tion, pour dissoudre les sous-oxydes ou les oxydes bleus de tungstène tels que WO2 et d'autres impuretés éventuelles.La solution d'acide fluorhydrique est enlevée par lavages répé- tés et par décantation, les particules restantes sont con- centrées avec soin dans une bassine ou autrement,par exemple par des méthodes par la pesanteur, et sont séchées,les parti- cules restantes étant de couleur grise avec un fort éclat métallique et ayant des dimensions en moyenne plus grandes que 0,
01 mm dans les plus grandes dimensions de section transversale ; après fracture, elles forment des particules ayant des surfaces principalement concholdales.
Comme exemple particulier du procédé suivi dansla formation de cette nouvelle substance de carbure et des caractéristiques, montrées par les essais, du produit ob- tenu, la façon de procéder suivante a été employée dans un cas.
On a placé dans un creuset d'environ 15 cm de diamètre en graphite pratiquement pur :
1800 gr. de tiges de tungstène 800 gr. de TiO2 pulvérisé 2800 gr. de matière fondante de Ni
Le creuset en graphite avec ce contenu a été placé dans un four électrique à induction, chauffé en une période d'environ 1 heure à une température de 2100 C, et maintenu à cette température pendant une période de huit heures.Après
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refroidissement, le produit de cette opération de chauffage a été enlevé par rupture du creuset en graphite et la masse a été broyée par un marteau et un broyeur à mâchoires et en même temps par un broyage grossier au broyeur à boulets jusqu'à ee que les particules de la masse passent par un ta- mis de 40 mailles,
Les particules ont été traitées de façon répétée par des mélanges aqueux d'acide chlorhydrique aux- quels on avait ajouté une petite quantité d'acide nitrique, le mélange d'acide étant porté à l'ébullition de façon répé- tée. Après ce traitement par les acides,les particules ont été traitées par des solutions d'ammoniaque pour enlever tout WO3 et ont été traitées de nouveau par l'eau régale pour dissoudre le nickel et les alliages de nickel et autres imp uretés, et finalement ont été traitées de nouveau par des solutions d'ammoniaque.
Dans différentes phases pendantces traitements aux acides et aux hydroxydes,les particules ont été soumises à une concentration mécanique dans une bassine et ont été concentrées également par des méthodes de pesan- teur sur une table de Wilfley pour enlever le graphite li- bre et les autres impuretés légères, en laissant seulement les particules grises ayant visiblement un éclat métallique.
Les particules ont été traitées ensuite,dans des plats en platine,par des solutions fortes d'acide fluorhydrique, à une température allant jusqu'au point d'ébullition,pour dis- soudre les sous-oxydes de tungstène tels que WO2. La solu- tion d'acide fluorhydrique a été enlevée par lavage avec de l'eau et une décantation répétée avec de l'eau fraîche,et les particules ont été de nouveau soigneusement concentrées en bassins et par des méthodes par la pesanteur. A partir du mélange mentionné ci-dessus de matière, on a obtenu 1030 gr. de ces particules.
Une analyse du carbone a été faite dans des échantillons de ces particules et a montré une teneur en carbone de 9,40% de 0, qui est très voisine de la teneur en carbone de 9,39%
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de C qui théoriquement doit être présente suivant la formule WTiO2. Cet écart de la teneur en carbone trouvée rentre dans l'erreur d'analyse de la teneur en carbone de matières de ce genre.
Un essai de teneur en tungstène et en titane de ces particules a montré qu'elles contenaient 71,86% de W et 18,75% de Ti, ce qui correspond exactement à la teneur qui serait théoriquement présente dans WTiC2. Ces particules ont, d'après les mesures, un poids spécifique de 9,72, qui est moins élevé que celui qui serait indiqué théoriquement pour un mélange de WC et de TiC dans les proportions de te- neur en métaux trouvées par les essais.
Comme le poids spé- cifique de WC est de 15,64 et celui de TiC de 5,0055, le poids spécifique calculé dans l'hypothèse que ce produit est un mélange de WC et de TiC, serait de 10,29. Le point de fusion du produit a été trouvé plus élevé que celui de WC (2867 + 50 C ) et peut être plus élevé que celui de TiC (3146 ¯ 50 C ) .
Si la substance était une solution solide de TiC dans WC, c'est-à-dire un eutectique, on s'attendrait à ce que le point de fusion soit inférieur à celui de WC. Des particu- les de la nouvelle substance de carbure ont été traitées par une solution standardisée d'acide fluorhydrique conte- nant une goutte d'acide nitrique et on a trouvé qu'elles se dissolvent en deux heures tandis qu'une quantité équivalente d'un mélange de WC et TiC était dissoute dans la même solution en moins de 2 minutes.
Ep vue d'essayer davantage la nouvelle substance de car- bure WTiC2, en comparaison d'un mélange de WC et TiC ayant la même teneur finale en métaux, des paires de pièces d'essai de compositions dures de matière ont été formées comme on l'a décrit dans un autre brevet portant la même date,en em- ployant la même quantité des mêmes matières liantes et en suivant exactement les mêmes procédés sauf que les unes con- tenaient WTiC2 et que les autres contenaient une quantité équivalente d'un mélange de WC et de TiO. Un certain nombre
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de ces paires de pièces d'essai ont été faites en utilisant différentes matières liantes et avec des proportions diffé- rentes de matière de oarbure et de matière liante.
Dans oha- que cas les compositions dures oontenant la nouvelle substan - ce de carbure WTiC2 ont montré d'après les essais une con- duotibilitê thermique caractéristiquement plus fajble que celles faites aveo des mélanges de WC et de TiC, ont montré ,une plus grande résistance et une plus grande dureté et ont montré de même lors d'essais répétés, dans lesquels ces nou- velles oompositions dures de matière étaient employées comme pointes d'outil coupantes pour l'usinage d'acier et de fonte au ouivre et au silicium, une résistance beaucoup plus gran- de à la formation de cratères et une bonne résistance à l'érosion et à l'usure par des copeaux dacier et de fonte,
les compositions contenant WTiC2 durant de 4 à 5 @@ is aussi longtemps que les compositions contenant des mélanges de WC et de TiC, en cas d'emploi dans des conditions identiques dans la même machine et de coupe de la même matière au même taux de vitesse.
La nouvelle substance de carbure a été fabriquée en gran- des quantités et a été invariable quant à ses caractéristiques physiques et à son analyse chimique, étant toujours produite dans la quantité attendue à l'état de particules de dimen- sions assez uniformes, avec un éclat métallique élevé et aveo des surfaces des particules principalement oonooldales, lorsqu'on les regarde sous un microscope de haute puissance.
L'inventeur pense que la substance dure de carbure, fai- te suivant le procédé décrit, est un composé chimique nou- veau correspondant chimiquement à la formule WTiC2. Les rai- sons de cette croyance sont (1) la composition invariable de la substance comme on l'a décrite et correspondant toujours à la formule WTiC2 par l'analyse , même lorsque les quanti- tés des ingrédients du mélange initialement chauffé sont modifiées largement pour comprendre un grand excès de W ou
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de Ti ; (2) son comportement chimiquement différent lors du traitement par l'eau régale, en comparaison de WC et de TiC,ainsi que son comportement chimiquement différent lors du traitement par l'acide chlorhydrique contenant une petite quantité d'acide nitrique ;
(3) le fait que le composé pro- duit, lorsqu'il est mis sous la forme d'une composition du- re de matière dans un liant de nickel ou de cobalt ou d'une autre matière liante, une composition qui dure de 4 à 5 fois aussi longtemps qu'une composition dure similaire fai- te identiquement de la même manière, mais avec un mélange de WC et de TiC et ayant la même analyse chimique finale ; (4) la conductibilité thermique caractéristiquement inf érieu- re de compositions dures de matière le contenant ; (5) sa densité plus faible en comparaison de celle d'un mélange de WC et de TiC ayant la même analyse chimique finale ; (6) son point de fusion qui est plus élevé que celui de WC ou d'un eutectique .
Bien que la nouvelle composition de matière décrite et produite invariablement par le procédé décrit soit, pen- se-t-on un carbure pur correspondant à la formule WTiC2, il doit être bien entendu que si le procédé n'est pas suivi avec soin, en particulier si on emploie des ingrédients im- purs ou si la séparation mécanique et chimique d'impuretés n'est pas achevée, la masse résultante peut contenir quel- ques impuretés et la présente invention concerne la nouvelle composition de matière soit sous sa forme pure, telle qu'elle est produite par le procédé décrit, soit avec des impuretés accidentelles.
Comme on l'a indiqué ci-dessus, le procédé ici décrit produit invariablement une matière de carbure contenant les mêmes proportions, en dépit d'efforts répétés pour former d'autres carbures de tungstène et de titane en incorporant dans le mélange un excès de tungstène et de titane.
Bien que le nickel soit de préférence employé comme métal dissolvant,
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il va de soi que des ohangements peuvent être apportés dans le métal dissolvant utilisé, dans la quantité de métal dissolvant employée et la température utilisée, spécialement si la longueur de la période de ohauffage est modifiée en correspondance, et dans les réactifsemployés pour séparer les impuretés, c'est-à-dire dans les solutions acides oxydan - tes et les solutions d'hydroxyde, ainsi que dans le moyen employé pour effectuer la séparation mécanique d'impuretés, sans qu'on s'écarte de l'essence de l'invention qui est dé- finie aux revendications suivantes.
REVENDICATIONS ------------------
1. Un composé de carbure caractérisé par le fait qu'il consiste en tungstène, en titane et en carbone chimiquement combinés dans la proportion d'un atome de tungstène, d'un atome de titane et de deux atomes de carbone.