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ERIVLT D'INVENTION
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Alliage au nickel-chrome à caractère a.ust^nitique.
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la. Socirvt-' dite : 5IIlllàY JESSOP AND 1016 IJMITED Erightside Works à Sheffield (Angleterre)
Cette invention concerne les aciers au nickel-chrome à caractère austénitique, c'est-à-dire possédant une structure cubique centrée sur la tranche.'
Il est connu d'incorporer aux a.ciers à teneur élevée en chrome une certaine proportion d'un ou plusieurs des métaux suivants :
- niobium (columbium), tantale, titane, vanadium et zirconium, à cause de l'affinité de ces métaux pour le carbone, et de régir par là même la. formation des carbures dans l'acier, ce qui peut faire naître une fragilité intercristalline,
Le but de l'invention est de créer des aciers au nickelchrome de caractère austénitique qui manifestent une résista,nce élevée au glissement aux hautes températures.
'
L'invention est fondée sur cette observation que pa.r l'incorporation aux a,ciers au nickel-chrome d'une proportion comprise entre 0,05 et 15,00 % d'un ou plusieurs des métaux du groupe comprenant le niobium (columbium), le tantale, le vanadium, le titane et le zirconium, non seulement on comba.t leur aptitude à la fragilité à longue échéance, mais on obtient
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une .plus grande résistance au glissement et une plu-j t;r"'::ds ductilité aux hautes températures . Un degré plus élevé de résistance au glissement et une plus grande ductilité sont assurés par l'addition de certaines proportions de tungstène (wolfram) ou de molybdène, ou de ces deux éléments.
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L'invention est ITB,tri8,lisée, de façon généra,le, dans des constituants QI (3,cier au nickel-chrome, comprenant :-
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Carbone ..... ...... '.' 0,08 à 1,00 %1
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<tb>
<tb> Silicium <SEP> .............. <SEP> 0,1 <SEP> à <SEP> 2,00 <SEP>
<tb> manganèse <SEP> .............. <SEP> 0,1 <SEP> à <SEP> 2,00%
<tb>
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Nickel ............... 5 a 30 /c
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<tb>
<tb> Chrome <SEP> ............... <SEP> 30 <SEP> à <SEP> 5 <SEP> %
<tb> Tungstène <SEP> et <SEP> (ou) <SEP> molybdène <SEP> ..... <SEP> 0,05 <SEP> à <SEP> 10 <SEP> %
<tb> et <SEP> .................
<SEP> 0,05 <SEP> à <SEP> 15 <SEP> %
<tb>
d'un ou plusieurs des
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métaux dû groupe confprerr-rt le nioMum, le tnta.le, le vanadium, le titane ou le zirconium, le reste de la composition de l'acier.étant constitua par du
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fer et par les impuretés i1vvitables.
De 11rfrence, suivant l'invention, on utilise du ferro-niohum ou un mélange de fer, de nioklium et ae tantale pour la fabrication de l'acier.
La proportion de niobium a.vec ou sans un ou plusieurs des métaux suivants : tantale, vanadium, tita.ne, zirconium
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peut être comprise rationnellenBnt entre 0,1 et O,25Í dans le cas d'aciers utilisés pour certaines applications, par exemple d'aciers ;::'U¯:3tPjÜtin.\).es pour la. frrica.tion aes soupapes d'admission et d'échappement des'moteurs à combustion interne des avions.
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Pour des aciers aptes à être soumis, au cours de leur usa.ge, à des températures très élevées, une proportion comprise entre 3 % et 3,5% de niobium donne des résultats très satisfaisants, et une proportion de 10 % de niobium avec l'un quelconque ou plusieurs des métaux : tantale, vanadium, titane ou zirconium, donne des résultats encore mei lleurs.
Par suite du prix élevé du niobium et des métaux analogues, une proportion de l'ordre de 10% ou supérieure peut prêter à des critiques si les considérations de prix jouent un rôle essentiel.
La proportion du tungstène et (ou) du molybdène est comprise entre 0,05% et 10 %, une proportion située dans le voisinage de 2,5% étant généralement satisfaisante.
En outre, suivant l'invention, les aciers peuvent contenir' une certaine proportion de cobalt comprise entre 0 % et 30% et dont l'addition a. cha,nce d'augmenter la. résistance au glissement, une-proportion située dans le voisinage de 10% de cobalt donnant des résultats extrêmement satisfai sants.
Des aciers conformes à l'invention peuvent contenir en outre, une certaine proportion d'a.zote et, à titre d'exemple d'une haute teneur en azote applicable à des a.ciers englobés dans la portée de l'invention, on peut indiquer une proportion d'a.zote égale à 0,3 %, une proportion plus normale étant de 0,06 à 0,3% L'a,zote peut être introduit dans les alliages par l'intervention d'un ferro-chrome fortement azoté.
De préférence, suivant l'invention, la production de l'acier et, en particulier, les phases au cours desquelles
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le niobium avee ou saris l'un quelconque ou plusieurs des
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;:létaux du groupe du- ta.llta.le, au vz-.ii,3,diu,-n, di. tita.ne et du zirconium, est introduit est exécutée dans un four à vide ou dans des conditions opératoires aii ïi. s :ei i t une atmospnère neutre, c'est-à-dire non oxydante, autrement dit une atmospaàrequi le donne pas lieu à la. production de cya.noazotures.
Dans le cas d'aciers austénitiques au nickel-chrome, dans lesquels 1'aluminium n'est pas un constituant voulu, les proportions des constituants essentiels sont comprises dans les limites suivantes : -
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<tb>
<tb> Carbone <SEP> ................ <SEP> 0,08 <SEP> à <SEP> 1,00%
<tb>
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3i Ii ci um 0,1 à 2,00
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<tb>
<tb> Manganése <SEP> 0,1 <SEP> à <SEP> 2,00%
<tb> Nickel <SEP> ................. <SEP> 5 <SEP> à <SEP> 30
<tb> Ghrome <SEP> ................. <SEP> 50 <SEP> à <SEP> 5
<tb> Tungstène <SEP> et <SEP> (ou) <SEP> molybdène <SEP> .......0,05 <SEP> à <SEP> 10 <SEP> %
<tb> Niobium <SEP> 0,05 <SEP> à <SEP> 15
<tb>
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Co lj8.l t .
.............. 0 à 30 Aote e ................. 0 à 0 , 5
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le reste ue la coooosition de l'acier 4tant :,<>,gr 4seiité .pf; 1: du. fer et par les impuretés irl' vi t1-3 L:l es.
Eii outre, dans les aciers nu- nickel-chrome tels que 3"/ ci fi és dans le -pc: r8f::7'".ohe précédent, les proportions desdits constituants essentiels peuvent être comprises
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dans les limites suivantes :-
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<tb>
<tb> Carbone <SEP> 0,2 <SEP> à <SEP> 0,6
<tb> Silicium <SEP> ............ <SEP> 0,2 <SEP> à <SEP> 1,5%
<tb> Manganèse <SEP> ............ <SEP> 0,1 <SEP> a <SEP> 1,2 <SEP> %
<tb> Nickel <SEP> 5 <SEP> à <SEP> 25 <SEP> %
<tb> Chrome <SEP> ............... <SEP> 30 <SEP> à <SEP> 10 <SEP> %
<tb> Tungstène <SEP> et <SEP> (ou) <SEP> molybdène <SEP> ... <SEP> 1, <SEP> 5 <SEP> à <SEP> 10
<tb> et <SEP> ................
<SEP> 1,0 <SEP> à <SEP> 8,0
<tb>
de niobium avec ou sans l'un quelconqueou plu- sieurs des méta,ux du groupe tantale, vanadium, ou zirconium, le reste de la, composition de l'acier étant représente par du fer et par les impuretés inévita,bles.
Dans le cas d'aciers similaires dans lesquels l'aluminium ou le cuivre est un constituant voulu, la, pro- portion de ces métaux peut varier respectivement entre les limites' de 0,03 et 30 % et de 0,05% et 15%.
Un acier conforme à l'invention et utilisable pour la. fabrica,tion des soupapes peut a,voir la. composition suivante :-
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<tb>
<tb> Carbone <SEP> 0,43
<tb> Silicium <SEP> 1,2
<tb> Manganèse <SEP> 0,6
<tb> Nickel <SEP> .............. <SEP> 13,0
<tb> Chrome <SEP> 13,0
<tb> Tungstène <SEP> 2,5
<tb> Molybdène <SEP> ............. <SEP> 0,2
<tb> Niobium <SEP> 0,2
<tb> irconium <SEP> 0,1
<tb>
le reste de la composition de cet acier étant représenté par du fer et pa.r les impuretés inévitables.
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Dans cet a cie r, 'la, proportion de niobium combat l'aptitude à la fragilité à long terme et assure une plus grande résistance au glissement et une ductilité plus élevée.
Un autre acier semblable contenant 1% de niobium possède des propriétés supérieures quand il est refroidi dans l'air après avoir été chauffé à 1150 C.
Un autre exemple d'un a.cier compris dans la portée
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<tb>
<tb> de <SEP> l'invention <SEP> a, <SEP> la. <SEP> composition <SEP> suivante
<tb> Carbone <SEP> ................. <SEP> 0,40
<tb> Silicium <SEP> ................ <SEP> 1,0
<tb> Manganèse <SEP> 0,8
<tb> Nickel <SEP> ................. <SEP> 25
<tb> Chrome <SEP> ................. <SEP> 13
<tb> Tungstène <SEP> ............... <SEP> 2,5
<tb> Niobium <SEP> ................. <SEP> 0,2
<tb> Molybdène...... <SEP> 2,0
<tb>
le reste de la, composition de cet a.ci er tant représenté par le fer et les impuretés inévitables.
Cet acier possède une bonne résistance au glissement après avoir été chauffé à une tempéra,ture supérieure à 1200 C, et refroidi dans l'air ou da.ns des milieux a.scurant un refroidissement plus rapide. Toutefois, l'acier n'est pas très ductile à des températures de l'ordre de 600 C. à 900 C.
L'acier sus-indiqué se ca,sse avec un allongement de l'orure de 0,5 à 3%; mais dans les conditions dans lesquelles les a.ci ers de ce genre sont généralement employés, c' est-àdire dans des conditions pour lesquelles ils doivent résister
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à une température élevée, un allongement de 1,5% est sati sfai san t.
Un a,utre exemple d'un acier conforme à l'invention présente la. composition suivante : -
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<tb>
<tb> Ca,rbone <SEP> 0,40
<tb> Silicium <SEP> ................ <SEP> 1,0
<tb> Manganèse <SEP> ................ <SEP> 0,8
<tb> Nickel <SEP> 13
<tb> Chrome <SEP> ................ <SEP> 13
<tb> Tungstène <SEP> ................ <SEP> 2,5
<tb> Niobium <SEP> ) <SEP> 3,1
<tb> Tantale)....
<tb>
Molybdène <SEP> ................ <SEP> 1,8
<tb> Cobalt <SEP> ................ <SEP> 10, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
( (haute teneur en azote 0,'25 %) Azote ( ( teneur normale en azote 0,06 % ) le reste de la composition de cet acier étant représenté par le fer et les impuretés inévitables.
Les a,ciers présentant sensiblement cette composition ont une ductilité relativement élevée aux hautes tempéra.tures . et cassent avec un- allongement de l'ordre de 6 à 15 % après qu'on a chaufféces aciers à une température sup érieure à 1230 C, et qu'on les a refroidis dans l'air ou dans des milieux assurant un refroidissement plus rapide.
Une valeur de résistance typique dépasse 2200 kg. environ par cm2 pour une fatigue de 1% sous l'influence d'une température de 650 C. et pendant 300 heures.
Une résistance égale à 1575 kg. par cm est obtenue pour une fatigue semblable et des conditions opératoires analogues au point de vue du temps et pour une tempéra.ture
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Lee e '7 1 1 '1 . Une résistance cigale à 7G1.}.? 3 kg ..y ,Er i Loe" et. pour une \>Btllre de 800Q C. L:8Ltt être obtenue.
Pour c1111E,..i' les S .l' 2:-r 1 a v C'B LL e r '-.'f:31 D.C au.
; i 1 1 .#. F e ..i: .> : .t des .f:l6Y'8 conformes a. l'invention, (:,-:11...\-C1 'n.yrr;il,' Ci.'() 30L-n8 ::.. I.Ùl t'c i.Jl.1:811t tJ.E::rllliql1e U¯ 7¯;t'::'Ï''""L1':¯:J.OI1 ;.; c¯1.l8 e .l <=, ¯;¯:j: <J ; .i 1:, <,1 ; . CO ci;3e e ., :.... = ¯:.. Jj :: 1 5Ù 1 , !¯l-LLe;¯.C'I:.:y à.* .p ;> ii;1; t'te 1L1s1Jiî lull'1'.I de ''..ClEs'¯'t ,C'2':i'i:-ë 1i2 d'un si tu })OiDt de fusion/dans la. région de 150 C..à. 180 C, On entend ici par Tr Z'0.: i(::Llent thermique (}'i21prr?naticmn 1.:11. tl';-:it,8lB:llt '3eOIl lequel i .Î t r,;r7.Er est CA¯':'.y ¯ L', '<-11),8 tempsrr, "'"' Ll-i11f01":¯iE;, puis .:./- intenu 8. cette température pendant Lui b Ù e r l' ' . 5 . ¯%'ß-1 ('8 '('8;1::;'S. \.le dernier peut descendre jusqu'à une minute et est d Ûe:L':;1111e ps r la. 't (%i!1 ".C'?-1;,7 T'e à.e fl.'h'C].E>i.
C! E::'2t 2insi (?1L'¯2 pour une temp4-'-'-'.ture de 14J <u , \U-èie8E.0l'f du 1'01,10 l'.e ".Iul011 11l1l!lc"J., Q.\,;ler eSl! üen!1llJ.",ewc:::n Impregne c 1 rK!intenu z- sa. ter:19Á:c8.ture uniforme penda.nt une période d'environ une minute et à une température de 150 C.
L!-ü.f;,î.:0ü.' du point de fusion lin¯i1.1, 1TI:.C%leC est Maintenu c.. sa ^2'tn l.i.¯: ll1l1101 .i,': pendant vingt minutes environ.
1: Gi'::::'..l!.'..:: ¯,., :; le '/;.j t8lC .t,..J:rrLiLle est E: f E: C l;L; à à e températures si? i'1¯i.¯1, .: ,.'l..' 1200 0. et l; 1ï4 L, environ, -;: \: ;- :': "1." J é ,p "j ¯,¯ .< . : j ( e ;; ;<- i'#ô '1¯: 1 ; e . , . iié.. < . i¯ i Fi , '''acier peut être soumis ;; <, j .l¯. .,. ,.<c. ¯'E''C:¯:...:-',¯..¯.'r!:.l trusque, ;::::0 i -J , un. :'C; t t]3.Q¯=::E;..:E'.I:4 i <,>. ¯; .1 suit encore 2l un r8=roicli8;':jetlé.J!.t ou 1. une trempe bruaque dans 1¯ ' i iL:¯ 1 i avec refroidissement lent clans l'air Q,;'U.tl'8Íl1E:;:It selon une allure e C011+,,3'OLî.e a. partir de la -::'e..:'r; ;¯r élevée e 1. i > :" " :. i.:# i qui est utilisée dans le 7Jr'E-"-iteinent Cl 1 -iE 1' ':'[1lC:ljlOn tüle¯':.i- CyL e.
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Le ti: <1 .te :30 > 1 .k> therhnque est ef " <> et i 1 4 , de vr"'':rence, dans une atmosphère e:#i:eui.Q1,.e due composas soufras, cette atmosphère ,:t.l1Ju de 1)1' ,(f "T'8UCe inerte ou. 1 ;1<ii i. c 1. t. i c e .
Aprus ce traitement et si l'on d / i 1. i: améliorer les chiffres des estais de r.'si "3ti'llCG de 1 ' a. c i er aux 1 :c s ;j e r= te,.1Jr:.tlTef.:J, 1.' é,ci.cr peut être hoamis à t:.n tr, i -tE ;... / d31',:.1:...ue sc'ii;;: il'%-1 i.E..i.¯lt :;?(:a'.'¯¯¯e, de façon filLe 1s. ,i'i,rtïc.Mon plastique e s' opàrc 1, des temperatu.res comprises entre des liantes <le (.00 et CcG 000 G. pendant une notable période de 1 'PI:Ub.7, .Le t1.'"itbneüt VJ : E ' 'Y I¯.7. n iti 8:31, 01'/:('S, de -y.¯ 1y^ "1 ! r ' C, i 1 Ce, tl%1tt i aie }-filme de 1=, <, ; 17F r.. l , > <> e ; > ; 1 '1 > o ii± dur r 7 5LJ ' J , C5C' C. et 1ût', ta .t .a it'l iii ;i> : 1 '/oi:;-3ÍJlf:1.,-"e de e é Ù é i .
La diu<" ie du trai te.llent peut varier de une à cent heures, cette dure de e tr .>,i t,e me iit 4téJ.nt i i l- .n<T. i c ment d'a.uta.nt plus courte que la. température utilisée est plus élevée.
Une durée de traitement de vingt heures convient pour une ternpprature de 800 C.
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Ce mode de trnitercsnt q';[.)"'1 '-1+e e lii. r 1:.ii >;.l:,>i,< < c de 1 ' ;, ci. er B33R.yr; aux ba.sses températures, mais il peut se traduire par une résistance au glissement un peu plus faible aux températures élevées.
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Ce dernier trà.ite;oent thermique op re à des températures comprises entre 600 C, et 9 00 C , peut être considéré comme un traitement de vieillissement. Au cours de
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ce traitement de vieil7.is;ernent, les aciers ne sont pas soumis à un traiteLTent 14céii.iiq-te, de jor'te qu'une détonation plastique s'effectue.
De façon générale, ce dernier traitement thermique améliore les qualités de l'acier du point de vue des
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considérations ;iu 1 imn te s : - Les prOprlP'G"'8 mécaniques aux
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1 = . e3t.'.'".i:'"!ji'es ( 1, . i 1 ' 1 1 .., . i> ;.. i.-'-.'u <J o.-c i.. <. é .::: . : /..; . =... : i <, ;: 1 1: , f. .; .".,i e : : llJ(l.,Á8. ,:L1Ulti:L,-ÇUC!lt, ue e d 1- sii i ; 1 1 1 o ; ; 2 :l gE y> c ;ic ii .ï ; ;<."'';i:..'e Ger'iaiiies .lj <; ig ,Éi>* 'laii' e s '¯ !'rit f-.c ;: j à. ;. <. ; 5 c. #.. ii; .ul. à . J.1 l>Ú'i","uiOll (;,.Jú.:::ti.1;.,"l'I, une variante du tra,i tem.ent thermique décrit en dernier lieu ou en plus de ce traitement thermique, des aciers conformes à l'invention peuvent être soumis à un traitement d'usinage à froid.
Ceci a pour effet d'ampliorer la. dureté et la. résistance a.l1X essais aux températures s' éleva.nt jU&IU' à 400 C. Cette amélioration peut s'a.ccompa.gner ega.lement d'une diminution de la r 4sixtance a,u gli cément du méta.l aux tenp4ra.ures élevées.
Le traitement d'usinage à. froid peut être appliqué é au stade qui suit immédiatement le traitement aux températures élevées, c'est-à-dire le traitement thermique d'imprégnation auquelil a. été fait allusion plus haut.
En soumettant des aciers conformes à l'invention à un traitement mécanique, nota{.ment par compression dans une presse, par forgeage ou par lanina6e à des températures inférieures à celles quxquelles ces aciers seraient normalement ainsi traités (par exemple à des températures comprises entre 600 C. et 800 C.) on peut augmenter de fa.çon très appréeiable la, résistance de ces aciers aux températures élevées ainsi que leur résistance au glissement sans réduire par ailleurs dans une mesure excessive leur ductilité.
De plus, siun pa.reil traitement est appliqué avant le traitement thermique d'imprégnation, indiqué ci-dessus en premier lieu,
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on peut améliorer encore leur résistance a,u glissement sa.ns diminution exagérée de leur ductilité.
L'invention réside particulièrement dans les a,ciers a.ya,nt les compositions spécifiées da.ns les exemples susdits et dans les aciers contenant les constituants, indiqués et selon les proportions exactement égales à celles ou voisines de celles qui sont indiquées dans ces exemples da,ns la, mesure où les proportions de ces a.ciers sont elles-mêmes voisines de celles indiquées ci-dessus.
L'invention englobe les objets destinés à être .soumis à de hautes températures et ,en particulier les soupapes des moteurs à combustion interne à régime pousséet des rotors et aubages des turbines à gaz ou appareils analogues . constitués par des a.ci ers a.yant les caractères sus-indiqués.
REVENDICATIONS 1.- Acier au nickel-chrome formé par les constituants suivants :- carbone 0,08 à 1,00 %, silicium 0,1 à 2,00 %, manganèse 0,1 à 2,00 %; nickel 5 à 30 /{,, chrome 30 à 5 %, tungstène et (ou) molybdène 0,05 à 10%, et 0,05 à 15,00 d'un ou plusieurs des métaux du groupe comprenant le niobium, le tantale, le va,nadium, le titane et le zirconium, le reste de la, composition de l'acier éta.nt constitué par le fer et les impuretés inévita,bles.
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