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Alliages d'acier très résistants à la chaleur, à teneurs égali- sées, pour objets destinés à présenter une très grande résistan- ce à la chaleur et une très haute limite d'écoulement limité.
On connaît un grand nombre d'alliages d'acier, en techni- que, qui, à cause de leurs qualités au point de vue de la résis- tance à la chaleur et de leur limite d'écoulement limité, sont employés à la fabrication d'objets devant résister aux hautes températures. Lorsque la température est supérieure à 5000 C., la limite d'écoulement limité de ces alliages d'acier connus se trouve très fortement réduite. Dans la construction moderne des chaudières de machines et des appareils, il est nécessaire, eu égard aux températures et aux pressions de travail majorées de manière continuelle, d'utiliser des alliages d'acier qui présen- tent tout particulièrement une haute limite d'écoulement limité, même en présence de températures d'au-delà de 5000 C.
L'influence exercée par un ou par plusieurs composants de l'alliage sur la limite d'écoulement limité de l'acier a été
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étudiée maintes fois, sans qu'on soit parvenu jusqu'ici à dé- terminer, de façon satisfaisante', les lois pour le mesurage le plus favorable des teneurs des alliages. Il a été constaté sou- vent que les alliages d'acier de composition analogue, présen- tent des valeurs dissemblables de limite d'écoulement limité, sans que soit apparente la cause de ce comportement différent.
Chez les aciers qui, en état amélioré, étaient soumis à une longue sollicitation par températures élevées, on a constaté aussi ces valeurs différentes de limite d'écoulement limité on a même été jusqu'à déconseiller, quelquefois, l'utilisation du traitement amélioratif, et à décerner la limite d'écoulement limité relativement la plus élevée à la fonte de structure cris- talline grossière. En conséquence, lorsqu'on voulait modifier des analyses qui avaient donné satisfaction et trouver de nou- veaux alliages d'acier, on en était réduit, jusqu'ici, en subs- tance, à faire l'essai purement empirique de leur comportement vis-à-vis des températures élevées.
On a trouvé que la limite d'écoulement limité des alliages d'acier, spécialement au-dessus de 500 C., est d'autant plus élevée que, d'une part, est plus élevée la température de solu- tion des carbides et, d'autre part, que le point critique supé- rieur est porté davantage à des températures plus élevées. Ces conditions peuvent être obtenues pour les alliages d'acier, en constituant l'alliage au moyen d'éléments qui, dans le système binaire Fe - Elément d'alliage, encerclent le champ [gamma], et en égalisant entre elles, de la façon la plus propice à l'augmen- tation du point critique supérieur, les teneurs en éléments sem- blables d'alliageavec la teneur en carbone.
L'objet de l'inven- tion est donc un procédé de fabrication d'alliages d'acier pour objets qui, en présence de températures élevées - spécialement au-dessus de 5000 C., - doivent présenter une haute limite d'écou- lement limité, tels que : organes de chaudière, soupapes et res- sorts de soupape pour moteurs à combustion, écrous, boulons, etc.
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dont les composants sont formés au moins aussi d'éléments qui encerclent le champ [gamma] dans le système binaire avec le fer, par exemple molybdène, vanadium, silice, aluminium et autres, procédé caractérisé en ce que la teneur en ces éléments, en dé- pendance de la teneur en carbone, est mesurée de manière telle qu'un point critique aussi élevé que possible, de préférence près de ou au-dessus de 10000 C.
soit réalisé.
Voici un exemple pour montrer combien augmentent le point critique supérieur d'un acier, dans le sens précité, les éléments d'alliage qui, de manière en soi connue, encerclent le champ [gamma], comme par exemple, le molybdène, le vanadium, la silice, le tungstène et l'aluminium (les autres éléments d'alliage qui en- cerclent le champ [gamma] sont indiqués par F. Wever dans l'ouvra- ge " Über den Einfluss der Elemente auf den Polymorphismus des Eisens" (De l'influence des éléments sur le polymorphisme du fer),-paru dans l' "Archiv für das Eisenhüttenwesen" (Archives pour la sidérotechnie) Vol.2 (1928/29) P. 739-748, plus particu- lièrement P. 743.
La fig.l montre le diagramme de l'état binaire d'un compo- sant B quelconque, encerclant le champ [gamma] d'alliage avec le fer.
La ligne M-R-O-N indique la limite du champ [gamma] pour 0 % de carbone, la ligne M'-S-P-N' pour 0,1 % de carbone, la ligne M"- T-Q-N" pour 0,2 % de carbone. Par le composant B, la température critique supérieure, laquelle est située près de 9000 C. environ pour le fer pur, est augmentée en raison de l'augmentation de la teneur ; dans l'exemple montré, pour une température de 1200 C. environ, elle atteint la valeur extrême près de b' % B pour 0 % de carbone, près de b" % B pour 0,1 % de carbone et près de b"' % B pour 0,2 % de carbone. On peut constater par le diagramme que pour une teneur augmentant en carbone, la teneur en composant B doit être augmentée de même, si l'on veut réaliser l'augmentation désirée du point-critique.
La fig.2 montre, à titre d'exemple, suivant de propres
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essais et les données actuellement fournies par la littérature, les teneurs en aluminium, vanadium, molybdène, silice et tungs- tène par rapport à la teneur en carbone la plus favorable pour l'obtention d'un point critique aussi élevé que possible dans chacun de ces cas. ' Sur l'axe des abscisses est indiquée la teneur en aluminium, en vanadium, en molybdène, etc., sur l'axe des ordonnées celle en carbone.
La valeur extrême de la tempé- rature critique (0, P ou Q, dans l'exemple 1) ne peut pas tou- jours être déterminée avec certitude, eu égard aux variations d'analyse qui se présentent en pratique ; la teneur d'alliage la plus favorable peut toutefois être jusqu'à 20 % inférieure de ce qui est indiqué, pour chacun des éléments, par les lignes épaisses de la fig. 2, sans que la diminution du point critique, qui en résulte, puisse nuire beaucoup au degré de la limite d'écoulement limité. Pour les teneurs d'alliages les plus favo- rables, on peut donc déterminer des zones, telles qu'elles cor- respondent dans l'exemple de la fig.l, aux zones a1 (entre a' et b'), (entre a" et b") et a3 (entre a"' et B"'). Ces zones sont indiquées dans la fig. 2 par des traits d'ombre, apportés à la gauche des courbes.
Ces courbes, qui sont indiquées d'après l'état actuel de la technique, peuvent être améliorées sur base des résultats de nouvelles investigations, sans que cela change en quoi que ce soit l'essence même de l'invention.
Chacun des éléments d'alliage encerclant le champ [gamma] peut être utilisé tout aussi bien seul, qu'ensemble avec d'autres éléments, un des éléments pouvant, en tout ou en partie, en rem- placer un autre, mais il devra -toujours y avoir une augmentation de la température critique supérieure.
Si plusieurs éléments sont utilisés ensemble, qui, dans leur influence sur l'augmenta- tion du point critique, se comportent de manière additive, la composition la plus favorable de l'acier peut être déterminée suivant la formule de mélange suivante :
EMI4.1
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Dans cette formule, a,b,c... sont les pourcentages des teneurs réelles, dans l'acier fini, en éléments voulus X, Y, Z encerclant le champ [gamma], tandis que ap, bp et cp sont les teneurs en pourcentages de l'élément d'alliage auxquelles, selon le schéma de la fig.l et selon les données de la fig.2, dans le système binaire avec du fer, le corps cristallisé du mélange [gamma] présente, pour p % de carbone, une valeur maximum de la tem- pérature critique (Point Ac3) ;
comme valeur de m, il y a lieu de mettre : 0,8 jusque 1,0 %.
Suivant la fig.l, pour l'élément B et 0,1 % de carbone, la valeur extrême de la température critique est obtenue en P et la valeur b" % B doit être mise comme dénominateur dans l'é- quation.
Dans le choix d'éléments d'alliage qui ne se comportent pas tout à fait additivement dans leur effet sur le point criti- que, la formule de mélange donne les teneurs d'alliage les plus favorables à peu près en première approximation.
Par exemple, pour des teneurs en carbone de 0,05 jusque 0,20 % et un acier avec, comme éléments essentiels, de la sili- ce, du molybdène et du vanadium, la formule de mélange est la suivante :
EMI5.1
pour0,05%0 : a S3 + b % ](0 + c V ¯ 2,60 l,90 l,50 pour 0,10 % C -.0 1à + ±±h + c V = 3,5 2,3 2,00 pour0,15%0 : a '%> Si + b , Mo + ±±g = m 4,2 2,70 2,40 pour 0,20 % C: a % Si + b % Mo + c 1 e' V= ra 5,0 3,20 2,7
Les valeurs des dénominateurs dans ces formules ont été prises aux données de la fig.2. Les trois éléments désignés peuvent évidemment, les conditions restant les mornes, être rem- placés par tout autre élément encerclant le champ [gamma].
Dans les systèmes à plusieurs éléments, le point où la tem- pérature critique donne une valeur maximum est très difficile à
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déterminer en pratique. Dans pareil cas, on se rapprochera utilement de la valeur inférieure indiquée pour m, soit donc 0,8, afin d'avoir plus de latitude dans le mesurage des différents éléments entre eux.
Voici quelques exemples pour l'application des formules de mélange : exemple 1 : On se propose de vérifier si un acier de la composition suivante est complètement équilibré :
0,05 % C 0,64 % Si 1,15 % Mo
En transposant ces valeurs d'analyse dans la formule de mélange :
EMI6.1
il résulte que l'acier est équilibré, attendu que la valeur m = 0,85.
Exemple 2. Dans l'acier non équilibré, avec :
0,20 % C. 1,45 % Mo 0,62 % V il s'agit de déterminer la teneur en silice nécessaire, à côté du molybdène et du vanadium, pour équilibrer complètement l'acier :
EMI6.2
Il en résulte que pour égaliser complètement l'acier, la teneur en silice doit être de 0,80 % , ce qui fait que la compo- sition la meilleure de l'acier est de :
C Si Mo V
0,20 0,80 1,45 0,62 %
Cependant, suivant l'invention, l'effet favorable de l'éga- lisation entre les différents éléments d'alliage ne peut être mis entièrement à profit, que lorsque les aciers en cause ont subi un traitement approprié d'amélioration par la chaleur.
Dans celui-ci, les aciers sont portés au-dessus de la températu- re critique supérieure - de préférence à au moins 50 C. au- dessus de la température critique supérieure, pour, soit soudai- nement, soit après refroidissement lent dans le four jusqu'à environ 20 C. au-dessus du point A r 3' être saisis dans une
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des substances à tremper usuelles (eau, huile, air comprimé, etc. ). Le recuit subséquent a lieu aux températures du recuit habituelles, au mieux toutefois aux températures d'environ 50 C au-dessus de la température d'utilisation de l'acier.
Les aciers produits par le procédé suivant l'invention et, le cas donné, améliorés, présentent, même après de longues solli- citations, des qualités extrêmement élevées quant à la résistan- ce à la chaleur et quant à leur limite d'écoulement limité, spé- cialement aux températures de plus de 5000 C. En conséquence, ils sont remarquablement propres @ la fabrication d'objets de toute nature devant subir des sollicitations à haute température, par exemple des organes de chaudières, soupapes et ressorts de soupape pour moteurs à combustion, écrous et boulons, et objets analogues.
Quoique'le chrome soit également compris parmi les éléments qui encerclent le champ [gamma], il se présente cependant, dans le cas de teneurs minimes en carbone dans la portée de 1 % jusque 9 % de chrome, une diminution sérieuse de la température criti- que supérieure, ainsi qu'on le constate de la fig.3. Ce n'est qu'aux teneurs en chrome-plus élevées, de 9 jusque 12 %, qu'a lieu un relèvement de la température critique supérieure.
Dans la fig. 4 sont montrées les limites favorables aux teneurs en carbone et en chrome, et auxquelles une diminution de la limite d'écoulement limité n'est plus à craindre. Les zones munies de raies représentent les teneurs en chrome et en earbone qui, selon l'invention, n'ont pas un effet désavantageux sur la limite d'écoulement limité ; les autres zones, non rayées, engendrent une forte diminution du point critique et on fera bien de les éviter pour des objets qui doivent présenter une
EMI7.1
haute limite d'écoulement, Limité.
L'action des éléments encerclant le champ [gamma] peut être aidée sérieusement en évitant complètement ou autant que possi - ble, pour les alliages d'acier, tous les éléments qui diminuent
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la température critique supérieure, comme par exemple le manga- nèse, le nickel et, pour ce qui est du chrome, les zones excep- tées ci-dessus. Par l'ajoute, jusque 2 % environ, de petites quantités de ces éléments d'alliage, on peut cependant tirer profit d'autres avantages, par exemple, si besoin en est, on peut diminuer la vitesse critique de refroidissement. Le même effet peut encore être obtenu par augmentation de la teneur en carbone, mais il est alors indispensable d'augmenter en consé- quence la quantité des éléments qui augmentent le point critique.
Dans pareil cas, la valeur m de l'équation de mélange précitée sera utilement portée au-dessus de 0,85.
Parmi les éléments d'alliage encerclant le champ [gamma], on comprendra utilement, en premier lieu, les éléments formant des carbides spéciaux, à savoir, le molybdène, le vanadium, le tungs- tène, le titane et aussi le chrome en quantités ad-hoc, attendu qu'ils exercent une influence particulièrement propice à l'aug- mentation de la limite d'écoulement limité ; ce n'est qu'en second lieu que l'on aura utilement recours aux autres éléments pour l'alliage, à savoir ceux ne formant pas des carbides, mais qui élèvent cependant le point critique.
L'invention est de la plus haute importance économique, attendu qu'elle donne le moyen de se suffire d'un minimum d'élé- ments d'alliage, de grande valeur, pour les aciers résistant aux hautes températures et de donner à ceux-ci la plus grande efficacité.
REVENDICATIONS.
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