CH620711A5

CH620711A5 - Process for coating a metal substrate with an aluminium bronze alloy powder, powder for making use of this process and substrate obtained by this process

Info

Publication number: CH620711A5
Application number: CH521477A
Authority: CH
Inventors: Mahesh S Patel; Joseph F Quaas
Original assignee: Eutectic Corp
Priority date: 1976-07-19
Filing date: 1977-04-27
Publication date: 1980-12-15
Also published as: DE2729753C2; JPS608302B2; AT358356B; FR2359212B1; DE2729753A1; FR2359212A1; CA1083856A; ATA501877A; JPS5311837A; BE854289A; BR7703371A; GB1577075A

Description

La présente invention concerne un procédé de revêtement d'un substrat métallique avec une poudre d'un alliage de bronze 60 d'aluminium ainsi qu'une poudre pour la mise en œuvre de ce procédé et un substrat métallique revêtu d'un revêtement adhérent d'alliage de bronze d'aluminium par ce procédé.

En particulier, elle concerne une poudre d'un alliage de bronze d'aluminium permettant d'obtenir, par pulvérisation ft5 sous une flamme, un revêtement ayant une dureté accrue par rapport à celle des revêtements connus du même genre en même temps qu'une bonne résistance à l'usure et au frottement.

Les poudres de bronze d'aluminium applicables par pulvérisation sous une flamme sont connues pour produire des revêtement métalliques sur des substrats métalliques qui présentent de bonnes caractéristiques de lubrification et une bonne résistance à l'oxydation et au frottement. Un alliage type qui est généralement utilisé sous la forme d'une poudre atomisée comprend sensiblement en poids environ 2% de fer, 10% d'Al et le complément, essentiellement du cuivre, par exemple 88%.

Un procédé particulier de production d'un revêtement adhérent de l'alliage susmentionné consiste d'abord à pulvériser une couche d'un métal de liaison sur un substrat métallique puis à pulvériser ensuite un revêtement de l'alliage de bronze d'aluminium. Un métal particulier pour le revêtement de liaison est constitué par une poudre métallique formée en agglomérant de la poudre de nickel et de la poudre d'aluminium en utilisant une résine comme agent de liaison. La poudre agglomérée peut avoir une composition en poids comprenant d'environ 3% à environ 15% d'Al (de préférence de 3% à 10%) le complément étant essentiellement du nickel. Un revêtement de liaison produit avec le système nickel-aluminium présente une bonne adhérence sur le substrat métallique et sert de couche support sur laquelle l'alliage de bronze d'aluminium adhère fortement. Ainsi, un revêtement relativement épais de l'alliage de bronze d'aluminium peut être appliqué, et il peut être aisément usiné avec un outil à pastille de carbure métallique.

Un des inconvénients de la composition de bronze d'aluminium susmentionnée est qu'elle a une dureté relativement faible qui va d'environ 65 à 70 Rb, ce qui limite l'emploi de ces revêtements dans certains applications.

Il existe un besoin de revêtements de bronze d'aluminium ayant une dureté supérieure et qui conservent cependant les propriétés de lubrification du revêtement en même temps qu'un résistance élevée au frottement et à l'oxydation.

On a maintenant découvert une poudre de bronze d'aluminium applicable par pulvérisation sous une flamme qui assure une dureté à l'état pulvérisé supérieure à celle obtenue jusqu' alors, ce résultat étant atteint grâce à l'adjonction d'une quantité contrôlée de nickel à la composition de bronze d'aluminium.

La présente invention a pour but de fournir une poudre d'alliage de bronze d'aluminium applicable à la formation d'un revêtement protecteur par pulvérisation sous une flamme et permettant l'obtention d'un revêtement ayant une dureté accrue par rapport à celle des revêtements connus de ce genre.

La présente invention a également pour but de fournir un procédé de formation d'un revêtement de bronze d'aluminium adhérant sur un substrat métallique ayant une dureté supérieure à celle des revêtements connus du même genre.

La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels:

La figure 1 est un graphique montrant un groupe de courbes illustrant l'effet du nickel sur l'accroissement de la dureté de l'alliage de bronze d'aluminium;

la figure 2 représente un type de pistolet de projection pour le métal, alimenté par gravité qui peut être employé pour réaliser le revêtement par pulvérisation selon la présente invention; et la figure 3 est un schéma illustrant un dispositif utilisé pour mesurer la résistance à l'usure des revêtements appliqués.

La poudre d'alliage selon la présente invention est caractérisée en ce qu'elle comprend, en poids, 5 à 15% d'Al, et une quantité de nickel au moins suffisante pour élever la dureté de l'alliage à l'état pulvérisé d'au moins 10% au dessus de la dureté de l'alliage ne contenant pas de nickel, le complément étant constitué par du cuivre.

La poudre d'alliage peut éventuellement contenir du fer, en quantité au plus égale à 5 % en poids.

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De préférence, la teneur en nickel est comprise entre 2 et 8 c/c en poids. Par exemple, la composition peut comprendre de 0 à 3% de fer, environ 4 à 6% de Ni, environ 8 à 12% d'Al, le complément étant essentiellement constitué par du cuivre.

On a trouvé qu'en opérant dans les plages susmentionnées ? de teneur en nickel, une dureté à l'état pulvérisé notablement améliorée peut être obtenue, par rapport à celle obtenue avec l'alliage sans nickel. Ceci apparaît clairement si l'on se réfère à la figure 1 qui montre l'accroissement de la dureté de l'alliage à l'état pulvérisé lorsque du nickel lui est ajouté dans la plage m comprise entre environ 2 à 8% de Ni et, en particulier, dans la plage d'environ 4 à 6% de Ni.

La présence de nickel n'affecte pas la résistance de l'alliage à l'oxydation et à l'usure de telle sorte qu'un dureté accrue est obtenue en combinaison avec les propriétés susmentionnées. i ? Egalement, l'addition de nickel ne fait pas varier la couleur jaune agréable du bronze d'aluminium. Des épaisseurs allant jusqu'à environ 3 mm et supérieures peuvent être obtenues et adhérent fortement sur le substrat métallique en employant un revêtement de liaison d'un autre métal pour former la couche 211 support, le revêtement de liaison ayant généralement une épaisseur d'environ 0,1 à 0,4 mm environ. Le revêtement de bronze d'aluminium peut avoir une épaisseur comprise entre environ 0,1 mm et environ 3,5 mm et, généralement comprise entre environ 0,25 mm et 2,5 mm. 25

La poudre de bronze d'aluminium est, de préférence,

employée à l'état atomisé, ce type de poudre ayant des propriétés d'écoulement exceptionnellement bonnes. Cette poudre est particulièrement adaptée pour être utilisée dans des chalumeaux alimentés par gravité tels que celui représenté dans la figure 2. 30 Une poudre que l'on préfère a une dimension moyenne de particulies telle qu'elle passe dans un tamis ayant une ouverture de mailles de 149 microns et qu'elle est retenue par un tamis ayant une ouverture de mailles de 44 microns et, de façon plus souhaitable, qu'elle passe dans des mailles de sensiblement 105 35 microns et qu'elle est retenue dans des mailles de sensiblement 44 microns.

Lorsqu'on forme une couche de l'alliage de bronze sur un substrat métallique, le substrat est d'abord nettoyé de la manière habituelle puis par grenaillage avec de la grenaille 40 d'acier ou par une autre opération mécanique, et une couche support d'un métal de liaison est appliquée par pulvérisation sous une flamme.

Un métal de liaison qu'on préfère est une poudre constituée d'agglomérats de nickel et d'aluminium métallique susmention- 45 née. Cette poudre est produite en mélangeant du nickel à de la poudre d'aluminium dans une solution d'un solvant organique pouvant être évaporé contenant une résine de liaison, par exemple une résine phénolique (telle qu'une résine phénolfor-maldéhyde) dissoute dans de l'alcool éthylique, du méthacrylate 50 de méthyle, du chlorure de polyvinyle, de l'alcool polyvinylique et l'équivalent, de telle sorte que, quand le solvant organique est évaporé et aggloméré, une poudre contenant de 1 à 5 % en pods de la résine est obtenue, et, de préférence, environ 3% en poids, sous la forme d'agglomérats. Les agglomérats sont fragmentés 55 en les faisant passer à travers des tamis pour obtenir une poudre dont la dimension est telle qu'elle passe à travers un tamis ayant une ouverture de mailles de 149 microns et qu'elle est retenue par un tamis ayant une ouverture de mailles de 44 microns, et de façon plus souhaitable qu'elle passe à travers des mailles d'envi- W) ron 149 microns et qu'elle est retenue par un tamis ayant des mailles dont l'ouverture est de 44 microns.

Comme on l'a mentionné précédemment, l'agglomérat, ne comprenant pas la résine, peut contenir de 3 à 15% d'aluminium, le complément étant essentiellement du nickel (de préfé- hs rence de 3 à 10% d'aluminium, 6% d'aluminium par exemple). La poudre d'aluminium est liée de manière à adhérer sur la poudre de nickel par la résine, la dimension des particules de la poudre d'aluminium ne dépassant pas environ la moitié de la dimension moyenne de celles de la poudre de nickel et, de préférence, ne dépassant pas le quart de la dimension moyenne des particules de la poudre de nickel. La poudre de nickel peut avoir des particules dont la dimension atteint d'environ 60 à 80 microns, et la poudre d'aluminium a des particules pouvant être inférieures à environ 15 microns et pouvant avoir, par exemple, une dimension moyenne de 2 à 10 microns.

La couche support de nickel-aluminium ou couche de liaison peut être pulvérisée en utilisant divers types de chalumeaux de projection bien connus dans la technique. En ce qui' concerne ces chalumeaux, la formulation de poudre est injectée dans le courant d'un gaz qui brûle et projetée par le chalumeau et appliquée sur le support métallique.

La poudre de bronze d'aluminium atomisée peut, de manière semblable, être pulvérisée avec le chalumeau du type ' susmentionné. Un chalumeau que l'on préfère est le chalumeau alimenté par gravité représenté dans la figure 2 qui est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 620 454.

Si l'on se réfère à la figure 2, le chalumeau 25 comporte un corps ou boîtier se présentant sous la forme d'un polygone à cinq côtés dont l'un des côtés est formé d'une poignée 27, un autre côté comporte une partie de base 28, un autre côté une partie d'alimentation 29, et un autre forme la partie supérieure du chalumeau. La boîtier 26 est raccordé à un ensemble d'alimentation de poudre 31 et à un ensemble de chalumeau proprement dit 32 auquel est raccordée la buse 33.

La partie supérieure 30 comporte un raccord 34 prévu pour recevoir un réceptacle 35 (représenté partiellement) pour contenir la poudre d'alliage ; un dispositif de distribution est employé pour régler l'alimentation en poudre et comprend une plaque d'alimentation 36 montée de façon à coulisser dans une rainure 37 ménagée dans la partie supérieure du boîtier 30, en dessous du raccord 34. La plaque d'alimentation 36 comporte un bouton 38 qui dépasse vers le haut, au-dessus du boîtier et permet de faire coulisser la plaque d'alimentation 36 suivant un mouvement alternatif vers la partie d'alimentation du boîtier 29 et en direction opposée.

La poudre s'écoule par gravité, sans rencontrer d'obstacle à travers des orifices circulaires qui peuvent avoir une dimension allant de 1,9 mm environ à 3,05 mm environ pour différentes poudres d'alliages, l'écoulement étant maintenu sensiblement constant pour des poudres dont les particules ont une dimension inférieure à 149 microns et supérieure à 50 microns. Des particules de poudre atomisée de forme sphérique sont particulièrement adaptées pour ce type de pistolet alimenté par gravité.

Pour atteindre le débit désiré, la plaque d'alimentation 36 est alignée sélectivement vers l'orifice d'écoulement de la poudre 39 pour régler de façon variable le débit de poudre venant du réceptacle 35 et passant à travers l'orifice 39, le conduit 40 et le mécanisme de commande de pulvérisation variable 41.

Le mécanisme 41 comporte un boîtier 42 qui contient un tube d'alimentation de poudre 43 qui porte un cylindre creux 44 monté de façon à pouvoir coulisser télescopiquement dans le tube d'alimentation 43 qui communique directement avec le conduit d'écoulement de la poudre 40 pour acheminer de la poudre directement par gravité dans le tube d'alimentation 43, la poudre s'écoulant alors par l'extrémité de sortie 45. Une partie de la surface extérieure du tube d'alimentation 43 comporte des moyens d'indexage ou encoches 46 qui, par l'intermédiaire du mécanisme de verrouillage 47 permettent de régler le tube d'alimentation de poudre 43 pour régler l'extrémité de sortie 45 à la distance correcte de l'extrémité de sortie de la flamme de la buse 33. Le mécanisme de verrouillage comprend une tige de retenue 48 normalement sollicitée vers l'une des encoches d'indexage 46 par un ressort 49, la tige de retenue 48 étant commandée par le poussoir 50 pour effectuer le réglage. Ainsi, en enfonçant le poussoir 50, la tige est déplacée et cesse

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d'être en contact avec l'une des encoches d'indexage et le tube 43 est réglé dans la position désirée.

Le brûleur 32 est supporté par l'élément coulissant 51 qui peut être bloqué le long d'une glissière 52 placée à la partie inférieure du boîtier 26, un téton de verrouillage 51A étant prévu à cet effet, comme cela est représenté. Le tube de circulation du gaz est retenu par l'élément coulissant 51 et peut être réglé en usine, une extrémité du tube comportant un raccort 54 destiné à être relié à une source d'oxygène et d'acétylène.

La poudre circule vers le bas dans le tube 43 et sort en 45, i dans la flamme sortant de la buse 33.

Le revêtement de liaison produit avec le type de chalumeau susmentionné a généralement une épaisseur d'environ 0,1 à 0,40 mm. Le revêtement de bronze d'aluminium est pulvérisé sur le revêtement de liaison, sur une épaisseur d'environ 2 mm. i

L'exemple suivant est donné pour illustrer la présente invention:

Exemple

Trois compositions de bronze d'aluminium atomisées ont été produites, ayant la composition suivante:

1. 88% Cu-10% Al-2% Fe 2.83% Cu-10% Al-2% Fe-5% Ni 3.78% Cu-10% Al-2% Fe-10% Ni

Ces poudres ont été employées pour produire une couche . appliquée sur un revêtement de liaison déposé sur un substrat d'acier de type 1020. La dimension des particules des poudres était telle qu'elles traversaient un tamis ayant une ouverture de mailles de 105 microns et qu'elles étaient retenues par un tamis ayant une ouverture de mailles de 44 microns environ.

La poudre de liaison a été produite en pulvérisant une poudre agglomérée du système AI-Ni contenant 6% d'Al et 94% de Ni, la poudre d'aluminium étant liée par adhésion sur la poudre de nickel par une résine. La couche de liaison avait une épaisseur d'environ 0,2 mm.

A la suite de l'application de la couche de liaison, les poudres d'alliage 1,2 et 3 ont été pulvérisées en utilisant le chalumeau alimenté par gravité représenté dans la figure 2, l'épaisseur du revêtement étant environ de 2 mm.

On a alors mesuré la dureté des revêtements en utilisant une machine d'essai de dureté Rockwell, classique et une machine d'essai de microdureté dite Tukon, classique utilisant la pointe Knoop (KHN). Les mesures de dureté Knoop ont été obtenues directement sur les particules pulvérisées dans le revêtement en plaçant la zone de la particule ou des particules sous le microscope. Dix mesures de dureté ont été obtenues pour chaque alliage. Les résultats obtenus sont les suivants:

Allia

Composition

Dureté

ge

Rock

Knoop

No.

well b moyen

moyen ne

ne Rb

KHN

1

88% Cu-10% Al-2% Fe

67,5

280

*2

83% Cu-10% Al-2% Fe-5% Ni

93,0

428

3

78% Cu-10% Al-2% Fe-10% Ni

53,5

230

qué par pulvérisation et a révélé que l'intégrité du revêtement était très bonne.

La tendance de la dureté en fonction de la teneur en nickel est représentée dans la figure 2, la dureté maximale étant : obtenue avec 5 % de nickel. En gros, la teneur en nickel peut aller de 2% environ à 8% environ et, de façon plus souhaitable, d'environ 4% à 6%.

On ne comprend pas très bien pourquoi la dureté chute lorsque la teneur en nickel approche de 10%. On pense que la i dureté nettement accrue obtenue entre 2 et 8% de nickel peut être liée à la précipitation de phases dures qui ne sont pas visibles sous un microscope à la lumière ordinaire. Toutefois, ceci n'est pas certain. Quelles qu'en soient les raisons, les résultats sont surprenants et inattendus.

; Des essais effectués par la suite concernant la résistance à l'usure ont montré que l'addition de nickel n'affecte pas la résistance du revêtement à l'usure.

Essai d'usure.

( Des essais d'usure ont été effectués et répétés deux fois sur les alliages No 1 et No. 2, l'alliage No 2 (selon l'invention) a été comparé aux caractéristiques d'usure de l'alliage No 1. Le dispositif d'essai d'usure est représenté schématiquement dans la figure 3 et comprend un levier 14 comportant deux bras à angle droit l'un par rapport à l'autre, l'un des bras 14A portant un échantillon 13 qui est appliqué contre une roue tournante 12 comme représenté, le levier étant monté de façon à pouvoir pivoter autour d'une articulation 15. La surface de l'échantillon est de 19,35 cm2 environ, la surface de contact avec la roue étant de 6,45 cm2 environ.

L'extrémité libre du bras de levier 14 supporte un poids 16 qui est placé à 406,5 mm environ de l'articulation pour appliquer une pression sur l'échantillon 13 en contact avec la périphérie de la roue en caoutchouc 12A.

La trémie contient des particules de matières dures, par exemple de la silice (Si02) ou du carbure de silicium (SiC) et analogue qui sont admises par l'ouverture de la porte 10A vers le bas dans la goulotte 11 qui est inclinée par rapport à l'axe horizontale du bras de livier et s'étend jusqu'à la surface de l'échantillon et qui est prévue pour acheminer un débit régulier de particules dures sur l'échantillon 13 monté sur le levier 14A en contact tangentiel avec la roue en caoutchouc 12A sous l'effet du poids 16; les particules dures sont admises dans l'étranglement formé entre les surfaces de contact de l'échantillon et de la roue, les particules dures 17 étant représentées comme sortant vers le bas de cet étranglement après être passées dans la zone d'étranglement, et être venues en contact de frottement avec la surface de l'échantillon. Les conditions d'essais étaient les suivantes:

Essai avec un abrasif grossier Grains de sable de dimen sion F=420 n(G(841 |X Durée d'essai: 15 minutes

Débit de sable: 455 g/mn environ

55 Les résultats moyens obtenus avec deux échantillons sont les suivants:

30

35

45

* Présente invention

Comme on le remarquera dans la figure 1, une nette amélioration de dureté est obtenue dans le revêtement de l'invention contenant 5% de Ni par rapport à l'alliage No. 1 ne contenant pas de nickel et par rapport à l'alliage No.3 contenant 10% de Ni. L'amélioration par rapport à l'alliage 1 est de 37 % pour la dureté Rockwell B et seupérieure à 50% pour la dureté Knoop.

Un examen métallographique de la microstructure de l'alliage No 2 (selon la présente invention) a révélé une excellente liaison entre particules de l'alliage de bronze d'aluminium appli-

Perte en poids (g) Facteur d'usure

88% Cu-10% Al-2% Fe

1,25 6,8

83% Cul0% Al-2% Fe-5% Ni

1,08 7,85

Le facteur d'usure est déterminé comme étant l'inverse de la fi? perte en volume du revêtement pendant l'essai, la perte en poids (en grammes) étant convertie en cm3. Plus le facteur d'usure est élévé, plus la résistance à l'usure est importante. Comme on le remarquera, la résistance à l'usure n'est pas affectée par l'addi-

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tion de nickel mais, au contraire, elle est améliorée. Le facteur d'usure de l'alliage contenant 5% de nickel est amélioré de plus de 15 % par rapport à celui de l'alliage ne contenant pas de nickel.

Un arbre d'acier de type 1020 a été revêtu de l'alliage No 2 (selon l'invention), usiné très finement avec un outil à pastille de carbure, comme le montre l'état de surface en micro-inches de 20 à 25 RMS (root mean square) ('/z—5/s n).

En gros, l'alliage de bronze d'aluminium peut être appliqué sur des substrats métalliques ferreux, par exemple de l'acier, de la fonte, etc... ainsi que sur des métaux non ferreux, par exemple du monel (67 % de nickel-33 % de cuivre) et d'autres substrats métalliques.

Il est clair que l'addition de nickel, au-delà de la plage contrôlée de 2 à 8% et, de préférence, de 4 à 6% à l'alliage de s bronze d'aluminium apporte des résultats nettement améliorés en ce qui concerne l'accroissement de dureté tout en maintenant une résistance à l'usure et une résistance au frottement pour le revêtement produit à partir de ce bronze d'aluminium .

L'appréciation de certaines des valeurs de mesures indi-io quées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques.

C

1 feuille dessins

Claims

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2

REVENDICATIONS

1. Procédé de revêtement d'un substrat métallique avec une poudre d'alliage de bronze d'aluminium, par pulvérisation sous une flamme, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: «

- pulvériser un revêtement préliminaire d'un métal de liaison sur le substrat métallique ; et

- pulvériser ledit alliage de bronze d'aluminium sur le métal de liaison, de manière à former un revêtement dur, adhérent, de bronze d'aluminium sur le substrat métallique. io
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal de liaison est formé par pulvérisation d'une poudre agglomérée de nickel combinée physiquement à de l'aluminium, en ce que l'alliage de bronze d'aluminium est une poudre atomisée contenant 2 à 8 % de Ni, et en ce que la poudre de bronze i s d'aluminium a une dimension moyenne de particules située dans une plage allant de 44 microns à 149 microns.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'alliage de bronze d'aluminium comprend de 0 à 3 % de Fe, 4 à

6 % de Ni, et 6 à 12 % d'Al. 20
4. Poudre d'alliage de bronze d'aluminium pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend, en poids, 5 à 15 % d'Al, et une quantité de nickel au moins suffisante pour élever la dureté de l'alliage à l'état pulvérisé d'au moins 10% au dessus de la dureté de 25 l'alliage ne contenant pas de nickel, le complément étant constitué par du cuivre.
5. Poudre selon la revendication 4, caractérisée en ce que la teneur en nickel est comprise entre 2 et 8%.
6. Poudre selon la revendication 5, caractérisée en ce que la 30 teneur en nickel est comprise entre 4 et 6%.
7. Poudre selon la revendication 5, caractérisée en ce que la teneur en aluminium est comprise entre 8 et 12%.
8. Poudre selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle est à l'état atomisé et a une dimension moyenne de particules 35 située dans une plage comprise entre 44 microns et 149 microns.
9. Poudre selon la revendication 4, caractérisée en ce que cette poudre est une poudre atomisée comprenant essentiellement de 0 à 3% de Fe, 4 à 6% de Ni, 8 à 12% d'aluminium, le complément étant du cuivre, cette poudre ayant une dimension 40 moyenne de particules située dans une plage allant de 44 microns à 105 microns.
10. Poudre selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend du fer, en quantité au plus égale à 5 % en poids. 45
11. Substrat métallique revêtu d'un revêtement adhérent d'alliage de bronze d'aluminium, obtenu par le procédé selon la revendication 1.
12. Substrat métallique selon la revendication 11, caractérisé en ce que la teneur en nickel du revêtement est comprise 50 entre 2 et 8%.
13. Substrat métallique selon la revendication 11, caractérisé en ce que la composition du revêtement comprend de 0 à

3 % de Fe, 4 à 6 % de Ni, et 8 à 12 % d'Al, le complément étant constitué par du cuivre. 55