Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
L'invention concerne un alliage à base de nickel
contenant principalementdu chrome et du,molybdène destiné
à la fabrication de pièces moulées et au rechargement et
au revêtement de pièces, en particulier de pièces utilisées
dans la construction des réacteurs nucléaires.
Les exigences croissantes en matière de sécurité du
personnel travaillant dans les usines de production d'énergie
à partir des phénomènes de fission ou de fusion nucléaires
amènent les constructeurs des unités productrices à mettre
en oeuvre des matériaux de moins en moins riches en éléments ,;
facilement activables par les produits de fission ou de fusion. -~
De telles unités productrices d'énergie comportent
de nombreuses pièces (telles que vannes, soupapes, etc.. ~) ,
soumises ~ des phénomenes de frottement nécessitant, outre
de faibles coefficients de frottement, une bonne résistance
à la corrosion, à l'abrasion et au grippage. ;
Ces bonnes propriétés de frottement sont obtenues sur
les composants intéressés grâce à un revêtement superficiel
de métal ou d'alliage dur qui est déposé en couche continue
et usiné. ,
On utilise habituellement pour le revêtement super-
.,
ficiel de tels composants un alliage ~ base de cobalt. On
; sait en effet que le cobalt à l'état pur ou comme composant ~ ,
de phases métalliques d'alliages favorise l'obtention d'un
faible coefficient de frottement et d'une bonne résistance
l'usure lorsque les phases métalliques sont de dureté
suffisante. ~ -~
L'alliage le plus couramment utilisé est composé
de 1 % de carbone, 1 % de silicium, 4,5 % de tungst~ne et 28,5
de chrome, le solde étant constitué par du cobalt, à l'excep-
tion des impuretés inévitables. D'autres alliages à base de ,
cobalt de composition voisine sont égalément utilisés pour
, . . .. .. .. ... . . .... .. .
3C96~L ~
le même type d'application.
E'ensemble de ces alliages compor-te des proportions ;~
importantes d'éléments activables par les produits des réactions
primaires de fission ou de fusion, en particulier par les
neutrons, tels que le tungstène et le bore et bien sûr le -
cobalt.
Cela est nuisible à la sécurité du personnel des
installation de production d'énergie, soit parce que les ~;
revêtements des pièces sont contaminés, soit parce que les
produits de cette activation peuvent s'échapper des revêtements
par abrasion au cours des frottements ou par corrosion et ainsi ,~
contaminer les fluides contenus dans ces pièces revêtues et
propager, à de grande distance des pièces contaminées, le
danger d'irradiation. ;
Néanmoins, il existe de nombreuses publications sur ;~
l'utilisation de tels alliages pour le revêtement de pièces
de frottement utilisées dans les réacteurs nucléaires.
Les alliages les plus fréquemment cités pour ces
utilisations sont les alliages vendus sour la marque "Haynes
Stellite Alloy" Ns. 6,12 et 21.
On a effectué différentes tentatives pour trouver -`
des produits de substitution à ces alliages contenant de
; fortes proportions de cobalt, afin de disposer de matériaux
moins facilement activables en ambiance nucléaire.
En particulier on a proposé un alliage comportant
sensiblement 60 % de nlckel, 15 % de cobalt, 15 % de chrome et
10 % de bore. ;
Une étude relative à cet alliage a été publiée dans
la revue "Welding Research-supplément" , numéro d'octobre 1976,
les auteurs dè cet article étant E. Lugscheider, 0. Knotek
et K.H. Battenfeld.
Cet alliage présente une courbe de dureté en fonction
- 2 -
: ~ '
.
63L
de la température tout-à-fait comparable ~ celle des alliages
de type Stellite N 6 et, vraisemblablement, l'ensemble de ses
propriétés mécaniques est relativement proche de celles de
l'alliage Stellite N 6.
On a proposé également dans une autre publication
(Metallurgical Reports du CRM N 49 de décembre 1966), d'autres
alliages où une partie du cobalt est remplacée par du molybdène,
ce qui permet d'obtenir une meilleure résistance à l'abrasion
en milieu aqueux tout en conservant un niveau de dureté
suffisant.
Si l'on utilise ces alliages comportant une proportion
plus faible de cobalt pour le revêtement des pi~ces soumises
au frottement dans les réacteurs nucléaires, on diminue bien
entendu leur capacité d'activation mais cette diminution de
la teneur en cobalt est cependant très insuffisante pour -~
obtenir une réduction de la susceptibilité à l'activation
suffisante pour le rendre utilisable dans de bonnes conditions
de sécurité. ;
L'objet de l'invention est donc de proposer un
alliage à base de nickel ayant une structure et des propriétés
- mécaniques à coeur et en surface aussi voisines que possible
de celles des alliages de cobalt utilisés jusqu'ici pour le
revetement des pièces de frottement utilisées dans les réac~
teurs nucléaires et ne présentant pas l'inconvénient d'une
activation nucléaire par les prodults de réaction provenant
des phénomènes de fusion ou de flssion.
Dans ce but, llalliage de nickel selon l'invention
contient en proportions pondérales 1,4 à 2,5 % de carbone, 0
à 2 % de silicium, 25 à 33 % de chrome et 6 à 15 % de molybdène,
le complément, à llexception des impuretés inévitables, étant
constitué par du nickel.
On va maintenant décrire a titre d'exemple non
3 - ;
~ ~3~
limitatif les résultats obtenus à partir d'une coulée d'un
alliage selon l'invention.
On a élaboré une coulée d'un alliage selon l'inven-
tion au four à induction à l'air à partir des éléments constitu-
tifs de facon à avoir approximativement la composition suivante
(carbone (l,70 %), silicium (l %) chrome (28 %) molybdène
7,5 %) nickel le solde, fer inférieur à 0,5 % avec une teneur
en oxygène inférieure à 200ppm~
La coulée a ensuite été transformée en poudre par
pulvérisation au gaz inerte du jet de métal lors de sa coulée.
On a également réalisé une analyse précise de la
coulée dont le résultat est le suivant:
Carbone (1,69%) Silicium (0,96%) Chrome (27,93%) Molybdène
(7,24%) Fer (0,12%) Oxygène (0,010%) le solde étant pratique-
ment uniquement c~nstitué de nickel.
On a ensuite réalisé des dépats sur des pièces d'acier
à partir de ces poudres refondues dans une torche à plasma.
L'épaisseur des dépôts allait de 3 à 8 mm. On a utilisé une
plaque d'acier recouverte d'un dépôt de 4 mm obtenu à partir
des poudres de l'alliage selon I'invention pour divers essais.
En particulier, on a réalisé une microyraphie du
dépôt après attaque au réactif de Grosbeck.
- Les résultats de ces essais sont donnés ci-de~sous
en se référant aux figures jointes en annexes.
La figure l représente la microstructure du dépôt
après attaque au réactif de Grosbeck ave~ un grossissement
de 200.
La figure 2 représente les courbes de dureté du
dépôt réalisé en fonction de la température et, par comparaison,
la courbe de dureté correspondante de l'alliage Haynes Stellite
N 6.
La structure de l'alliage après dépôt réalisé à la
316~
torche à plasma est une structure homogène proche de l'eutecti-
que.
On a également procédé à une analyse par diffraction
des rayons X des phases précipitées et on a identifié deux
phases carbure ~ structure hexagonale, l'une de ces phases
ayant une composition du type M7C'3 et l'autre de ces phases une
structure M6C où M est un métal qui peut être le chrome. La
matrice a une structure entièrement austénitique.
On a également e~fectué des mesures de dureté à
haute température sur les dépôts réalisés et sur des dépôts
semblables obtenus ~ partir de l'alliage Haynes Stellite N 6.
On voit sur la figure 2 que les duretés à chaud des
deux alliages sont tout-à-fait comparables et que la dureté de
l'alliage selon l'invention est même supérieure à celle du
Haynes Stellite N 6 dans la zone de température ~00-600C.
Ces courbes montrent que les propriétés mécaniques
à haute température de l'alliage selon l'invention et du Haynes
Stellite ~ 6 sont extrêmement proches.
La structure de solidification à deux phases proche
d'un eutectique extrêmement homogène ainsi que les propriétés
mécaniques à chaud proches du Stellite comme cela, ressort de
la figure 2, ne peuvent être obtenues que lorsque les teneurs
des divers éléments de l'alliage se situent dans les fourchettes
de compositions données.
On a également effectué des mesures du coefficient
de dilatation de l'alliage élaboré comme décrit ci-dessus. On
trouvera au tableau I les résultats de ces mesures de dilata-
tion et comparativement, les résultats de mesures semblables
effectuées sur un échantillon de Haynes Stellite N 6
- T~lB~l~ U I
_ __
Intervalle Coefficient de dilatation
de température
_ _ _ _
Alliage selon Alliage type
l'invention type Stellite 6 ;
20-100C 11,5 - 10-6 11,35.10-6
20-200C 11,95 13,0
; 20-300C 12,3 13,6
20-400C 12,7 13,9
20-500C 13,1 14,2
20-600C 13,6 14,5 `
20-700C 14,0 14,7 ;~'
20-800C ` 14,5 15,0
. '- '~ ~
De plus, dans le cas d'une utilisation de l'alliage
dans le domaine nucléaire on limite volontairement les teneurs
en cobalt, tungstène et bore, éléments pouvant subsister dans
l'alliage en très faible quantité, à une teneur inférieure ~ ;
0,2 % en poids pour l'ensemble de ces trois composants.
Sous cette forme, l'alliage peut être utilisé
avantageusement dans le domaine nucléaire, en partlculier -~
pour les pièces de robinetterie soumises à des frottements.
Dans ce~ utilisations, l'alliage suivant l'invention
utilisé sous forme de poudre pour réaliser des revêtements
de pièces de frottement aura l'avantage, tout en possèdant les
propriétés mécaniques suffisantes, de ne pas présenter une
activation nucléaire par les produits de réaction resultant
de la fusion ou de la fission.
Le dépôt, en plus de son homogénéité, a d'autre part
l'avantage de présenter une très bonne liaison métallurgique
avec le substrat.
Les alliages suivant l'invention peuvent être aisément
élaborés au foux à induction à l'air et se prêtent avantageuse-
~ .
- 6
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~3~
ment au moulage de pièces massives dont la structure brute
de fonderie est identique à la structure du revêtement -
représenté sur la figure 1.
Ces alliages peuvent donc connaître de nombreuses
applications dans les domaines où l'on utilisait jusqu'i.ci les
alliages de cobalt du type Haynes Stellite.
On peut également réali.ser ~ partir des alliages
: suivant l'invention des fils ou baguettes nues, enrobés ou
fourrés pour la réalisation de soudures, de rechargements durs
ou de revêtem~nts d'épai~seur quelconque.
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