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Procédé de traitement thermique des alliages à haute teneur en nickel et en chrome ( additions d'aluminium, de cuivre et de silicium)
L'invention se rapporte à un traitement thermique donnant des résultats industriels nouveaux dans les al- liages inoxydables à haute teneur en Ni ou à haute te- neur en Ni et en Cr.
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On connaît, depuis plusieurs années, les qualités exceptionnelles des ferronickels réversibles à haute teneur en Ni et des ferronickels chromés qui, surtout ce derniers, possèdent des avantages nombreux les ren- dant particulièrement précieux pour un grand nombre d'ap- plications, ou-l'on recherche certaines propriétés physi- ques particulières ou bien les propriétés d'inoxydabi- lité en général, la résistance à la corrosion par les aci- des ou l'eau salée( que possèdent certains ferronickels chromés) aux effets de la chaleur, des oxydants à hau- te température, de la vapeur d'eau , jointe à une résis- tance mécanique élevée à chaud: aubes de turbines à va- peur, soupapes de moteurs à explosion ou à combustion inter- ne, pièces de vannes et tuyauteries pour vapeur, etc...
On peut citer notamment les alliages faisant l'objet des brevets de la Demanderesse Nos. 274.058, 274.05', 274.060, 279.901, 290.437, 290.438, 290.439, 317.776 et 356.325.
Ces ferronickels réversibles avec addition de chrome et renfermant éventuellement, outre le manganèse toujours présent, de petites quantités de silicium, de tungstène, de molybdène, de vanadium, de titane, de zir- conium, sont caractérisés essentiellement, au point de vue physico-chimique, par l'absence de transformation avec changement de phase. Comme conséquence, on 'note la permanence, à toutes les températures usuelles d'emploi, de l'état @ sous lequel se trouve le fer quand il existe, et plus généralement de la structure polyédrique dite austénitique. Cette structure indiifé-
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rente à la trempe, se maintient à travers tous les traitements thermiques possibles entre la température ambiante et le point de fusion, avec cependant des di- mensions de grain variables.
Comme la trempe physico-chimique telle que celle des aciers proprement dits ne peut exister dans ces al- liages, puisque le fer ne peut revenir à l'état @ sous lequel il existe dans les aciers trempés, il était admis que seul un traitement mécanique était capable de les durcir; le seul traitement employé était le recuit banal qui avait pour but essentiel de supprimer l'é- crouissage, de détruire les tensions internes, c'est- à-dire d'homogénéiser mécaniquement le métal, et par la même de réaliser un certain adoucissement. On se bornait donc à l'écrouissage comme moyen d'action pour augmenter la dureté de l' alliage, direté qui, sans cela, restait relativement faible.
La Demanderesse a découvert la possibilité, et c'est la l'objet de cette invention, d'agir d'une ma- nière beaucoup plus étendue et complète sur la dureté, au moyen de traitements thermiques appropriés, renforcés par la présence de certaines additions comme Al et Si notamment.
Dans le métal naturel de laminage ou de forgeage , ou même de moulage, le carbone est en partie à l'état de solution solide, en partie allié à certains des mé- taux présents sous forme de carbures complexes conte- nant du fer, du chrome, et aussi du tungstène ou des corps de la famille du tungstène présents dans l'allia- ge, quand il existe de tels corps. Ces carbures se pré- sentent sous forme de grains de petites dimensions, vi-
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sibles au microscope, par exemple sous un grossissement linéaire de quelques centaines d'unités, disséminés à l'intérieur ou aux joints des polyèdres de la solution solide servant de matrice. La proportion de carbure di- minue quand la température s'élève, car la solubilité du carbone dans la matrice s'accroît.
Par le jeu d'un trai- tement consistant à mettre les carbures en solution, puis à les faire précipiter dans des conditions thermi- ques convenables, on arrive, suivant l'invention, à ré- aliser des changements structuraux analogues à ceux par lesquels on explique aujourd'hui ( à la suite d'expérien- ces auxquelles les laboratoires de la Demanderesse, em- ployant la méthode dilatométrique, ont largement contri- bué) le durcissement des alliages légers dont le dur- alumin est le type, ou encore par exemple à ceux qui ont été étudiés récemment dans certains alliages plomb-sou- fre, cuivre-siliciure de nickel, cuivre-glucinium, etc...
Un chauffage de durée suffisante à température assez élevée, température et durée variables suivant la composition chimique et la structure de l'alliage, du métal naturel de laminage ou de forgeage ou même de moulage, a pour effet de dissoudre le carbone dans la solution solide formant la matrice métallique et de fai- re disparaître, au moins en partie, les grains de car- bure dont il est ci-dessus parlé. L'alliage est alors refroidi brusquement de manière à maintenir à tempe ra- ture ordinaire la solution solide stable à chaud réalisés par chauffage.
Le mode de refroidissement derra être approprié à la composition de l'alliage et aux dimen-
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sions des pièces: suivant les cas, on adoptera une immersion dans l'eau, dans l'huile ou un simple re- froidissement à l'air. L'essentiel est de réaliser une vitesse suffisante pour escamoter, au cours du refroi- dissement, la précipitation des carbures c'est-à-dire pour réaliser une hypertrempe, nom par lequel on désigne un traitement qui stéréotype l'état stable à chaud.
Une chauffe subséquente, dont la température et la durée varient avec la composition chimique, avec la structure de l'alliage et avec les conditions de l'hy-
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pertrempe, permet gx.,e à la repréoip1taticn du carbone sous forme de petits grains de carbures, un durcisse- ment accentué de l'alliage, sans apparition de la fra- gilité.
Ce procédé s'applique aux ferronickels réversi- bles et aux alliages de fer, de nickel et de chrôme, caractérisés au point de vue physico-chimique par l'ab- sence de transformation avec changement de phase et, par suite, par la permanence à toutes les températures usuelles d'emploi, de l'état - sous lequel se trouve le fer quand il existe et plus généralement de la structure polyédrique dite austénitique; leur compo- sition est la suivante:
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Carbone -,. 0 0 0 ID0 0 0 0a a 0 0 0 0 0 0 -4 i uo Ni okel ................. 6 80 Nickel .................. 6 à 80 / Chrome .....<.............. 0 à 40 Manganèse ........<........ 0,3 à 4 % Silicium ................. 0 à 3% Tungstène ................ 0 à 10g Molybdène ............... 0 à 10 Vanadium ............... 0 à % Titane ................... 0 à 0,5% Fer .................... le complément.
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Les proportions des constituants étant telles
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que le fer existe à l' état 1 , Le nickel peut, par ail- eurs, être partiellement remplacé par du cobalt, la pro- portion de ce dernier élément pouvant atteindre la moitié de celle du nickel.
Par exemple, une barre d'un diamètre de 10 mm environ d'un alliage contenant 0,35 % de carbone, 35 % de nickel et Il % de chrome ayant, à l'état naturel de laminage:
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<tb> Limite <SEP> élastique <SEP> 46,7 <SEP> kg/mm2
<tb>
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chwrge de ru-ptuxe ................ 74,5 "
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<tb> Allongement <SEP> ...................... <SEP> 27,9 <SEP> %
<tb>
aura. après chauffage à 11500 suivi d'un refroidissement dans l'eau:
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Limite élastique ..........,y...... &8,1 kg/mm2 Charge de rupture 62t8 Il Alement .........................44.2 %
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on trouve, apréichaniie d'une demi-heure â 800 appliquée au métal ainsi adouci:
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Limite élastique ................. 47, 6 kgfmm2 Change de rn.pture ................. 82, 3 1t
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<tb> Allongement <SEP> ....................... <SEP> 18,2 <SEP>
<tb>
La résilience mesurée sur éprouvette de 10 x 10 ayant une section de rupture de 10 x 8 (entaille à fond. rond de 1 mm de ayon) est de l'ordre de 12 kgm/cm2 sur le métal naturel de laminage Comme sur le métal complète- ment traité. Elle peut dépasser 35 kgm. cm2 sur le métal adouci à 11500.
Un effet durcissant analogu.e peut d'ailleurs a' ob- tenir par une chauffe du métal à l'état naturel de lami- nage ou de forgeage ou même de moulage, malgré l'atténuation
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que ce chauffage apporte aux effets d'ordre banal de l'écrouissage. Par exemple, l'alliage cité plus haut, soumis à l'état brut de laminage à un revenu de 12 heu- res à 600 , acquiert les caractéristiques suivantes:
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<tb> Limite <SEP> élastique <SEP> ............... <SEP> 52 <SEP> kg/mm2
<tb>
<tb> Charge <SEP> de <SEP> rupture <SEP> .............. <SEP> 93 <SEP> "
<tb>
<tb> Allongement <SEP> .................... <SEP> 15 <SEP> % <SEP> 2
<tb>
<tb> Résilience <SEP> ..................... <SEP> 9 <SEP> kgm.cm
<tb>
L'effet de ce traitement se trouve renforcé par la présence de l'aluminium avec ou sans augmentation de la teneur en silicium; il peut l'être, d'une manière générale, par toute addition plus soluble à chaud qu'à froid dans les ferronickels purs ou chromés, et suscepti- bles de précipiter par chauffe isotherme après avoir été maintenue en solution solide par bypertrempe, ou par toute addition formant, avec les éléments de l'alliage une combinaison plus soluble à chaud qu'à froid;
c'est le cas du cuivre en présence de l'aluminium ou du sili- cium, ce dernier corps pouvant être éventuellement rem- placé par un élément de propiétés analogues par exemple leglucinium.
L'action de ces additions a été étudiée par la De- manderesse à l'aide de la méthode dilatométrique bien connue qu'elle a contribué à répandre., Elle a été vérifiée par les eeeais mécaniques usuels.
Ce traitement thermique, suivant le processus décrit, par trempe à haute température suivie d'une chauf- fe isotherme prolongée, se rapporte à des alliages ayant la composition ci-après.*
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<tb> Carbone <SEP> ........................ <SEP> # <SEP> 1%
<tb>
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Nickel ......................... 6 a 80% Chrome ......................... 0 à 40 Manganè se ...................... 0,3 in 4
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<tb> Tungstène <SEP> ...................... <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 10%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> ...................... <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 10%
<tb>
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7aaa.i'Qm 1 ! .. s s ....... .. s ... 0 cÀ 8 Titane ......................... 0 à 0,5 à Aluminium ...................... 1 à 7 ;
o
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<tb> Cuivre <SEP> ......................... <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 20 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> ...................... <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 5%
<tb>
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Fex ............................. complément.
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les proportions des constitnantq étant telles que le fer existe à l'état 1; le nickel peut être partielle- ment remplacé par du cobalt.
Les températures de trempe peuvent varier entre 8000 et 1150 et les températures de chauffe entre 400 et 900 . Les durées de chauffage peuvent varier de 2 à 200 heures.
L'aluminium forme des solutions solides limi- tées avec les ferronickels purs ou chromés. Pour une pro- portion suffisante d'aluminium, l'alliage est un agré- gat de deux solutions solides. L'une riche en nickel et en aluminium, est dure et joue, par rapport à l'autre formant matrice, le tôle des carbures des ferronickels additionnés de carbone.
Par hypertrempe suivie d'une chauffe isotherme d'une certaine duxés, on obtient un durcissement struc- tural important grâce à une réaction dont la Demanderesse a étudié et dé couvert le mécanisme physico-chimique qui est le suivant:
1 - L'alliage est amené par chauffe il l'état de solution solide.
2 - Cet état est maintenu à froid par refroidisse- ment brusque.
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3 - La décomposition de cette solution solide hy- pertrempée s'effectue au cours d'un revenu isotherme de durée suffisante à température convenable- Le retour à l'état d'agrégat stable à froid, qui s'opère à une tempé- rature inférieure à celle de l'équilibre, s'accompagne d'un durcissement.
Le mécanisme de ce durcissement est, on le voit, bien différenr de celui qui intervient dans la trempe des aciers dont la duxeté est due à la présence d'un constituant hors de équilibre, très dur, la martensite
Par exemple, un alliage fer-nickel à 45% de nickel, contenant encore, outre 2% de manganèse, 4% d'aluminium, chauffé à 10000, refroidi dans l'eau, puis chauffé pendant 7 heures à 5500 éprouve une modification qui fait passer la dureté Brinell de 135 à 180 kg/mm.
Un traitement identique relève de 135 à 185 kg/mm2 la dureté Brinell d'un alliage semblable contenant 60% de nickel au lieu de 45%.
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L'effet du traitement est encore plus maxga quancl le ferronickel renferme du chrome, Ainsi dans l'alliage contenant:
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Nickel oooo&.e..* a . 6 9 0 à . 0 .... 0 60 p Chrome aa*o*ooo***o*,oo.oooeeoo 10 % Manganèse ..................... 3 te Aluminium ..................... If) 3 Fer ........................... le complément un revenu de 7 h. à 6500 consécutif à une trempe dans l'eau à 1000 relève la dureté Brinell de 170 à 240 kg/mm.
Ici encore si les alliages additionnées d'aluminium sont soumis à une chauffe prolongée à l'état naturel de laminage ou de forgeage ou même de moulage , on note aussi
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une action du-roissante. On obtient par ce procédé des dure- tés Brinell élevées qui peuvent dépasser 230 kg/mm2 pour les ferroniokels additionnés d'aluminium et 300 kg/mm2 pour
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les ferronickels chromés additionnés d'aluminium.
Voici, par exemple les résultats obtenus avec un alliage renfermant:
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Nickel ....................... 30 Chrome ....................... 10% Manganèse bot ..... ? 10 Aluminium o.....,.;..., ...., 4% 9er ............... . " , "1.... ... la soraplô-.Mnt.
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tipy,;Ye Jl'bwlrotCe &±,.A. St&tÏc 1Jt"(,{té M<-6 MÂctM'T-'' 131'u m ETAT KIi1t fft, KcJ 1.."1.
Itt. 11.OLtI'-100 'IOLtH00 'k4jlt 11t.t-- "4' Il E R A S- A
EMI10.3
<tb> adouci <SEP> par <SEP> hypertrem-
<tb>
<tb> pe <SEP> à <SEP> 1100'' <SEP> 27-30 <SEP> 58-60 <SEP> 35-42 <SEP> 48-55 <SEP> 140-150 <SEP> 32-35
<tb>
EMI10.4
état brut'de laminffl 50-55 75-86 12-15 45-50 200-225 8-.12 bypeactxempê à 1200 et chauffé 19 h.a600<'. 32-34 70-76 35-40 55-58 175-190 Z4-27 bypertrempé à. 1000 et
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<tb> chauffé <SEP> 12 <SEP> h. <SEP> à <SEP> 6000 <SEP> 44-47 <SEP> 75-80 <SEP> 25-28 <SEP> 50-55 <SEP> 190-210 <SEP> 16-22
<tb>
<tb> brut <SEP> de <SEP> laminage <SEP> et
<tb> chauffé <SEP> 12 <SEP> h.
<SEP> à <SEP> 6000 <SEP> 47-55 <SEP> 95-105 <SEP> 15-17 <SEP> 40-45 <SEP> 250-290 <SEP> 5-8
<tb>
Dans certains cas, l'emploi du silicium qui appor- té des facilités de fabrication, peut remplacer totale- ment ou partiellement celui de l'aluminium. Voici, par ex- emple, les résultats obtenus avec un alliage contenant:
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Nickel 1 s .. s .... s ..... s W 30 Chrome ..................... Il% Manganèse .................. 3 Aluminium .................. 1 5/ Silicium ................... 1 /.
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<tb> Fer <SEP> ....................... <SEP> le <SEP> complément.
<tb>
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<tb>
ETAT <SEP> E <SEP> R <SEP> A <SEP> ### <SEP> # <SEP> #
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> adouci <SEP> par <SEP> hypertrempe
<tb> à <SEP> 1100 <SEP> 25-30 <SEP> 55-60 <SEP> 40-45 <SEP> 55-65 <SEP> 140-160 <SEP> 32-35
<tb>
<tb> état <SEP> brut <SEP> de <SEP> laminage <SEP> 47-53 <SEP> 77-80 <SEP> 18-22 <SEP> 50-55 <SEP> 200-210 <SEP> 8-12
<tb>
<tb> hypertrempé <SEP> à <SEP> 1100 <SEP> et
<tb> chauffé <SEP> 12h. <SEP> à <SEP> 600 <SEP> 40-45 <SEP> 73-77 <SEP> 35-40 <SEP> 55-60 <SEP> 190-200 <SEP> 25-30
<tb>
<tb> hypertrempé <SEP> à <SEP> 1000 <SEP> et
<tb> chauffé <SEP> 12h. <SEP> à <SEP> 600 <SEP> 45-48 <SEP> 80-85 <SEP> 28-33 <SEP> 50-55 <SEP> 205-220 <SEP> 17-23
<tb>
<tb> Brut <SEP> de <SEP> laminage <SEP> et
<tb> chauffé <SEP> 12 <SEP> h.
<SEP> à <SEP> 600 <SEP> 50-55 <SEP> 95-100 <SEP> 15-18 <SEP> 50-60 <SEP> 260-270 <SEP> 6-9
<tb>
La fabrication de tels alliages se fait sans diffi- cultés excessives de préférence au four électrique à hante fréquence. Elle est facilitée par l'introduction de l'alumin- ium sous forme d'alliage d'aluminium et de nickel (à 25% d'aluminium par exemple) sous une scorie pouvant renfermer de la silice, de la chaux, du spath-fluor et de la oryo- lithe.
L'addition éventuelle de cuivre, en présence d'alu- minium pourrait 'être faite sous forme d'alliage d'aluminium et de cuivre ( à 25% d'aluminium par exemple).
Dans certains cas, la chauffe de mise en solution de l'alliage comme celle assurant la précipitation pourra être effectuée avec d'autres modalités, par exemple non pas à une seule température, mais sans refroidissement intermé- diaire complet, à plusieurs températures échelonnées.
Par ailleurs, il peut arriver qu'une chauffe n'ayant pas été suffisante, on recommence ces opérations plusieurs fois, ou encore qu'on préfère les effectuer en plusieurs fois, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. La gra- dation des températures influe considérablement sur la struc- ture et le durcissement obtenus*
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Enfin, les chauffes assurant la précipitation pourront alterner avec des traitements mécaniques consistant en dé- formations du métal opérées par traction, compression, tré- filage, laminage, ou tout autre moyen, effectués soit à température ordinaire, soit à une température élevée, infé- rieure cependant à celle du dernier chauffage.
REVENDICATIONS.
1 - Un procédé de traitement thermique des pièces en alliages à 6 à 80% de nickel ( ou de nickel et cobalt) 0 à 40 % de chrome, 0,3 à 4 % de manganèse, 0 à 10/o de tungstène, 0 à 10% de molybdène, 0 à 2% de vanadium, 0 à 0,5% de titane, 0 à 3% de silicium, le complément étant du fer et les proportions étant telles que le fer existe à l'état 11 , txaitement ayant pour effet d'accroître leur limite élastique et leur charge de rupture, caracté- risé par: a) un adoucissement par trempe entre 800 et 1200 , puis: b) un chauffage d'une durée de 2 à 200 heures en- tre 400 et 900 suivant la structure du métal et le dur- cissement à obtenir.
2 - Une variante d'exécution dudit procédé, carac- térisé par l'utilisation du même chauffage entre 400 et 900 , mais en l'appliquant à des pièces à l' état naturel de laminage et de forgeage ou même de moulage sans trempe préliminaire d'adoucissement.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.