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" Perfectionnements apportés au traitement thermique d'al- liages d'acier au cuivre et au chrome ".
La présente invention est relative à des perfectionnements apportés au traitement thermique d'alliages d'acier contenant du cuivre et du chrome.
On connaît divers alliages d'acier contenant du cuivre dans des proportions de 1 ou 2 % et l'on a aussi proposé de fabriquer des alliages d'acier contenant du chrome et plus de 5 % de cuivre. Toutefois, ces aciers contenant plus de 5 % de cuivre ne sont pas entrés dans l'usage commercial parce qu@aucune procédé satisfaisant pour en fabriquer une gamme satisfaisante d'objets utiles n'a été publié.
L'objet de la présente invention est de prévoir la fabrication d'objets en ces alliages d'acier par un procédé perfectionné.
D'autres objets de l'invention consiste à fournir des alliages de ce genre caractérisés par une nouvelle structure et de fournir des objets fabriqués en ces alliages et possé- @
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dant de nouvelles propriétés physiques.
Des alliages contenant plus de 5 % de cuivre et plus de 10 % de chrome peuvent être préparés de façon connue, et ils présentent des propriétés de résistance à l'oxydation. Si, toutefois, on essaie de laminer ou de forger ces alliages aux températures employées habituellement pour des alliages au chrome similaires résistant à l'oxydation et contenant peu de cuivre ou n'en contenant pas, en particulier pour les aciers au nickel et au chrome, on constate que les alliages contenant beaucoup de cuivre sont brûlés, se fissurent et présentent le phénomène de l'aigreur (caractère cassant) à chaud. Ces résultats indésirables subsistent si l'on essaie de forger les alliages des températures de 1400 à 1500 C et même aussi basses que 1200 C.
Si les alliages sont moulés dans le sable de la manière habituelle, la structure cristalline est indésirable.
Suivant l'invention, on a découvert maintenant que ces difficultés peuvent/être surmontées si certaines précautions sont observées pendant le travail mécanique ou le.moulage, bien que, dans l'un et l'autre cas, des procédés spéciaux de recuit et de traitement thermique (pour le durcissement ou la trempe ) soient désirables aussi, et ces procédés de traitement d'objets usinés et de pièces moulées diffèrent profondément de ceux applicables aux aciers au chrome et au nickel connus. Suivant l'invention, on a constaté que les alliages peuvent être travaillés avec succès par exemple par forgeage, laminage ou @tirage à une température initiale peu supérieure à 1000 C et de préférence comprise entre 800 et 900 C.
Par exemple, avec un alliage contenant 10 % de cuivre et 15 % de chrome , la température de laminage initiale ne doit pas dépasser 1000 C, bien qu'un certain résultat puisse être obtenu à 1025 C avec un soin extrême et le risque d'a- voir du rebut.
Largement parlant, la meilleure zone de températures ini-
Q
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tialede travail est comprise entre 800 et 900 C.
A la différence des alliages d'acier de composition- similaire, les aciers au cuivre et au chrome peuvent être travaillés mécaniquement à des températures relativement basses de l'ordre de 700 ou même 650 C sans danger d'aigreur à froid. Toutefois, pour des raisons d'économie, il est évidemment désirable de commencer à une température initiale de 800 et de préférence plus élevée , autrement des réchauffages trop fréquents seraient nécessaires.
L'invention oomprend en outre certains procédés de recuit et de traitement thermique décrits ci-après en détail.
Alors que les aciers au nickel et au chrome peuvent soit être recuits par trempage ou durcis par refroidissement lent,les propriétés ainsi obtenues ne sont habituellement pas réversi bles,c'est-à-dire qu'une matière malléable ne peut pas être transformée en une matière dure après le traitement.
Conformément à l'invention, le recuit est effectué une température d'environ 750 à 970 C, et est habituellement suivi d'un durcissement par traitement thermique consistant en un trempage ou un refroidissement à l'air et les propriétés de dureté ou de malléabilité ainsi obtenues sont réversibles.
On a constaté, suivant l'invention, que quand un lingot de l'alliage d'acier susmentionné est obtenu par refro,idissement lent de métal en fusion, le lingot possède une structure dendritique, et on a constaté en outre que si le travail mé-' canique (dans les limites de température décrites ci-dessus) est effectué continuellement dans le même sens, il est possible de conserver la structure dendritique dans l'objet final, qui possède alors une fine structuré fibreuse dans laquelle les longs cristaux individuels sont orientés de façon à être parallèle entre eux. Ce phénomène est probablement en corrélation avec les propriétés "fibreuses"âu cuivre et confère une grande ténacité et une grande ductilité à l'alliage.
Pour
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obtenir ce produit par ébauchage au laminoir il faut veiller à éviter de faire passer la matière en arrière et en avant entre les mêmes rouleaux parce que le renversement de sens détruirait le parallélisme des longs cristaux.
Dans une pièce moulée, les dendrites sont d'abord radiales.
Le laminage dans une direction les amène graduellement à se placer,sous forme de longues fibres très fines,finalement à angle droit par rapport à leur direction initiale, c'est-à-dire que finalement elles seront parallèles à la direction de laminage.
Si celui-ci est effectué dans une direction perpendiculaire, il doit l'être à un stade intermédiaire.
D'une manière similaire, dans l'ébauchage au marteau, le travail doit être effectué toujours dans le sens de la longueur du lingot.
Si on laisse le métal en fusion refroidir lentement , la structure cristalline est prolyédrique. Dans ce cas,la matière peut encore êcre travaillée mécaniquement entre les limites de température mentionnées, mais le produit final ne possèdera pas une structure fibreuse et ne conviendra pas pour certains usages pour lesquels la matière fibreuse peut être employée.
Dans une forme préférée de la présente invention on laisse une billette d'un alliage d'acier au cuivre et au chrome refroidir lentement pour obtenir une structure cristalline dendritique à longs cristaux grossiers,après quoi la billette est réchauffée dans un four ou puits de réchauffage à lingots et est traitémécaniquement ,par exemple, par ébauchage au marteau du lingot depuis son centre vers ses extrémités,pendant que le lingot est à une teripérature de 800 à 900 C. Une température de 850 C s'est avérée convenir particulièrement pour le traitement d'ébauchage.
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Après ce traitement, on a constaté que la barre obtenue par forgeage du lingot ou autre élément mécanique ainsi forgée, peut être réchauffée dans de larges limites; c'est-à-dire de 900 à 1050 C pour permettre un traitement mécanique ultérieur tel que le forgeage sous forme d'arbre coudé ou autre pièce mécanique, ou encore, pour le laminage en bandes ou en plaque ou tôle.
La pièce forgée ou laminée peut être soumise à un traitement de racuit, de préférence de 750 à 900 C suivant les pourcentages des divers métaux ; parexemple on a ocnstaté ' qu'une température de 910 C convient pour 15 % de chrome dans un acier au chrome contenant 8 à 10 % de cuivre.
Les températures inférieures sont désirables pour faciliter le @ picklage , tandis que les températures supérieures sont préférées si l'on désire une malléabilité maximum.
L'objet fini peut être encore traité par réchauffage et soit par trempage dans l'eau, soit par refroidissement à l'air, la température de trempe variant avec la teneur en cuivre et en chrome.
Pour une teneur de 15 % en chrome et de la % en cuivre, la température pour une dureté maximum est d'environ 500 C.
Pour illustrer la différence de propriétés obtenues par trempage à des températures différentes,on peut mentionner que le trempage à partir du voisinage du point AC2 (environ 970 0) donne un alliage très dur offrant une grande résistance àla traction , tandis que le trempage depuis le voisinage du point AC1 (entre 500 et 600 ) donne de l'acier de dureté moindre, et de résistance un peu moindre à la traction mais d'une plus grande ténacité.
Les traitements mécaniques et thermiques exposés cidessus sont particulièrement applicables aux alliages d'acier au chrome et au cuivre dans lesquels la teneur en chrome est analogue à celle des aciers connus au chrome et au nickel. la résistance à la corrosion croit progressivement de 10 à
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15 % de chrome au même 17 à 19% de chrome; pour des raisons commerciales, et- la limite supérieure de la teneur en chrome est de 20 à 25 %, bien que des pourcentages plus élevés puis- sent être employés.
La teneur minimum en cuivre est d'environ 5 à 6 % et une limite inférieure adoptée de préférence est 7 à 8 %. Les limites préférées sont 8 et 10 %. La teneur en cuivre peut s'élever à 20 % ou même à 40-50, mais cest là une limite supérieure économique évidente. Un grand accroissement de la teneur en cuivre augmente la ductilité aux dépens de la résis- tance à la corrosion. Les alliages à étirage intense peuvent contenir 15à 25 % de cuivre .
Le reste de l'alliage est principalement et presque entièrement du fer, bien que de petites quantités de métaux employés comme additions à l'acier puissent être présentes, et en particulier des métaux qui s'allient au cuivre. La te- neur de chacune de ces additions est de préférence in férieu- re à 1 - 2 %. Du nickel peut être présent comme impureté acci- dentelle (moins de 1 %) mais il a peu d'effet ou n'a aucun effet utile, et la teneur en nickel doit être inférieure à 2 %.
La teneur en carbone doit être faible; en sacrifiant une partie de la résistance à l'oxydation, on peut préparer un alliage forgeable contenant jusqu'à 0,3 % de C, mais la teneur en C est de préférence inférieure à 0,12 %.
On constatera que les alliages d'acier au cuivre et au chrome soumisè un traitement tel que décrit ci-dessus,et ro ayant une teneur en chrome de 15 % ou moins durcissant à l'air , tandis que ceux qui en contiennent plus de 15 % ne seront pas durcis à l'air .
Il est préférable de faire varier le traitement thermi- que avec le pourcentage de chrome.
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On constatera que des alliages d'acier au chrome et au cuivre traités conformément à la présente invention ont uns ductilité élevée, une grande résistance à la traction et une résistance considérable à la corrosion, et constituent des aciers inoxydables ayant des propriétés similaires à l'acier au nickel et au chrome, et de teneur similaire en carbone ; c'est-à-dire ordinairement de 0,05 à 0,1 % de car- bone.
Les propriétés des alliages peuvent être modifiées dans de larges limites et les conditions les plus favorables dans certains sens, pour des propriétés particulières (pas néces- sairement combinées dans le même échantillon) sont les sui- vantes :
Primo, le rapport entre la limite d'étirage et la ten- sion ou effort maximum peut être compris entre 70 et 85 %
Secundo, les valeurs du choc izod de l'alliage peuvent être comprises entre 50 à 120 pieds livres (pièces fo rgées).
Tertio, un pourcentage d'allongement de plus de 30 % (éprouvette de 2 pouces) sur un acier ayant une résistance à la;traction de 30 tonnes anglaises en descendant jusqu'à un acier ayant un allongement de 22 % et une résistance à la traction de 52 tonnes anglaises.
Quarto, les alliages ne durcissent pas par l'usinage Ils peuvent aussi être laminés à froid sans durcissement appréciable. Ainsi une tôle recuite d'environ 140 mils d'é- paisseur peut être laminée jusqu'à une épaisseur de 40 mils sans recuit intermédiaire et avec un accroissement de la dureté Brinell de 190 à 240 seulement.
Il a déjà été mentionné plus haut que le refroidisse- ment rapide produit une structure polyédrique, et que des polyèdres grossiers sont parfais observés au centre d'une structure dendritique refroidie lentement.
Dans son application aux pièces moulées, l'invention comprend la production de fins cristaux polyédriques,et ceci
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peut être accompli si les pièces sont moulées dans des moules refroidis ou si elles sont refroidies à l'air aussitât qu'el- les peuvent être enlevées des moules sans inconvénients,par exemple après moins de 2 à 3 heures dans le sable. Les pièces moulées sont de préférence recuites dans les mêmes conditions que les pièces usinées de l'alliage, et peuvent aussi être soumises à un traitement thermique similaire pour augmenter le pourcentage d'allongement et la résistance au choc.
Ainsi les expériences suivantes ont été faites avec une pièce moulée d'un alliage de 15 % Cr, 10% Cu et 1 % Tu recuit à 970 C.%
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ceemr 4 Tr0lù:pe 2009 5000 6000 700 750 8000
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<tb> Valeur <SEP> izod <SEP> 2 <SEP> 0,5 <SEP> 2 <SEP> ' <SEP> 7 <SEP> 16 <SEP> 20
<tb> Valeur <SEP> Brinell <SEP> 286 <SEP> 340 <SEP> 255 <SEP> 196 <SEP> 163 <SEP> 170
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Les pièces moulées ne durcissent'quand on les travaille et présentent d'autres propriétés désirables.
Pour diminuer la dimeasion des cristaux polyédriques, spécialement quand les pièces moulées ne peuvent pas être refroidies assez rapidement,les alliages peuvent contenir du molybdène, du tungstène ou en particulier du columbium, or- dinairement moins de 1 %. Le columbium peut être ajouté sous forme de matte de Cb-Ti-Sn.
REVENDICATIONS.
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1. Procédé de production d'objets en acier contenant au moins 5 % de cuivre, et au moins 10 % de chrome, caractéri- sé en ce que le métal est travaillé à des températures com- prises entre environ 1000 et 650 C et de préférence entre 900 et 800 C.