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"Compositions à base de fer, leur procédé de fabrication et leur application"
La présente invention se rapporte à des compositions métalliques à base de fer, pour soudure, déposées par des opé- rations de soudure par fusion, ainsi qu'à leur fabrication et à leur application, et elle se rapporte particulièrement à la production et à l'utilisation de matières à base de fer qui présentent simultanément un degré slave de dureté et une bonne résistance à l'abrasion et au choc.
Les matières métalliques sont appelées à résister à des conditions différentes d'abrasion, par exemple l'abra- sion légère ou effet de frottement tel qu'on le rencontre dans le sable sec ou humide, au cours du labourage et lorsqu' on utilise des instruments de travail de la terre, et l'a- brasion intense, souvent accompagnée de chocs, comme celle qui se produit dans les installations de broyage de pierres ou de minerais, et sur les aiguillages et croisements de
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tramways et chemins de fer.
On a spécialement mis au/point un certain nombre de matières ferreuses et non-ferreuses pour obtenir les caractères les plus propres à réduire au minimum la tendance destructrice de séries particulières de conditions, et il est devenu une pratique courante d'appliquer des ma- tières résistantes à l'abrasion par dépôt par soudure sous forme de revêtement ou couche superficielle, sur de nombreuses matières, soit sur des parties neuves, soit sur des parties usées pour les remettre en service.
Ces matières résistant à l'usure couramment employées actuellement et qui sont appliquées au moyen d'électrodes de soudure à l'arc ou de baguettes à souder sont de trois types généraux : a) alliages à base de fer contenant des éléments tels que du carbone, du chrome, du manganèse et du tungstène; b) alliages à base de cobalt contenant des éléments tels que du carbone, du chrome et du tungstène; c) carbure ou carbures de tungstène broyés associés à de l'acier doux.
Dans le type c, il est courant d'employer une élec- trode ou baguette de soudure à l'arc sous forme d'un tube en acier doux contenant du ou des carbures de tungstène broyés et (ou) d'autres carbures durs. L'acier doux agit unique- ment comme véhicule de dépôt, noyant et supportant les particu- les de carbure ou de carbures. Une fois déposé et soumis à une action d'usure, l'acier doux servant de support met à nu par son usure plus rapide les particules de carbure ou carbu- res plus dures, en formant une surface résistant à l'usure.
On sait également que des matières qui résistent bien à certaines formes particulières d'abrasion pour lesquelles elles sont mises au point ou destinées n'ont pas nécessaire- ment la même efficacité à l'égard d'une autre forme d'abrasion.
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L'acier original au manganèse, è très faible teneur en silicium (voir brevets Britanniques N 200/83 et 4705/96, au nom de Eadfields) est bien connu dans le monde industriel comme matière résistant à l'usure. A l'état normal et austéni- tique, il possède une dureté "minérale" assez faible, mais il est caractérisé par sa propriété de donner une surface très dure quand il est soumis à un travail à froid et aux chocs. C'est à cette propriété, jointe au fait que la matière sous-jacente conserve sa dureté et sa ductilité remarquables, qu'est due sa grande résistance à l'abrasion et aux chocs.
Par ses modifications de durcissement à l'air, l'acier original au manganèse de Hadfields, dont l'acier vendu sous la marque de fabrique "Hadmang", est un exemple, cet acier contenant de 0,3 à 2,5% de silicium, a l'avantage important de conserver sa nature austénitique ou, en d'autres termes, d'acquérir de la dureté, et sa surface est susceptible de durcir par un travail à froid et par chocs, par auto-refroi- dissement à l'air à partir d'une température d'environ 800 C, à 11500C., suivant la section relative du métal. Ce caractère est avantageusement utilisé en appliquant l'acier au moyen d'électrodes et de baguettes de soudure à l'arc qui sont également vendues sous la marque de fabrique déposée "Hadmang".
La présente invention réunit dans une composition de métal ferreux pour soudure déposée par des procédés de soudure par fusion, la dureté des matières à base de fer ayant une structure austénitique (dont on a donné ci-dessus des exemples) et une plus grande résistance à l'abrasion et (ou) au choc.
Conformément à la présente invention, on forme un alliage à base de fer à structure austénitique par dépôt de soudure par fusion avec une dispersion des particules ou zones de matière ayant une dureté minérale plus élevée (et, de préférence beaucoup plus élevée) que la matière for- mant la matrice austénitique. Par structure austénitique,
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on entende un alliage à base de fer formé d'une solution solide de carbone avec un ou plusieurs éléments métalliques comme le manganèse ou le nickel, dans du fer gamma, c'est-à-dire la variante du fer à structure cubique centrée par rapport à la face, possédant une aptitude appréciables au durcissement par un travail.
Le carbure ou les autres particules dures, à disper- ser dans la matrice peuvent être apportés sous la forme d'un enrobage déposé sur une baguette de la matière formant la matrice, ou former le noyau ou coeur de cette baguette, au moyen d'une quelconque des méthodes usuelles utilisées pour la préparation des électrodes de soudage.
Dans le cas du dépôt de soudure par fusion au moyen de l'arc électrique, et de procédés similaires n'utilisant pas normalement d'électrode métallique ou de baguette de soudage ou d'apport, la matière résistant à l'usure peut être appliquée à l'état de mélange de matière austénitique pour former la matrice et de carbure (s) ou autres particules dures destinées à. se disperser dans cette matrice, la forme de ces matières dépendant du dépôt de soudure par fusion par- ticulier employé et de l'épaisseur voulue de matière résistant à l'usure, superposée .
La matière double provenant des électrodes ou baguet- tes ou du mélange appliqué par fusion combine une matrice, qui est une matière intrinsèquement dure, avec une disposi- tion de particules ou de zones ayant des propriétés spéciales de résistance à l'usure ou à l'abrasion, et elle offre une résistance efficace à plusieurs formes d'abrasion.
Les particules ou zones dispersées peuvent consis- ter en un ou plusieurs carbures de tungstène, de bore, de titane, de molybdène, de vanadium, de tantale, de zirconium ou de colombium (niobium), ou autres matières notablement
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plus dures que la matrice austénitique avec laquelle elles sont employées, leurs dimensions étant telles qu'on obtienne la dispersion particulaire exigée du ou des carbures four- nis et (ou) une dispersion des autres carbures précipités de la solution.
Les proportions de matière austénitique et de par- ticules dispersées peuvent varier dans de larges limites, l'une ou l'autre étant prépondérante. Toutefois, il est pré- férable que la proportion de particules dispersées soit au moins de 50% en poids de la matière double; elle peut, dans certains cas, atteindre 90% et même davantage.
Couille exemple de matrice d'acier au manganèse uti- lisable, on peut citer un acier contenant 0,9 à 1,4% de carbone, et 10 à 14% de manganèse, de préférence environ 1,25% de carbone et environ 13% de manganèse.
Comme matrice durcissant à l'air, on peut utiliser un acier contenant environ 0,3 à 0,85% de carbone, au moins 0,3% de silicium, 10 à 15% de manganèse, une quantité effec- tive de nickel allant jusqu'à 4%, et jusqu'à 8% de chrome, de préférence environ 0,7% de carbone, 0,7% de silicium, 14% de manganèse et 3,5% de nickel.
L'emploi d'une matrice durcissant à l'air conduit particulièrement bien à la formation et au dépôt de la matière double à partir d'électrodes et baguettes de soudage, la matrice acquérant de la dureté par simple refroidissement.
L'utilisation d'un dépôt par l'arc n'est pas limitée à la for- mation de -matrices durcissant à l'air et une caractéristi- que de la présente invention consiste à produire la matière double, quelle que soit sa composition, par dépôt de soudure par fusion. On peut, si nécessaire, obtenir les propriétés voulues ou les améliorer par des opérations subséquentes servant à amener le durcissement par un travail.
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Les particules ajoutées de matière plus dure peu- vent être de dimensions sensiblement uniformes ou peuvent occuper une large gamme de dimensions, suivant la matière particulière utilisée. C'est ainsi que, lorsqu'on emploie du ou des carbures de tungstène, les dimensions particulaires peuvent être 0,6 à 0,163 mm. Ainsi, la matière double ainsi obtenue peut présenter une dispersion sensiblement uniforme ou dendritique de particules de carbure eutectique, de dimensions plus ou moins uniformes, avec ou sans zones. ou "ilots" des mêmes particules, on peut comprendre des par- ticules plus grosses, isolées ou entourées de particules plus petites dont aucune n'a été en solution mais qui, dans chaque cas, contribue aux propriétés désirées.
Les plus grosses particules et de moins grosses peuvent s'agglomérer dans la partie inférieure de la matière déposée, la partie supérieure (contenant peu ou pas des particules les plus grosses) manifestant la structure dendritique ci-dessus. indiquée.
A titre d'exemple, on décrira ci-après un procédé de production d'électrodes pour soudure à l'arc destinées à fournir, conformément à la présente invention, un métal dou- ble déposé par soudure, résistant à l'abrasion..
Sur un fil formant noyau en acier austénitique au nickel-manganèse durcissant à l'air, de composition approximative 0,7% de carbone, 0,7% de silicium, 13% de manganèse et 3,5% de nickel (vendu dans le commerce sous la marque de fabrique "Eadmang") on applique un poids à peu près égal de carbure (s) d.e tungstène broyé, à une dimension particulaire de 0,6 à 0,163 mm., incorporés au flux habituel d'enrobage des électrodes.
Par dépôt de soudure par fusion on peut appliquer une zone ou des zones de matière double dure, résistant à
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l'abrasion, en toute épaisseur désirée, sur les objets en acier destinés à être employésdans des conditions abrasives.
Ces articles en acier peuvent eux-mêmes être faits d'acier austénitique ou d'un autre type d'acier. Les objets usés ou insuffisamment résistants peuvent être régénérés ou améliorés de cette manière, l'invention étant applicable également à la fabrication d'articles neufs. Le procédé de dépôt de soudure par fusion conformément à la présente invention peut être appliqué non seulement à la fabrication ou au trai- tement d'équipements du type indiqué ci-dessus, mais encore à la fabrication de pointes d'outils pour tours, raboteu- ses et autres outils de machines. Le dépôt peut aussi être utilisé pour faire des articles distincts destinés à être fixés par soudure ou brasage, ou par vis ou boulons et autres montages mécaniques, à d'autres objets métalliques.
Les dessins annexés montrent des microphotogra- phies légèrement réduites d'un dépôt typique de soudure formé conformément à la présente invention.
La Fig. 1 est une coupe montrant la jonction du dépôt obtenu par soudure et du métal sur lequel le dépôt est effectué, le grossissement original étant de 25 diamètres.
La Fig. 2 est une coupe montrant la jonction, prise sous un grossissement original de 250 diamètres;
La Fig. 3 est une coupe, de même grossissement que celui de la Fig. 2, de la structure double sensiblement uniforme d'une partie du dépôt représenté dans la Fig. 1.
Le métal initial est un acier austénitique au manganèse communément connu dans le monte entier sous le nom d'acier au manganèse "Hadfields", qui contient environ 1,2% de carbone et 13% de manganèse. On obtient une dureté au diamant Vickers de 230 environ, la lecture étant faite à une distance d'environ 31/10 de mm. au-dessous de la ligne
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de jonction de la soudure. Cette ligne b est bien définie, et n'est qu'à peine irrégulière.
Le dépôt de soudure a été obtenu par soudure à l'arc au moyen d'une électrode à noyau d'acier &u manganèse- nickel durcissant à l'air vendue sous la marque de fabrique "Hadmang" et dont la composition approximative est de 0,7% de carbone, 0,7% de silicium, 13% de manganèse, 3,5% de nickel. Ce noyau est recouvert d'un poids à peu près égal de carbure de tungstène broyé à une dimension particulaire de 0,6 à 0,163 mm. et introduit dans le flux qui constitue l'enrobage usuel du fil de métal du noyau.
Le dépôt est formé principalement d'une masse ±. double sensiblement uniforme formée de particules dendriti- ques de carbure eutectique dans une matrice d'acier au manganèse-nickel, suivant une texture que l'on peut juste distinguer dans la Fig. 1 sous forme d'une série de fines lignes parallèles. La Fig. 3 montre que les particules den- dritiques d sont de dimensions plus ou moins uniformes telles qu'elles proviennent de la solution dans la transition entre le noyau fondu et du revêtement et le dépôt solide de soudure. La texture sensiblement uniforme indiquant une dispersion sensiblement uniforme des particules de carbure est nettement montrée dans la Fig. 3.
Lette matière double, qui résiste à l' écaillage et au craquèlement à un degré inattendu quand elle est soumise à des chocs répétés, a une dureté au diamant Vickers de 600 à 700 à l'état de dépôt, valeur considérablement plus élevée que celle attendue du métal qui est un acier austénitique au manganèse, même après durcissement par travail. Cette matière double a en outre elle-même la propriété de durcir par un travail.
La Fig. 1 montre qu'au voisinage de la jonction b
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se trouvent de plus grosses particules e. et quelques parti- cules plus petites ; d'entre elles, grosses ou petites, n'ont'été en solution mais elles contribuent toutes aux propriétés désirées de résistance à l'abrasion conférées à la masse principale du dépôt. La Fig. 2 montre une des gros- ses particules e. très près de la jonction b et d'une dimen- sion suffisante non seulement pour qu'on ait pu l'identifier mais encore pour qu'on ait pu en évaluer la dureté Vickers au diamant, l'empreinte f du diamant étant nettement visible.
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"Iron-based compositions, their manufacturing process and their application"
The present invention relates to iron-based metal compositions for soldering deposited by fusion soldering operations, as well as to their manufacture and application, and particularly relates to the production and manufacture. use of iron-based materials which simultaneously exhibit a Slavic degree of hardness and good abrasion and impact resistance.
Metallic materials are called upon to withstand different abrasion conditions, for example slight abrasion or rubbing effect as encountered in dry or wet sand, during plowing and when used. tools for working the earth, and intense abrasion, often accompanied by shocks, such as that which occurs in installations for crushing stones or minerals, and on switches and crossings of
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trams and railways.
A number of ferrous and non-ferrous materials have been specially developed to achieve the characteristics most suitable for minimizing the destructive tendency of particular series of conditions, and it has become common practice to apply ma- Materials resistant to abrasion by deposition by welding in the form of a coating or surface layer, on many materials, either on new parts or on worn parts to put them back into service.
These wear-resistant materials commonly used today and which are applied by means of arc welding electrodes or welding rods are of three general types: a) iron-based alloys containing elements such as carbon , chromium, manganese and tungsten; b) cobalt-based alloys containing elements such as carbon, chromium and tungsten; c) Ground tungsten carbide or carbides associated with mild steel.
In type c it is common to employ an arc welding rod or electrode in the form of a mild steel tube containing ground tungsten carbide (s) and / or other hard carbide (s). Mild steel acts only as a deposition vehicle, embedding and supporting carbide or carbide particles. Once deposited and subjected to a wear action, the mild steel serving as a support bares the harder carbide particles or carbides by its more rapid wear, forming a wear resistant surface.
It is also known that materials which resist well to certain particular forms of abrasion for which they are developed or intended do not necessarily have the same effectiveness with respect to another form of abrasion.
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The original manganese steel, very low in silicon (see British Patents Nos. 200/83 and 4705/96, in the name of Eadfields) is well known in the industrial world as a wear resistant material. In the normal and austenitic state, it has a fairly low "mineral" hardness, but it is characterized by its property of giving a very hard surface when subjected to cold working and shocks. It is to this property, together with the fact that the underlying material retains its remarkable hardness and ductility, that its great resistance to abrasion and impact is due.
By its air-hardening modifications, the original Hadfields manganese steel, of which the steel sold under the trademark "Hadmang", is an example, this steel containing from 0.3 to 2.5% of silicon, has the important advantage of retaining its austenitic nature or, in other words, of acquiring hardness, and its surface is liable to harden by cold working and by shocks, by self-cooling at air from a temperature of about 800 C, to 11500C., depending on the relative section of the metal. This character is advantageously used by applying the steel by means of electrodes and arc welding rods which are also sold under the registered trademark "Hadmang".
The present invention combines in a ferrous metal composition for welding deposited by fusion welding processes, the hardness of iron-based materials having an austenitic structure (examples of which have been given above) and greater resistance to abrasion and (or) impact.
In accordance with the present invention, an iron-based alloy having an austenitic structure is formed by deposition of fusion solder with a dispersion of particles or areas of material having a higher (and preferably much higher) mineral hardness than the material. forming the austenitic matrix. By austenitic structure,
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we mean an iron-based alloy formed from a solid solution of carbon with one or more metallic elements such as manganese or nickel, in gamma iron, that is to say the variant of iron with a cubic structure centered by compared to the face, possessing an appreciable aptitude for hardening by work.
The carbide or other hard particles to be dispersed in the matrix can be provided in the form of a coating deposited on a rod of the material forming the matrix, or form the core or core of this rod by means of any of the usual methods used for the preparation of welding electrodes.
In the case of fusion weld deposition by means of electric arc, and similar processes not normally using a metal electrode or welding or filler rod, the wear resistant material may be applied. in the state of a mixture of austenitic material to form the matrix and carbide (s) or other hard particles intended for. disperse in this matrix, the shape of these materials depending on the particular fusion weld deposit employed and the desired thickness of wear resistant material superimposed.
The dual material from the electrodes or rods or the melt applied mixture combines a matrix, which is an inherently hard material, with an arrangement of particles or areas having special properties of resistance to wear or tear. abrasion, and provides effective resistance to many forms of abrasion.
The dispersed particles or areas may consist of one or more carbides of tungsten, boron, titanium, molybdenum, vanadium, tantalum, zirconium or colombium (niobium), or other notable materials.
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harder than the austenitic matrix with which they are employed, their dimensions being such as to obtain the required particulate dispersion of the carbide (s) provided and (or) a dispersion of the other carbides precipitated from the solution.
The proportions of austenitic material and dispersed particles can vary within wide limits, one or the other being predominant. However, it is preferable that the proportion of dispersed particles is at least 50% by weight of the double material; it can, in some cases, reach 90% and even more.
An example of a manganese steel matrix that can be used, there may be mentioned a steel containing 0.9 to 1.4% carbon, and 10 to 14% manganese, preferably about 1.25% carbon and about 13. % manganese.
As the air-hardening matrix, there can be used a steel containing about 0.3 to 0.85% carbon, at least 0.3% silicon, 10 to 15% manganese, an effective amount of nickel ranging from up to 4%, and up to 8% chromium, preferably about 0.7% carbon, 0.7% silicon, 14% manganese and 3.5% nickel.
The use of an air-hardening matrix leads particularly well to the formation and deposition of double material from welding electrodes and rods, the matrix acquiring hardness by simple cooling.
The use of arc deposition is not limited to the formation of air curing matrices and it is a feature of the present invention to produce the double material regardless of its composition. , by fusion weld deposition. If necessary, the desired properties can be obtained or improved by subsequent operations to bring about hardening by working.
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The added particles of harder material may be substantially uniform in size or may occupy a wide range of sizes, depending on the particular material used. Thus, when using tungsten carbide (s), the particle sizes can be 0.6 to 0.163 mm. Thus, the double material thus obtained can exhibit a substantially uniform or dendritic dispersion of particles of eutectic carbide, of more or less uniform dimensions, with or without zones. or "islands" of the same particles, one can include larger particles, isolated or surrounded by smaller particles none of which have been in solution but which in each case contribute to the desired properties.
Larger particles and smaller ones can agglomerate in the lower part of the deposited material, the upper part (containing little or no larger particles) exhibiting the above dendritic structure. indicated.
By way of example, a process for producing arc welding electrodes for providing, in accordance with the present invention, an abrasion resistant, weld-deposited double metal will be described below.
On an air-hardening austenitic nickel-manganese steel core wire of approximate composition 0.7% carbon, 0.7% silicon, 13% manganese and 3.5% nickel (sold in the traded under the trade name "Eadmang") an approximately equal weight of ground tungsten carbide (s), with a particle size of 0.6 to 0.163 mm, is applied, incorporated into the usual flow of coating the electrodes.
By deposition of weld by fusion it is possible to apply a zone or zones of double hard material, resistant to
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abrasion, in any desired thickness, on steel articles intended for use in abrasive conditions.
These steel articles may themselves be made of austenitic steel or some other type of steel. Worn or insufficiently strong articles can be regenerated or improved in this way, the invention also being applicable to the manufacture of new articles. The fusion weld deposition process according to the present invention can be applied not only to the manufacture or processing of equipment of the type indicated above, but also to the manufacture of tool tips for lathes, planer. - its and other machine tools. The deposit can also be used to make separate articles intended to be attached by welding or brazing, or by screws or bolts and other mechanical fixtures, to other metallic objects.
The accompanying drawings show slightly reduced microphotographs of a typical weld deposit formed in accordance with the present invention.
Fig. 1 is a section showing the junction of the deposit obtained by welding and the metal on which the deposit is made, the original magnification being 25 diameters.
Fig. 2 is a section showing the junction, taken at an original magnification of 250 diameters;
Fig. 3 is a section, with the same magnification as that of FIG. 2, of the substantially uniform double structure of part of the deposit shown in FIG. 1.
The initial metal is an austenitic manganese steel commonly known throughout the industry as "Hadfields" manganese steel, which contains approximately 1.2% carbon and 13% manganese. A Vickers diamond hardness of about 230 is obtained, the reading being taken at a distance of about 31/10 mm. below the line
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junction of the weld. This line b is well defined, and is barely irregular.
The weld deposit was obtained by arc welding using an air-hardening manganese-nickel steel core electrode sold under the trademark "Hadmang" and having an approximate composition of 0. , 7% carbon, 0.7% silicon, 13% manganese, 3.5% nickel. This core is coated with approximately equal weight of tungsten carbide ground to a particle size of 0.6 to 0.163 mm. and introduced into the flow which constitutes the usual coating of the metal wire of the core.
The deposit is formed mainly of a ± mass. substantially uniform double formed of dendritic particles of eutectic carbide in a matrix of manganese-nickel steel, following a texture which can only be distinguished in FIG. 1 as a series of thin parallel lines. Fig. 3 shows that the dentitic particles are more or less uniform in size as they arise from solution in the transition between the molten core and the coating and the solid deposit of solder. The substantially uniform texture indicating a substantially uniform dispersion of the carbide particles is clearly shown in FIG. 3.
This dual material, which resists chipping and cracking to an unexpected degree when subjected to repeated impact, has a Vickers diamond hardness of 600-700 in the deposited state, considerably higher than expected. metal which is austenitic manganese steel, even after work hardening. This double material itself also has the property of hardening by work.
Fig. 1 shows that in the vicinity of the junction b
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there are larger particles e. and some smaller particles; of them, large or small, have not been in solution but they all contribute to the desired abrasion resistance properties imparted to the main mass of the deposit. Fig. 2 shows one of the large particles e. very close to the junction b and of sufficient size not only for it to have been identified but also for its Vickers diamond hardness to be evaluated, the imprint f of the diamond being clearly visible .