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"Perfectionnements apportés aux aciersspéciaux et à leur trai- tement thermique"
La présente invention concerne un acier spécial ou alliage d'acier perfectionné et un traitement thermique pour celui-ci, ainsi que des pièces moulées fabriquées et traitées conformément à l'invention.
Au cours des dernières années, on a réalisé de grands pro- grès dans les soi-disant fontes d'aciers spéciaux, qui ont per- mis de réaliser, par moulage, de nombreuses pièces qui devaient précédemment être forgées, en réduisant ainsi considérablement les frais de fabrication de ces pièces. L'application du procédé .,;de moulage a toutefois été limitée dans de nombreux cas, puisque (certains aciers, tout en possédant des propriétés physiques appropriées à d'autres points de vue, laissent beaucoup à désirer quant aux propriétés intéressant la coulée.
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Un des principaux. objets de l'invention consisue à..)ro- auire un acier â1 ¯.Cl.1 ,ui peut être utilisé pour 1> 1l,oL,18.e (le )1:Ces pour LaLito:..0Ô11E;C et é:Li wie4 qui oevaient jusqu'à présent r-,trp fE.!'l:lUCe. par InCr"'(;' ',0 OU , par ''C'l-,r1':' ¯7fOCCC:.1; rdative- .ent coûteux.
Un aLltre objeu de l'111VP:itlCi: COY1.ltC z. y)f0.,,l:;lY'E Ul) :cier -3 ci:o.l ayant une teneur erj C'lriJ0Yle fr;;.no:1,;..<=:>t élevée, âL,3i 1 / ..., 'Gr.lte!.!Eft ti2erl?i11u6 -)OL:r celui-ci, ,¯>ir...eilai.1 ,-i'ob'uei-ir ,1.6S pièces 6r" fonte d'acier .,,1 ù0i!G plus 5011:..;e> et [:1,-;;,.> 6..i.ie, ';,ut; celles qui pouvaient jusqu'à )réSE:-Lt être obt6m)e di..,l.3 le r#x de pièces en fonte aye..nt environ une teneur ei. caroone Jt,,,:JI8.iJle.
Un coi'urai or.jeu axe l'iaventicn con.,)i.3te a produire ui.e fonte .'scier spécial ayant une co;.i,)0bition s; J,)ro.,ci:".tiv8WE:.üt cutecti- que et ..i.c:t-m.' laquelle le ceroone )r:3,,,61"L '.18.1d la fonte .Je trouve ")rirlcil'é:d6,..e:t à l'état combiné.
Jncore un autre objet ae l' inve..Juion corlviste à produire un alliage a'acier à teneur en carbone fC8.i1CLlEU1Clt élevée, LLOLG le JJro JrÍsts3 de coulée sont 8;;:élioréeù par une teneur en sili- CluCt1 'Ce18.ti ve..ect élevée et qui contient au Cc¯rr011e, au CillClui.. et o-u .manganèse aans <àes Î'C l)o 'Cti 01lG c.;)CO.;'t"1.P,s pour produire une CO::i;051ta01'7 a);Jro..ô"lD.tive:.6ilt eutectique; en râül:.c>" èlÍY1i là terKlé1nce à la formation ue ûécnirures a chaua et a la prouuc- tion ue uenù.rite6 et de e 1 1 . jfi ; de Moinare e r <1 > 1 <4 t :#i n c e :,.1. , la picce coulée.
Un objet de l'invention con>1<sûi, encore a, perü ttrE la production u'articles en fonte a'acier présentant aes propriétés JhJ ""iqlAes plus avantageuses, notal.r:,erlt une résistance à lx. trac- tion, une élasticité, un allol1,::,:e'Hent, une facilité a.'usinage,
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etc.., plus élevés qu'il n'était possible d'obtenir avec les
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aciers spéciaux connus jusqu'à présent.
Un autre objet ae l'invention consiste encore i:1 prévoir un nouveau traitement thertilique pour l'acier spécial, qui etupe-
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chera la croissance du grain et. qui a.écol1lposera les carbures stratifiés formant la perlite, en les transformant en petites particules arrondies individuelles ou sphéroïdes.
D'autres particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après.
Parmi les nombreux objets qui peuvent être établis par cou- lée en l'acier spécial selon l'invention, au lieu de devoir être forgées, on peut citer les cartersd'essieu arrière pour camions, des roues à gorge, etc..
Les divers alliages selon l'invention présentent une com- position comprise entre les limites ci-après :
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<tb> I.
<tb>
Carbone <SEP> 0,75 <SEP> - <SEP> 1,20%
<tb>
<tb> silicium <SEP> 1,00 <SEP> - <SEP> 1,50%
<tb>
<tb> manganèse <SEP> 0,50 <SEP> - <SEP> 0,80%
<tb>
<tb> molybdène <SEP> 0,15 <SEP> - <SEP> 0,35% <SEP> (facultatif)
<tb>
le reste (à l'exception des impuretés) étant du fer.
Dans la pratique, il est préférable que, pour certaines pièces mécaniques, la composition soit maintenuendéans les limites ci-après :
II.
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<tb>
Carbone <SEP> 0,90 <SEP> - <SEP> 1,10%
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 1,20 <SEP> - <SEP> 1,40%
<tb>
<tb> manganèse <SEP> 0,60 <SEP> - <SEP> 0,80%
<tb>
<tb> molybdène <SEP> 0,15 <SEP> - <SEP> 0,25% <SEP> (facultatif)
<tb>
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phosphore 0,087/o maximum le reste (à l'exception des impuretés) étant du fer.
Comme exemple particulier d'une composition d'acier compri- se entre les limites des susdites formules I et II, l'acier ayant l'analyse suivante à permis d'obtenir les résultats re- chercnés au point de vue de la coulée :
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<tb> III.
<tb>
<tb>
Carbone <SEP> 1,00%
<tb>
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silicium 1,30%
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<tb> manganèse <SEP> 0,70%
<tb> molybdène <SEP> 0,20% <SEP> (facultatif)
<tb>
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le reite Ct l'exception iici> impuretés) étant, ;,u î e.
'&ie autre composition trè::; frivora.;Jle , t0:..û.vfu .. .:.,;:;5 lew 1i,,itiJS ae la forh-iule I, 8:'ii la suivante :
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<tb> IV.
<tb>
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carbone o,eo - l,JO %
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<tb> silicium <SEP> 1,20 <SEP> - <SEP> 1,40 <SEP> %
<tb>
<tb> manganèse <SEP> 0,50 <SEP> - <SEP> 0,70 <SEP> %
<tb>
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molybdène 0,15 - 0,25 ).1 (facultatif) pho r pia ore 0,06 .b ,,a:Ú1JJull soufre 0,0 ';ô inaxi:m in , le reste, (à l'exception (les impuretés) étant du fer.
Une analyse typique tombant dans les limites de la formule
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Il et dans laquelle la teneur en carbone ect inférieure à Ls est la suivante :
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<tb> V.
<tb>
Carbone <SEP> 0,95 <SEP> %
<tb>
<tb> silicium <SEP> 1,35 <SEP> %
<tb>
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manganèse 0 , 5 0 , 1 molybdène '0,17 (facultatif) phosphore 0,06 'ô i..axii,.w:i soufre 0,05 '"j maxiùiumi
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le reste (9.. l'exception aes impuretés) étant a.-J fer.
Il résulte des formules données ci-dessus que l'emploi de
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nlolybàène est facultatif et peut, xi on le u-ésire, être écarté de la composition.
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uans les exemples eL formules aonnés ci-dessus ¯>oi<r l'acier F 1C:' l'invention, les 11.11 LE=i ,J:UiUÎ8. pour la teneur en carbone sonu u, i , 75 ',"O à. l ')0 .;1 Jusqu'à présent, on o on s lur 1 t yu' 11 Ó-#it, uésircle ue, l.l211S la arabique, les pièces ou OCjSl.,0 8. j .1 a une ueneur en carbone comprise bntre ces limites, soient ëtaolis selon le procédé de foq"-,8cJge usuel ou un procédé similaire, parce '-lU' on consiuérait qu'un procédé pour 18 coulée et 'un ici acier était ,pratigue...ei:1; irréalisable.
Un avantage il,jJortant
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réside donc dans le fait que les propriétés de fonderie améliorées de l'acier spécial selon l'invention rendent commercialement réalisables l'extension des méthodes de moulage de l'acier à une grande et importante classe de pièces en acier de haute qualité, dont la fabrication satisfaisante exigeait précédemment l'application de méthodes plus coûteuses et plus laborieuses.
Les susdits exemples de la composition de l'acier spécial selon l'invention sont caractérisés par leur teneur en silicium relativement élevée, ainsi que par leur teneur en manganèse rela- tivement accrue, bien que dans une mesure moindre. Il a été cons- taté que si l'on respecte les limites et exemples typiques donnés ci-dessus, on maintient une composition approximativement eutec- tique qui réduit la tendance à la précipitation de matière formant des dendrites et plans de moindre résistance, et, de ce fait, les propriétés de fonderie de l'acier sont considérablement amélio- rées.
L'essentiel est que, dans les proportions indiquées, il existe un équilibre substantiel des éléments, qui assure une com- position approximativement eutectique dans les limites de 0,75% à 1,20 % de carbone, et cela résulte principalement de la teneur relativement élevée en silicium, la teneur en silicium étant plus élevée que celle en carbone.
Bien que, pour ce qui concerne la teneur en carbone, le présent alliage tombe dans les limites de ce qui est généralement appelé acier à outils, les éléments d'alliage, spécialement la teneur élevée en silicium et la teneur relativement élevée en manganèse, ont pour effet de donner des propriétés de coulée exceptionnellement bonnes à l'alliage. De plus, en maintenant le rapport carbone-silicium suffisamment faible pour garder une composition eutectique ou légèrement hypoeutectique, il ne se produit pas de graphitisation primaire.
Il convient de noter spécialement la haute résistance du métal à chaud, qui réduit la tendance à la formation de déchirures à 'chaud, ainsi que la ten- dance à la formation de dendrites, ce qui entraînerait un affai-
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blissement ae la pièce moulée. Le plus grand inconvénient des Matières connues jusqu'a présent réside probablement dans le fait que les dendrites, déenirures à chaud ou plans de moindre
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ré.3istance ne deviennent tJé.S to1=jours -Jizibleqéu cours de l'usi- nage ou l'assemblage, ou même au cours d'essais súvère"" par eL6r::?le un e:Jsai de chute ..sur un carter 'J,' 6.jsitU arrière de camion.
Dans certains cas st;;bli1I.;L:;s, les défauts ",e, sent J..;.ni- testés plus tard ur lu route, lorsque l' iusiL:u ,,3ki'G ".,T'Li..(1LI .t'iu.G1!t ::'0'0. ie a un ciiec 8uffi;:;D.;.Le'(.J.JUi",:Jallt.
Il ressort àes huâtes et compositions spécifiques ii-ô-1.guée;1 que, en tant'que rèle générale, le. soucie des quanuiues de sili- ciuiii et de manganèse est 8.))ro::.ÍllléJ.t,iv6,eLt le aoucle ae celle du carbone. On constatera é;a161uent que le- quantité ue <5iliCÏ1rn enl 8 J ;ro;i:lati ve,ent le double Je celle du uianganese. Il eite donc une relation plus ou moins définie entre les quantités de silicium, manganèse et carbone entrant dans la composition.
K tite de comparaison particulière, et considérant la formule III comme un exemple démonstratif, on constatera que la teneur
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en manganèse est de 0,70 J'%, celle en silicium de 1,.1.J %, e'l., que leur 80,;1:1e atteint 2,JO:. n comparanu ceute 80..111e a la teneur en carbone, à. savoir 1,hoel µ1, on constate .LUe 18. SOJ.,l6 ,-,28 qua!'itiués cie manganèse et ¯Le silicium est le double ut la quan- tinté G6 carbone. On notera également que la teneur en silicium, il savoir 1,30 , atteint approximativexent le double de celle en manganèse, à savoir 0,70 %.
Des pièces moulées établies en un alliage d'acier tel que récrit ci-dessus, sont de préférence soumises à un traitement thermique dans un four du type continu (dont la représentation est superflue) qui diffère principalement du type usuel en ce que le four est établi en deux parties, de façon à permettre un traitement thermique avec intercalation d'une trempe dans l'air, tel que décrit ci-après.
Selon la présente invention, les pièces moulées sont intro-
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duites, sur un transporteur, dans la première partie du four, . et sont portées progressivement à une température d'environ
17250 F, le temps nécessaire pour atteindre cette température étant d'environ deux heures. On permet aux pièces de fonderie de rester ou stationner dans le four à cette température pen- dant environ une heure, les pièces étant alors enlevées de la .première partie du four et. refroidies rapidement à l'air jus- qu'au-dessous de la température critique, c'est-à-dire à environ 12000F, le refroidissement ou la trempe à l'air étant effectuée en un temps relativement court d'environ quinze minutes.
A cette température élevée, l'effet d'un refroidissement rapide sur la structure est très prononcé, en ce sens qu'il produit non seu- lement une égalisation prononcée de la structure de la fonte, mais empêche également la croissance des grains.
Aprèsla trempe rapide dans l'air, le transporteur amène les pièces en fonte dans la deuxième partie du four, où elles sont réchauffées à environ 14000F. en une heure, et sont mainte- nues entre 1400 F et 1460 F pendant environ deux heures et demie, après quoi on fait baisser la température des pièces jusqu'à environ 1300 F, à raison de 25 F par heure. On'laisse alors refroidir dans l'air les pièces moulées de 13000F à la ternpé- rature atmosphérique.
La deuxième partie du cycle de traitement thermique, à savoir celle dans laquelle le métal est réchauffé à 1400 F et est maintenu approximativement à cette température pendant une période de temps notable, edt d'une importance capitale puisque la sphéroidisation s'opère au cours de cette période. Le proces- sus de sphéroiaisation consiste en une décomposition des carbures stratifiés formant la perlite, en de petites particules inai- viduelles arrondies ou sphéroïdes.
Le susdit traitement thermique produit une distribution fine et pratiquement uniforme des carbures, ce qui donne lieu
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à l'obtention \)¯'un mutai beaucoup plus résistant et solide que celui qui serait obtenu en cas de prédominance d'une per- lite grossièrement stratifiée, dont chaque lamelle constitue un plan de moindre résistance, En d'autres termes, le traite- ment thermique selon l'invention assure l'obtention (l'une tex- ture fine sphéroidisée, caractérisée par l'absence totale de graphite primaire,
fanais que le carbone de recuit présent possède des dimensions presque submieroscopiques.
L'alliage selon l'invention possède des qualités de coulée supérieures par rapport à d'autres aciers spéciaux, aussi bien ceux a faible teneur en carbone, soit 0,30 % à 0,30 %, que ceux à plus forte teneur en carbone, soit 1,50 % ou environ. En plus de sa qualité améliorée par rapport à d'autres fontes d'a- cier spécial, pour son usage en fonderie, le métal selon l'in- vention peut être soumis de façon satisfaisante à un traitement thermique, tel que décrit ci-dessus, pour obtenir un métal pos- sédant une résistance à la traction d'environ 55.000 à 120.000 livres par pouce carré, des propriétés d'allongement de 9 % à 30 % et un module d'élasticité de plus de 29.000.000 livres par pouce carré.
Le grand module d'élasticité est d'une importance capitale, puisque d'autres fontes d'aciers spéciaux d'un type similaire ont un module de 23.000.000 à maximum 28.000.000 de livres par pouce carré.
A cause de la composition approximativement eutectique de l'acier spécial selon l'invention, il est possiole de tirer le plas grand profit possible de la teneur en carbone dans le trai- tement thermique, sans précipiter des quantités de particules libres de cémentite, qui provoquent une augmentation de la dureté du .-étal et le rendent plus cassant, et sans produire, lors du recuit, des quantités de carbone de recuit libre, affaiblissant également la matière.
Il est également vrai que, si l'on dési- re obtenir une plus faible résistance à la traction, mais une
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plus grande ductilité, la matière réagit remarquablement bien aux traitements de recuit du type malléable à-cycle court, en produisant une fonte extrêmement résistante et ductile, ayant un allongement de plus de 20 % et une résistance à la traction de plus de 65.000 livres par pouce carré.
Par ailleurs, en appliquant un traitement dit de "sphéroîdisation" comprenant un chauffage pro- longé à une température voisine de la température critique, suivi d'un refroidissement lent, on peut obtenir une matière ayant une résistance à la traction exceptionnellement élevée de plus de 110.000 livres par pouce carré et un allongement d'environ 10 %, ce qui rend possible de remplacer de nombreuses et coûteuses pièces moulées et pièces forgées en acier à faible teneur en carbone, en donnant lieu à une économie considérable et une amélioration des propriétés.
Il convient de noter que la présente invention est caractéri- sée par le fait qu'on obtient une fonte d'acier, qui se distingue par des qualités essentiellement différentes du fer malléable tel que décrit, p. ex. dans le brevet américain ? 2.069.717. Par exemple, des pièces moulées en acier fabriquées conformément à la présente invention, sont caractérisées par une limite élastique plus élevée, une plus grande facilité d'usinage, une plus forte résistance à la traction, 1'absence de plans dendritiques de moin- dre résistance, etc.
REVENDICATIONS.
1. Une fonte d'acier ayant une composition sensiblement eutectique, dont la teneur en carbone est comprise entre 0,75 % et 1,20 %, celle de silicium entre 1,0 % et 1,50 %, celle de man- ganèse entre 0,5 % à 0,80 %, le reste (à l'exception des impuretés) étant du fer, et dans laquelle la quantité totale du silicium est approximativement le double de celle du manganèse.
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