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Alliages à base de fer"
La présente invention se rapporte à des alliages à. base de fer destinés aux emplois à hautes températures et plus particulièrement à des alliages convenant aux appli- cations nécessitant une grande résistance aux températures élevées.
L'art de l'ingénieur est actuellement orienta vers l'emploi de hautes températures pour des opérations nom- breuses et diverses!; 0'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 étudier et mettre au point des dispositifs tels que surcompresseurs, turbines à gaz, appareils de propul- sion à réaction et analogues qui tous fonctionnent à des températures très élevées. Ces progrès exigent des métal-
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lurgistes des métaux et alliages résistant à des exposi- tions prolongées à des températures très supérieures à
371 C environ et dans de nombreux cas nettement supérieures à 648 C. Le problème est compliqué du fait que l'on ren- contre souvent des efforts mécaniques sévères à ces tempé- ratures.
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 à des efforts mécaniques sévères à des températures élevées. Suivant la conception et l'em- ploi envisagé de ces dispositifs, les intervalles de températures dans lesquels ils fonctionnent peuvent être sépares en deux séries, l'une de 482 à 648 C environ, l'autre au dessus de 648 C. Les appareils et accessoires peuvent avoir à 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 estes que dans ceux fonctionnant au dessus de 648 C.
Dans de nombreux cas, il est souhaitable que les alliages dont sont faits ces appareils soient sus- ceptibles d'être travaillés à chaud et usines ..lors que dans d'autres ils doivent être employés sous forme de piè- ces coulées. En tout cas, ces alliages doivent avoir une grande résistance.
On a proposé de nombreux alliages destinés aux emplois à hautes températures mais leur utilité a été li- mitée en raison de ce qu'ils ne sont pas aptes à être travaillés à chaud ou usinés ou parce qu'ils deviennent cassants par exposition prolongée à haute température. Une des caractéristiques des matériaux a. base de fer fortement alliés est qu'à mesure que la solution solide à base de fer est plus fortement chargée en métaux d'alliage en vue
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de l'augmentation de la résistance à haute température, leur stabilité aux températures élevées tend à diminuer de telle sorte qu'après un chauffage prolongé à haute température, ils deviennent excessivement cassants.
Le but principal de l'invention est de fournir des alliages à base de fer convenant aux applications dans lesquelles on rencontre normalement des températures supé- rieures à 371 C environ. L'invention se propose également de fournir des alliages susceptibles d'être travaillés à chaud et ueinâs destinés aux emplois à ces températures élevées. Elle se propose encore de fournir des alliages à base de fer susceptibles de résister à des efforts méca- niques sévères aux températures élevées supérieures à 371 C environ. Un but plus particulier de l'invention est de fournir des alliages et articles forgés ou coulés suscep- tibles de résister à des efforts mécaniques sévères à des températures élevées supérieures à 327 C environ jusque 648 0 environ.
L'invention permettant d'atteindre ces buts est fon- dée sur la découverte que l'addition de faibles proportions judicieuses de molybdène, de tungstène et d'au moins un le tilane des éléments tels que le niohium, le tantale et le vanadium aux alliages fer-chrome-cobalt, avec ou sans nickel, provoque une augmentation remarquable de leur résistance aux températures élevées sans exercer d'action nuisible sur leur stabilité à haute température.
L'invention se rapporte à des alliages contenant 10 à 30 % de chrome, 10 à, 40 % de cobalt, jusque 7,5 % de molybdène, 0,5 à 16 % de tungstène et un total de 0,5 à 7 % d'au moins un métal tel que le niobium, le tantale, le titane et le vanadium, le reste de l'alliage étant du fer à l'exception des impuretés accidentelles et des petites quantités des éléments habituellement présents dans les
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aciers de bonne qualité, avec ou sans nickel dans une pro- portion inférieure à 15 %. La teneur en fer doit être d'au moins 10 % de l'alliage. La teneur en tungstène ne doit pas être inférieure à 7,5 % en l'absence de molybdène.
En présence de molybdène, la proportion généralement pré- férée de cet élément est comprise entre 0,5 et 5 %. Le total des éléments du groupe du niohium n'a pas besoin de dépasser 3 quand l'alliage contient du nickel. Il ne doit pas y avoir en tout cas plus de 2 % de chacun des composante titane et vanadium dans l'alliage.
Il y a toujours du carbone dans les alliages de l'invention. De préférence, il n'excède pas 1 % environ, et si l'on désire qu'ils soient aptes à être travaillés chaud, la teneur maximum en carbone doit être de 0,35 %.
L'azote exerce une action favorable importante et sa pro- portion peut de préférence aller jusqu'. 0,25 %. Le sili- cium et le manganèse peuvent être présents, la teneur en silicium ne dépassant pas de préférence 1 et la teneur en manganèse ne dépassant pas 2 % si l'on veut que l'al- liage soit usinable à chaud.
Un essai très utile de détermination de la convenance des matériaux destinés à l'emploi aux températures élevées est l'essai dit de rupture à la traction. Dans cet essai, on soumet un certain nombre d'échantillons de l'alliage à essayer à une température donnée, chaque échantillon 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 l'aide de cette courbe les efforts que ladite matière supportera pendant un temps donné, 1000 heures par exemple, à la température particulière pour laquelle la courbe a été tracée.
Cet essai fournit un moyen commode de détermination
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de la charge que le matériel peut supporter. Il indique également s'il devient cassant ou non par exposition pro- longée à la température de l'essai. Une matière cassante se brisera sans s'allonger tandis qu'une matière ductile s'allongera avant rupture.
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 648 C et que, même à cette haute température, ils possèdent une bonne ductilité.
Le tableau I ci-dessus donne des exemples caracté- ristiques de l'amélioration de la résistance à haute tem- pérature des aciers au chrome-cobalt, avec ou sans nickel, conférée par l'addition de molybdène, de tungstène et de niobium en diverses combinaisons. Le tableau indique les résultats des essais de rupture à la traction au moyen d'une traction de 1520 kg/cm exercée sur des échantillons coulés de l'acier à essayer maintenus à la température de 648 C. Il indique également le temps en heures exigé pour la rupture de l'échantillon dans les conditions extrê- mement sévères indiquées dans le tableau. Le tableau donne également les résultats dressais similaires effectués à 815 C sous une traction de 1520 kg/cm2 sur des échantillons forgés.
Certains des échantillons ont été essayes à l'état forgé (état 1), d'autres à l'état forgé, puis chauffé pendant 1 heure à 1250 C et trempé à l'eau (état 2).
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TABLEAU ..!
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<tb> Echantillons <SEP> coulés. <SEP> Essai <SEP> à <SEP> 648 C <SEP> sous <SEP> 1520 <SEP> kg/cm2
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fer. avant fsr. ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ rupture or 'o Ito ÍlL tf.Nb f' 0 N
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<tb> 13 <SEP> 20 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 3,5 <SEP> 0,40 <SEP> 0,03 <SEP> 710
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<tb> 13 <SEP> 35 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 3,5 <SEP> 0,32 <SEP> 0,03 <SEP> 1278
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<tb> 13 <SEP> 20 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 6 <SEP> 0,53 <SEP> 0,03 <SEP> 360
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<tb> Echantillons <SEP> forgea.
<SEP> Essai <SEP> à <SEP> 815 C <SEP> sous <SEP> 1520 <SEP> kg/cm2
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<tb> Composition. <SEP> Le <SEP> reste <SEP> étant <SEP> sensiblement <SEP> tout <SEP> Heures <SEP> avant
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du fer. ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯. rupture- ######.#. Etat Q %Ni $00 %Mo tl t'Nb" 0 $ N Etat
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<tb> 18 <SEP> 10 <SEP> 30 <SEP> 3 <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 0,15 <SEP> 0,12 <SEP> 48 <SEP> 182
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18 10 30 Ù,5 15 1 0,15 tà 7. 34 251
Les données du tableau ci-dessus montrent clairement Inaptitude des alliages de l'invention à résister à de fortes tractions à des températures élevées pendant des périodes prolongées sans se rompre.
Dans la fabrication des alliages de l'invention, on doit prendre soin de s'en tenir strictement aux limites de composition eu égard à l'usage auquel l'alliage est destiné, en raison de ce que des variations notables dans les proportions des divers ingrédients exercent une in- fluence nuisible sur les propriétés désirées. C'est ainsi que si les alliages doivent être coulés, la teneur en car- bone peut atteindre 1 %, mais si. l'on désire qu'ils soient aptes à être travaillés à chaud, elle doit être au maximum de 0,35 % environ, et de préférence ne pas dépasser 0,2 %.
De même, les proportions de molybdène, de tungstène, de niobium, de tantale, de titane et de vanadium présentes dans les alliages exercent une influence sur leur aptitude à être usinés à chaud et à être soudés. La limite supérieure préférée pour le niobium et le tantale est de 5 %. Des pro-
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portions trop fortes de ces éléments exercent une action nuisible sur la susceptibilité des alliages d'être usinés à chaud et d'être soudés, particulièrement sur cette der- nière propriété.
Les alliages dont la composition est com- prise entre les limites ci-dessus définies peuvent être soudés facilement par l'un quelconque des procédés cou- rants de soudure, par exemple l'arc électrique, le chalu- meau oxyacétylénique, la soudure électrique par fusion immergée ou la soudure sous pression en phase solide, et donnent des soudures saines, tenaces et solides, sans que le métal de base ou le métal de soudure en soit rendu cas- sant, et qui conservent leur ténacité à température éle- vée. Mais si l'un quelconque de ces éléments figure dans l'alliage dans une proportion trop élevée, les soudures produites perdent généralement leur ténacité à température élevée.
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 desdits alliages à haute température.
Les alliages de l'invention, particulièrement ceux contenant du nickel, sont de préférence travaillés entre 1149 et 871 0. on peut dans certains cas poursuivre leur façonnage a une température légèrement inférieure à la température de recristallisation (environ 648 C>. Les al- liages ainsi fagonnés sont dits à létat .chaud-froid..
Ils peuvent être utilisés dans ces conditions dans les applications dans lesquelles on ne rencontre pas de tem- pératures supérieures à 648 0. Si les alliages sont des- tinés à être utilisés à des températures très supérieures à 648 C, ils doivent après forgeage 3tre recuits vers 1204 0-1270 0 avant emploi.
Etant susceptiblea d'tre trava311éa à chaud, usinés, soudés et coulés et possédant une résistance remarquable
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à des températures élevées allant jusqu'à environ 648 C, les alliages de l'invention sont particulièrement appro- priés à la fabrication d'articles tels que pièces de surcompresseurs, de turbines à gaz, d'appareils de propulsion à réaction et analogues qui doivent résister à des efforts mécaniques sévères à températures élevées.
Leur absence de fragilité après exposition prolongée à hautes températures les rend recommandables dans les cas où la sûreté de fonctionnement est essentielle.