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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.