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DESCRIPTION DE L'ART ANT~RIEUR
Les revêtements composés de carbure de tungstène sphérique
dans une matrice nickel-chrome et déposés par laser sur des
fontes ou de l'acier traditionnel et donc, non fritté, existent
déjà dans l'art antérieur. Un exemple de ce type de revêtement
est d~crit à titre d'exemple dans la demande de brevet canadienne
no. 2,052,893. Le dépôt laser est une technique de revêtement qui
permet de déposer des couches épaisses de matériau très dur ~ la
surface d'une pibce métallique. Un laser C02 continu délivre un
faisceau infrarouge dont l'énergie est utilisée pour fondre
superficiellement le métal de base à revêtir ainsi que le métal
d'apport amené sous forme de poudre fine, tel qu'illustré à la
figure 1. Une buse coaxiale traversée en son centre par un
faisceau laser permet l'arrivée et l'injection des poudres
formant le revêtement, ce dernier ressemblant a un cordon de
soudure. A ce jour, ce type de dépot laser n'a été utilisé que
pour revêtir des pièces métalliques traditionnelles non frittées,
utilisées plus particulièrement dans des conditions très
abrasives.
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'.
Il est bien connu dans l'art ant~rieur que les pièces
m~caniques fabriquées par métallurgie des poudres ne possèdent
pas les caractéristiques physiques pour travailler en tension,
en abrasion ou en frottement et ceci est dû ~ la présence d'un
grand nombre de pores en surface de ces pièces frittées,
augmentant ainsi la période d'initiation des fissures
comparativement à une pièce forgée ou usinée. Ainsi, la porosité
en surface des pièces fabriquées par m~tallurgie des poudres
empêche la production de pi~ces mécaniques devant résister au
choc et/ou ~ l'usure abrasive à cause de la brièvet~ de la
période d'initiation des fissures.
D13SCRIPTION .'~MMATRF: DE L ' INVENTION
Un objet de l'invention est de proposer une piècé frittée
présentant une très grande résistance au choc, a l'abrasion et
au frottement.
Un autre objet de la présente invention est de proposer une
pièce mécanique frittée comportant un revêtement déposé par laser
et composé de carbure de tungstène sphérique dans une matrice
métallique. La pièce mécanique peut comprendre toute pièce
traditionnellement utilisée dans des conditions très abrasives
ou de tension élevée, par exemple, les pastilles d'ecorceur
montées sur les bras d'écorceuse.
Ce revêtement selon la présente invention é~ant dépos~ par
laser permet de fondre en surface la pièce frittée à revêtir sous
l'effet du faisceau laser infrarouge. La surface de la pièce
frittée à recouvrir est donc fusionnée sur une épaisseur pouvant
aller de lO~m a 1 mm, ce qui permet la fermeture des pores en
surface, typique aux pièces frittées et, par conséquent,
l'accroissement de sa resistance au choc. De plus, la fai~le
surface couverte ~ un instant donné par le laser permet l'auto-
trempage de la zone exposée, suite au deplacement du faisceau,
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par effet de puits de chaleur du volume métallique environnant.
Le revêtement obtenu selon la présente invention présente aussi
une très ~aible porosité à cause de la fusion complete des
poudres de la pièce frittée par le laser.
DESCRIPTION D~TATT.T.~R D'UN MODE D~ ~AT.T~ATION PR~F~R~ ~E
L'INVENTION
Le revêtement pour pièce frittée selon la présente invention
est obtenu par dépôt laser.
Tel qu'illustré à la figure 1, une buse coaxiale, qui est
montée ~ la sortie d'un laser C02 de 6 kW, injecte dans le
faisceau laser un flux constant de poudre du matériau a deposer.
Le faisceau laser fusionne les poudres et les soude au métal de
base sous la forme d'un cordon. En balayant la surface de la
pièce, on forme un revetement aux endroits désirés. Le revêtement
laser est composé de particules de carbure de tungstene de très
haute dureté dans une matrice de chrome-nickel et il présente une
excellente résistance à l'usure par abrasion et érosion, ainsi
qu'une très bonne résistance à la corrosion. La figure 2 montre
la microstructure d'un revêtement comprenant des carbures obtenus
par projection plasma tandis que la figure 3 montre la
microstructure d'un revêtement laser sur une pièce frittée. Comme
on peut le constater, les particules de carbure de tungstène se
retrouvant dans le revêtement par dépôt laser sont de forme
sphéro~dale tandis que les carbures obtenus par le revetement
pro~ection plasma ont plut~t tendance ~ etre de forme angulaire.
On note ~galement qu'il y a eu fusion de la surface de la pièce
frittée avec la partie métallique du revêtement. Cette fusion a
permis de fermer les pores pr~sents à la surface du métal fritté.
Le laser étant fixe, un~ table à commande numérique à quatre
axes sur laquelle reposent les pièces à revêtir permet de
réaliser de~ dépots précis et uniformes par déplacements relatifs
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;
des pièces par rapport au faisceau laser. Des revêtements
d'~paisseur inférieure à 1 mm ou supérieurs à 10 mm, par passage
successif du laser, peuvent être réalisés.
Les matériaux entrant dans la fabrication des revetements
par d~pot laser sont généralement des mélanges de poudres de
carbure de tungstène de grande pureté et de très haute dureté
alliées, selon les applications, à des poudres métalliques à
bases nickel, chrome ou cobalt. Lors du procédé de dépôt, les
poudres métalliques sont fusionnées par le laser alors que les
poudres de carbure de tungstène demeurent solides, préservant
ainsi leur dureté très élevée. Ces matériaux de type cermet
confèrent aux revêtement~ une excellente résistance ~ l'usure par
abrasion et érosion, ainsi qu'une très bonne r~sistance ~ la
corrosion.
Plusieurs caractéristiques du dépot laser font en sorte que
les revêtements produits par cette technique possèdent des
propriétés exceptionnelles. Tout d'abord, les dépôts réalisés par
laser sont liés métallurgiquement au métal de base et sont
parfaitement denses (absence de porosité). L'adhérence obtenue
entre la pièce et le revêtement est donc excellente. Par
opposition, les revêtements produits par projection à chaud
(thermal spray) présentent une forte porosité et une préparation
spéciale des surfaces traitées pour assurer une bonne adhérence.
Un contrôle très précis de l'apport d'énergie sur le métal
de base permet d'obtenir des dilutions du métal de base dans le
depôt inférieures à 1% et de minimiser, voire d'éliminer, toute
déformation. De plus, le dépot par laser permet de produire des
microstructures métallurgiques fines grace à la rapidité du
refroidissement au cours du traitement, permettant ainsi
d'augmenter la dureté de la matrice métallique (2400 à 3600 HV).
Finalement, l'utilisation de programmes et de contr~leurs CNC
conduit à des dépôts parfaitement reproductibles dans le temps
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.,
et dont l'épaisseur finale est parfaitement maîtrisée. De grandes
s~ries de pieces peuvent ainsi traitées.
CARACT~RES SPÉCIFIQUES DU T~AI~EMENT LASER DES PI~CES FRITTÉES
Une pièce mécanique fabri~uée par métallurgie des poudres
mais ne comprenant pas un revêtement selon la pr~sente invention
possède les caractéristiques physiques et économiques suivantes:
- présence d'un grand nombre de pores en surface;
- faible résistance aux chocs;
- capacité mécanique gén~ralement moindre qu'une pièce forgée;
- plus faible densité;
- absorption du bruit;
- possibilité d'usage d'alliages non-miscibles par voie
liquide;
- possibilité d'usage d'alliages auto-trempants;
- faible coût de production pour une série de pièces.
ces caractéristi~ues définissent le pouvoir de pénétration
du marché de la technique de production de pi~ces par métallurgie
des poudres mais cela montre aussi ces limites.
La porosité en surface empeche la production de pièces
mécaniques devant résister aux chocs et/ou à l'usure de type
abrasif à cause de la brièvet~ de la période d'initiation des
fissures comparativement à une pièce forgée ou usinée. C'est ici
que le revêtement de WC par dépôt laser selon la présente
invention relève d'un concept révolutionnaire pour ce secteur
d'industrie.
~ e dépat par laser d'un revatement formé à 65% de particules
de WC sphériques prises au sein d'une matrice Ni-9%Cr-CO, permet
les améliorations suivantes de la surface des pieces faites par
voie de frittage de poudres métalliques:
- la surface de la pièce est fusionnée sur une épaisseur
allant de 10 ~m à 1 mm. Ceci permet la fermeture des pores en
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surface de la pièce et, par cons~quent, l'accroissement de la
résistance aux chocs;
- la faible surface couverte à un instant donné par le
faisceau laser permet l'auto-trempage de la zone exposee, suite
au déplacement du faisceau, par effet de puits de chaleur du
volume métallique environnant;
- une très faible porosité du revêtement, moins que 1~, à
cause de la fusion compl~te des poudres de Ni-9%Cr par le laser.
ceci n'e~t pas permis par le6 autres procédés de projection tels
que la torche a plasma ou à acétylène à cause du trop grand flux
de chaleur projeté sur la pièce lorsque la température nécessaire
à la fusion des poudres projetées est utilisée. La trempe de la
pièce est alors détruite; et
- excellente adhérence du revêtement sur la pièce à cause de
la zone de soudage.
De plus, le revetement obtenu selon la présente invention,
comprenant des carbures sphériques, présente les avantages
suivants:
- r~sistance ~rès grande aux chocs à cause de la moins
grande propension ~ l'initiation de ~issures comparativement à
un carbure à géométrie angulaire;
- limitation de l'usure par frottement à cause du
coefficient de frottement plus faible des carbures sphériques
comparativement aux carbures à géométrie angulaire; et
- limitation pure et simple de l'usure de la surface des
pièces à cause de la dureté des carbures.
De plus, une matrice Ni-9%Cr, telle que décrite ci-dessus,
présente une excellente ténacité, supérieure à l'acier.
En résumé, une pièce frittée comportant un revêtement par
dépôt laser comporte les avantages suivants:
- excellente adhérence du revêtement à cause du lien
métallurgique entre le revetement et le métal de base;
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- contrairement aux techniques de dépôts par projection
plasma, absence de porosité et de fissures résultant en une bonne
résistance aux chocs;
- épaisseur à partir de 0.5 mm jusqu'à plusieurs mm
(rechargement de pièce possible); et
- les particules de carbure restent solides pendant le
procédé de dépot, conservant ainsi leur dureté élevée.
Les applications de la présente invention peuvent se
retrouver dans une multitude de domaines. Plus particulièrement,
les pastilles d'~corceur montées sur les bras d'écorceuse peuvent
avantageusement etre fabriquées selon la présente invention.
