<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention concerne les alliages et plus spécialement un alliage de molybdène, cobalt et nickel, ainsi qu'un procédé de.fabrication de cet alliage.
Jusqu'ici, les alliages à haute résistance pour aciers à outils et applications semblables consistaient entre autres en des carbures de tungstène et des aciers rapides.
Si les carbures de tungstène sont très intéressants du point de vue de la dureté, ils sont difficiles à fabriquer et affûter, et ne peuvent être meulés qu'à la poussière de diamant à cause de leur extrême dureté. Les aciers rapides sont considéra- blement plus tendres et peuvent être facilement meulés avec des meules ordinaires à l'oxyde d'aluminium ou au carbure de silicium, mais leur dureté relativement moindre et leurs autres propriétés physiques ne permettent pas d'utiliser ces matières pour l'usinage
<Desc/Clms Page number 2>
de matériaux très durs.
L'invention a pour but général d'éviter et de vaincre les difficultés précitées et d'autres difficultés et inconvénients - des anciennes techniques, en procurant un alliage molybdène- cobalt-nickel qui réunit certaines propriétés intéressantes de l'acier rapide et certaines propriétés intéressantes du car- bure de tungstène.
L'invention a aussi pour but de procurer un procédé de fabrication d'un alliage molybdène-cobalt -nickel à haute résis- tance; dur et résistant à l'usure.
La présente invention procure des gammes de constituants admissibles ét une composition optima pour un alliage de molyb- dène, cobalt et nickel, et concerne aussi un procédé de fabrica- tion de cet alliage.
L'invention ressortira clairement de la description détaillée de plusieurs formes d'exécution données à titre d'exemple.
Quoique les utilisations de l'alliage décrit ci-après soient, au sens large, applicables à tout type d'outillage ou d'équipement où la dureté, une forte résistance à l'usure et la résistance mécanique sont des facteurs importants, comme dans le cas de matrices de filetage et d'extrudage, de mandrins, de calibres, de bagues de guidage, de forets, d'outils de déforma- tion, de scies circulaires, d'alésoirs, de fraiseuses, etc., .l'alliage est particulièrement destiné à la fabrication de grains ou bouts d'outils et; par conséquent, ses propriétés seront décrites ci-après relativement'à cette application.
En principe, l'alliage consiste en un alliage ternaire de molybdène, cobalt et nickel, dans lequel le cobalt est présent en quantités allant de 2,5% à 6% en poids de l'alliage et le nickel est présent en quantités allant de 0,1% à 0,7% en poids de l'alliage, le reste étant du molybdène. Ce dernier peut donc être présent en quantités allant de 93,3% à 97,4% en poids de
<Desc/Clms Page number 3>
l'alliage. La composition préférée de l'alliage consiste en 96,5% en poids de molybdène environ, 3%.en poids de cobalt environ et .
@ 0,5% en poids de nickel environ.
Un alliage binaire de molybdène et de cobalt compris dans les gammes précitées, est très dur et résistant à l'usure, mais il a une tendance à éclater brusquement sous l'effort. Autrement dit, si l'alliage ca.sse sous l'effort, il vole en éclats ce qui doit évidemment être évité. Il a été constaté qu'en ajoutant du nickel, en restant dans les gammes précitées, on éliminé la tendance à la casse et l'alliage ternaire s'usé régulièrement ou, tout au plus il en saute de petits éclats, au lieu de voler en éclats. Si on utilise moins de 0,1% en poids de nickel, la ten- dance à voler en éclats de l'alliage binaire de molybdène et de cobalt n'est pas nettement supprimée et, si on utilise plus de 0,7% en poids de'nickel dans l'alliage ternaire, la dureté de l'alliage diminue.
En ce qui concerne le constituant cobalt de l'alliage ternaire, si on utilise moins de 3% en poids de cobalt, l'alliage n'a pas une dureté suffisante, et, si on utilise plus de 6% en poids de cobalt, 1-1 alliage a une certaine tendance à devenir cassant, ce.'qui limite son utilisation comme grains ou bouts d'outils, par exemple.
Pour la fabrication de l'alliage molybdène-cobalt-nickel, on peut mélanger du bioxyde de molybdène à l'acétate de cobalt et de-nickel dans des proportions telles que les constituants du mélange correspondent, à l'état métallique, aux pourcentages voulus pour chaque constituant de l'alliage dans son état final. Ces matières sont, de préférenc.e, mélangées à fond à l'aide d'un coulis à l'eau, après quoi l'eau est évaporée et il reste un mélange très régulier de bioxyde de molybdène et d'acétates de cobalt et de nickel finement divisés. La matière séchée est alors réduite à l'état métallique finement divisé par réduction dans une atmos- phère d'hydrogène à une température de 1100 C. pendant six heures.
<Desc/Clms Page number 4>
La température de réduction peut varier de 1000 C. à 1200 C, par exemple, le temps de réduction étant d'autant plus long que la température est basse.
Le métal réduit consiste en un mélange très régulier d'éléments de l'alliage ternaire présents en quantités correspon- dant à la composition finale de l'alliage. Les poudres finement divisées constituant ce mélange sont ensuite comprimées sous la forme d'un lingot cru de forme voulue. Le lingot cru est fritté dans une atmosphère non oxydante, à une température comprise entre 1550 C. et 1660 C. durant une à trois heures. A titre d'exemple déterminé, la température de frittage peut être de 1600 C., la durée de deux heures et l'atmosphère de l'hydrogène.
L'atmosphère préférée pour le frittage est une atmos- phère d'hydrogène, quoique toute autre atmosphère non oxydante puisse convenir aussi.
. Après le frittage, le lingot est soumis à un durcis- sement par vieillissement en le maintenant dans une atmosphère non oxydante, à une température comprise entre 650 C. et 750 C. pendant quatre à vingt-quatre heures, quoique la température préfé- rée pour le vieillissement soit d'environ 700 C. avec une durée de huit à douze heures. L'atmosphère préférée poar le vieillissement est l'hydrogène.
Si on ne dispose pas de bioxyde de molybdène, le trio- xyde peut être réduit à l'état de bioxyde en le préchauffant à une température d'environ 550 C. à 650 C. pendant environ six heures,par exemple. Si on utilise du trioxyde de molybdène en le réduisant d'abord à l'état de bioxyde, il est préféra- ble d'ajouter les autres constituants de l'alliage après la première réduction préliminaire à l'état de bioxyde, quoique, si on le désireles constituants de l'alliage puissent être ajoutés directement au trioxyde, avant la première réduction à l'état de bioxyde.
Il est souhaitable aussi, mais non indispensable, de tamiser la matière métallique finement divisée de tamis à
<Desc/Clms Page number 5>
40 mailles (256 ouvertures par cm2) après réduction à l'état métallique et avant formation du lingot cru.
Dans le procédé ci-avant, l'acétate de cobalt et l'acétate
1 de nickel ont été donnés à titre d'exemples déterminés. Ces matières ne sont pas limitatives et on peut utiliser tout sel de cobalt et de nickel dans l'eau, pouvant être facilement décomposé sous la forme d'un résidu de poudres de cobalt et de nickel, respectivement, dans des conditions de réduction à haute température, le nitrate de cobalt et le nitrate de nickel étant aussi admissibles que les acétates, si on désire utiliser ces cons- tituants pour la formation du coulis.
Il est possible de mélanger directement du molybdène, du cobalt et du nickel finement divisés dans les proportions pres- crites, avant la formation du lingot cru, ce qui élimine toutes les opérations de réduction. Cependant, les poudres métalliques finement divisées ne peuvent normalement pas être mélangées aussi intimement qu'avec le procédé du coulis à l'eau. Le procédé préféré pour l'obtention du mélange de poudres métalliques, avant la formation du lingot cru, est donc la technique précitée du coulis à l'eau.
Après le vieillissement, l'alliage est très dur et ne peu-(' pratiquement pas être usiné, et on doit lui donner la forme voulue à la meule. Comme le meulage est un procédé bien lent et coûteux comparé à l'usinage, il peut être souhaitable de préchauffer le lingot cru à une température comprise entre 800 C. et 1000 C. pendant une à deux heures, par exemple. Dans cet état, le lingot cru a une résistance suffisante pour être facile- ment usiné, mais il n'est pas'suffisamment dur pour rendre l'usinage difficile. Après le préchauffage, le lingot usiné peut être soumis au fritfage et au vieillissement dans les condi- tions précitées.
Les propriétés physiques et mécaniques de l'alliage
<Desc/Clms Page number 6>
molybdène-cobalt-nickel précitées sont excellentes en e qui con- cerne les exigences relatives aux grains ou bouts d'outils extra- rapides. A titre de comparaison, les propriétés physiques et mécaniques de cet alliage peuvent être comparées à un grain ou bout d'outil en carbure de tungstène ayant une composition de 94% de carbure de tungstène et 6% de cobalt et à un acier rapide à outils ayant une composition de 18% de tungstène, 4% de chrome, 1% de vanadium, 0,7% de carbone et du fer pour le reste. Ces compa- raisons de propriétés sont étudiées dans les paragraphes suivants.
En ce qui concerne la dureté, les alliages molybdène- cobalt-nickel ont une dureté Rockwell de 60-62, ce qui est com- parable à là dureté Rockwell de l'acier rapide. Cette dureté est un peu inférieure à celle du carbure de tungstène dont la dureté Rockwell est comprise entre 76 et 80. Cette dureté rela- tivement faible comparée à celle du carbure de tungstène, présente à la fois des avantages et des inconvénients. Par exemple, la dureté relativement faible signifie que les outils peuvent être aisément meulés à l'aide de meules ordinaires, alors que le car- bure de tungstène doit être meulé à l'aide de meules à diamants, la dureté relativement faible comparativement au carbure de tungstène semblant indiquer que l'alliage ternaire ne convient pas aussi bien pour l'usinage de matériaux très durs.
Cependant, en ce qui concerne la dureté aux hautes températures, autre facteur extrêmement important pour les outils d'usinage à grande vitesse, l'alliage ternaire semble excellent comparé au carbure de tungstène qui se ramollit rapidement au-dessus de 900 C. et comparé aux aciers rapides qui se ramollissent rapidement au-dessus de 700 C. Les résultats des essais pratiques d'usinage semblent indiquer que l'alliage molybdène-cobalt-nickel a d'excellentes caractéristiques à haute température.
Le-module d'élasticité de l'alliage ternaire est d'envi- ron 41,5 x 106 psi (2,9 x 106 kg/cm2), tandis que le module de
<Desc/Clms Page number 7>
l'acier rapide est de 31, 5 x 106 (2,2 x 106 kg/cm2) et le module du carbure de tungstène est mesuré à 88 x 106 (6,2 x 106 kg/cm2).
Il est à noter qu'un module élevé est intéressant pour un outil dusinage afin de réduire au minimum la déformation élastique de l'outil et obtenir ainsi une bonne précision d'usinage.
La.dilatation thermique et la conductibilité thermique de l'alliage ternaire sont respectivement d'environ 5,08 x 106 (par C.) et 0,12 (cal. cm. -1 sec. -1 C -1), comparées à 5 x 106 et 0,19 pour le carbure de tungstène. Ceci est à comparer au coefficient de dilatation thermique de 11,23 x 106 et à la conductibilité thermique de 0,058 de l'acier rapide. Il est à remarquer qu'une faible dilatation thermique et une forte conduc- tibilité thermique sont très ihtéressantes pour une matière à outils, puisque la première permet un usinage plus précis et la seconde permet à la chaleur de s'écouler facilement du bout de l'outil, ce qui permet de maintenir les températures de bout d'outil plus basses.
Lors d'essais pratiques d'usinage, l'outil d'acier rapide et l'outil à bout ou grain en carbure ont été montés dans un porte- outils avec l'outil d'alliage ternaire, pour usiner une barre d'acier inoxydable austénitique d'un diamètre de deux pouces (5,1 cm.), tous les bouts d'outils ayant les mêmes dimensions. Sous une charge relativement légère, tous les bouts ont résisté de la même manière et aucune usure ou autre défaut n'était nettement visible. Pour pousser les différents outils jusqu'à. ce qu'ils soient inutilisables une seconde série d'essais d'usinage ont été réalisés en maintenant l'avancement et la profondeur de la coupe constantes, tout en aug- mentant la vitesse de coupe jusqu'à ce que le bout d'outil soit inutilisable ou que le tour bloque.
Dans cet essai, l'outil en acier rapide a claqué ,à des vitesses de coupe relativement fai- bles. Le bout en carbure de tungstène et le bout en alliage molybdène-cobalt-nickel ont supporté les plus grandes vitesses de Gaupe possibles avec l'outil utilisé pour l'essai, le tour
<Desc/Clms Page number 8>
se bloquant avant que les bouts d'outil deviennent inutilisables.
Cependant, il s'est avéré que le bout en carbure de tungstène s'u- sait rapidement à la plus grande vitesse de coupe, alors que le bouten alliage molybdène-cobalt-nickel ne présentait aucune trace d'usure, indiquant ainsi son excellente dureté à haute température.
Quoique l'essai précité soit de nature qualitative, il démontre les excellentes caractéristiques de l'alliage molybdène-coblat-nickel comme outil de ..coupe et ceci est confirmé par les propriétés physiques et mécaniques mesurées de cet alliage.
La description qui précède montre que les buts de l'inven- tion ont été atteints en procurant un alliage molybdène-cobalt- nickel ayant une grande dureté, une forte résistance à l'usure et une bonne résistance mécanique, ainsi qu'en procurant un pro- cédé de fabrication de cet alliage.
Quoique cet alliage semble convenir spécialement pour les bouts ou grains d'outils à grande vitesse, il est à noter encore une fois qu'il convient aussi dans de nombreuses autres application: où la dureté, la résistance mécanique et la résistance à l'usure rendent son utilisation intéressante.
REVENDICATIONS 1'.- Alliage métallique contenant de 93,3% à 97,4% en poids de molybdène, de 2,5% à 6% en poids de cobalt, et de 0,1% à 0,7% en poids de nickel.