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La présente invention se rapporte à un procédé d'établissement de soudures en surface, de préférence à 1!aide de la soudure à l'arc, et à des électrodes pour la réalisa- tion de ce procédé. L 'appellation "soudure en surface" et similaires les appellations/utilisées ci-dessous signifient une soudure obtenue en déposant du métal sur une pièce unique ou sur un @ élément de construction isolé et non une soudure placée entre deux pièdes ou éléments de construction réunissant ainsi ces deux pièces ou éléments.
L'un des plus grands avantages de la soudure en surface est l'économie en coût et en matériaux coûteux qui est réalisée du fait qu'une construction qui devra être résis- tante, par exemple à l'usure et qui, dans ce but, devra au moins avoir dans certaines sections une surface dure, peut être faite en un matériau de construction relativement bon marché, tandis que la surface dure peut être appliquée Eux endroits où elle est le plus nécessaire. On obtient ainsi éga-
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lement l'avantage que ces parties de la construction consis- tant en un matériau à surface.dure et un matériau de base tendre acquièrent une grande résistance aux forces d'impact aussi bien qu'à la fatigue.
Bien que la dureté ne soit pas le seul critère pour qu'un matériau soit résistant à l'usure, il est un fait que, plus la dureté est grande, plus grande est la résistance à l'usure. La dureté de soudures contenant surtout du fer dépend de la quantité et de la nature des constituants de l'alliage et de la technique de la soudure, la vitesse de refroidissement ayant une grande importance.
Un durcissement profond par l'air est facilité particulière- ment par les éléments d'alliage chrome et manganèse. Pour cette raison, les électrodes à revêtement dur contiennent le plus fréquemment du chrome ou du manganèse ou ces deux éléments à la fois dans le noyau et/ou en revêtement avec du carbone et cela en quantités telles qu'aux vitesses de refroidissement se présentant au cours de la soudure, le métal de soudure acquiert essentiellement la structure de la mar- tensite. Un matériau martensitique a toutefois une très fai- ble ténacité, de sorte, que des fêlures se forment très fa- cilement dans la soudure dues aux tensions apparaissant dans la soudure ou lorsque la soudure est soumise ultérieurement à des tensions.
Ceci s'applique particulièrement au cas ou la soudure devra avoir une dureté de 450.à 550 unités Brin ell ou davantage, auquel cas, il était courant jusqu'ici d'utiliser des électrodes ayant une composition telle qu'on obtenait une soudure pauvre en alliage , par exemple une soudure alliée de chrome jusqu'à 10% et un pourcentage correspondant en car- bone.
Conformément à la présente invention, l'article en mé- tal, particulièrement en fer ou en alliage ferreux, est re- vêtu dtune couche de métal ayant un caractère différent de colui du matériau de base de l'article, de telle façon que la flaque de soudure obtenue lors de la soudure soit amenée à
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contenir, en addition au fer, du chrome et du carbone en quantités telles que le métal soudé soit amené à contenir
10-20%, de préférence 13% de chrome et 0,15 - 0,50%,de pré- férence 0,15 - 0,35% de carbone ; il est bien entendu que les impuretés rencontrées normalement et les additions utili- sées communément dans le fer peuvent aussi être présentes, avec la restriction toutefois que la teneur en nickln'excè- dera pas 0,5%.
Au cas ou' la teneur en carbone excéderait 0,50% ou même 0,35%, la soudure devrait, conformément à une modi- fication de l'invention, être trempée. L'invention comprend .
, également une électrode à revêtement pour réaliser le procédé et l'électrode est caractérisée en ce que le coeur de la tige, constitué essentiellement de fer et/ou du revêtement, contient des quantités de chrome et de carbone telles que, dans la soudure à l'arc effectuée de façon normale (la longueur de l'arc approximativement égale à l'épaisseur de l'électrode, le voltage de l'arc environ 25 à 30 volts et l'intensité de courant environ 30 à 50 ampères par millimètre de diamètre de corps), lemétal de soudure déposé oontienne, en addition au fer :
10-20% de chrome max.0,5% de nickel 0,15% @ 0,50% de carbone.
Dans un mode opératoire préféré, le pourcentage de chrome dans le métal de soudure est au moins 10 ou 12%, de manière plus adéquate environ 13%, le pourcentage de carbone n'excède pas 0,35% et le pourcentage de nickel n'excède pas 0,5%,auquel cas, on obtient un matériau dit semi-ferritique. Les électrodes peuvent être de nature telle que les substances alliées dans le métal dé soudure sont apportées, soit par l'emploi d'un coeur de tige en alliage, soit par addition de quantités suf- fisantes des éléments de l'alliage dans le revêtement ou par ces
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deux procédés combinés, mais de préférence le coeur de la tige aura approximativement la même composition que celle que l'on désire dans le métal- de soudure.
On a alors été surpris de constater qu'on obtenait un métal de soudure très résistant aux fêlures et auquel on ne pouvait pas s'attendre puisque, dans des constructions sou- dées consistant en matériaux semirferritiques répondant à l'analyse ci-dessus, on obtient très facilement des fêlures dans le. matériau de base. Ces fêlures apparaissent dams le matériau de base comme conséquence du durcissement ou de la croissance des grains. Les matériaux semi-ferritiques portent ce nom du fait qu'ils contiennent partiellement- de la ferrite même lorsqu'on les chauffe à des températures allant jusqu'à la fusion. A des températures supérieures à la température de conversion, en perlite, ils contiennent de l'austénite en addition.
Lors de l'accroissement de température se présen- tant au cours de la soudure, un accroissement de grain aura lieu dans la ferrite, tandis que, durant le refroidissement rapide ultéfieur, l'austenite sera convertie en martensite.
Ceci explique la tendance à former des fêlures de la part du matériau de base. Cependant, des matériaux de soudure répon- dant à la même analyse acquièrent, grâce aux conditions de solidification lors de la soudure, un grain excessivement fin ce qui peut probablement expliquer en partie la plus grande résistance au fendillement. On croit qu'on peut également l'ex- pliquer en partie en supposant que les grains de martensite seraient enrobés dans une masse tendre en ferrite et que la structure n'est pas par conséquent prinipalement de la mar- tensite. La teneur du métal de soudure en ferrite et en mar- tensite et ainsi la dureté du métal de soudure peuvent varier dans des limites données dépendant du pourcentage de carbone.
Ainsi, un métal de soudure contenant environ 0,10% de C en ad- dition au pourcentage de chrome d-dessus d'environ 13% a une
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dureté d'environ 350 unités Brinell, tamdis qu'un métal de soudure contenant plus de 0,20%-C, particulièrement environ 0,25 à 0,30% C., et le pourcentage de chrome a une dureté de 450 à 550 unités Brinell. Dans ces ca,s,on utilise des électrodes dont le noyau répond de préférence à la même ana- lyse. D'autres constituants de l'alliage peuvent être ceux qui sont communs dans les aciers de ce type.
Si la teneur en chrome est portée au-delà de 13%, par exemple jusqu'à 18 ou 20%, la quantité de ferrite est accrue et la dureté est réduite. Ceci est par conséquent un procédé pour faire varier la dureté, qui est toutefois plus coûteux qu'à l'aide du pourcentage de carbon.e.
La structure des aciers contenant plus de 0,35% de carbone consiste aux hautes températures partiellement en austenite et partiellement en carbures de fer et de chrome.
Lors d'un refroidissement rapide, comme dans la soudure, la teneur relativement élevée en carbone retardera la conversion de l'austenite, de sorte que cette dernière n'aura pas suf- fisamment de temps pour être convertie en martensite, de toute façon pas complètement, si bien qu'on obtiendra un ré- sidu d'austenite. L'austenite étant également un constituant tendre de la structure, le métal de soudure deviendra également dans ce cas résistant au fendillement vu que l'austénite hérite de la fonction exercée par la ferrite pour des pourcengages de carbone inférieurs à 0,35%. Pour cette raison, la dureté du métal de soudure décroit à Nouveau quand le pourcentage en carbone n'excède pas 0,35% si un traitement thermique parti- culier n'est pas mis en oeuvre.
Il est toutefois possible, à l'aide d'un traitement thermique, après la soudure, dans le cas présent par trempe, de convertir le résidu d'austénite en cons- tituants à structure plus dure et de réaliser ainsi une dureté accrue. De cette manière,il est posxible d'obtenir des soudures à l'épreuve du fendillement ayant une dureté d'environ 550 à
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600 unités Brinell@et plus. Des coeurs de tige convenant particulièrement bien dans ce cas sont ceux ayant environ 0,50% C. ou environ 1,0% C ou des pourcentages de carbone intermédiaires et un pourcentage de chrome d'environ 13% comme précédemment. Le pourcentage de.nickel devra aussi être limité à 0,5% max. et il peut y avoir d'autres subs- tances d'alliage comme il est normal pour ce type d'aciers.
Indépendamment du fait que la teneur en carbone est moindre ou plus élevée que 0,35% C, le coeur des tiges est de pré- férence muni d'un revêtement, par exemple conformément au brevet belge n 437.328. Au cours de la soudure, les électro- des sont attachées de préférence au pôle positif lors de la soudure en courant continu, Riais elles peuvent aussi être soudées avec courant alternatif. L'ampérage et les autres conditions de la soudure peuvent être celles qui sont nor- males pour la soudure à l'arc avec des électrodes en alliage, par exemple des électrodes pour la soudure des matériaux inoxydables.
Une caractéristique particulière de l'invention est le fait que toute soudure peut être réalisée à l'état froid,c'est à dire sans chauffer la pièce, sans que des fêlu- res n'apparaissent dans le métal de soudure sauf le cas ou. le matériau de base est si chargé en alliage qu'il se forme de la martensite dans la zone de transition. ou., en pareil cas, peuvent se former des fêlures qui peuvent s'étendre dans le métal de soudure. Un tel matériau doit donc être préalable- ment chauffé afin de pouvoir éviter de telles fêlures qui que se forment autrement , quelle soit l'électrodeutiliséer.
Des électrodes ayant un noyau contenant 0,10 à 0,15% C sont déjà connues pour la soudure de matériaux inoxydables répondant à la même analyse et ont probablement aussi été utilisées pour recoovrir par soudure et pour réparer le même
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genre de matériaux. L'invention toutefois ne comprend pas une telle soudure sur un matériau de même nature mais seulement la soudure sur un matériau différent,quant au genre et à la composition, des noyaux utilisés depuis, comme mentionné dans le préambule ; les plus grands avantages de la soudure en surface conformément à l'invention sont obtenus en utilisant un matériau de construction tendre et en le recouvrant d'une surface dure uniquement aux endroits où c'est nécessaire.
Les électrodes peuvent toutefois être employées aussipour des ma- tériaux plus durs d'un type et d'une composition différents du matériau de l'électrode, ce qui peut, par exemple être le cas lors dtune soudure de réparation lorsqu'il est question de remplacer un matériau usé dans une partie de construc- tion partiellement affaiblie par l'usure. Dans de pareils cas également, un métal de soudure particuliculièrement à l'épreuve des fêlures sera obtenue conformément à l'inven- tion pour autant que des additions des substances alliées en mélangeant le métal de soudure à un autre matériau peut uniquement influencer la formation de ferrite ou d'austenite mais ne pas avoir pour résultat que la structure se compose principalement de martensite avec par conséquent un abaisse- ment dans la résistance au fendillement.
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The present invention relates to a method of establishing surface welds, preferably using arc welding, and to electrodes for carrying out this method. The designation "surface weld" and the like the designations / used below mean a weld obtained by depositing metal on a single piece or on an isolated construction element and not a weld placed between two legs or building elements joining thus these two parts or elements.
One of the greatest advantages of surface welding is the saving in cost and expensive materials which is achieved because a construction which must be resistant, for example to wear and which, for this purpose , should at least have in some sections a hard surface, can be made of a relatively inexpensive building material, while the hard surface can be applied to places where it is most needed. We thus obtain also
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There is also the advantage that these parts of the construction consisting of a hard surface material and a soft base material acquire high resistance to impact forces as well as to fatigue.
Although hardness is not the only criterion for a material to be wear resistant, it is a fact that the greater the hardness the greater the wear resistance. The hardness of welds containing mainly iron depends on the quantity and nature of the constituents of the alloy and the welding technique, the rate of cooling being of great importance.
Deep air hardening is particularly facilitated by the chromium and manganese alloy elements. For this reason, hard coated electrodes most frequently contain chromium or manganese or both of these elements both in the core and / or coated with carbon and in such amounts as at the cooling rates occurring at low temperatures. During welding, the weld metal essentially acquires the structure of martensite. A martensitic material, however, has very low toughness, so that cracks form very easily in the weld due to stresses appearing in the weld or when the weld is subsequently subjected to stress.
This applies particularly to the case where the weld is required to have a hardness of 450 to 550 ell strand units or more, in which case it was heretofore common to use electrodes having a composition such that a poor weld was obtained. alloy, for example an alloyed weld of chromium up to 10% and a corresponding percentage of carbon.
In accordance with the present invention, the article of metal, particularly iron or ferrous alloy, is coated with a layer of metal having a character different from that of the base material of the article, so that the weld puddle obtained during welding is brought to
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contain, in addition to iron, chromium and carbon in such quantities that the welded metal is caused to contain
10-20%, preferably 13% chromium and 0.15 - 0.50%, preferably 0.15 - 0.35% carbon; of course, impurities normally encountered and additions commonly used in iron may also be present, with the restriction, however, that the nickel content will not exceed 0.5%.
In the event that the carbon content exceeds 0.50% or even 0.35%, the solder should, in accordance with a modification of the invention, be quenched. The invention includes.
, also a coated electrode for carrying out the process and the electrode is characterized in that the core of the rod, consisting essentially of iron and / or the coating, contains amounts of chromium and carbon such that, in the solder to arc performed in the normal way (the length of the arc approximately equal to the thickness of the electrode, the voltage of the arc approximately 25 to 30 volts and the amperage approximately 30 to 50 amperes per millimeter of body diameter), the weld metal deposited oontien, in addition to iron:
10-20% chromium max. 0.5% nickel 0.15% @ 0.50% carbon.
In a preferred procedure, the percentage of chromium in the weld metal is at least 10 or 12%, more suitably about 13%, the percentage of carbon does not exceed 0.35% and the percentage of nickel is no more than 0.35%. not exceed 0.5%, in which case a so-called semi-ferritic material is obtained. The electrodes may be of such a nature that the alloyed substances in the weld metal are provided either by the use of an alloy rod core or by adding sufficient quantities of the elements of the alloy to the coating. or by these
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two processes combined, but preferably the core of the rod will have approximately the same composition as that desired in the weld metal.
We were then surprised to find that we obtained a weld metal which was very resistant to cracks and which could not be expected since, in welded constructions consisting of semi-ferritic materials meeting the above analysis, we very easily gets cracks in the. base material. These cracks appear in the base material as a result of hardening or grain growth. Semi-ferritic materials get this name because they partially contain ferrite even when heated to temperatures up to melting. At temperatures above the conversion temperature, to perlite, they contain additional austenite.
As the temperature increases during soldering, an increase in graininess will take place in the ferrite, while during subsequent rapid cooling the austenite will be converted to martensite.
This explains the tendency to form cracks on the part of the base material. However, solder materials responding to the same analysis acquire, due to the solidification conditions during soldering, an excessively fine grain which can probably partly explain the greater resistance to cracking. It is believed that this can also be explained in part by assuming that the martensite grains would be embedded in a soft ferrite mass and that the structure is therefore not predominantly martensite. The ferrite and mar- tensite content of the weld metal and thus the hardness of the weld metal can vary within given limits depending on the percentage of carbon.
Thus, a weld metal containing about 0.10% C in addition to the percent chromium above about 13% has a
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hardness of about 350 Brinell units, sieve that a weld metal containing more than 0.20% -C, especially about 0.25 to 0.30% C., and the percentage of chromium has a hardness of 450 to 550 Brinell units. In these cases, electrodes are used whose core preferably responds to the same analysis. Other constituents of the alloy may be those which are common in steels of this type.
If the chromium content is increased beyond 13%, for example up to 18 or 20%, the amount of ferrite is increased and the hardness is reduced. This is therefore a method of varying hardness, which is however more expensive than using percent carbon.
The structure of steels containing more than 0.35% carbon consists at high temperatures partly of austenite and partly of iron and chromium carbides.
During rapid cooling, as in soldering, the relatively high carbon content will retard the conversion of austenite, so that the latter will not have enough time to be converted to martensite, anyway not. completely, so that an austenite residue will be obtained. Austenite also being a soft constituent of the structure, the weld metal will also in this case become resistant to cracking since the austenite inherits the function exerted by the ferrite for carbon percentages of less than 0.35%. For this reason, the hardness of the weld metal decreases again when the carbon percentage does not exceed 0.35% if a special heat treatment is not carried out.
It is, however, possible, by means of heat treatment, after welding, in this case by quenching, to convert the austenite residue into components with a harder structure and thereby achieve increased hardness. In this way, it is possible to obtain crack proof welds having a hardness of about 550 to
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600 Brinell @ units and more. Particularly suitable rod cores in this case are those having about 0.50% C. or about 1.0% C or intermediate carbon percentages and a chromium percent of about 13% as before. The percentage of nickel should also be limited to 0.5% max. and there may be other alloying substances as is normal for this type of steels.
Regardless of whether the carbon content is lower or higher than 0.35% C, the core of the rods is preferably coated, for example according to Belgian Patent No. 437,328. During welding, the electrodes are preferably attached to the positive pole when welding with direct current, but they can also be welded with alternating current. Amperage and other welding conditions may be those normal for arc welding with alloy electrodes, for example electrodes for welding stainless materials.
A particular characteristic of the invention is the fact that any welding can be carried out in the cold state, that is to say without heating the part, without cracks appearing in the weld metal except in the case of . the base material is so loaded with alloy that martensite forms in the transition zone. or., in this case, cracks may form which may extend into the weld metal. Such a material must therefore be heated beforehand in order to be able to avoid such cracks which would otherwise form, whatever the electrodeused.
Electrodes having a core containing 0.10 to 0.15% C are already known for welding stainless materials meeting the same analysis and have probably also been used to re-weld and repair the same.
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kind of materials. The invention, however, does not include such a weld on a material of the same nature but only the weld on a different material, as regards the type and the composition, of the cores used since, as mentioned in the preamble; the greatest advantages of surface welding according to the invention are obtained by using a soft building material and covering it with a hard surface only where necessary.
The electrodes can, however, also be used for harder materials of a different type and composition from the electrode material, which can, for example, be the case in a repair weld when it comes to replacing a worn material in a part of construction partially weakened by wear. In such cases also, a particularly crack-proof weld metal will be obtained according to the invention insofar as additions of the alloyed substances by mixing the weld metal with another material can only influence the formation of the weld. ferrite or austenite but does not result in the structure being composed predominantly of martensite with consequent lowering in crack resistance.