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Perfectionnement à la fabrication du fer et de l'acier à haute teneur en chrome.
Cette invention est relative à la fabrication du fer et de l'acier à haute teneur en chrome, c'est-à-dirè d'al- liages se composant principalement de fer et contenant plus de 20 % de chrome.
Ces alliages ont une résistance à la corrosion et une résistance à la chaleur appréciables, mais généralement ils présentent aussi certains inconvénients. Plus spécialement, ils sont très fragiles et manquent de résilience.
On sait que l'addition d'azote à ces alliages est avantageuse en réduisant dans une certaine mesure leur gros-
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seur de grain essentiellement élevée, de manière à augmenter leur résilience. Ainsi, un acier au chrome forgé typique à 25 % qui est extrêmement fragile (Indice de résilience Izod = 2 à 5 pieds-livres anglais) (1 pied = 0,305 mètre, 1 livre = 0,453 kilogramme) peut être amélioré par l'incorpo- ration de quelque 0,25 à 0,3 % d'azote, suivie d'un traite- ment thermique d'une durée de plusieurs heures à environ 900 C, l'acier résultant ayant un indice de résilience d'en- viron 8 à 10 pieds-livres.
Un but de la présente invention est de permettre d'apporter une amélioration de grande portée aux propriétés, notamment à la résilience, du fer et de l'acier à haute teneur en chrome contenant de l'azote. L'invention comprend aussi un procédé pour fabriquer ce fer et cet acier.
Suivant l'invention, on soumet à un traitement ther- mique à une température supérieure à 1050 C., de préférence de 1100 à 1250 C., des alliages de fer à haute teneur en chrome et à teneur en azote, contenant plus de 20 % de chrome, no- tanent 22,5 à 28 % de chrome, puis on les refroidit rapide- ment ou on les trempe rapidement.
Une certaine teneur en azote minimum est nécessaire pour que l'alliage traité thermiquement puisse avoir la rési- lience voulue, mais une trop grande proportion d'azote peut conduire à un défaut de solidité dans l'alliage. Il s'est ré- vélé que les limites inférieure et supérieure et la propor- tion optimum d'azote dépendent dans une large mesure de la teneur en chrome de l'alliage. Pour des alliages typiques ayant une teneur en chrome comprise dans la gamme de 22,5 à 28 % ou pas trop éloignée de cette gamme, les limites inférieure et supérieure pour la teneur en azote sont respec-- tivement d'environ un deux-centième et un cinquantième de la teneur en chrome, et la teneur en azote optimum est d'environ
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un centième de la teneur en chrome.
Ce traitement thermique a pour résultat d'améliorer les propriétés mécaniques, comme la résilience, la ductilité et l'aptitude à se laisser usiner, sans aucun effet nuisible aux autres propriétés caractérisant le fer et l'acier à haute teneur en chrome,telles que la résistance à la corrosion et la résistance à la chaleur; en fait ces deux dernières pro- priétés peuvent aussi être améliorées.
L'invention s'applique en général aux alliages de fer et d'acier à haute teneur en chrome de la nature spécifiée ci-dessus. Il s'est révélé que l'amélioration de propriétés acquise grâce au traitement thermique à température élevée est stimulée quand l'alliage contient une faible proportion, par exemple 0,5 à 2,0 %, de nickel.
Il semble que le traitement thermique à température inhabituellement élevée amène un changement radical dans la texture de l'alliage en ce sens que les carbures et les ni- trures (qui dans les procédés de traitement thermique plus anciens restaient en substance non-dissous) se dissolvent dans une nouvelle phase qu'on peut appeler à propos phase "d'austénite azotique". Toutefois, l'invention ne dépend point de l'exactitude de cette explication.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, on produit des alliages de fer à haute teneur en chrome et à teneur en azote, se prêtant bien au traitement thermique à température élevée précité, en introduisant d'abord de l'azo- . te, par exemple par exposition à température élevée à une atmosphère d'azote ou de gaz contenant de l'azote, dans un alliage de fer-chrome contenant une proportion de chrome sensiblement plus élevée que celle qu'on veut avoir dans l'alliage requis, et en employant l'alliage résultant pour fabriquer l'alliage requis, en le faisant fondre avec des ma-
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tières appropriées, par exemple avec de l'acier à faible te- neur en carbone et/ou avec du fer pratiquement pur.
De cette façon on surmonte les difficultés susceptibles d'être ren- contrées en pratique si l'on tentait d'introduire directement la quantité voulue d'azote dans des alliages de chrome-fer contenant environ 22,5 à 28 % de chrome.
Un procédé approprié pour produire un alliage de fer à haute teneur en chrome et à teneur en azote est le suivant :
On traite par petites fournées, à 1200 - 1400 C., pendant environ 2 heures, dans une atmosphère d'azote, du ferro-chrome industriel ordinaire contenant 65 - 70 % de chro- me, très peu de carbone et moins de 0,1 % d'azote. A cette fin on peut employer un four à induction à haute fréquence ou un autre four approprié. La quantité d'azote absorbé dépend de la durée et de la température du traitement; jusque 2 % peuvent être facilement absorbés. Puis on fait fondre de manière usuelle et on coule le métal résultant ; cette opération de fusion a pour effet de produire un alliage relativement homogène.
Le produit est employé comme alliage "clef" pour fabriquer l'alliage à haute teneur en chrome requis, par exemple de l'acier à 25 % de chrome, en le faisant fondre avec des matières appropriées, par exemple avec du ferro- chrome à 65 - 70 % non traité au moyen d'azote et avec de l'acier à faible teneur en carbone et/ou du fer pratiquement pur, et en réglant les quantités des ingrédients de manière que la teneur en azote de l'acier au chrome résultant, compte tenu d'un faible gain provenant de l'atmosphère durant sa fabrication, ne diffère pas beaucoup d'un centième de la te- neur en chrome. Il est préférable de désoxyder l'acier au moyen de manganèse métallique plutôt qu'au moyen de ferro- manganèse, afin de maintenir faible la teneur en carbone.
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En outre, pour calmer l'acier, il peut être recommandable d'éviter l'emploi du silicium ou/ de l'aluminium ou de matières contenant du silicium et/ou de l'aluminium. On coule, on forge ou on lamine le lingot de la manière usuelle, mais pour le forgeage on emploie de préférence une température élevée, par exemple 1000 à 1200 C. Puis on soumet le produit au trai- tement thermique et à l'opération de trempe conformes à l'in- vention.
Les exemples suivants sont cités à titre d'illustra- tion de l'invention: EXEMPLE 1.
La matière de départ est un acier au chrome à 25 %, contenant de l'azote, qui a la composition suivante:
Carbone 0,11 %
Chrome 25,0 "
Azote 0,27 "
Nickel 1,0 "
Manganèse 0,45 "
Silicium 0,26 "
Aluminium 0,08 "
Soufre 0,03 "
Phosphore 0,015" le reste étant du fer exception faite pour les traces éven- tuelles d'impuretés (par exemple de Cu ou Co) se rencontrant habituellement dans les aciers de ce type. Un tel acier est d'ordinaire très fragile (Indice de résilience Izod = 2 à 5 pieds-livres).
On chauffe pendant environ une heure à des températu- res de 900, 1100 et 1150 C. des barres cylindriques de cet acier réduites à la forge d'un diamètre de 50 mm à un diamè- tre de 15 mm, puis on les trempe à l'eau. Les barres traitées thermiquement aux deux températures supérieures sont notable- ment plus résilientes et beaucoup plus ductiles que la barre traitée à la température inférieure, et elles ont de très bonnes propriétés d'usinage: on peut séparer au tour de longs copeaux en spirale (par opposition avec les petits copeaux
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résultant des aciers au chrome à 25 % usuels). Comme exemple de la très bonne ductilité, on peut produire des feuillards minces par laminage à froid.
On obtient les indices de ré- silience et de ductilité suivants:
EMI6.1
<tb> Température <SEP> du <SEP> Résilience. <SEP> Ductilité,
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> traitement <SEP> Indice <SEP> de <SEP> résilience <SEP> mesurée <SEP> par
<tb>
<tb>
<tb> thermique. <SEP> Izod. <SEP> l'allongement <SEP> dans
<tb>
<tb>
<tb> l'essai <SEP> à <SEP> la
<tb>
EMI6.2
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ traction.
EMI6.3
<tb>
900 C. <SEP> Moins <SEP> de <SEP> 10 <SEP> pieds-livres <SEP> 25 <SEP> - <SEP> 28 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> 1100 C. <SEP> 35 <SEP> - <SEP> 40 <SEP> " <SEP> " <SEP> non <SEP> mesuré
<tb>
<tb>
<tb> 1150 C. <SEP> 55 <SEP> - <SEP> 70 <SEP> " <SEP> " <SEP> 46 <SEP> - <SEP> 50 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> 1200 C. <SEP> 25 <SEP> - <SEP> 35 <SEP> " <SEP> " <SEP> non <SEP> mesuré
<tb>
EXEMPLE 2.
On traite thermiquement à 900, 1100 et 1150 C. des éprouvettes d'un acier au chrome à 27 % contenant de l'azote, puis on le trempe à l'eau. La composition essentielle de l'a- cier est
Chrome 27,1 %
Carbone 0,10"
Azote 0,33"
Manganèse 0,5 "
Silicium 0,29"
Nickel 1,8 " le reste étant du fer, exception faite pour les traces éven- tuelles d'impuretés. L'indice de résilience Izod habituel d'un tel acier est d'environ 1 à 2 pieds-livres.
L'indice Izod et l'indice de ductilité des éprouvettes traitées ther- miquement sont: -
EMI6.4
<tb> Ductilité
<tb>
<tb> Température <SEP> du <SEP> Résilience <SEP> mesurée <SEP> par
<tb>
<tb> traitement <SEP> Indice <SEP> de <SEP> résilience <SEP> l'allongement <SEP> dans
<tb>
<tb> thermique. <SEP> Izod <SEP> l'essai <SEP> à <SEP> la
<tb>
EMI6.5
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ traction.
EMI6.6
<tb>
900 C. <SEP> 3 <SEP> pieds-livres <SEP> 22 <SEP> %
<tb>
EMI6.7
iioooc. 7 - 8 rr tut non mesuré
EMI6.8
<tb> 1150 C. <SEP> 50 <SEP> -55 <SEP> " <SEP> " <SEP> " <SEP> 38 <SEP> %
<tb>
EMI6.9
1200 C. 20 -25 tt non mesuré. -
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EXEMPLE 3.
L'indice de résilience Izod et l'indice de ductilité d'un acier au chrome à 22,5 % contenant de l'azote (composi- tion : Cr 22,53, C 0,15, Si 0,27, N2 0,224), qui a été traité thermiquement à la température indiquée, puis a .été trempé à l'eau, sont :
EMI7.1
<tb> Ductilité,
<tb> Température <SEP> du <SEP> Résilience <SEP> mesurée <SEP> par
<tb> traitement <SEP> Indice <SEP> de <SEP> résilience <SEP> l'allongement <SEP> dans
<tb> thermique. <SEP> , <SEP> Izod <SEP> l'essai <SEP> à <SEP> la
<tb> - <SEP> - <SEP> - <SEP> traction
<tb>
<tb> 900 C. <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 4 <SEP> pieds-livres <SEP> 25 <SEP> %
<tb>
<tb> 1100 C. <SEP> 20 <SEP> -25 <SEP> " <SEP> " <SEP> 30 <SEP> %
<tb>
<tb> 1200 C. <SEP> 10 <SEP> -15 <SEP> " <SEP> " <SEP> non <SEP> mesuré
<tb>
EXEMPLE 4.
L'indice de résilience Izod et l'indice de ductilité d'un acier au chrome à 23,7 % contenant de l'azote (compo- sition: - Cr 23,7 C 0,15, Si 0,26, Ni 1,11, N2 0,25), qui a été traité thermiquement à la température indiquée, puis a été trempé à l'eau, sont:
EMI7.2
<tb> Température <SEP> du <SEP> Résilience. <SEP> Ductilité,
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> traitement <SEP> Indice <SEP> de <SEP> résilience <SEP> mesurée <SEP> par <SEP> l'al-
<tb>
<tb>
<tb> thermique. <SEP> Izod <SEP> longement <SEP> dans
<tb>
<tb>
<tb> l'essai <SEP> à <SEP> la
<tb>
<tb>
<tb> ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> traction
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 900 C <SEP> 5 <SEP> - <SEP> 6 <SEP> pieds-livres <SEP> 35 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1100 C. <SEP> 50 <SEP> -55 <SEP> " <SEP> " <SEP> non <SEP> mesuré
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1150 C.
<SEP> 50 <SEP> -55 <SEP> " <SEP> " <SEP> 60 <SEP> - <SEP> 76 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1200 C. <SEP> environ <SEP> 40 <SEP> " <SEP> " <SEP> non <SEP> mesuré
<tb>
L'amélioration de résilience et de ductilité appor- tée aux aciers grâce au traitement thermique à température élevée résulte clairement des exemples précédents. Il peut être ajouté que les diverses autres propriétés sont au moins aussi bonnes., sinon meilleures, que celles des aciers trai- tés thermiquement à des températures moins élevées ou non
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traités thermiquement. Ainsi, on peut recuire les aciers à des températures allant jusque 4000C, sans diminuer la rési- lience, et ils résistent à la çhaleur (c'est-à-dire ne s'é- caillent pas à température élevée) et résistent à la corro- sion.
Les aciers peuvent être utilisés à toutes les fins pour lesquelles on emploie couramment des alliages résistant à la chaleur et résistant à la corrosion, par exemple pour la construction d'appareils chimiques et de fours.
Bien que l'invention ne soit limitée à l'emploi d'aucune durée de traitement thermique particulière, on peut observer que pour des fins pratiques des durées de traite- ment thermique allant de moins d'une demi-heure à environ deux heures sont habituellement satisfaisantes pour des alliages ayant les compositions envisagées. En général, il y a peu à gagner par une prolongation exagérée de la durée de traite- ment et, en vérité, une telle prolongation pourrait être désavantageuse.
REVENDICATIONS ---------------------------
1) Procédé pour fabriquer du'fer et de l'acier à haute teneur en chrome de résilience et de ductilité amélio- rées, caractérisé en ce qu'on soumet à un traitement thermi- que à une température supérieure à 1050 C., suivi d'un re- froidissement ou d'une trempe rapides, un alliage de fer à haute teneur en chrome et à teneur en azote, contenant plus de 20% de chrome.