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" Perfectionnements aux alliages de fer et de chrome "
La présente invention se rapporte aux alliages de fer contenant des quantités considérables de chrome en même temps que d'autres constituants mentionnés plus loin.
Un des procédés pour augmenter la dureté du fer généralement adopté consiste dans la production d'une solution de carbone sous la forme de carbures dans le fer,
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Le produit résultant est connu sous le nom d'acier et, d'une façon générale, le degré de dureté auquel on peut amener l'acier dépend de sa teneur en carbone.
Si l'on désire durcir un acier d'une teneur dé- terminée en carbone, on chauffe, dans la pratique, le métal au-dessus de son point critique et on le refroi- dit ensuite rapidement; si on recherche la production d'un métal doux, on chauffe le métal à une température légèrement inférieure au point critique et on lui permet alors de se refroidir lentement. Lorsqu'on désire une dureté intermédiaire on trempe généralement d'une façon complète l'acier et on le laisse ensuite revenir ou devenir plus doux au degré voulu en le chauffant à une température inférieure au point critique pendant un temps approprié, temps qui est moins long que celui né- cessaire pour l'amener à l'état complètement doux.
Lors- qu'on ramène ainsi le métal à l'état doux, le facteur temps est contrôlé de manière que le carbure se préci- pite dans un état qui engendre les propriétés requises.
En général, lorsqu'on ajoute du chrome au fer contenant du carbone à l'état de carbure, l'effet, en ce qui concerne la dureté conférée est considérablement augmenté pour une teneur déterminée en carbone. Le chrome ajouté se combine avec une partie du carbone pré- sent pour former @@@ un carbure d'une grande dureté et la présence de ce constituant provoque la formation d'un acier particulièrement dur. En outre, alors que 0,90 % de carbone est nécessaire pour réaliser la composition eutectoide dans un acier ordinaire au carbone, on réalise la composition eutectoide avec 0,30 % de carbone seule- ment lorsqu'on additionne 12 % de chrome.
Le carbone a par Conséquent une influence considérablement plus grande
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pour la production de la dureté de l'acier contenant du chrome et on a tiré avantage de cet effet pour la production des aciers de coutellerie.
En raison du fait que le chrome confère une grande résistance de l'acier à la corrosion, l'utilisation du chrome est avantageuse dans les aciers destinés à d'autres usages que la coutellerie. Dans un grand nombre de ces au- tres applications, une grande dureté est un inconvénient plutôt qu'un avantage. Pour obtenir des aciers au chrome plus doux, il est d'usage d'abaisser la teneur en carbone malgré l''accroissement considérable de dépense qu'implique cette opération. On a constaté que ce procédé était tellement avantageux que l'on a fabriqué des tonnages importants d'a- ; cier pour des applications industrielles contenant par exem- ple de 12 à 18 % de chrome avec une teneur en carbone égale ou inférieure à 0,15 % et, dans la plupart des cas, égale ou inférieure à 0,10 %.
L'abaissement de la teneur en car- bone de ces aciers au chrome non seulement les rend plus aptes au travail à chaud pour la production de barres, de plaques, de feuilles, de bandes, etc... mais il augmente en outre la résistance à la corrosion.
Toutefois, même les aciers au chrome d'une teneur en @@ carbone aussi faible que 0,10 % possèdent une aptitude appréciable à la trempe lorsque le chrome est présent'en quantités comprises entre quelques unités % et environ 16 % 7nent et ils devient plus doux très lentement lorsqu'on les recuit de manière qu'il soit nécessaire de les maintenir au moins pendant plusieurs heures à la température de recuit pour les détremper. Lorsque la teneur en chrome de l'acierà faible teneur en carbone dépasse 16 % environ, on ne produit aucune augmentation ni aucune diminution considérables de la. dureté par le traitement thermique.
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La présente invention est fondée sur la décou- verte d'un procédé et de moyens susceptibles de produire des alliages ferreux contenant du carbone, alliages qui ne peuvent pas être trempés d'une façon appréciable par le traitement thermique.
L'invention se rapporte plus particulièrement à des alliages contenant du fer et du chrome, alliages dans lesquels sensiblement tout le chrome est sous la tonne d'une solution rigoureusement solide de chrome dans de la ferrite. Comme corollaire, ledit alliage ne con- tient sensiblement pas de fer austénitique ou de fer gamma. L'alliage objet de l'invention contient du fer, du chrome, du titane et du carbone, la teneur en chrome étant de 2 à 30 % environ, la teneur en carbone égale 7et ou inférieure à 0,50 % environ le rapport du titane au carbone de 2 à 1 au moins; cet alliage est caractérisé par le fait qu'il se trempe sensiblement moins par le refroidissement à partir d'une température élevée que les alliages similaires ne contenant pas de titane.
De pré- férence, le rapport du titane au carbone dans l'alliage perfectionné objet de l'invention est de 4 à 1 au moins.
On peut produire de cette façon des alliages qui, de par leur nature, sont relativement doux et qui ne se trem- pent que d'une façon presque négligeable par un traite- ment thermique. Sur le tableau I, on a indiqué l'effet produit par cet élément sur les aciers au chrome con- tenant de 5 à 27 % environ de chrome.
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TABLEAU I
EMI5.1
A. - METAL A L'ETAT IA1iCl]!E ---------------------
EMI5.2
<tb> limite <SEP> tension <SEP> allonge- <SEP> Réduc- <SEP> Valeur <SEP> Dureté
<tb>
EMI5.3
% Or O C % Ti élastique ma.:x:1mum ment pour tien de sec- ERICH: :Ek'1mll ks -par cm2 - 5 cm<%tion%
EMI5.4
<tb> 5,44 <SEP> 0,10 <SEP> - <SEP> 10.300 <SEP> 120700 <SEP> 5 <SEP> 12 <SEP> 5,0 <SEP> 375
<tb> 5,44 <SEP> 0,11 <SEP> 0,78 <SEP> 5.900 <SEP> 7.050 <SEP> 18 <SEP> 68 <SEP> 6,5 <SEP> 163
<tb>
<tb> 12,62 <SEP> 0,12 <SEP> - <SEP> 10.
<SEP> 500 <SEP> 14.500 <SEP> 3 <SEP> 8 <SEP> 5,0 <SEP> 387
<tb>
EMI5.5
12,SS 0,14 0,72 2.5b0 4.4b0 27 72 7,0 126
EMI5.6
<tb> 18,29 <SEP> 0,08 <SEP> 4.000 <SEP> 6.500 <SEP> 6 <SEP> 14 <SEP> 5,0 <SEP> 170
<tb>
EMI5.7
18,65 0,14 oye78 z.440 5 0020 31 69 7, 0 151
EMI5.8
<tb> 22,50 <SEP> 0,15 <SEP> - <SEP> 4.280 <SEP> 6.640 <SEP> 7 <SEP> 11 <SEP> 5,5 <SEP> 170
<tb>
<tb> 22,25 <SEP> 0,17 <SEP> 1,40 <SEP> 5.650 <SEP> 5.550 <SEP> 31 <SEP> 62 <SEP> 6,5 <SEP> 153
<tb>
EMI5.9
26,28 0,14 ;- 4 D' 'r50 6250 9 11 6,5 187 26,90 0,18 1,20 4.640 6.070 29 64 7,5 163 B. - METAL CEËDEBE A :
725-7'15 PENDANT 'é. rLyV.üt9A? -.ET EEERBXE!!! A Loir
EMI5.10
<tb> 5,44 <SEP> 0,10 <SEP> - <SEP> 5.200 <SEP> 6.500 <SEP> 26 <SEP> 74 <SEP> 7,90 <SEP> 159
<tb> 5,44 <SEP> 0,11 <SEP> 0,78 <SEP> 1.970 <SEP> 4.280 <SEP> 37 <SEP> 78 <SEP> 9,75 <SEP> 101
<tb>
<tb> 12,62 <SEP> 0,12 <SEP> - <SEP> 5.650 <SEP> 5.620 <SEP> 30 <SEP> 73 <SEP> 7,50 <SEP> 149
<tb> 12,32 <SEP> 0,14 <SEP> 0,72 <SEP> 2. <SEP> 800 <SEP> 4.450 <SEP> 28 <SEP> 70 <SEP> 7,50 <SEP> 116
<tb>
EMI5.11
18,29 0,08 - 51580 5-*830 25 55 7,00 145 18,65 0,14 0,78 S.510 5.S40 29 66 8,00 134 C.
- METAL OH&nEEE A 850-900 PENDUT 12 EWZOES ET
EMI5.12
<tb> TRENPE <SEP> A <SEP> L'EAU
<tb>
<tb> 22,50 <SEP> 0,15 <SEP> - <SEP> 3.410 <SEP> 5.800 <SEP> 26 <SEP> 50 <SEP> 7,50 <SEP> 156
<tb> 22,25 <SEP> 0,17 <SEP> 1,40 <SEP> 3.300 <SEP> 5.130 <SEP> 29 <SEP> 61 <SEP> 8,50 <SEP> 137
<tb>
<tb> 26,28 <SEP> 0,14 <SEP> - <SEP> 3.940 <SEP> 5.830 <SEP> 26 <SEP> 51 <SEP> 8,00 <SEP> 159
<tb> 26,90 <SEP> 0,18 <SEP> 1,20 <SEP> 4.000 <SEP> 5.830 <SEP> 26 <SEP> 56 <SEP> 8, <SEP> 80 <SEP> 137
<tb>
EMI5.13
D, - Jli1ETAL CHKVfi3X A 950-1000 PENI1.
CINQ MINUTES
EMI5.14
<tb> ET <SEP> REFROIDI <SEP> A. <SEP> L'AIR
<tb>
EMI5.15
5,44 0,10 100500 zoo 2 6 4,00 64 5,44 0,11 0,78 2.040 4X50 44 79 9,50 116 12,62 0,12 " 8 , 220 100500 4 6 S,50 S08 l2,t52 0,14 0,72 20530 4.500 30 56 7,00 116
EMI5.16
<tb> 18,9 <SEP> 0,08 <SEP> - <SEP> 4.150 <SEP> 6.860 <SEP> 9 <SEP> 18 <SEP> 3,00 <SEP> 160
<tb> 18,65 <SEP> 0,14 <SEP> 0,78 <SEP> 3.230 <SEP> 5*000 <SEP> 29 <SEP> 62 <SEP> 9,00 <SEP> 118
<tb>
<tb> 22,50 <SEP> 0,15 <SEP> - <SEP> 3.440 <SEP> 5.880 <SEP> 14 <SEP> 44 <SEP> 5,00 <SEP> 156
<tb> 2&,25 <SEP> 0,17 <SEP> 1,40 <SEP> 3.370 <SEP> 5.260 <SEP> 26 <SEP> 56 <SEP> 9,60 <SEP> 137
<tb>
<tb> 26,28 <SEP> 0,14 <SEP> - <SEP> 4.000 <SEP> 4.640 <SEP> 5 <SEP> 5,5 <SEP> 5,00 <SEP> 149
<tb> 26,90 <SEP> 0,18 <SEP> 1,20 <SEP> 3..380 <SEP> 5.840 <SEP> 28 <SEP> 58 <SEP> 7,
00 <SEP> 143
<tb>
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La partie A du tableau montre que les aciers au chrome ordinaire tels qu'ils sortent du laminoir et con- tenant environ 5 %, 12 %, 18 %, 22 % et 27 % de chrome avec 0,10 % à 0,15 % de carbone ont une très faible ductilité et que les aciers contenant 5 le, et 12 % de chrome sont aussi très durs dans cet état. L'addition du titane à ces aciers augmente dans chacun des cas, d'une manière considérable, la ductilité du métal la- miné. Les aciers à 5 et 12 % de chrome sont aussi for- tement adoucis par l'addition du @ titane.
Les parties B et C du tableau I indiquent les propriétés des aciers à teneur basse et à teneur élevée en chrome respectivement lorsqu'on les soumet à un recuit approprié. On remarquera que bien que le recuit diminue considérablement la dureté des aciers au chrome ordinaire et augmente leur ductilité, il a pour effet des modifications relativement faibles dans la dureté des alliages contenant du titane. la modification de la résistance et de la ductilité provoquéé par le recuit des alliages au titane semble résulter presque entière- ment du fait qu'il supprime les tensions internes du métal forgé plutôt que d'une modification de la distri- bution des constituants entre les différentes phases ou d'une modification du nombre des phases présentes.
L'examen microscopique confirme cette observation.
Le fait que le refroidissement à l'eau des alliages au titane à partir de 900 à 1000 n'a pas pour effet de rendre ces métaux plus durs ressort d'une façon frappante de la partie D du tableau. Alors que les aciers au chrome ordinaire sont rendus plus durs ou moins ductiles suivant la teneur en chrome, ledit traitement thermique appliqué aux aciers contenant du
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titane produit un métal doux et ductile. Les aciers chromés contenant du titane ont été refroidis rapidement à partir de 1100 sans augmentation de la dureté du métal.
Les aciers objet de l'invention peuvent être recuits en vue de la suppression des tensions internes produites par l'usinage aux températures où se durcis- sent les aciers au chrome ordinaires. Ceci est important au point de vue des applications industrielles parce que les aciers auxquels on a ajouté la quantité convenable de titane peuvent être recuits en quelques minutes à des températures relativement élevées tandis que les aciers chromés ne renfermant pas de titane exigent un recuit à des températures plus basses et d'une durée de plu- 7au sieurs heures @ moins pour qui, ils deviennent plus douxo Il semble en outre inutile de maintenir un maximum de 0,10 % de carbone parce que, si les quantités de titane appropriées sont présentes,
on peut obtenir des aciers aussi doux avec une quantité un peu plus élevée de car- bone.
On a constaté en outre que si le carbone pré- sent dans les aciers à forte teneur en chrome est combiné avec le titane, la résistance desdits aciers aux agents oxydants est favorisée. Dans certaines conditions un acier contenant environ 5 % de chrome et 0,10 % de car- bone subira une perte de 0,20 gr par cm2 par heure dans l'acide azotique tandis qu'un acier similaire auquel on a ajouté du titanium perd moins d'un quart de cette quan- tité dans les mêmes conditions d'expérience. On constate de résistance une amélioration plus ou moins similaire à l'action de l'acide azotique des aciers auxquels on a ajouté du titane et contenant environ 7,5 à 9 % de chrome respec- tivement.
On voit par conséquent que l'addition du titane
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aux aciers semble laisser pratiquement tout le chrome pré- sent à l'état de solution solide qui confère la résistance à la corrosion. On ne dépend pas de l'effet de l'alliage du titanium avec la solution solide de chrome et de fer la modification pour des constantes physiques de 1 alliage.
En effet, on a constaté que si l'on ajoute un excès considérable de titane en comparaison de celui qui est né- cessaire pour la combinaison avec le carbone ou si une quantité relativement grande de carbure de titane est pré- sente, les aciers résultant sont rendus plus durs et moins ductiles que ceux dans lesquels on a évité ces excès.
Toutefois, un excès notable de titane peut, dans certains cas, être présent sans qu'il supprime la grande ductilité et le caractère doux du métal et sans modifier d'une façon appréciable d'une autre manière les propriétés de l'alliage.
De préférence, on maintient le rapport du titane au carbone vers 4 à 1 au moins pour obtenir un métal aussi doux que possible. Le rapport du titane .au carbone peut être augmen- té sans que l'efficacité de la présente invention en soit affectée mais l'excès de titane en comparaison de celui qui est nécessaire pour atteindre le rapport de 4 à 1 ne doit, de toute façon, pas excéder 1,5 % et de préférence 1 % du poids total de l'alliage.
Pour assurer la production des aciers très doux objets de l'invention, la teneur en carbone ne doit pas dépasser 0,5 % environ et de préférence, dans le cas des aciers contenant jusqu'à 16 % de chrome, la te- neur en carbone ne doit pas dépasser 0,2 % environ tandis que, dans les aciers contenant environ de 16 à 30 % de chrome, la teneur en carbone ne doit pas dépasser environ 0,3 %.
Les nombres donnés dans le tableau II montrent les effets de différents rapports du titane au carbone en ce qui concerne un acier chromé pris à titre d'exemple
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et lesdits renseignements montrent que, lorsque l'acier contient trop de titanium, ledit acier tend à se durcir lorsqu'on le recuit à des températures qui, normalement, rendent plus doux les aciers au chrome ordinaires* TABLEAU II
EMI9.1
Ao - ilàTàL à L'à2àT LUMÀ kg par cm2
EMI9.2
<tb> limite <SEP> tension <SEP> allonge- <SEP> Réduc- <SEP> Valeur <SEP> Dureté
<tb>
EMI9.3
%Cr %0 xi élastique maximum mt pac n âe sc- Er3cth Brinell 5 am.%tion $ 12,,62 0,12 " 1000500 12*900 3 8 5,0 S87 .z2,ss 0,12 0,30 10*950 1200 7 16 5,0 321 12,32 0,14.
0,72 2<5SO 4.450 27 72 70 126 12, 6$ 0, ol 0,5a 2..670 40420 28 6S 7,0 126
EMI9.4
<tb> 13,00 <SEP> 0,10 <SEP> 2,25 <SEP> 4.420 <SEP> 7.240 <SEP> 22 <SEP> 40 <SEP> 5,5 <SEP> 170
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13,79 <SEP> 0,04- <SEP> 8.910 <SEP> 10.700 <SEP> 6 <SEP> 13 <SEP> 5,5 <SEP> 170
<tb>
EMI9.5
B,.- METAL CBMEBE A 725-775 FENDANT 4 HEURES ET BEFBOIDI A L'AIR 12,6& 0,12 - 3.650 8<t610 30 75 7,5 149 la,63 0912 0,30 56690 7000 22 65 7,55 166 12., i2 0,14 0,72 2.740 400430 28 70 7,5 121 12.68 0, 06 0,!% 2.245 4*150 34 68 8,5 14
EMI9.6
<tb> 13,00 <SEP> 0,10 <SEP> 2,25 <SEP> 3.650 <SEP> 8.000 <SEP> 12 <SEP> 12 <SEP> 5,9 <SEP> 202
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13,79 <SEP> 0,04 <SEP> 2.810 <SEP> 5.020 <SEP> 28 <SEP> 70 <SEP> 7,9 <SEP> 134
<tb>
A mesure que la teneur en chrome augmente au-delà de 12 % dans des aciers à faible teneur en carbone,
la tendance des aciers à devenir plus dursdiminue comme on le voit dans le tableau précédent. Lorsque la teneur en chrome dépasse 16 % environ, les aciers ne peuvent pas être rendus notablement plus durs par un traitement thermique et, après usinage, ils doivent être recuits de façon qu'ils redeviennent ductiles. Si la teneur en chrome augmente encore, à 20 % et davantage, cette tendance de l'acier à devenir plus dur diminue encore mais, d'autre part, il est nécessaire de recuire l'acier pour lui confé- rer la ductilité. Tous ces aciers sont rendus doux et ductiles comme l'acier laminé, grâce à la présence du
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titane et des additions de cet élément peuvent améliorer l'acier contenant jusqu'à 30 % de chrome.
La ductilité du métal laminé contenant du titane peut être évidemment le recuit lequel
EMI10.1
accrue encore par IsiooscndBiSon#aqtmiB a pour effet de supprimer les tensions internes provoquées dans le métal par l'usinage.
Les recherches de la demanderesse ont porté éga- lement sur l'addition d'autres éléments tels que par exem- ple l'uranium, le molybdène et le tungstène. Les résultats montrent que lorsque des quantités appréciables de ces éléments sont présentes, les aciers sont encore relative- ment durs à l'état laminé ce qui montre que tous les élé- ments qui forment des carbures résistants ne sont pas des équivalents du titanium à ce point de vue. Ceci ressort du tableau III.
TABLEAU III -----------
EMI10.2
<tb> Limite <SEP> Tension <SEP> Allong. <SEP> Réduct <SEP> Valeur <SEP> Dure-
<tb>
EMI10.3
%Gr ' C3 % U % il %],[0 élast. maxim. pr 5 cm de sec- ERICH té kg :par cm2 % t ion BRI- ---------------------------------------.-------.jj
EMI10.4
<tb> 13,48 <SEP> 0,18 <SEP> 0,72 <SEP> - <SEP> - <SEP> On <SEP> n'a <SEP> pas <SEP> pu <SEP> réaliser <SEP> une <SEP> 4,00 <SEP> 430
<tb>
<tb>
<tb> éprouvette <SEP> pour <SEP> la <SEP> résistance
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> parce <SEP> que <SEP> le
<tb>
<tb>
<tb> métal <SEP> laminé <SEP> ne <SEP> pouvait <SEP> être
<tb>
<tb>
<tb> usiné.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
13,62 <SEP> 0,07 <SEP> 0,89 <SEP> - <SEP> 8.280 <SEP> 10.100 <SEP> 4 <SEP> 6 <SEP> 6,00 <SEP> 269
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 15,57 <SEP> 0,05 <SEP> - <SEP> 2,57 <SEP> - <SEP> 5.120 <SEP> 7.120 <SEP> 3 <SEP> 7 <SEP> 6,00 <SEP> 196
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 12,78 <SEP> 0,14 <SEP> - <SEP> - <SEP> 1,64 <SEP> néant <SEP> 10.400 <SEP> néant <SEP> néant <SEP> 4,80 <SEP> 418
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13,62 <SEP> 0,10 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 10.450 <SEP> 12.950 <SEP> 3 <SEP> 8 <SEP> 5,00 <SEP> 418
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 15,79 <SEP> 0, <SEP> 04 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 8.900 <SEP> 10 <SEP> .650 <SEP> 6 <SEP> 13 <SEP> 5,00 <SEP> 170
<tb>
Il y a des cas dans lesquels il convient de laisser une partie du carbone en combinaison avec le fer et le chrome.
Il n'est pas désirable dans toutes les conditions d'avoir le métal le plus doux et un acier à teneur élevée en chrome contenant de 0,20 à 0,50 % de carbone peut être
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très utile si la moitié du carbone par exemple est combinée avec le titane c'est-à-dire si le rapport du titane au charbon est d'environ 2 à 1. Dans ce cas, cet acier serait aussi doux qu'un acier ne renfermant pas de titane et contenant environ 0,10 à 0,25 % de carbone; ce procédé pourrait être appliqué aussi économiquement pour la refonte de déchets d'acier à forte teneur de chrome, le métal ayant une tendance marquée au cours de cette opération à absorber du carbone.
Généralement il n'est pas désirable de dépasser les teneurs de 1 % en manganèse, 1 % en silicium ou un total d'environ 1 % des autres métaux et métalloïdes dans les alliages objets de l'invention, lorsqu'on désire obte- nir des alliages très doux et très ductiles.
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"Improvements to iron and chromium alloys"
The present invention relates to iron alloys containing considerable amounts of chromium along with other constituents mentioned below.
One of the generally adopted methods for increasing the hardness of iron is the production of a solution of carbon in the form of carbides in iron,
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The resulting product is known as steel, and generally the degree of hardness to which the steel can be brought depends on its carbon content.
If it is desired to harden a steel with a defined carbon content, in practice the metal is heated above its critical point and then cooled rapidly; if the production of a soft metal is sought, the metal is heated to a temperature slightly below the critical point and then allowed to cool slowly. When an intermediate hardness is desired, the steel is generally quenched completely and then allowed to return or become softer to the desired degree by heating it to a temperature below the critical point for an appropriate time, which time is less. longer than necessary to bring it to a completely soft state.
In returning the metal to the soft state in this way, the time factor is controlled so that the carbide precipitates in a state which produces the required properties.
In general, when chromium is added to iron containing carbon in the carbide state, the effect in terms of imparted hardness is considerably increased for a given carbon content. The added chromium combines with some of the carbon present to form a very hard carbide and the presence of this component causes the formation of a particularly hard steel. Further, while 0.90% carbon is required to make the eutectoid composition in ordinary carbon steel, the eutectoid composition is made with 0.30% carbon only when 12% chromium is added.
Carbon therefore has a considerably greater influence
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for the production of the hardness of chromium-containing steel and this effect has been taken advantage of for the production of cutlery steels.
Due to the fact that chromium gives steel a high resistance to corrosion, the use of chromium is advantageous in steels intended for uses other than cutlery. In many of these other applications, high hardness is a disadvantage rather than an advantage. To obtain softer chromium steels, it is customary to lower the carbon content despite the considerable increase in expense involved in this operation. It has been found that this process is so advantageous that large tonnages of a-; Steel for industrial applications containing for example 12 to 18% chromium with a carbon content equal to or less than 0.15% and, in most cases, equal to or less than 0.10%.
The lowering of the carbon content of these chromium steels not only makes them more suitable for hot work for the production of bars, plates, sheets, strips, etc., but it also increases the corrosion resistance.
However, even chromium steels with a carbon content as low as 0.10% possess appreciable quenchability when chromium is present in amounts from a few% to about 16% units and become. softer very slowly when annealed so that it is necessary to maintain them at least for several hours at the annealing temperature to soak them. When the chromium content of the low carbon steel exceeds about 16%, no significant increase or decrease in the. hardness by heat treatment.
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The present invention is based on the discovery of a process and means capable of producing ferrous alloys containing carbon which alloys cannot be quenched appreciably by the heat treatment.
The invention relates more particularly to alloys containing iron and chromium, alloys in which substantially all of the chromium is in the ton of a rigorously solid solution of chromium in ferrite. As a corollary, said alloy contains substantially no austenitic iron or gamma iron. The alloy which is the subject of the invention contains iron, chromium, titanium and carbon, the chromium content being from 2 to 30% approximately, the carbon content equal to 7 and or less than about 0.50% the ratio of at least 2 to 1 carbon titanium; this alloy is characterized by the fact that it hardens significantly less on cooling from a high temperature than similar alloys not containing titanium.
Preferably, the ratio of titanium to carbon in the improved alloy which is the subject of the invention is at least 4 to 1.
Alloys can be produced in this way which by their nature are relatively soft and which only temper almost negligibly by heat treatment. Table I shows the effect produced by this element on chromium steels containing about 5 to 27% chromium.
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TABLE I
EMI5.1
A. - METAL IN THE STATE IA1iCl]! E ---------------------
EMI5.2
<tb> limit <SEP> tension <SEP> extension- <SEP> Reduction- <SEP> Value <SEP> Hardness
<tb>
EMI5.3
% Or O C% Ti elastic ma.:x:1mum ment pour tien de sec- ERICH:: Ek'1mll ks -per cm2 - 5 cm <% tion%
EMI5.4
<tb> 5.44 <SEP> 0.10 <SEP> - <SEP> 10.300 <SEP> 120700 <SEP> 5 <SEP> 12 <SEP> 5.0 <SEP> 375
<tb> 5.44 <SEP> 0.11 <SEP> 0.78 <SEP> 5.900 <SEP> 7.050 <SEP> 18 <SEP> 68 <SEP> 6.5 <SEP> 163
<tb>
<tb> 12.62 <SEP> 0.12 <SEP> - <SEP> 10.
<SEP> 500 <SEP> 14.500 <SEP> 3 <SEP> 8 <SEP> 5.0 <SEP> 387
<tb>
EMI5.5
12, SS 0.14 0.72 2.5b0 4.4b0 27 72 7.0 126
EMI5.6
<tb> 18.29 <SEP> 0.08 <SEP> 4.000 <SEP> 6.500 <SEP> 6 <SEP> 14 <SEP> 5.0 <SEP> 170
<tb>
EMI5.7
18.65 0.14 oye78 z. 440 5 0020 31 69 7, 0 151
EMI5.8
<tb> 22.50 <SEP> 0.15 <SEP> - <SEP> 4.280 <SEP> 6.640 <SEP> 7 <SEP> 11 <SEP> 5.5 <SEP> 170
<tb>
<tb> 22.25 <SEP> 0.17 <SEP> 1.40 <SEP> 5.650 <SEP> 5.550 <SEP> 31 <SEP> 62 <SEP> 6.5 <SEP> 153
<tb>
EMI5.9
26.28 0.14; - 4 D '' r50 6250 9 11 6.5 187 26.90 0.18 1.20 4.640 6.070 29 64 7.5 163 B. - METAL CEËDEBE A:
725-7'15 DURING 'é. rLyV.üt9A? -.ET EEERBXE !!! In Loir
EMI5.10
<tb> 5.44 <SEP> 0.10 <SEP> - <SEP> 5.200 <SEP> 6.500 <SEP> 26 <SEP> 74 <SEP> 7.90 <SEP> 159
<tb> 5.44 <SEP> 0.11 <SEP> 0.78 <SEP> 1.970 <SEP> 4.280 <SEP> 37 <SEP> 78 <SEP> 9.75 <SEP> 101
<tb>
<tb> 12.62 <SEP> 0.12 <SEP> - <SEP> 5.650 <SEP> 5.620 <SEP> 30 <SEP> 73 <SEP> 7.50 <SEP> 149
<tb> 12.32 <SEP> 0.14 <SEP> 0.72 <SEP> 2. <SEP> 800 <SEP> 4.450 <SEP> 28 <SEP> 70 <SEP> 7.50 <SEP> 116
<tb>
EMI5.11
18.29 0.08 - 51580 5- * 830 25 55 7.00 145 18.65 0.14 0.78 S. 510 5.S40 29 66 8.00 134 C.
- METAL OH & nEEE A 850-900 PENDUT 12 EWZOES ET
EMI5.12
<tb> TRENPE <SEP> A <SEP> WATER
<tb>
<tb> 22.50 <SEP> 0.15 <SEP> - <SEP> 3.410 <SEP> 5.800 <SEP> 26 <SEP> 50 <SEP> 7.50 <SEP> 156
<tb> 22.25 <SEP> 0.17 <SEP> 1.40 <SEP> 3.300 <SEP> 5.130 <SEP> 29 <SEP> 61 <SEP> 8.50 <SEP> 137
<tb>
<tb> 26.28 <SEP> 0.14 <SEP> - <SEP> 3.940 <SEP> 5.830 <SEP> 26 <SEP> 51 <SEP> 8.00 <SEP> 159
<tb> 26.90 <SEP> 0.18 <SEP> 1.20 <SEP> 4.000 <SEP> 5.830 <SEP> 26 <SEP> 56 <SEP> 8, <SEP> 80 <SEP> 137
<tb>
EMI5.13
D, - Jli1ETAL CHKVfi3X A 950-1000 PENI1.
FIVE MINUTES
EMI5.14
<tb> AND <SEP> COOLED <SEP> A. <SEP> AIR
<tb>
EMI5.15
5.44 0.10 100 500 zoo 2 6 4.00 64 5.44 0.11 0.78 2.040 4X50 44 79 9.50 116 12.62 0.12 "8, 220 100 500 4 6 S, 50 S08 l2, t52 0.14 0.72 20 530 4.500 30 56 7.00 116
EMI5.16
<tb> 18.9 <SEP> 0.08 <SEP> - <SEP> 4.150 <SEP> 6.860 <SEP> 9 <SEP> 18 <SEP> 3.00 <SEP> 160
<tb> 18.65 <SEP> 0.14 <SEP> 0.78 <SEP> 3.230 <SEP> 5 * 000 <SEP> 29 <SEP> 62 <SEP> 9.00 <SEP> 118
<tb>
<tb> 22.50 <SEP> 0.15 <SEP> - <SEP> 3.440 <SEP> 5.880 <SEP> 14 <SEP> 44 <SEP> 5.00 <SEP> 156
<tb> 2 &, 25 <SEP> 0.17 <SEP> 1.40 <SEP> 3.370 <SEP> 5.260 <SEP> 26 <SEP> 56 <SEP> 9.60 <SEP> 137
<tb>
<tb> 26.28 <SEP> 0.14 <SEP> - <SEP> 4.000 <SEP> 4.640 <SEP> 5 <SEP> 5.5 <SEP> 5.00 <SEP> 149
<tb> 26.90 <SEP> 0.18 <SEP> 1.20 <SEP> 3..380 <SEP> 5.840 <SEP> 28 <SEP> 58 <SEP> 7,
00 <SEP> 143
<tb>
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Part A of the table shows that ordinary chromium steels as they come out of the rolling mill and containing about 5%, 12%, 18%, 22% and 27% of chromium with 0.10% to 0.15% of carbon have very low ductility and that steels containing 5 le and 12% chromium are also very hard in this state. The addition of titanium to these steels in each case considerably increases the ductility of the rolled metal. Steels with 5 and 12% chromium are also strongly softened by the addition of titanium.
Parts B and C of Table I show the properties of low and high chromium steels respectively when subjected to appropriate annealing. It will be appreciated that although annealing greatly decreases the hardness of ordinary chromium steels and increases their ductility, it results in relatively small changes in the hardness of titanium-containing alloys. the change in strength and ductility caused by annealing titanium alloys appears to result almost entirely from removing internal stresses from the forged metal rather than from changing the distribution of constituents between them. different phases or a change in the number of phases present.
Microscopic examination confirms this observation.
The fact that water cooling of titanium alloys from 900 to 1000 does not have the effect of making these metals harder is strikingly apparent from part D of the table. While ordinary chromium steels are made harder or less ductile depending on the chromium content, said heat treatment applied to steels containing
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titanium produces a soft, ductile metal. Chrome steels containing titanium were cooled rapidly from 1100 without increasing the hardness of the metal.
The steels which are the subject of the invention can be annealed with a view to eliminating internal stresses produced by machining at the temperatures at which ordinary chromium steels harden. This is important from the point of view of industrial applications because steels to which the proper amount of titanium has been added can be annealed in a few minutes at relatively high temperatures while chrome steels not containing titanium require annealing at temperatures. lower and lasting more than 7 hours @ less for which, they become softer It also seems unnecessary to maintain a maximum of 0.10% carbon because, if the appropriate amounts of titanium are present,
such mild steels can be obtained with a slightly higher quantity of carbon.
It has also been found that if the carbon present in steels with a high chromium content is combined with titanium, the resistance of said steels to oxidizing agents is promoted. Under certain conditions a steel containing about 5% chromium and 0.10% carbon will experience a loss of 0.20 gr per cm2 per hour in nitrogen acid while a similar steel to which titanium has been added loses. less than a quarter of this quantity under the same conditions of experience. There is an improvement in strength more or less similar to the action of nitrogen acid in steels to which titanium has been added and containing about 7.5 to 9% chromium, respectively.
It can therefore be seen that the addition of titanium
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to steels seems to leave virtually all of the chromium present in a solid solution state which provides corrosion resistance. The effect of the alloying of titanium with the solid solution of chromium and iron does not depend on the effect of the modification for the physical constants of the alloy.
In fact, it has been found that if a considerable excess of titanium is added compared to that required for the combination with carbon or if a relatively large amount of titanium carbide is present, the resulting steels are made harder and less ductile than those in which these excesses have been avoided.
However, a substantial excess of titanium may in some cases be present without removing the high ductility and softness of the metal and without otherwise significantly altering the properties of the alloy.
Preferably, the ratio of titanium to carbon is maintained around 4 to 1 at least in order to obtain a metal as soft as possible. The ratio of titanium to carbon can be increased without affecting the effectiveness of the present invention, but the excess of titanium over that required to achieve the 4 to 1 ratio should not, however, be affected. way, not to exceed 1.5% and preferably 1% of the total weight of the alloy.
To ensure the production of the very soft steels which are the subject of the invention, the carbon content should not exceed approximately 0.5% and preferably, in the case of steels containing up to 16% chromium, the carbon content. carbon should not exceed approximately 0.2%, while in steels containing approximately 16-30% chromium the carbon content should not exceed approximately 0.3%.
The numbers given in Table II show the effects of different titanium to carbon ratios with respect to an exemplary chrome steel.
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and said information shows that when the steel contains too much titanium, said steel tends to harden when annealed at temperatures which normally make ordinary chromium steels softer * TABLE II
EMI9.1
Ao - ilàTàL à L'à2àT LUMÀ kg per cm2
EMI9.2
<tb> limit <SEP> tension <SEP> extension- <SEP> Reduction- <SEP> Value <SEP> Hardness
<tb>
EMI9.3
% Cr% 0 xi maximum elastic mt pac n âe sc- Er3cth Brinell 5 am.% Tion $ 12,, 62 0.12 "1000 500 12 * 900 3 8 5.0 S87 .z2, ss 0.12 0.30 10 * 950 1200 7 16 5.0 321 12.32 0.14.
0.72 2 <5SO 4.450 27 72 70 126 12.6 $ 0.0 ol 0.5a 2..670 40 420 28 6S 7.0 126
EMI9.4
<tb> 13.00 <SEP> 0.10 <SEP> 2.25 <SEP> 4.420 <SEP> 7.240 <SEP> 22 <SEP> 40 <SEP> 5.5 <SEP> 170
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13.79 <SEP> 0.04- <SEP> 8.910 <SEP> 10.700 <SEP> 6 <SEP> 13 <SEP> 5.5 <SEP> 170
<tb>
EMI9.5
B, .- METAL CBMEBE A 725-775 FENDANT 4 HOURS AND AIR BEFBOIDI 12.6 & 0.12 - 3.650 8 <t610 30 75 7.5 149 la, 63 0912 0.30 56690 7000 22 65 7.55 166 12., i2 0.14 0.72 2.740 400 430 28 70 7.5 121 12.68 0.06 0,!% 2.245 4 * 150 34 68 8.5 14
EMI9.6
<tb> 13.00 <SEP> 0.10 <SEP> 2.25 <SEP> 3.650 <SEP> 8.000 <SEP> 12 <SEP> 12 <SEP> 5.9 <SEP> 202
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13.79 <SEP> 0.04 <SEP> 2.810 <SEP> 5.020 <SEP> 28 <SEP> 70 <SEP> 7.9 <SEP> 134
<tb>
As the chromium content increases beyond 12% in low carbon steels,
the tendency of steels to become harder decreases as seen in the previous table. When the chromium content exceeds about 16%, the steels cannot be made significantly harder by heat treatment and, after machining, they must be annealed so that they become ductile again. If the chromium content increases further, to 20% and more, this tendency of the steel to get harder decreases further but, on the other hand, it is necessary to anneal the steel to impart ductility. All these steels are made soft and ductile like rolled steel, thanks to the presence of
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titanium and additions of this element can improve steel containing up to 30% chromium.
The ductility of the rolled metal containing titanium can obviously be annealing which
EMI10.1
further increased by IsiooscndBiSon # aqtmiB has the effect of suppressing internal stresses caused in the metal by machining.
The Applicant's research has also focused on the addition of other elements such as, for example, uranium, molybdenum and tungsten. The results show that when appreciable quantities of these elements are present, the steels are still relatively hard in the rolled state which shows that all the elements which form strong carbides are not titanium equivalents at this. point of view. This emerges from Table III.
TABLE III -----------
EMI10.2
<tb> Limit <SEP> Voltage <SEP> Extension. <SEP> Reduct <SEP> Value <SEP> Hard-
<tb>
EMI10.3
% Gr 'C3% U% il%], [0 elast. maxim. pr 5 cm dry- ERICH ty kg: per cm2% t ion BRI- --------------------------------- ------.-------.not a word
EMI10.4
<tb> 13.48 <SEP> 0.18 <SEP> 0.72 <SEP> - <SEP> - <SEP> On <SEP> did not <SEP> <SEP> could <SEP> perform <SEP > a <SEP> 4.00 <SEP> 430
<tb>
<tb>
<tb> test tube <SEP> for <SEP> the <SEP> resistance
<tb>
<tb>
<tb> to <SEP> the <SEP> pull <SEP> because <SEP> that <SEP> the
<tb>
<tb>
<tb> metal <SEP> laminated <SEP> could not <SEP> <SEP> be
<tb>
<tb>
<tb> machined.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
13.62 <SEP> 0.07 <SEP> 0.89 <SEP> - <SEP> 8.280 <SEP> 10.100 <SEP> 4 <SEP> 6 <SEP> 6.00 <SEP> 269
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 15.57 <SEP> 0.05 <SEP> - <SEP> 2.57 <SEP> - <SEP> 5.120 <SEP> 7.120 <SEP> 3 <SEP> 7 <SEP> 6.00 <SEP > 196
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 12.78 <SEP> 0.14 <SEP> - <SEP> - <SEP> 1.64 <SEP> none <SEP> 10.400 <SEP> none <SEP> none <SEP> 4.80 <SEP > 418
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13.62 <SEP> 0.10 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 10.450 <SEP> 12.950 <SEP> 3 <SEP> 8 <SEP> 5.00 <SEP> 418
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 15.79 <SEP> 0, <SEP> 04 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 8.900 <SEP> 10 <SEP> .650 <SEP> 6 <SEP> 13 <SEP > 5.00 <SEP> 170
<tb>
There are cases in which part of the carbon should be left in combination with iron and chromium.
It is not desirable under all conditions to have the softer metal and a high chromium steel containing 0.20 to 0.50% carbon may be suitable.
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very useful if half the carbon for example is combined with titanium that is to say if the ratio of titanium to carbon is about 2 to 1. In this case, this steel would be as soft as a steel not containing no titanium and containing about 0.10 to 0.25% carbon; this process could also be applied economically for the remelting of scrap steel with a high chromium content, the metal having a marked tendency during this operation to absorb carbon.
Generally, it is not desirable to exceed the contents of 1% manganese, 1% silicon or a total of about 1% of the other metals and metalloids in the alloys object of the invention, when it is desired to obtain very soft and very ductile alloys.