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" Perfectionnements aux alliages cuivreux et production d'un duraissant utilisable dans ces alliages"
Cette invention concerne les alliages de cuivre et leur production et a pour objet un mode de fabrication perfectionné permettant de produire des alliages dotés de bonnes propriétés de coulée,, capables de résister à de for- tes pressions et d'être forgés, laminés, extrudés, étirés, estampés ou autrement travaillés avec facilité et rapidité.
On sait (voir Ruer & Goerens; Perrum, 1917, Volu- me 14, page 49) et (Ruer & Kusohman Zeit f, Anorg, Chem, 1927, Vol.164, pp.366-376) que le fer et le cuivre ne s'allient pas spontanément l'un à l'autre et que 5% environ seulement de fer peuvent s'allier au suivre à ou vers le point de fusion
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du cuivre et que, par ailleurs, 20% environ de cuivre peuvent s'allier au fer à ou vers'le point de fusion du fer. On sait aussi que si ces limites sont dépassées, une certaine propor- tion du fer (ou du cuivre, selon que c'est l'un ou l'antre métal qui domine) reste non alliée lorsque on fond ensemble les deux métaux.
Or on a constaté que par l'addition à un mélange fondu de fer et de cuivre d'une quantité suffisante de sili- cium on peut.obtenir un alliage homogène de fer et de cuivre pour n'importe quelles proportions de ces deux métaux.
C'est ainsi, par exemple, qu'on peut allier deux parties de fer avec une partie de cuivre pour une quantité de silicium égale à 10% du mélange. Des parties égales de cuivre et de fer ne sont pas complètement alliées par l'ad- dition au mélange de 12% de silicium, mais sont intégrale- ment alliées en incorporant une quantité de silicium éga- le à 18%. Deux parties de cuivre et une partie de fer né- cessitent une quantité de silicium supérieure à 10% mais ne dépassant pas 20% du mélange total pour s'allier com- plètement. Une quantité de silicium égale à 20% environ ou même davantage du mélange est suffisante pour achever le pro- cessus d'alliage du fer et du cuivre selon n'importe quelles proportions.
Des mélanges uniformes sont encore obtenus mê- me quand la proportion de silicium dépasse notablement 20%; c'est ainsi, par exemple, qu'on peut en incorporer jusque 65% sans causer de séparation du fer et du cuivre.
On a constaté, en outre, que les alliages pro- duits comme indiqué ci-dessus dans lesquels une addition ou un alliage homogène de fer et de cuivre selon diverses proportions est atteint peuvent être utilisés avec grand avantage dans la production des alliages de cuivre de qua- lité supérieure, ces alliages homogènes étant des succé- danés efficaces de l'étain et d'autres métaux en tant que durcissants.
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On a encore constaté que par ce procédé on réali- se de grosses économies sur les dépenses par suite du août réduit de l'alliage durcissant et que, par ailleurs, les al- liages constituant des succédanés du bronze produits selon l'invention possèdent des propriétés de coulée meilleures, ce qui se traduit par une diminution des déchets ou "loups" de fonderie. En outre ces alliages sont capables d'assurer un service plus sur et supérieur à celui des bronzes d'étain, d'ou une économie encore plus grande.
Pour ces buts, la quantité de silicium peut,, si on le désire, tre augmentée considérablement au delà de la quantité minima dont on a be- soin pour assurer l'alliage complet du fer et du fu cuivre et on a pu vérifier aussi que l'addition de phosphore à ces alliages est avantageuse en ce sens qu'elle abaisse le point de fusion du durcissant et accroît leur fluidité, qu'elle améliore d'autres manières les propriétés de coulée de l'al- liage final auquel le durcissant est incorporé et qu'enfin elle permet de faire des pièces coulées de qualité supérieure direetement à, partir de l'alliage préparé au début sans qu'il soit nécessaire de couler tout d'abord l'alliage en lingots et de le soumettre à une nouvelle fusion,
comme cela est communément nécessaire toutes les fois qu'il s'agit d'allia- ges de qualitésupérieure.
Aussi bien l'invention consiste-t-elle en premier lieu dans la production d'alliages de cuivre et de fer se- lon n'importe quelles proportions désirées par l'utilisation d'une quantité appropriée de silicium et,, en second lieu, dans l'application de pareils alliages avec ou sans additions de phosphore comme durcissant à la production des alliages de cuivre de qualitésupérieure dotés de propriétés analo- gues à celles des bronzes phosphoreux, des bronzes d'artil- lerie et des alliages semblables.
La composition du durcissant peut varier selon les caractéristiques particulières qu'on désire donner à l'allia-
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ge de cuivre final, mais elle sera le plus souvent maintenue dans des limites suivantes: Fer @ 5à 70%
Cuivre ... ,...,. 20 à 85%
Silicium....... 10 à 65% Phosphore ,., .., 0.1 à 10%
Le fer ou l'alliage de fer utilisé dans la fabrication du durcissant peut contenir, sans préjudice pour l'alliage fi- nal un ou plusieurs des constituants qui existent fréquemment, en tant qutimpuretés, dans les fers et les alliages de fer du commerce.
On peut utiliser notamment de la fonte et le c ui- vre peut renfermer des constituants tels que ceux quton re- trouve dans les alliages de cuivre du commerce.
Dans Inapplication du durcissant au cuivre ou à l'alli- age de cuivre, il est rationnel de préparer l'alliage final de façon analogue à celle qu'on emploie dans la fabrication das alliages de cuivre tels que les bronzes, le durcissant étant fondu en môme temps que le cuivre ou ajouté lorsque le cuivre est fondu.
Le durcissant décrit ci-dessus peut être appliqué, selon des pourcentages variables, à la production des alliages de cuivre. C'est ainsi que, dans un de ces modes d'application, la teneur en étain du bronze de l'amirauté britannique (dont la composition approximative est 88% de cuivre, 10% d'étain et 2% de zinc) est remplacée par un alliage formant durcise sant constitué comme décrit plus haut.
Selon un exemple de mise en pratique de la seconde partie de l'invention, l'étain que renferme le bronze men- tionné plus haut est remplacé par une égale quantité d'un durcissant formé de : , Fer 19% Silicium 41% Suivre......... 39% Phosphore ...... 1 %
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Ce durcissement fond vers la même température quele enivrer l'alliage est donc rendu facile et effeotif, et le
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Barchaàffage du cuivre évité : à même temps l'alliage du cuivre et durcissent oa l'alliage final peut être fondu dans n'importe quel creuset ou four approprié à la fusion du cuivre de commerce ou des alliages de cuivre.
Lorsqu'on allie ce durcissant à du cuivre de commerce dans la proportion de 10% de durcissant pour 88 à 90 % le cuivre, on obtient les résultats suivants pour l'alliage de cuivre final.
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:: <SEP> Codé <SEP> Forgé <SEP> : <SEP> Laminé <SEP> Extradé
<tb>
<tb> tôle <SEP> :barre <SEP> de
<tb>
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µ j ( ÎÉÉIInÉ Limite d'élasticité mm2 : c15,7-20,5: 29-56,7 41,7 48 Résiatanoe è la rup-i tnremm2 : : 2B , 3 -40, 9 : 50,4-66,1 72 , ék 63,8
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<tb> Allongement <SEP> sur
<tb> 50 <SEP> mm <SEP> : <SEP> 9-18% <SEP> 17-52% <SEP> 26 <SEP> % <SEP> 22 <SEP> %
<tb>
<tb> Dureté <SEP> Brinell: <SEP> 107-121 <SEP> 143-149 <SEP> 200 <SEP> 150
<tb>
<tb> Densité <SEP> grms/oms.:
<SEP> 8,45 <SEP> 8,44 <SEP> 8,46 <SEP> 8,46
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Il va de soi que les propriétés de l'alliage final peu- vent également être modifiées en faisant varier la quantité de durcissant utilisé. 0'est ainsi par exemple, que la ta- ble suivante donne les résultats d'essais au cours desquels le durcissant sus-indiqué fat ajouté au cuivre dans des pro- portions variant de 6% à 16%.
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Pourcentage du durcissant 6% : 8% : 10% : 12 : 14 - 16% 1 1 Limite d'élastic&té mm2 :14,8 :35,7 : JS.9 : 24,4 :25,2: 33,6 Résistance à la rapturen=:33;8 :35,4 &4,6 :38,6 :40,2 :33,1 Allongement sur 50 mm. t 4l$ t 27)lt 15% : 11.% : 6% : néant
Il peut être convenable également de faire varier la composition du durcissant selon les qualités qu'on désire donner à l'alliage final.
Quand il est désiré d'utiliser le duroissant dans la fa-
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brication ou l'amélioration d'un alliage de enivre conte- nant des éléments additionnels à ceux contenus dans le durcissant ci-dessus décrit, ces éléments additionnels peuvent être introduits dans l'alliage final indépendam- ment du incorporés dans le durcissant. Par exemple, dans l'alliage succédané du bronze amirauté décrit di-dessus, le zinc, (on une partie du zinc) peut être incorporé comme constituant du durcissant.
Par la présente invention, il devient possible de fa- briquer des alliages dans lesquels le cuivre domine mais auxquels soient incorporés les ingrédients fer et silicium dont les proportions peuvent varier entre de larges limites selon la quantité et la composition du durcissant employé.
On a constaté que les alliages de composition maintenue approximativement dans les limites suivantes:
Silicium - jusqu'à 5 pour cent F er - " 12 " " possèdent de très bonnes propriétés semblables à celles associées avec les bronzes et d'autres alliages de cuivre de haute qualité, et que ces propriétés sont maintenues substantiellement constantes, malgré le fait que la compo- sition des alliages peut être largement modifiée.
La présente invention est figurée aux dessins annexés, dans lesquels :
La fig.l est une table pour illustrer les compositions des alliages préférés, et Fig.2,3 et 4 sont des diagrammes. donnant les allongements et charges de rupture de certains alliages.
La table (fig.1) ci-jointe donne de manière plus préoi- se les compositions des alliages préférés. Sur (tette table, le silicium représente les"ordinates" et le fer les "absoissae" du diagramme et chaque point/représente un alliage contenant silicium et @ fer comme indiqué, le restant étant du cuivre. Les alliages
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représentés par les points sur la partie noiroie contenue- entre les lignes continuelles ABCDEF forment une série les propriétés desquels n'ont pas été déterminées jusqu'ici mais ils ont été trouvés être remarquablement constants.
Ces(alliages possèdent de très bonnes qualités de soûlée et dans cet état possèdent des propriétés mécaniques très régulières et bonnes qui sont à peu près les suivantes: Elasticité 12,8 à 17,6 kg/mm2
Charge de rupture: 32 à 35,2 kg/mm2
Allongement sur 50 mm.: 40-20 pour cent.
Les propriétés des alliages de cuivre contenant le fer et le silicium varient assez brusquement à on vers les compositions indiquées par la ligne ABCDEF sur la fig.1 par exemple : 1.Quand le silicium et le fer sont augmentés au delà des compositions indiquées par la position CDE de cette ligne, l'allongement est diminué à une valeur basse, généralement avec une diminution simultanée de 1'élasticité.
Les figures 2,3 et 4 représentent les allongements et charges de ruptu- re d'alliages oontenant 2,0 de fer, 6,0 de fer et 3,0% de silicium respectivement, le silicium ou le fer étant va- rié continuellement comme indiqué dans chaque série d'al- liages il est montré que l'allongement est diminué à ou vers la composition indiquée par la ligne ODE avec une diminution simultanée de la charge de rupture.
Quand la proportion de fer est grande et celle du sili- cium petite, c'est-à-dire dans les compositions indiquées par les points au dehors de la partie noircie et près du point E sur le dessin, le fer et le cuivre ne se mélangent pas faai- lement, des alliages homogènes ne sont pas obtenus, et on ne peat pas produire des pièces de moulage satisfaisantes. du fer 3, Quand la proportion est grande. mais celle de silicium est petite, c'est-à-dire dans les alliages indiqués par points
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au dehors de la partie noircie entre la ligne EF et le bord du dessin y rapprochant, les propriétés de coulée ne sont pas bonnes, il est difficile de produire des pièces satis- faisantes et les alliages possèdent des propriétés mécani- ques inférieures.
4. Quand la proportion de silicium est grande, mais celle du fer est petite, c.a.d. dans les alliages indiqués par les points au dehors de la partie noircie entre la ligne BC et le bord y rapprochant au dessin, les propriétés de coulée ne sont pas bonnes, il est difficile à produire des pièces de moulage satisfaisantes, et les alliages possèdent des propriétés mécaniques inférieures.
5. Quand les proportions de fer et de silicium sont peti- tes, o.a.d. dans les alliages indiqués par les points au dehors de la partie noircie entre ligne BAF et les bords du dessin y rapprochant. les alliages possèdent une élas- ticité et charge de rupture diminuées, mais peuvent néan- moins avoir une valeur commerciale, notamment comme allia- ges pour forgeage, laminage, étirage, ou autre : parexem- ple, dans la fabrication des tiges, tubes, fils, sections, et ainsi de suite.
L'existence d'une série extensive d'alliages de haute qualité et de valeur commerciale comme indiqué par la par- tie ABCDEF/sur Fig.l, possédant des propriétés mécaniques presque constantes, ne pouvait pas être prévue en se ba- sant sur les propriétés connues de l'alliage silicium- cuivre ou fer-cuivre, ni des propriétés des alliages de cuivre antérieurement connues contenant le fer et le sili- cium. Ces alliages nouveaux coulent plus facilement que le cuivre-silicium ou le cuivre-fer, spécialement par la mé- thode préférée détailla dans cette spécification.
A rai- son de leurs propriétés de coulée supérieures, et leurs hautes propriétés mécaniques, ils peuvent être employés avec avantage pour une grande variété d'usages, pour,les-
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quels d'autres alliages de cuivre tels que les laitons et les bronzes ont été employés antérieurement. Les alliages peuvent être aussi travaillés par les procédés commerciaux généralement en usage.
Dans certains cas, l'incorporation dans les susdits alliages d'une petite proportion de phosphore ne dépassant pas 1% est avantageuse, et les propriétés de coulée sont améliorées. Par exemple, une proportion de phosphore, d'à peu près 0,1% peut être utilement ajoutée aux alliages pour moulages tels que les soupapes, les pompes et ainsi de sui- te, les propriétés mécaniques étant peu modifiées ou bien, une proportion plus grande peut être ajoutée comme dans le cas des moulages utilisables pour paliers, la dureté et la résistance étant augmentées.
Comme exemple de la valeur commerciale de ces alliages @ on peut citer l'alliage composé d'un mélange de 90 parties de cuivre avec 10 parties d'un alliage durcissant contenant 19% de fer, 41% de silicium, 39% de cuivre et 1% de phos- phore. L'alliage final ainsi préparé possède d'excellentes propriétés de coulée, et peut être employé pour la fabrica- tion des moulages cuivreux de haute resistance, pièces de moulage pouvant résister à une pression fluide très haute, tels que soupapes, pompes et ainsi de suite, estampages, paliers soumis à de grande efforts de frottement.
Les pro- priétés de l'alliage sont bien maintenues,, et il ne s'oxy- dise pas à de hautes températures, comme, par exemple, dans les servioes de surchauffage; il est très résistant à la oorrosion et aux acides, et il est approprié au service ma- ritime. Il peut être faoilement forgé, extrudé, étiré, es- tampé ou autrement travaillé, par lesquelles opérations ses propriétés sont améliorées et dans l'état travaillé il peut être utilisé pour une variété d'usages, tels que tiges cuivreux de haute résistance, boulons et écrous, entretoises, fil, sections, tubes, tôles, matriçages et estampages, au-
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bes de turbines, et autres formes travaillées. Il peut aussi être facilement soudé, par exemple, par moyen de sou- dage électrique ou oxy-acétylène.
Les proportions citées dans les exemples qui précèdent sont en poids.