<Desc/Clms Page number 1>
Alliages à base de fer"
La présente invention se rapporte à des alliages à base de fer destinés à être utilisés à des températures élevées, et plus particulièrement aux alliages destinés aux applications nécessitant une grande résistance aux hautes températures.
L'art de l'ingénieur est actuellement orienté vers l'emploi de hautes températures pour des opérations nom- breuses et diverses. C'est ainsi que les réactions chimiques sont aujourd'hui effectuées à de très hautes températures, et en particulier les opérations de raffinage du pétrole.
De plus, la recherche de sources perfectionnées d'énergie a amené à etudier et mettre au point des dispositifs tels que les surcompresseurs, turbines à gaz, appareils de pro- pulsion à réaction et analogues qui tous fonctionnent à des températures très élevées. Ces progrès exigent des métallurgistes des métaux et des alliages résistant à des expositions prolongées à des températures très supérieures
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
à 371 C et dans de très nombreux cas très supérieures 648 C environ. Le problème est compliqué du fait que 110n rencontre fréquemment des efforts mécaniques sévères â ces températures.
Certaines parties des dispositifs tels que les Sur- compresseurs, les turbines à gaz, les appareils de propul- sion à réaction et analogues exigent l'emploi d'alliages susceptibles de résister â des efforts mécaniques sévères a des températures élevées. Suivant la conception et l'em- ploi envisagé de ces dispositifs, les intervalles de tem- pératures dans lesquels ils fonctionnement peuvent être séparés en deux séries, l'une de 482 à 648 C environ, l'autre au dessus de 648oC. Les appareils et accessoires peuvent avoir , résister à des températures de l'ordre de 371 C et au dessus. Dans les dispositifs fonctionnant aux températures plus faibles, les efforts mécaniques sont généralement beaucoup plus élevés que dans ceux fonction- nant au dessus de 648oC.
Dans de nombreux cas, il est sou- haitable que les alliages dont sont faits ces appareils soient susceptibles d'être travaillés à chaud et usinas alors que dans d'autres ils doivent être employés sous forme de pièces coulées. En tout cas, ces alliages doivent avoir une grande résistance.
On a proposé de nombreux alliages destinés aux emplois hautes températures mais leur utilité a été limitée en raison de ce qu'ils ne sont pas susceptibles d'êde tra- vaill4s à chaud ou usinés ou parce qutils deviennent cas- sants par exposition prolongée à haute température. Une des caractéristiques des matériaux à base de fer fortement alliés est qutà, mesure que la solution solide à base de fer est plus fortement chargée en métaux d'alliage en vue de l'augmentation de la résistance haute température, leur stabllît' #...: :r.=:::-r stabilité aux températures élevées tend diminuer de telle sorte qu'aPrèS un chauffage prolongé à haute t empé-
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
rature, ils deviennent excessivement cassants.
Le but principal de l'invention est de fournir des alliages z base de fer convenant aux applications dans les- quelles on rencontre normalement des températures supé- rieures â, 37100 environ. L'invention se propose également de fournir des alliages â base de fer aptes â être travail- lés , chaud et usines, destinés à être utilisés â ces températures élevées. Elle se propose encore de fournir des alliages ferreux susceptibles de résister â des ef- forts mécaniques sévères aux températures élevées supérieu- res à' 371 C environ. Un but plus particulier de l'invention est de fournir des alliages et articles à base de fer forgés ou coules susceptibles de résister â des efforts mé- caniques sévères â des températures élevées supérieures à 648oC environ et allant jusqu'à 850C environ.
.L'invention, permettant d'atteindre ces buts, est fondée sur la découverte que l'addition de faibles pro- portions judicieuses de molybdène, de tungstène et de bore ou d'aluminium, associées ou non â un ou plusieurs éléments tels que le niobium, le tantale, le titane et le vanadium, aux alliages fer-chrome-nickel provoque une augmentation remarquable de la résistance de ces alliages aux tempéra- tures élevées sans exercer faction nuisible sur leur stabilité à haute température.
Linvention se rapporte à des alliages a base de fer contenant de,,,110 à. 30 de chrome, de 2 , 40 % de nickel, de 0,5 a 7,5 de moYbdène, de 0,5 à 10 le# de tungstène, de 0,1 a 3 % au total d'au moins un métal pris dans un groupe comprenant l'aluminium et le bore, la teneur en bore ne dépassant pas 0,7 et la teneur en aluminium notant Pas prieure a 0,5 % en l'absence de bore, avec ou sans dlÔred/ÎÎ le tantale, le titane et le vanadium, les restes de la,¯ liage étant uniquement du fer, à lexception des impuretés
<Desc/Clms Page number 4>
accidentelles et des petites quantités d'éléments habituellement présents dans les aciers de bonne qualité.
D'une manière générale, le molybdène figurera de préfé- /et rence pour 1 à 5 %/le tungstène pour 0,5 à 5 %. 11 ne doit @ pas exister dans l'alliage plus de 2 % de chacun des élé- ments titane et vanadium.
Il y a toujours du carbone dans les alliages de l'in- vention. De préférence, il n'excède pas 1 % environ, et si l'on désire qu'ils soient travaillables à chaud, la teneur maximum en carbone doit être de 0,35 %. L'azote exerce une action favorable importante et sa proportion peut de préférence aller jusqu'à 0,25 %. Le silicium et le manganèse peuvent être présents, la teneur en silicium ne dépassant pas de préférence 1 % et la teneur en manga- nèse 2 fi, si l'on désire que l'alliage soit capable d'être usinera, chaud.
Un essai très utile de détermination de la conve- nance des matériaux destinés à être employés à haute température est l'essai dit de rupture à la traction. Dans cet essai, on soumet un certain nombre d'échantillons de l'alliage à essayer une température donnée, chaque échantil- lon étant soumis à des tractions mesurées différentes. Le temps nécessaire pour provoquer la rupture de l'échantillon dans ces conditions de température et de traction est déterminé et l'on trace, au moyen des temps et des tractions, la courbe de la matière essayée. On peut déterminer à 1' aide de cette courbe les efforts que ladite matière sup- portera pendant un temps donné, 1000 heures par exemple, . la température particulière pour laquelle la courbe a été tracée.
Cet essai fournit un moyen commode de détermi- nation de la charge que le matériel peut supporter. Il indique également s'il devient cassant ou non par expo- sition prolongée à la température de l'essai. Une matière cassante se brisera sans s'allonger, tandis qu'une matière ductile s'allongera avant sa rupture..
<Desc/Clms Page number 5>
Les essais de rupture à la. traction effectués de la manière qu'on vient de décrire indiquent que les alliages de l'invention conservent une grande résistance à des tem- pératures atteignant 816 C et que même à cette haute tem- pérature, ils possèdent une bonne ductilité.
Le tableau I ci-dessous donne des exemples carac-
EMI5.1
téristiques de l'amélioration de la résistance z haute température des aciers au chrome-nickel conférée par ltaddition de molybdène, de tungstène, de niobium, de titane et de bore en diverses combinaisons. Le tableau indique 1*.résultats des essais de rupture à la traction au moyen d'une traction de 1520 kg/cm2 exercée sur un échantillon de l'acier à essayer maintenu à une tempéra- ture de 815 4. 11 indique également le temps en heures exigé pour la rupture de l'échantillon dans ces conditions extrêmement sévères. Tous les alliages ont été essayés à 1 état forgé, sauf le dernier qui était à l'état coulé.
TABLEAU I
EMI5.2
<tb> Composition: <SEP> Le <SEP> reste <SEP> étant <SEP> sensiblement <SEP> tout <SEP> Heures
<tb>
<tb> du <SEP> fer.
<tb>
EMI5.3
Ít'0r i do 4V idnb 2l! 2L±. â % au- tres 18*b 8,5 0 0 0 0 0,07 0*04 010 19 9 1,3 1,5 0,54 0,61 0,05 0*04 0,1 Ti 55,6, 19 9 15 1*8 0 0,7 0,07 0,04 Os2 Ti 95,ry,, l8e5 9 1*26 1,1,. 0 0,,4 oeo8 0,04 03 Ti a5. ' 18* 6 9 1,25 1,4 o 6 0,4 0,08 0*04 0* 3 , 6 19 9e26 1,4 le5 0 0,6 0,07 004 0 a,5 19 24 . 4 0 0,48 0,35 0,04 0 246'
Les données figurant dans le tableau ci-dessus mon- trent l'amélioration remarquable de la résistance à haute température d'un acier contenant environ 19 % de chrome et 9 % de nickel conférée par l'addition de petites quan- tités de molybdène, de tungstène, de colombium et de titane. D'une durée de six minutes à 815 C sous une trac-
<Desc/Clms Page number 6>
tion de 1520 kg/cm2, leader passe à une durée de plus de 200 heures par addition de ces éléments.
Dans la fabrication des alliages de l'invention on doit prendre soin de s'en tenir strictement aux limites de composition @ndiquées eu égard à lusage auquel l'al- liage est destine, en raison de ce que des variations notables dans les proportions des divers ingrédients exercent une influence nuisible, sur les propriétés dé- sirées. C'est ainsi que si l'on doit employer les alliages pour fournir des articles coulés, la teneur en carbone peut atteindre 1 %, mais si l'on désire qu'ils soient aptes à être travaillés à chaud, la teneur maximum en carbone doit être de 0,35 %, et de préférence ne doit pas dépasser 0,2.
De même, les proportions de molybdène, de tungstène, de niobium, de tantale, de titane, de vanadium, d'alumi- nium et de bore présentes dans l'alliage exercent une influence sur l'aptitude de celui-ci à être usiné à chaud et à être soudé. Des proportions trop élevées de chacun des éléments ont une influence nuisible sur le travail à chaud et l'aptitude à la soudure, particulièrement sur cette dernière propriété.
Les alliages dont la composi- tion est comprise entre les limites ci-dessus définies peuvent être facilement soudés par l'un quelconque des procédés courants de soudure, par exemple l'arc électrique, le chalumeau oxyacétylénique, la soudure électrique par fusion immergée ou la soudure sous pression en phase so- lide et donnent des soudures saines, tenaces et solides sans que le métal de base ou le métal de soudure en soit rendu cassant, et qui conservent leur ténacité à tempéra- ture élevée. Mais si l'un quelconque de ces éléments figure dans l'alliage dans une proportion trop élevée, les soudures produites perdront leur ténacité à tempé- rature élevée.
<Desc/Clms Page number 7>
La. présence d'azote dans les'alliages de l'invention entrant dans les limites de composition indiquées est importante, l'azote ayant un effet favorable sur la sta- bilité à haute température.
Etant aptes à être travaillés à chaud, usinés, sou- dés et coulés et possédant une résistance remarquable des températures élevées'allant jusqu'à 815 C environ, les alliages de l'invention conviennent particulièrement bien à la fabrication d'articles tels que les pièces de surcompresseurs, de turbines à gaz, d'appareils de pro- pulsion réaction et analogues qui doivent résister à ' des efforts mécaniques sévères à des températures élevées.,
Leur absence 'de fragilité après exposition prolongée à des températures élevées les rend recommandables dans les cas' où la sûreté de fonctionnement est essentielle.