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La présente invention concerne d'une façon générale un procède destiné à effectuer la cémentation des métaux du quatrième groupe de la table périodique.
Le procédé consistant à former un revêtement métallique adhérent dur sur des métaux ferreux en augmentant la teneur en carbone du métal à la surface, et dans certains cas la teneur en azote et à soumettre ensuite la surface carburée à un traitement par la chaleur a longtemps été apnelé "cémenta- tion". Par ce nrocédé on obtient une structure composée comnrenant un corns intérieur ou noyau relativement doux mais résistant et tenace et une surface extrêmement dure. La carburation industrielle des métaux ferreux est effectuée par l'un ou l'autre de plusieurs procédés, comprenant la carburation en
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paquets, la carburation au gaz, la carbonitruration et la carbura- tion aux liquides.
Parmi ces procédés, la carburation en paquets est l'un des procédés le plus ancien et le plus coûteux employés, le composé carburant usuel étant un mélange de carbonates alcalins ou métallique, de charbon et d'un liant.
Parmi les plus récents développements dans le domaine des métaux réfractaires on peut citer la production industrielle du titane et de ses alliages. Ce métal présente plusieurs propriétés qui le rendent propre non seulement à être employé dans certains domaines spéciaux mais encore de recevoir des applications plus communes dans la construction. Toutefois, on a remarqué que le titane a une tendance marquée à s'excorier ' et à gripper dans certaines conditions d'emploi, ce qui limite sérieusement ses applications industrielles. En outre, bien que le titane possède de remarquables qualités de ré- sistance à l'usure et à. l'érosion, il est avantageux d'augmen- ter ces propriétés de même que sa résistance à certains types d'attaques par corrosion aux températures'élevées.
Cela étant,,la présente invention a pour buts de Cela étant, présente invention a pour buts de procurer: un procédé relativement peu coûteux, simple-et efficace pour effectuer la cémentation de métaux réfractaires du quatrième groupe de la table périodique; un procédé supérieur pour effectuer la cémentation de métaux réfractaires consistant largement en titane pour y former un revêtement adhérent dur ; un procédé supérieur pour former un revêtement superfi- ciel dur sur des métaux réfractaires'de manière . amplifier la résistance du métal à l'usure, l'érosion, la corrosion aux hautes températures et à vaincre la tendance du métal titanium, en particulier, à s'excorier et gripper.
Comme il a été indiqué précédemment, dans sa concep- tion la plus commune, le terme "cémentation" désigna la carburation,
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a la diffusion d'Qxyr1e de carbone Sai?cix i h\"tt.$ i.0-'1J1h''1t'Jl'0S dans 1 surface 11'iin mt:11 f,'>!'1"Pl1² 811 C(')t?Y",.1 d5 trflitement, suivie d'lln traitenwnt nar la chaleur ioiiy, former La couche dure ci la surface. Tel. co'.7¯ est emnioyé ici, le t(ii7me.
"cémentation" doit être interprête comme sT?nf'!3nt 7. diffu- sion Q 1.'état solide, dans un mtal réfractaire, d'11D 7.ément d,e solution solide comme un ou des atomes métalloïdes d'un COIf1rosé métalloïde d'un mptal du qutri0T1'e groupe du s3teMe r,r7.d7.qxze, par exemple les carbures, borures et nitruy$$ mo10(m1aires de titanitirn, de irconium et de s11ic1U1J1" resnec- tivement, ces composés métalloïdes produisant (1' ellx-mp.!'1es une surface dure ou cémentée sur le métal SOl1mi 51 F>" la cémentation !'Jr-rns qu'il faille applJ.Quer un traitement therrniq1l.e SU'hSé0t:A1t.
Le mécanisme de l'action. produite T.>l' le procédé suivant 1.'inventi,on peut ne pas être compris e;ac.tei1=ent, zains on posera en axiome que contrairement aux procédés connus de cémentation de métaux ferreux où l'oxyde de carbone gazeux est diffusé dans le métal pour former un carbure de fer qui est ultérieurement transformé en un composé plus dur tel que la martensite par un traitement thermique subséquent, le composé métallo?.de employé dans Inexécution du procédé suivant l'in- vention est lui-même un corps extrêmement dur, et pendant la période de chauffage, les atomes métalloïdes de cette matière
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;
dure se diffusent dans la structure rét3 c,zla.r. du métal tra:.1:4 , en passant en solution solide avec celui-ci pour former un revêtement adhérent dur sur la surface du métal sans nécessiter un traitement thermique subséquent.
Bien que ceci -puisse. ne pas .être l'explication exacte de le. réaction qui se produit, il a en tout cas été découvert
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que si. l'on enrobe un métal réfractaire, tel que le t1 tAtJÍ.l1m ou le zirconium dans une poudre con3tituép }1!'1' lin composé mnta.l:l.oic7P en finss partj.czl.es bien tnssép3 on oblJiC'ni À 1. 1J!'fao ÔU t--à+>1, :Y'nf'rC'.i;7.rfi une coucha cémentée qui pénèbre.
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profondément dans le noyau relativement doux du métal et adhère à celui-ci avec ténacité.
Par conséquente sous son aspect le plus large, cette invention concerne un procédé de cémentation d'un métal réfractaire, consistant à enrober le métal réfractaire dans un composé métalloïde finement divisé d'un métal appartenant au quatrième groupe du système périodique, à tasser le composé métalloïde étroitement autour du métal réfractaire, et à chauffer le métal enrobé à une température suffisante et pendant une durée suffisante pour y former un revêtement adhérent dur.
En ce qui concerne le genre de composés métalloïdes ± employer comme matières d'enrobage, en a obtenu un certain degré de succès en utilisant'les composés métalloïdes habituel e- ment disponibles dans le commerce.'Toutefois, ces compdsés métal- laides sont généralement préparés en broyant le produit en par- . ticules de dimensions nécessaires, habituellement par des dispositifs mécaniques, et il en résulte que les composés sont relativement impurs et constitués de particules de dimensions non uniformes.
D'autre part, des résultats extrêmement favorables et supérieurs ont été .obtenus par l'emploi de composés métalloïdes, en particules homogènes et de dimensions uniformes, ayant par exemple des -'dimensions comprises dans la gamme de 0,5 . 10 microns et qui sont préparés en calcinant un mélange d'un hydrate de métal réfractaire ou de silicium et de charbon, avec ou sans addition d'agents tels que l'acide borique ou l'azote, suivant le genre de métalloïdesdésirés, conformément aux procédés décrits dans le Brevet belge n 522.487.
Les composés métalloïdes de ce type sont constitués de particules de dimensions extrêmement uniformes, de grande pureté et exemptes de carbone à l'état libre ou autres matières délétères; pour leur iden- tification on les appellera ci-après composés métalloïdes àbase d'hydrate.
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On exécute le procédé de cémentation en enrobant le métal réfractaire à cémenter dans des poudres de composés métalloïdes choisis dans le groupe consistant en carbures, nitrures ou borures de titanium, zirconium ou silicium, ou leurs mélanges, en tassant la poudre métalloïde étroitement autour du métal, et en chauffant ensuite le métal enrobé pendant une durée de 1 à 18 heures 4 une température comprise dans la gamme de 700 à 1.200 C.
A la fin de la période de chauffe le métal réfractaire est enlevé de son lit de composé métalloïde et il a acquis un revêtement bien adhérent de dureté uniforme, dont l'épaisseur est comprise dans la gamme de 0,085 à 0,125 mm la dureté du revête- ment étant de l'ordre de 400 à 1.200 Vickers.
Bien que le procédé pour la mise en pratique' de . l'invention, c'est-à-dire la technique appliquée pour l'enrobage du métal réfractaire dans le composé métallique en poudre et le chauffage du métal enrobé soit important pour l'obtention de bons résultats le choix du tyne de composé métalloïde employé a une portée encore'plus grande car il a été constaté qu'une cémentation de qualité supérieure est obtenue lorsque le métal est noyé dans un-composé métalloïde de grande pureté et ayant des particules de dimensions uniformes et fines, ce qui est la caractéristique des composés métalloïdes à base d'hydrate : mentionnés ci-dessus.
En outre, comme il est essentiel que le composé métalloïde soit tassé intimement autour du mtal traité, la finesse des particules du composé métalloïde base d'hydrate est un avantage distinct. Les conditions de températures et la durée de la période de chauffage-peuvent être modifiées dans une certaine mesure suivant la nature de la cémentation désirée et le genre de métal réfractaire traité, comme c'est illustré par les exemples donnés ci-après. En général, les basses températures produisent une cémentation d'une dureté approxima- tivement double de celle du noyau du métal traité, tandis que les
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températures élevées quadruplent approximativement la dureté du noyau.
En outre, en faisant varier la durée de la période de chauffage à la même température on obtient des cémentations de différentes profondeurs présentant le même' ordre de dureté. Est , également important le fait qu'il n'est pas nécessaire de maintenir une atmosphère particulière à la surface ou autour du métal traité. Bien qu'une atmosphère d'argon fut employée pour l'obtention des résultats indiqués dans les tableaux di-dessous, on à trouvé que des résultats similaires pouvaient être atteints dans toute atmosphère ordinaire de four aussi longtemps que le composé métalloïde en poudre était tassé étroitement autour de l'échantillon traité.
En vue d'illustrer plus complètement l'invention, ¯-le série d'essais ont été faits en employant des métaux du quatrième groupe du système périodique et en enrobant ces métaux dans les composés métalloïdes spécifiés ci-dessus ou leurs mélanges. Les résultats de ces différents essais ont été con- signés dans les tableaux ci-dessous.
TABLEAU I.
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Cémentation du tj. t,ne--.C9.!.l±J.i té cO.1lli!lê'Si8;lti
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<tb> Compose <SEP> métalloïde <SEP> Durée <SEP> et <SEP> Profondeur <SEP> de <SEP> Micro-dureté <SEP> de <SEP> la
<tb>
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d'enrobage ' température cémèntation(rnm) couche t;m2
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<tb> (Vickers)
<tb>
<tb>
<tb> TiC <SEP> 18 <SEP> h., <SEP> 1000 C <SEP> 0.125 <SEP> 1185
<tb>
<tb> SiC <SEP> " <SEP> 0. <SEP> 100 <SEP> 836
<tb>
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TiB2 " " , 0.135 71
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<tb> ZrB2 <SEP> 0.125 <SEP> 772
<tb> TiN <SEP> " <SEP> 0.125 <SEP> 770
<tb>
TABLEAU II.
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Trempe stzperfieicl'L du titane (1-11,qlite commercla-le)
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Composé métalloïde Durée et Profondeur de MtcI'o-dllI'et:
é de 1a d'enrobage température cémenta.tion(mm) couche k /^m2 (Vickers)
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<tb> TiC <SEP> 6 <SEP> h., <SEP> 1000 C <SEP> 0,025 <SEP> à <SEP> 0,050 <SEP> 954
<tb>
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<tb> SiC <SEP> 6 <SEP> h., <SEP> 1000 C <SEP> 0.025-0.050 <SEP> 946
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> TiB2 <SEP> " <SEP> " <SEP> 0.025-0.050 <SEP> 694
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ZrB2 <SEP> " <SEP> " <SEP> 0.
<SEP> 025-0.050 <SEP> 609
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> TiN <SEP> " <SEP> " <SEP> 0.025-0.050 <SEP> 752
<tb>
TABLEAU III
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Trempe superficielle du zj.rconiuID....Úllli1.li t鯯commercie.le)
EMI7.3
<tb> Composé <SEP> métalloïde <SEP> Durée <SEP> et <SEP> Profondeur <SEP> de <SEP> Micro-dureté <SEP> de <SEP> la
<tb>
EMI7.4
d9enrobage température cémentation(mm) couche k,/mm2 (Vickers)
EMI7.5
<tb> TiC <SEP> 18 <SEP> h., <SEP> 1000 C <SEP> 0.025-0.050 <SEP> 627
<tb>
<tb> TiB2 <SEP> 18 <SEP> h., <SEP> 1000 C <SEP> 0.025-0.050 <SEP> 554
<tb>
<tb> ZrB2 <SEP> 18 <SEP> h., <SEP> 1000 C <SEP> 0.125 <SEP> 1254
<tb>
TABLEAU IV
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Tpempe superficielle du titane (Qua lit é commère 1al e)
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<tb> Composé <SEP> métalloïde <SEP> Durée <SEP> et <SEP> Profondeur <SEP> de <SEP> Micro-dureté <SEP> de <SEP> la
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> d'enrobage <SEP> température <SEP> cémentation(mm) <SEP> couche <SEP> k/mm2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (Vickers)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> TiC <SEP> 18 <SEP> h., <SEP> 750 C <SEP> 0. <SEP> 075 <SEP> 536
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ZrB2 <SEP> " <SEP> " <SEP> 0. <SEP> 075 <SEP> 416
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> TiC <SEP> 1 <SEP> h., <SEP> 1200 C <SEP> 0.025-0.050 <SEP> 870
<tb>
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<tb>
<tb>
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<tb> ZrB2 <SEP> " <SEP> " <SEP> 0.025 <SEP> .810
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Ainsi qu'il a été dit ci-dessus, l'invention est, applicable aux métaux réfractaires du quatrième groupe, comme par exemple le titanium et le zirconium et leurs alliages.
Sous ce rapport on fera remarquer que les température lorsqu'on traite des alliages de titanium ou de zirconium peuvent être quelque peu différentes de celles nécessaires pour le traitement d'un métal pratiquement pur ou de qu'alité commerciale. En outre, il n'est pas nécessaire de limiter la matière d'enrobage l'un ou l'autre composé métalloïde, vu que des métalloïdes mélangs composés de.deux quelconques ou de plusieurs des composas
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mé%ai%ot4ea mentionnés' ci-dessus peuvent épalement être employés.
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Le procédé perfectionné suivant l'invention, permet de former des revêtements durs, extrêmement tenaces, relativement épais sur des métaux réfractaires par l'expédient relativement simple de l'enrobage du métal dans un composé métalloïde relativement pur en particules uniformes et relativement fines, fermement tassé, et du chauffage du métal enrobé pendant une durée prédéterminée et à une.température prédéterminée, de manière à former une couche cémentée sur le métal réfractaire par dif- fusion à l'état solide d'atomes de métalloïdes à l'intérieur du métal.
L'invention peut être réalisée par d'autres procédés que ceux indiqués ci-dessus sans s'écarter de l'esprit et dps caractéristiques essentielles de l'invention et les modes d'exécution décrits ci-dessus doivent par conséquent être consi- dérés sous tous rapports comme ayant un caractère indicatif et non restrictif.
R E V E N D I C A T 1 0 N S
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1.- Procédé pour former un revêtement dur adhèrent sur un métal réfractaire du quatrième groupé du système périodique caractérisé en ce qu'on enrobe le métal réfractaire dans un
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carbure, nitrure ou borure de titaniun, zirconium ou silicium l'état finement divisé, ou leurs mélanges, on tasse le composé métalloïde intimement autour du métal réfractaire, et on chauffe lp métal réfractaire enrobé, pendant une durée et à une température suffisante pour provoquer une diffus.ion à l'état solide d'un élément de solution solide de ce composé métalloïde dans ce métal réfractaire.