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"PROCEDE ET APPAREIL POUR APPLIQUER UNE COUCHE DE METAL
PROTECTEUR SUR UN OBJET METALLIQUE."
La présente invention concerne l'application de couches de métal protecteur sur des objets sujets à l'usure ou à l'oxydation, ou aux deux. Elle est particulièrement utile pour faire des couches annulaires de métal protecteur, par exemple un alliage de cobalt, de chrome et de tungstène qui possède une grande résistance à l'usure par frottement et à l'oxydation aux hautes températures, sur des objets tels que des soupapes et des sièges de soupapes. Pour plus de con- cision et de clarté, c'est cette application de l'invention que l'on décrira en détail ; il est évident que d'autres applications analogues de l'invention sont possibles.
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Les surfaces de contact de soupapes et de sièges de soupapes sont fréquemment munies de couches superficielles de métal protecteur par une opération à la main faisant usage de méthodes de soudage avec dépôt par fusion, d'une tige de soudure et d'une flamme de chalumeau ou autre source de chaleur de haute température. Ce procédé à la main est lent, ne produisant dans un cas typique que quatorze parties de sou- papes surfacées à l'heure et par soudeur. Les couches ainsi produites présentent les irrégularités et imperfections inhé- rentes à un travail manuel de ce genre et un pourcentage im- portant des parties de soupapes soudées doivent être rejetées ou ressoudées.
On ne peut pas déposer à la main du métal sous la forme d'une couche d'épaisseur uniforme et, par conséquent, on doit appliquer un excès important de métal et l'enlever après cela au cours des opérations de finissage.
Ainsi, le procédé manuel implique un gaspillage de temps, de travail et de matières et le besoin se fait sentir de procédés et machines automatiques ou semi-automatiques qui diminuent ou suppriment ce gaspillage. L'invention a pour objet d'offrir un procédé et une machine de ce genre. Elle offre en outre un procédé de préparation d'ébauches de soupa- pes, ébauches de sièges de soupapes et objets similaires pour 1c réception de couches de métal protecteur.
L'invention offre, en conséquence, un procédé de formation d'une couche de métal protecteur unie à une portion superficielle d'un objet métallique, procédé qui consiste à placer du métal protecteur sur ladite portion, à préchauffer cette dernière et ledit métal à une température légèrement
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inférieure au point de fusion du métal protecteur, puis à fondre ce dernier métal.
L'invention offre également un appareil pour la mise en pratique du procédé ci-dessus. Cet appareil comprend plusieurs tables porte-ouvrage équidistantes et capables de retenir l'article à traiter; il comprend de plus plusieurs sources de haute température pour fournir la chaleur pour le préchauffage d'une portion de l'objet et de tout le métal protecteur ainsi que pour fournir la chaleur pour la fusion du métal protecteur; l'appareil comprend également des moyens pour mettre en position chacune des tables porte-ouvrage suc- cessives, avec l'article qui se trouve dessus, d'abord dans la zone de préchauffage puis dans la zone de fusion, chaque table porte-ouvrage étant maintenue dans la zone de fusion pendant une période de temps représentant une partie aliquote du temps durant lequel cette table reste dans la zone de pré- chauffage.
- La manière dont les buts, sus-mentionnés, de l'in- vention sont atteints, ressortira de la description.
Des réalisations typiques des diverses caractéristi- ques de l'invention sont représentées sur les dessins ci- joints où :
Fig. 1 est une vue de face, partie en coupe, d'une machine pour l'application de couches annulaires de métal protecteur aux surfaces de contact de parties de soupapes;
Fig. 2 est un plan, à échelle réduite, de cette machine;
Fig. 3 est un détail en coupe d'une table porte- ouvrage individuelle W, représentée sur les Figs. 1 et 2,
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avec un siège de soupape, 92 placé sur elle et prêt pour l'application d'une couche de métal protecteur,
Fig. 4 est une coupe d'un chalumeau T avec jets ver- ticaux, représenté sur la Fig. 1 ;
Fig. 5 est une coupe suivant 5-5, Fig. 4;
Fig. 6 est une coupe partielle d'un autre type de chalumeau T', avec jets horizontaux, représenté sur la Fig.l;
Fig. 7 est un plan, partie en coupe, du chalumeau T';
Fig. 8 est une vue de côté d'une partie d'une va- riante du chalumeau T', possèdant des jets sur deux rangs;
Fig. 9 est une coupe, en perspective, d'un type d'ébauche de siège de soupape 90, préparée pour l'applica- tion d'une couche de métal protecteur 91;
Fig. 10 est une coupe partielle, en perspective, d'un autre type d'ébauche de siège de soupape, 92, adaptée à une garniture réfractaire ;
Fig. 11 est une coupe partielle, en perspective, d'un autre type d'ébauche de siège de soupape adaptée à une garniture réfractaire 95;
Fig. 12 est une coupe, en perspective, d'un siège de soupape partiellement terminé, 92, muni d'une couche sou- dée, 96, de métal protecteur;
Fig. 13 est une coupe, en perspective, d'un siège de soupape terminé, 92, possédant une surface de contact for- mée dans la couche 96 de métal protecteur;
Fig. 14 est une coupe partielle, en perspective, d'une tête de soupape à cône ±± préparée pour l'application d'une couche de métal protecteur;
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Fig.15 est une coupe partielle, en perspective, d'une variante de tête de soupape à cône 98 munie d'un man- chon ou couronne réfractaire 99 et
Fig. 16 est une coupe, en perspective, d'une vanne 100 possédant deux surfaces de contact protégées par des couches 101 et 102 de métal protecteur.
Bien que l'appareil représenté sur les Figs. 1 à 8 puisse être actionné de bien des façons différentes et puisse être utilisé pour traiter bien des objets différents, il trouvera peut-être son plus grand usage dans l'application de couches annulaires de métal protecteur aux surfaces de con- tact de parties de soupapes et pour un tel usage la façon de procéder suivante est, préférée.
Suivant la façon de procéder préférée, la partie de soupape et le métal protecteur sont convenablement pré- parés puis sont chauffés graduellement, en entier, à une tem- pérature juste au-dessous de la température de fusion du métal protecteur et ce dernier est ensuite amené à son point de fusion. La surface de la partie de soupape n'est pas fondue à une profondeur importante. Dans ces conditions, on obtient une union complète du métal protecteur avec la partie de soupape, avec un,risque minimum de dommage pour cette der- nière. Une fusion excessive du métal de la partie de soupape et un mélange de ce métal avec le métal protecteur fondu sont évités. Un mélange du métal de la partie de soupape et du métal protecteur dilue ce dernier et est, par conséquent, indésirable.
Cependant, si la partie de soupape est très massive, il n'est pas nécessaire de chauffer la masse tout entière presque jusqu'au point de fusion.
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S'il s'agit de protéger des parties de soupapes en acier, d'une dimension dont on fait habituellement usage dans les moteurs d'automobiles, avec un alliage cobalt-chrome- tungstène similaire à la "stellite", par exemple, on doit de préférence amener la partie de soupape et l'alliage à une température d'environ 1000 en vingt secondes et fondre en- suite l'alliage protecteur en dix secondes, ce qui donne par cela même une production de 360 parties protégées à l'heure.
Des objets différents et des métaux différents exigent des températures différentes d'une manière correspondante, mais le temps de fusion et d'union doit toujours être une partie aliquote du temps de préchauffage. La partie de soupa- pe doit avoir un point de fusion pas de beaucoup inférieur, et de préférence supérieur, à celui du métal protecteur.
Des procédés typiques de préparation d'ébauches de parties de soupapes pour le traitement sont représentés sur les Figs. 9, 10, 11, 14 et 15. Par exemple, on peut faireune rainure dans cette partie de l'ébauche sur laquelle le métal protecteur doit être appliqué, comme représenté sur les Figs. 9 et 14, et on peut placer par-dessus ou dans cette rainure des morceaux 91 de métal protecteur avec ou sans un fondant pulvérisé convenable 89, comme représenté sur la Fig.
Ou bien encore on peut faire un biseau ou chanfrein sur l'ébauche et adapter à celle-ci une garniture, couronne ou bouchon réfractaire convenable pour former une rainure pro- pre à tenir le métal protecteur, comme représenté sur les Figs. 10, 11 et 15. Au lieu de morceaux séparés de métal protecteur, on peut faire usage d'une couronne ou bague sensiblement complète de ce métal.
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On peut monter une ébauche préparée sur une table porte-ouvrage W, comme indiqué sur les Figs. 1 et 2, et la soumettre à des flammes de haute température en plusieurs opérations successives qui effectuent un préchauffage de l'ébauche et du métal protecteur et fondent également le métal protecteur et le soudent à l'ébauche. On enlève ensuite de la table porte-ouvrage l'ébauche soudée qui, dans cet état, présente un aspect similaire, par exemple, à celui de l'article représenté sur la Fig. 12. On peut ensuite procéder à un meulage ou autre opération d'usinage pour pré- parer la partie de soupape finie, qui peut avoir la forme re- présentée sur la Fig. 13.
Un appareil pour appliquer automatiquement ou semi- automatiquement des flammes de préchauffage et de fusion aux ébauches préparées est représenté sur les Figs. 1 à 8. Cet appareil comprend plusieurs tables porte-ouvrage individuelles W montées de façon à pouvoir tourner sur une plate-forme ca- pable de tourner, 10, pourvue d'uh mécanisme convenable pour amener chaque table, successivement, en position sous des chalumeaux préchauffeurs T et T' et un chalumeau de fusion T".
Les tables porte-ouvrage individuelles W, repré- sentées en détail sur la Fig. 3, sont identiques et compren- nent une pièce de mise en position de l'ouvrage, 30, en cuivre ou autre matière convenable, reposant sur une pièce réfrac- taire 31 qui, à son tour, repose sur un plateau métallique 32 assujetti à un arbre 33. Ce dernier est supporté par la plate-forme 10, au moyen d'un roulement 14, et par une base 11, au moyen d'un roulement 35. L'arbre 33 et les pièces qu'il supporte peuvent être mis en rotation par une chaîne
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de transmission 36 et une roue à chaîne 37. La chaîne 36 est actionnée par une roue à chaîne 38, Fig. 1, qui est mise en rotation par un arbre 39 actionné par un moteur 23 au moyen de pignons d'angle 24.
Du courant électrique, pour le moteur 23, peut être fourni par l'intermédiaire d'un dis- positif à balais et à bagues collectrices 22.
Dix tables porte-ouvrage W sont représentées sur les Figs. 1 et 2. On a crouvé que c'est là un nombre convenable, mais on peut faire usage d'un nombre plus grand ou moindre de tablés, si on le désire. Les tables sont disposées à éga- les distances, en un cercle, sur une plate-forme 10 munie d'un renfort 12. La plate-forme 10 est assujettie à un arbre principal 13 qui est supporté sur un bâti 14 par des roule- ments convenables 15 et 16. L'arbre 13 et la plate-forme 10 sont mis en rotation d'une manière intermittente par un ro- chet 17 et un cliquet 18 actionné par un bras à mouvement alternatif 19, mû, au moyen d'une came 20, par un moteur 21.
La course de la came 20 est suffisante pour faire faire à la plate-forme 10 un dixième de tour pour chaque tour de la came 20. A la fin de chaque course de la came 20, le mouve- ment de la. plate-forme 10 cesse et cette plate-forme peut être tenue en position par un arrêt ou bonhomme élastique 46 s'engageant dans des dépressions peu profondes existant dans le bord de la base 11.
Au-dessus de la table porte-ouvrage W sont suppor- tés, dans des positions adjacentes à celle-ci et en relation fixe avec le pâti 14, un chalumeau préchauffeur de dessus, T, un chalumeau préchauffeur latéral T' et un chalumeau de fu- sion T". Les chalumeaux sont alimentés en mélange combustible
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ae comoustioie et aoxygene par une nourrice distributrice 45. La disposition d'appareil représentée sur les Figs. 1 et 2 est destinée à tourner dans le sens dextrogyre; mais on pourrait naturellement faire usage d'une disposition inverse en transposant les parties d'une manière appropriée.
Dans la disposition représentée, une ébauche de partie de sou- pape, ou autre objet , est placée soit à la main soit par un dispositif mécanique convenable, pendant chaque arrêt de mouvement, sur chaque table porte-ouvrage W qui se trouve immédiatement avant le chalumeau préchauffeur de dessus T.
La plate-forme 10 fait passer chaque table porte-ouvrage sous ou devant les chalumeaux T, T' et T' et l'objet traité peut ensuite être enlevé de sa table porte-ouvrage, à la main ou mécaniquement, pendant un arrêt de mouvement de la plate-forme 10 tournant d'une manière intermittente.
Comme la plate-forme 10, portant les tables porte- ouvrage, avec les objet.s à traiter, est mise en rotation d'une manière intermittente à intervalles de temps égaux et par fractions de tours égales, chaque table porte-ouvrage est amenée successivement sous les chalumeaux respectifs T, T' et T" et reste sous chacun d'eux pendant un intervalle de temps prédéterminé constant. Toutes les tables porte- ouvrage sont continuellement mises en rotation par le moteur 23, ce qui favorise l'uniformité du chauffage sur l'objet.
Si on le désire, au moment où chaque table porte-ouvrage arrive au chalumeau de fusion T", du fondant peut être placé sur l'objet en cours de traitement par un injecteur 25 relié à un réservoir de fondant 26 et à une source de gaz sous pression. Une courte insufflation ou bouffée de gaz peut être fournie à l'injecteur 25 par le fonctionnement
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d'un robinet à action rapide 27 actionné par un levier 28 relié au bras à mouvement alternatif 19. On peut également désirer confiner la chaleur des chalumeaux T, T' et T" par une hotte 29 qui ne tourne pas avec la plate-forme 10 et dans laquelle il existe de préférence une ou plusieurs ouvertures ou sections transparentes (non représentées) pour permettre un examen visuel des chalumeaux T, T' et T".
Un chalumeau préchauffeur de dessus convenable, T, est représenté en détail sur les Figs. 4 et 5 et comprend un corps annulaire creux 40 entourant une cheminée centrale 47 contenant une chambre annulaire interne 41 qui sert de nourrice distributrice pour un mélange de combustible et d'o- xygène. Un mélange de combustible, de l'acétylène par exemple, et d'oxygène ou d'air est amené à la chambre distributrice 41 par un conduit 42 et la chambre 41 fournit le mélange à une rangée de jets ou becs de chalumeau 43. Une chambre de re- froidissement par eau 44 entoure, au moins partiellement, la chambre 41.
Si on le désire, par exemple pour la commodité du traitement des dessous de têtes de soupapes à cône, le corps de chalumeau 40 peut être fait en deux ou plus de deux pièces distinctes, d'une manière similaire à celle utilisée dans la construction du chalumeau préchauffeur de côté T', pour permettre le passage de la tige de soupape.
Un chalumeau préchauffeur de côté, T', dont on a fait usage avec succès est représenté en détail sur les Figs. 6 et 7 et comprend une paire de corps arqués creux semblables, 60 et 70, dont chacun est muni d'une chambre distributrice 61 et 71 et de passages de refroidissement par eau 62 et 72. Un mélange de combustible et d'oxygène est amené aux chambres 61 et 71 par des conduits 63 et 73 et
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les chambres livrent le mélange aux jets de chalumeau 43.
Les parties des conduits 63 et 73 qui sont exposées à une haute température sont protégées par une chemise de refroidis- sement par eau, 74, et l'eau de refroidissement quittant cette chemise 74 est conduiteaux passages de refroidissement par eau 62 et 72 des corps de chalumeau 60 et 70. Si on le désire, comme par exemple dans le traitement d'objets relativement épais, les jets 43 peuvent être disposés en deux ou plus de deux rangées, comme représenté sur la Fig. 8. Le chalumeau préchauffeur de côté T' est supporté à une hauteur telle, au- dessus de la plate-forme 10, que les jets 43 se trouvent en face des cptés de l'ébauche de soupape 92. Si l'on a à chauffer des têtes de soupapes à cône, la chemise 74 doit se trouver assez au-dessus des corps 60 et 70 pour permettre le passage de la tige de soupape.
Le chalumeau de fusion T" peut être sensiblement le même que le chalumeau préchauffeur de dessus T, bien qu'on fasse ordinairement usage de plus de jets 43 dans le cha- lumeau de fusion que dans le chalumeau préchauffeur.
Dans chacun des chalumeaux T, T' et T" l'ouverture centrale joue le rôle d'une cheminée pour les produits de combustion.
Au lieu d'être montés dans une position fixe, comme représenté, un ou plusieurs des chalumeaux peuvent recevoir un mouvement rotatif ou un mouvement d'oscillation trans- versal et, dans ce cas, il peut être désiré de ne pas faire tourner les tables porte-ouvrage.
On peut faire usage, au lieu des deux chalumeaux préchauffeurs représentés, d'un nombre moindre ou plus grand de ces chalumeaux, selon que les circonstances peuvent le
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dicter, et bien qu'il soit habituellement préf érable d'appli- quer un chalumeau préchauffeur de dessus avant le chalumeau préchauffeur de côté, certains objets peuvent exiger le renversement de cet ordre ou l'usage soit d'un préchauffage par en dessus seul, soit d'un préchauffage par côté seul. De plus, tant des flammes par en dessus que des flammes par côté peuvent être appliquées simultanément. Au sacrifice de la commodité, des moyens de préchauffage autres que des flammes de chalumeau - un four à moufle, par exemple - peuvent être utilisés.
Le chalumeau de fusion T" peut être suivi par un moyen quelconque convenable pour différer ou retarder la so- lidification du métal protecteur fondu et un tel moyen amé- liorera, dans certains cas, l'état sain du métal déposé.
La plate-forme 10 n'a, naturellement, pas besoin d'être c¯rculaire et peut être remplacée par un moyen équiva- lent pour transporter le,:3 tables porte-ouvrage, moyen tel par exemple qu'une chaîne ou courroie sans fin se mouvant d'une façon intermittente, pas-à-pas, soit dans un plan ho- rizontal soit dans un plan vertical. La plate-forme, ou moyen équivalent, peut être mue à la main au lieu de l'être par un moteur.
Les tables porte-ouvrage peuvent être toutes mises en rotation simultanément, comme représenté; ou bien elles peuvent être munies de mécanismes de commande individuels distincts pour permettre un réglage indépendant du temps et de la vitesse de rotation de chaque table. Il est plus aisé de placer l'ouvrage sur les tables porte-ouvrage, et d'en enlever les objets, s'il est prévu un moyen d'arrêter
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la rotation de chaque table à un ou plusieurs postes éloignés des postes de chauffage. Si on le désire, le mécanisme dis- tributeur de fondant peut être omis, ou bien on peut faire usage d'un dispositif équivalent.
L'uniformité du chauffage des parties de soupapes est favorisée par la rotation des tables porte-ouvrage W, convenablement à une vitesse de 30 à 50 t/mn, par l'usage d'une pièce 30 bonne conductrice de la chaleur sous la partie de soupape et par l'usage de plusieurs jets de chalumeau 43.
On peut régler l'allure de chauffage par l'allure d'alimenta- tion des chalumeaux en mélange combustible-gaz et par le nombre et les grosseurs des jets 43. On peut faire varier le nombre et la distribution des jets de chalumeau 43 en rempla- çant certains de ceux-ci, par des bouchons.
Une flamme d'oxyacétylène avec excès d'acétylène est préférable comme agent de chauffage à chacun des postes de chauffage et de fusion.
Si l'on fait usage de la façon de procéder préférée, décrite ci-dessus, il est possible d'appliquer deux couches de métal protecteur, une sur chaque côté d'une partie de sou- pape, comme représenté sur la Fig. 16, en appliquant une des couches, en tournant la partie sens dessus dessous et en ap- pliquant la seconde couche. Etant donné que, seule, la couche qui se trouve le plus sur le dessus est portée à une tempéra- ture de fusion, l'application de la seconde couche ne refondra pas la première.
En plus des avantages décrits ci-dessus : rapidité d'opération, efficacité dans l'utilisation des matériaux et du travail, uniformité de la qualité des produits et adapta- bilité à une grande variété de procédés de surfaçage, le
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procédé et l'appareil de l'invention assurent la production de couches superficielles saines et homogènes de métal pro- tecteur exemptes de plis ou saillies et intimement liées au métal de l'objet. Des matières autres que la "stellite", par exemple : du bronze, du "métal Monel" et de l'acier à haute teneur en carome, peuvent naturellement être appliquées comme métaux protecteurs.
On peut traiter comme décrit ici non seu- lement des parties de soupapes mais aussi d'autres objets tels que cisailles circulaires, bagues dusure, poinçons, mêches cylindriques creuses et diverses filières, y comprisles filières d'étirage par compression.