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BREVET D t I N V E N T I 0 N
Cette invention oonoerne des alliages d'acier spéoia- lement destinés à être employés sous forme de pièces rela- tivement grandes ou lourdes, comme les blocs pour matrices pour les travaux de forgeage à chaud, et l'invention vise aussi d'autres articles en acier devant posséder une grande dureté, une grande résistance et une longue durée.
Le prin- cipal but de l'invention est la production d'un alliage d'acier de cette catégorie qui réunit avec d'autres oarao- téristiques nécessaires pour ces usages une,plus grande facilité de fabrication par laquelle la tendance au déve- loppement des ruptures thermiques intérieures et des oriques
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se trouve pratiquement éliminée, en même temps que la pièce résultante peut être trempée à un degré de dureté uniforme dans toute sa masse par un traitement thermique approprié.
La présente invention réalise un perfectionnement sur les alliages d'acier dans lesquéls les éléments prin- cipaux de l'alliage sont le chrome, le niokel et le molyb- dène. Les alliages d!acier de cette composition ont déjà motré leur supériorité pour les travaux de matriçage à chaud et travaux de forge analogues* Aotuellement, environ 90% des matrices employées dans 1,[industrie du forgeage à la matrice sont faites en un alliage d'acier au chrome- nickel-molybdène, sous 1-tune ou l'autre de ses formes diverses. Earmi les nombreux prooédés de fabrication en masse employés dans l'industrie moderne, il n'en est pas qui soient plus importants que le matriçage au pilon ou à la presse à forger.
Par ces deux procédés que l'on peut tous deux appeler en général "matriçage", il est possible d!obtenir la reproduction exacte de pièces en métal ayant des formes d'une complexité surprenante, et cela en grandes quantités et avec une vitesse remarquable. Le procédé con- siste à ohauffer le métal (généralement de l'acier) jusqu'à l'état pâteux, et à lui donner la forme dans des matrices gravées en creux. Avec ces matrices, on travaille soit au pilon, soit dans des machines à forger pour les travaux de refoulement.
Pour que le matrioeur puisse faire son travail d'une façon correcte et profitable, il faut que ses matrices puissent produire des milliers de pièces répétées sans usure ni détérioration appréciable. Cela exige des matrices
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en acier de grande résistance et de longue ,durée parce que les matrices sont soumises à des chocs extrêmement puis- sants et à de hautes températures. Les matrices snnt égéné- ralement livrées au matrioeur sous la forme de blocs recuits ou trempés. Si les matrices sont reouites, il faut les tremper après usinage. Si elles sont trempées, elles sont employées dans le pilon immédiatement après usinage et sans autre traitement thermique.
Plus de 60% des matrices employées actuellement dans 1!industrie sont ainsi trempées. Le bloc est traité à chaud à 1¯!état brut par le fabricant de matrices, puis usiné par le matrioeur, et ensuite livré au forgeron pour emploi sans autre traitement thermique' Après que la gravure initiale est usée au point de ne plus pouvoir servir, elle est sup- primée du bloc et une nouvelle gravure est usinée dans une surfaoe neuve du métal du bloc, mais le bloc est toujours réemployé sans autre traitement thermique. Le travail de regravure ou réusinage peut être répété plusieurs fois, souvent jusqu'à sept fois, jusqu'à ce que le bloc soit devenu trop mince pçur être employé d!une façon économique.
L'une des principales difficultés que 'rencontrent les fabricants d!alliages d'acier du type nickel-chrome-molyb- dène est d'éviter les ruptures thermiques au moment de la première production de 1!alliage: La rupture thermique (apparition de oriques) ne doit pas etre confondue aveo la porosité au centre qui se produit dans une grande variété de métaux sous la forme de petits vides et de ségrégations- La rupture thermique consiste dans la formation de petites oriques ou craquelures à 1.'intérieur de la masse du métal lorsqu'on la refroidit à partir de sa température de départ
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de solidification.
Comme ces criques sont entièrement con- finées à l'intérieur du bloc, il est pratiquement impos- sible d'en découvrir la présence sans tailler dans le corps du bloc, et même il arrive que quelquefois elles n'app- raissent pas à l'oeil nu, à moins que l'on expose la sur- faoe à l'attaque d'un acide pour faire apparaître le grain.
De plus, ces ruptures ne deviennent généralement apparentes qu'après le premier usinage d'ébauchage du bloc et peut-être après que le bloc a subi son traitement thermique final.
Le défaut peut aussi ne pas être découvert lorsqu'on fait la première gravure de la matrice, mais il va se manifester bientôt sous l'action du marteau, et quand la pièce parti- culière sera rendue inutilisable comme bloc de matrice.
Dans le cas où ces alliages sont employés pour des fortes structures, le défaut ne devient en général évident qu'au moment où il se produit un manque ou une rupture inattendue.
;Les causes exactes des ruptures thermiques ou forma- tion de criques ne semblent pas encore avoir été établies d'une façon définitive, et jusqu'ici la seule méthode pra- tique de contrôle consistait à donner le plus grand soin à la fabrication des alliages d'acier de cette classe géné- rale, pour que le refroidissement de blocs massifs à par- tir de leur température originale de laminage ou de for- geage soit soigneusement retardé dans des fours à refroi- dir par divers procédés bien connus des gens du métier.
Mais même ce grand soin donné au refroidissement s'est montré insuffisant pour supprimer le retour fréquent des ruptures thermiques quand on s'y attend le moins.
Sous l'aspect le plus général de la présente invention, en ce qui concerne le contrôle de la rupture thermique dans
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de grands blocs, le demandeur a trouvé qué l'addition de cuivre à la masse fondue en quantités allant de 0,25 à 6,50% est efficace en général dans des alliages chrome- molybdène des types employés jusqu'ici pour la fabrioation de bloos de matrices et masses de section relativement forte.
Dans ces aciers, les prinoipaux éléments de 1.'alliage peuvent être contenus en pratique entre les limites sui- vantes:
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<tb> carbone <SEP> 0,25 <SEP> à <SEP> 1,10%
<tb>
<tb> chrome <SEP> 0,25 <SEP> à <SEP> 1,50%
<tb>
<tb>
<tb> molybdène <SEP> 0,05 <SEP> à <SEP> 2,00%
<tb>
<tb>
<tb> Suivre <SEP> 0,25 <SEP> à <SEP> 6,50%
<tb>
Ces alliages peuvent aussi contenir du niokel jusqu'à 3,00%, du mangnèse jusqu'à 1,00% et du silicium jusqu'à 1,005.
Dans des alliages d'acier répondant à oes propor- tions et renfermant du cuivre suivant la quantité indiquée, on peut contrôler d'une façon efficace la tendance à rup- tures thermiques ou oriques de manière à réduire fortement le soin à prendre dans la manutention de ces aciers lors de leur fabrication, et à assurer ainsi pratiquement qu'ils sont exempts de ces défauts internes.
Une autre caractéristique désirable qui jusque ici n'avait pas été obtenue dans les alliages d'acier des types généralement employés pour les matrices, est celle qui oonsiste à maintenir pratiquement le marne degré de dureté dans toute la masse d'un bloc de matrice afin de permettre des gravures successives en profondeur dans, ces matrices sans qu'un nouveau traitement thermique soit nécessaire et sans diminuer l'efficacité de ces gravures successives.
Dans les blocs pour matrices employés jusqu'ici, on constate
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généralement une diminution sensible de dureté de l'exté- rieur au centre du bloc, avec perte conséquente de rende- ment de travail dans ces parties de matrices-plus tendres, et une plus grande tendance de fissure de la matrice, due à la variation de dureté du bord extérieur jusqu'au centre de la gravure.
Le demandeur a trouvé que l'addition de cuivre en certaines proportions à des alliages d'acier employés pour les matrices ou pour des masses de fort volume donne une cureté pratiquement uniforme en profondeur, uniformité de dureté qui, jusqu'à, ce jour, a été considérée comme ne pou- vant pas être obtenue. Le demandeur a trouvé en outre que l'addition de cuivre augmente d'une façon appréciable la résistance aux oriques à la surface sous l'action de la cha- leur, qui sont aussi un défaut commun aux alliages d'acier à matrices employés dans le travail à chaud.
Si l'on résume les oonditions idéales que doit rem- plir un acier à matrices pour travail à chaud, on peut dire qu'il doit posséder à un degré très marqué les qualités suivantes :
1 résistance aux fissures intérieures thermiques pendant le refroidissement à partir des hautes températures;
2 possibilité de se tremper sous de grande volumes (capacité de se tremper aveo uniformité complète de dureté dans toute la masse de la pièce);
3 résistance aux criques sous l'action de la ohaleur (criques superficielles);
4 résistance aux usures locales;
5 facilité et simplicité de fabrication dans le four Martin ou le four électrique pour produire des lingots et
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des billettes saines, avec absence pratiquement totale de , ' ségrégation, de porosité au centre;
6 facilité de forgeage aux dimensions et formes dé- sirées ;
7 traitement thermique simple pour obtention de la dureté requise ; 8 grande résistance et densité de la fibre combinées avec une forte ductilité et une forte résistance aux ohoos;
9 possibilité de se laisser usiner à l'état de forte dureté.
L'importance des propriétés 1 et 8 a déjà été expli- quée. Des alliages d'acir employés jusqu!ici en forts volumes pour faire des matrices sont spécialement exposés à des ruptures ou criques intérieures. La propriété 2 est plus importante dans un bloc de matrice trempé où, au fur et à mesure que 1!¯on fait des tailles ou gravures suooes- sives, on s'approche du centre du bloc. Dans la plupart des aciers à matrices qui ont été trempés, la dureté diminue de 1!extérieur au centre du bloc;
En ce qui concerne les propriétés 3 et 4, ce sont des caractéristiques qui s'opposent. Lorsque la matrice est trop tendre, la gravure s'efface et lorsqu'elle est trop dure elle peut subir des coups de chaleur.
Il est donc né- oessaire d!employer une dureté moyenne où oes défauts qui s'opposent sont au minimum. Evidemment, un acier qui ré- siste aux ooups de chaleur à n'importe qull degré de dureté est l'acier idéal parce qu'on peut éliminer l'usure de la gravure par simple augmentation de la dureté à un degré suffisant.
Propriété 5. Avec les grandes dimensions dans lesquelles
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on fait les blocs-matrices modernes, il est important que la teneur totale en alliage soit basse, parce que plis cette teneur augmente, plus il est difficile de produire des lingots sains de grandes dimensions.
Propriété 6. Il est évident que pour produire oom- mercialement des blocs de matrices, il faut que l'acier soit convenablement forgé. Cela est une autre raison pour que la teneur en alliage soit faible. En général, plus est forte la teneur en alliage, plus sont grandes les difficultés de forgeage.
Propriété 7. Les procédés de traitement thermique sont coûteux même dans leurs formes les plus simples; il faut donc éviter des traitements oimpliqués.
Propriété 8. Les blocs de matrice doivent pouvoir supporter des conditions extrêmement sévères de choc, de température et de pression, ensemble de conditions qui s'op- posent et qu'il est très difficile de concilier.
Propriété 9. Dans un bloc-matrice trempé, il est né- oessaire de laisser l'acier au degré de dureté relativement fort oonvenant pour son usage comme matrioe et cependant la matrice doit pouvoir être usinée avec cette forte dureté.
Les aciers à matrices nickel-chrome-molybdène employés jusqu'ici possèdent les deux propriété 5 et 9 à un fort degré. D'autres types d'acier ont été créés, possédant une ou plusieurs de ces caractéristiques. Le demandeur a établi cependant que l'alliage diaprés la présente invention réunit toutes ces qualités à un degré sortant de 1.'ordinaire et que l'on n'a japais rencontré dans d!autres aciers. Il en est particulièrement ainsi aveo les propriétés de résis- tance aux ruptures thermiques intérieures et la dureté
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complète ou uniforme à des duretés de travail relativement fortes.
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Si l'on se rapporte maintenant plus spécifiquement à 1,'analyse de blocs de matrices dans lesquels l'unformité de dureté à une forte dureté de travail est désirée, en même temps-que d.'autres propriétés désirables de ces aciers selon la liste qui précède, on trouve que les proportions des principaux éléments de 1,'alliage doivent être pratique- ment réduites comme suit:
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<tb> carbone <SEP> 0,30 <SEP> à <SEP> 1,00
<tb>
<tb> chrome <SEP> 0,&5 <SEP> à. <SEP> 1,25%
<tb>
<tb>
<tb> molybdène <SEP> 0,05 <SEP> à <SEP> 2,00%
<tb>
<tb> nickel <SEP> 0,50 <SEP> 2,50%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> cuivre <SEP> 0,25 <SEP> à <SEP> 4,00%
<tb>
Le manganèse en fractions jusqu'à 1% et le silicium en fractions jusqu'à 1% peuvent aussi être présents, et tout le reste est pratiquement du fer.
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Le demandeur a trouvé que 1¯'addition 'de certains autres éléments communément employés dans des alliages spé- ciaux, tels que le tungstène, le oobalt, le vanadium et le titanium, semblent ne pas avoir d'effet appréciable pour améliorer 1!alliage quand on 1.'emploie comme acier à ma- trioes travaillant à chaud, et ces corps augmentent sim- plement la dépense et les difficultés de fabrication.
Pour uh m@@lleur résultat compatible avec 1.'économie dans les matrices de forgeage, les éléments, principaux s@nt de préférence limités encore plus fortement jusqu'aux ohiffres qui suivent:
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<tb> carbone <SEP> 0,30 <SEP> à <SEP> 0,70%
<tb>
<tb> niokel <SEP> 0,50 <SEP> à <SEP> 2,50%
<tb>
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<tb> ohrome <SEP> 0,25 <SEP> à <SEP> 1,25
<tb>
<tb> molybdène <SEP> 0,05 <SEP> , <SEP> 2,00%
<tb>
<tb> cuivre <SEP> 0,50 <SEP> à <SEP> 3,50
<tb>
Les ohiffres donnés si-dessus sont oritiques pour la produotion économique d'un acier à matrices travaillant à chaud et possédant à un degré exceptionnel les neuf caractéristiques nécessaires mentionnées plus haut.
DJune importance particulière est sa résistance remarquable à la'rupture thermique, la possibilité de trempe complète et uniforme 4 la dureté de travail, et sa résistanoe aux coups de chaleur.
On a évidemment renoontré des ruptures thermiques dans beaucoup de corps ooulés aveo l'alliage perfectionné ainsi préparé, même si dans certains cas des essais délibé- rés ont été faits pour les produire. Cette caractéristique permet par conséquent des procédés moins coûteux de trai- tement pendant la fabrication depuis le lingot jusqu' à la billette et finalement jusqu'au bloc de matrice. Elle di- minue également leemps nécessaire pour le refroidissement de l'acier et par conséquent réalise une économie d'espace pour l'équipement et de main d'oeuvren nécessaire jusqu'ici aveo les prooédés de refroidissement lent.
Comme exemple de l'uniformité remarquable de dureté en profondeur que l'on peut obtenir aveo cet acier perfeo- tionné renfermant du ouivre, on peut citer un bloc cubique trempé et recuit d'environ 28 cm de côté, de la composi- tion suivante :
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<tb> carbone <SEP> 0,50%
<tb>
<tb> manganèse <SEP> 0,75
<tb>
<tb> chrome <SEP> 0,75%
<tb>
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<tb> 1
<tb> ouivre <SEP> 2,00%
<tb>
<tb>
<tb> niokel <SEP> 1,00
<tb>
<tb>
<tb> molybdène <SEP> 0,25%
<tb>
On avait coupé le bloc par le milieu et oh avait fait des lectures de dureté sur la surface sectionnée de place en place à partir du centre et de tous les côtés du centre.
On a reconnu que la dureté était uniforme sur toute la surfaoe jusqu'à un degré total de 0,05 mm à la bille de Brinell et à 350 degrés de dureté Brinell. Cette uniformité est remarquable ; uniformité plus grande ne pouvait pas être espérée même sur la surface extérieure-du bloc*
La résistance aoorue aux coups de chaleur notée dans l'alliage rend possible d'employer une dureté plus forte que le normale, ce qui augmente la résistance à l'efface- ment de la gravure. Dans ses applications à ,des ma trices dans lesquelles on a employé cet alliage, le ooupp de cha- leur est pratiquement inconnu.
La présenoe de cuivre semble contribuer largement à cette propriété importante de résis- ter à la rupture thermique, à la possibilité de duroir complètement, à l'accroissement de l'effet de la trempe à l'air constaté jusqu'ici dans les alliages niokel-ohrome- molybdène, et à 1!augmentation de la résistance à la trao- tion. Du niokel à 0,50% ou plus est nécessaire pour oon- tribuer à la dureté requise.
Le nickel aide également à vaincre la tendanoe que possèdent les aciers au cuivre de devenir rugueux à la surface ou de devenir à o ourt de chaleur pendant le for- geage ou le laminage, mais le demandeur a trouvé que l'addi- tion de molybdène en petites quantités semble intensifier d'une façon très marqués cette aotion du nickel, ce qui
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réduit par oonséquent la quantité de niokel nécessaire dans les alliages de ce genre, et rend possible l'emploi d!une plus grande quantité de ouivre aveo les avantages qu'il comporte. Au-delà de 2,50%. le nickel rend l'acier difficile à fabriquer et augmente considérablement le prix de 1.1 alliage.
Les qualités de trempe à 1!air de cet alliage perfec- tionné paraissent suivre en pratique les mêmes lois que celles des alliages connus, autant qu'il s!agit de varia- tion des éléments principaux de 1¯'alliage? Cela veut dire que l'on peut oonserver des qualités supérieures de trempe à l'air en faisant varier la teneur en carbone en raison inverse de la teneur en chrome ou en molybdène, et la quantité de chrome et de molybdène peut aussi être variée en raison inverse de chacun des autres dans les propor- tions indiquées.
Mais dans le présent alliage perfectionné, le ouivre peut être employé pour donner un produit plus économique en remplaçant partiellement aussi bien le nickel que le molybdène, avec le résultat nouveau et complémen- taire d!une résistance à la rupture thermique et d'une uni- formité fortement accrue de la trempe.
L'alliage peut être reouit en le chauffant au-dessus du degré oritique et en le refroidissant lentement au four.
La trempe se fait en le ohauffant au-dessus du degré ori- tique et en le refroidissant dans de l'air calme, ou dans un courant d!air, ou en le trempant dans un liquide. Plus le procédé de refroidissement est rapide, plus l'acier sera dur. L'aoier peut être recuit à un point désiré après trempe en le réchauffant à la température nécessaire au- dessous de la température critique. Mais dans les limites de travail normal, la dureté sera pratiquement uniforme dans toute la masse de la pièce.