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"Perfectionnements aux pièces coulées,,ou moulages; faites en alliages nickel-cuivre ".
La présente invention est relative aux pièces coulées, ou moulages, faites en alliages nickel-cuivre et elle est particulièrement applicable, bien qu'elle ne soit pas li- mitée à ce cas, aux corps de soupape 'coulés. certaines soupapes., et d'autres pièces couiées, doi- vent être capa'bles de travailler à des températures élevées, de l'ordre dé quelques centaines de degrés centigrades.Dans beaucoup de cas, les pièces coulées doivent être capables non seulement de résister à des efforts, mais aussi de ré- sister à la corrosion.
Un exemple de ces pièces est consti- tué par les soupapes pour la vapeur sous pression utilisées dans les locomotives,, de chemins de fer, soupapes qui doi- vent travailler à des températures de l'ordre de 400 C, et sous une pression de 28 kg/emê.
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c certains alliages, formés par la plus grande partie de
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niCKel et de cuivre et vendus sous la marque de fabrique "métal Monel" , possèdent les propriétés désirées de mou- lage et de résistance a la corrosion pour la fabrication de soupapes et d'autres pièces coulées de ce type général, mais leurs propriétés de résistance décroissent tellement
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vers la température de 485*C.
que les constructeurs hési- tent à employer lesdits alliages pour les Pièces devant travailler à températures élevées.
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La présente invention est fondée sur la aécouverta que la résistance des pièces coulées en nicKel-cuivre aux températures élevées peut être grandement améliorée par l'addition de petites quantités de zirconium. L'a-u-onge- ment des alliages niCKel-cuivre contenant du zirconium aux températures élevées montre une augmentation consiàé-
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rable par rapport à celle des alliages exempts de zirconium et de composition comparable, cc qui est d'une extrême importance pour l'obtention de la sécurité et de la résis- tance aux surcharges, ainsi que pour l'obtention d'un aver- tissement convenable avant rupture se la pièce coulée se trouve soumise en service à une surcharge considérable.
On a observé également que, malgré la présence du zir- conium, les alliages possèdent des propriétés de moulage assez bonnes pour permettre de fabriquer des corps de valve ou autres pièces analogues par coulée, pourvu qu'ils con- tiennent en proportions convenables du s'ilicium, du carbone
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et au manganèse ou au leur, ou les deux, En conséquence, conformément à la présente invention ,
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on incorpore du zirconium a raison de O,oz à 1 dans des alliages contenant 50 ;
o de nickel au moins, du fer ou du manganèse, ou les deux, en quantité totale ne dêpas sant pas D ya, de 0,04 a 0,6 % de carbone, de 0,D a u yo de sili- cium et du cuivre constituant le complément de l'alliage et représentant au moins 10 % et la demanderesse utilise ces alliages pour des pièces coulées devant travailler à des
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températures de 370, ou à des températures supérieures.
La teneur préférée en zirconium dépend dans une cerzai- ne mesure de la température à laquelle la pièce coulée est
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destinées travailler et de l'importance relative des proprié- tés de résistance à la traction après chauffage pendant un court laps de temps et après chauffage pendant un laps de
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temps prolongé, cette dernière résistance donnant une # r'ljal"- ne indication en ce qui concerne La résistance au fluage. A des températures de travail allant jusqu'à 480 environ, la teneur préférée en-zirconium doit être approximativement
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de 0,04 à 0,50 %.
Quand la tanpêrature de travail approche de o4O*e , la teneur optimum peut atteindre 0,60 % de zeer- oonium . Des essais portant sur le temps écoulé axant ruptu- re se produisant à 425 environ montrent que pour l'obtention d'une bonne résistance au fluage une teneur en zirconium d'environ 0,75 % est avantageuse. Pour des températures quel- que peu plus basses, une teneur en zirconium allant de 0,03 % à 0,20 % donne une combinaison avantageuse de propriétés.
Pour obtenir une 'bonne combinaison de'propriétés à la tempe- rature ambiante avec des propriétés à 'température élevée, l'ap-
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titude au moulage, le prix de revient peu élevé et la sêcuri- té de fabrication, une teneur en zirconium comprise entre 0,05 et .0,30 % peut être avantageusement', adoptée.
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Le ;zirconium peut être ajouté à l'alliage en fusie sous toute forme appropriée. Des résultats satisfaisants ont été obtenus en utilisant' un alliage silicium-zirconium du
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commerce contenant environ 4E µl de silicium et 4:1 % de zir- oonium , le complément étant principalement du fer.
Un allia- ge zirconium-niokel contenant ?0 % de zirconium oet 30 % de nickel et de grande pureté a donné 'des résultats satis- faisants' Le bain est de prêrërenee désoxydé au préalable au moyen d'un désoxydant approprié, par exemple le silicium, le manganèse, etc.. avant -.1. addition du zirconium.
Dans la
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pré9àraù,on dos alliages nickel-cuivre, il est généralement nécessaire d'ajouter un élément ayant une affinité élevée pour le soufre, par exemple le magnésium, le calcium, etc.., élémentjouant le râla de désulfurant ou d'agent fixateur du soufre .La demanderesse utilise de préférence en général le magnésium, habituellement à raison de 0,05 à 0,10 %
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environ, l'addition étant faite dans lu poche immédiatement avant la coulée.
La teneur en silicium, peut Varier de 0,5 à 5 % environ, la quantité maximum présente dans l'alliage dépendant de
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la teneur en nickel et de la dureté désirée. Pour les ampli- cations générales, la teneur en silicium doit être comprise entre 1 et 1,5 % environ.. Quand la teneur en silicium dépasse
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3 %Q dans un alliage contenant environ 65 % de nickel, l'al- liage présente une augmentation marquée de dureté et une
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diminution de ductilité, mais sa résistance élevée a l'écail- lage et â llérqsion par la vapeur le rendent précieux paur certaines applications particulières -celles que -La r'u- brication des élémentsde soupape et autres Pièces analogues soumises à un frottement de glissement.
Dans les alliages de ce typa, la teneur en silicium dépasse apparemnent ia limite de solubilité a l'état solide et cet élément se trouve dans une phase précipitée ou fait partie n'une telle phase . La quantié de silicium nécessaire pour produire une microstructure équivalente augmente avec la teneur en nic-
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kel. Par exemple 2,5 de silicium avec 50 de nickel donnent essen t 18 li.f:1men la même type' de microstructure que l'alliage 4,25 la de silicium avec 67 po de nickel.
Un alliage contenant environ 3,5 fa de silicium avec environ 6b Ío dc nic- ke..\. peut être utU.isé si une dureté inrérieura a celle ob te- nue avec 4 % de silicium, mais une ductilité plus élevée sont nécessaires,
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La présence de fer ou de manganèse' est essentielle pour l'obtention d'une fluidité élevée et d'une bonne Coulabilité; en général, ils existent tous deux en petite quantité. La demanderesse préfère utiliser de 0,5 à 1,5 % de manganèse, bien que des pourcentages plus élevés, de l'ordre de 2 %, ou même de 3 %, puissent être utilisés parfois.
Une teneur en manganèse atteignant b % tend à réduire la ductilité des alliages à la température de 525 environ,:' bien' que la résistance reste élevée. saur our les moulages à haùte teneur en silicium dont il a été question ci-dessus, la teneur en fer doit être maintenue approxima- tivement entre' les limites de solubilitê à l'état solide pour la température de travail. La teneur maximum en fer solu- ble dans l'alliage augmente quelque peu avec la teneur en nickel . Dans un alliage contenant 67 % environ de nickel, la présence d'une quantité de fer allant jusqu'à 5 % augmen- te légèrement la oharge de rupture à 425 C. environ, mais réduit sensiblement l'allongement par comparaison avec un alliage ayant la même composition de'base et contenant environ 1,5 % de fer.
On peut préparer, si on le désire, des alliages exempts de fier, à la condition qu'ils con- tiennent du manganèse, mais la demanderesse, préfère au moins 0,5 % de fer. Si le fer est présent en quantité de l'ordre'de 1 %, le manganèse est moins utile. En général, la teneur en fer est inférieure à 2,5 %, une valeur com- prise entre1,5 % et 2,0 % étant habituelle .
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La teneur en carbone est habituellement maintenue à une valeur inférieure à 0,035 %, de préférence entre 0,10% et 0,25 %. Une teneur en carbone allant jusqu'à 0,6 % peut se rencontrer dans certains moulages- D'une manière généra- le, avec de faibles teneurh en ziroonium dans des alliages contenant environ 69 % de nickel, 1,25 % de silicium, le complément étant pour la plus grande partie du cuivre,la @ /
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charge de rupture augmente avec la teneur en carbone jus- qu'à 0,30 % environ. La ductillté décroit quelque peu pour des teneurs en carbone plus élevées par suite de la forma- tion de graphite.
La tendance au carbone, dans les alliages, à former du graphite est accentuée par l'augmentation de la teneur en silicium et moins rapidement par l'augmentation de la teneur'en cuivre . La présence de grandesquantités de zirconium semble supprimer dans une certaine mesure la tendance du carbone à former du graphite.
La teneur en nickel est de préférence maintenue entre 60 % et 70 % environ-- Le nickel contient habituelle- ment une petite quantité de cobalt et dans la présente description le mot "nickel"est utilisé pour désigner la teneur combinée en nickel et ,en cobalt. La teneur maximum en cobalt pouvant être présent estsensiblement la même que pour le fer.
La teneur en cuivre constitue essentielle- ment le complément de l'alliage et est de préférence com- prise entre 25 % et 35 % D'autres éléments normalement pré- sents dans les alliage,- nickel-cuivre coulés pour des applications à haute température peuvent également exister dans les moulages fabriqués conformément à la présente invention, par exemple des désoxydants et des corps formant des carbures tels que le titane en petite quanti- té.
Dans les essais de traction de courte durée, à tempéra- ture élevée, les alliages nickel-cuivre ne contenant pas de zirconium manifestent une résistance élevée et une ductill- té élevée à des températures allant jusqu'à 370 C. environ et présentent une cassure intracristalline A 425 C. envi- ron, une petite partie de la cassure devient inter-cristal- line dendritique .Au-dessus de 425 C. environ, la cassure devient de plus en plus dendritique jusqu'à une.température d'environ 480 C. pour laquelle elle devient entièrement den-
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dritique . Ce changement dans la nature de la cassure est accompagné par une chute brusque et considérable de la résistance et en particulier de l'allongement.
La présence du zirconium conformément à l'invention écarte ia tendance
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du métal à la cassure inter-cristalline à une température comprise entre 425 et 540. environ. Le ziroonium a un effet avantageux également en ce sans qu'il tend à suppri- mer les criques thermiques dans les moulages. C'est ainsi que dans les moulages faits à partir d'alliages à haute teneur en silicium qu'il est nécessaire de tremper ou de refroidir rapidement, la tendance aux criques sous l'effet des tensions engendrées pendant le refroidissement est moindre,lorsqu'il existe du zirconium.
titre d'illustration des avantages obtenus avec la présente invention, on donnera le tableau suivant relatif
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à un alliage ayant comme composition de base e8,Z > (Je Cu, 0,75 % de Mn, 1,6 % de Fe, 1,3 % de Si, le complément étant essentiellement du nickel.
Tableau I
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Eprou- :Charge de rupture en kg mm2 . A.llongemant 6 ve-cte : " , : .
N' :% O. :;b r. : 482* DS6* : : : 426. : 4=88* 526. : 596 : " , . : .
:0,17 7 56,8 43,8 ' 17g5 3,0
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<tb> :0,15: <SEP> 70,4: <SEP> 46,5 <SEP> : <SEP> 24
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z3 :0,15:0,06 73 66t3 45 40 :0,180,13 :80,7 . 69,5 41 z30 5 :0,1'7:O,u5 : 8S 74,3 . 57,4 66 30 6 :0,11:0159 :75,3 . 71 e5,5 25 7 :0,11:0,76 : :55,5 . 61,8 "13 22,5 ########:#######################:##:###########:###################-t.###########L-##¯¯¯¯¯¯¯ on, voit que là charge de rupture de l'alliage nickel- cuivre est considérablement améliorée à 480 C. environ par la présence du zirconium en quantité allant de 0,05 %
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à 0,60 ,#;
. la charge de rupture maximum est obtenue à cette i/
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température avec une teneur en zirconium comprise entre 0,10 % et 0,4 ;n, La charge de rupture à 480*'C. environ tombe si 17Qn augmente davantage la teneur en zirconium, mais même avec 0,76 % de z1rPonium> la résistance est supe- rieurs à celle d'un alliage comparable exempt de zicrconium.
A 525 C. environ, la charge de rupture maximum estobtenue dans les alliages contenant 0,35 % de zirconium et, même à 0,75 % de zirconium environ, la résistance es.t sensible- ment supérieure à celle des alliages exempts de zirconium.
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.Entre les teneurs de 0,05 % à 0,75 jj de zirconium , à 535"$. environ, l'allongement est de 70U à .Q00 environ plus élevé que dans les alliages exempts de zirconium.
Pour illustrer l'amélioration de la résistance au fluage, on donnera les détails suivants :des éprouvettes maintenues à 425 environ ont été a'abord soumises à la traction à environ 24 kg/mmê et maintenus jusqu'à ce que la rupturese produise ou jusqu'à ce qu'une semaine
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environ se soit écoulée .
Les eprouvatteg qui ne sfé- talent pas rompues ont été soumises ensuite à une char-
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ge ae 3,5 i-,g/mm4 de plus pendant une semaine environ, après quoi la charge a encore été élevée de .,5 Kgjmm2 et ainsi de suite jusqu'à ce que l'essai se'termine par la rupture . Les résultats obtenus ont ias suivants:
Tableau Il
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Temps en heures sous Temps total: éiLonge1É jb
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<tb> diverses <SEP> charges <SEP> :pour <SEP> la <SEP> rup <SEP> a <SEP> la <SEP> rupture
<tb> : <SEP> : <SEP> : <SEP> ture:@
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Eprou- : %4 : 88 31 : 35 heures vette ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯L### ,1 *l E,.114 Sbb68./SO 1 : 130 0 07 165 170 165 MO 29 10 0G35 : 160 170 165 30 5115 21 : Ù,5É : 1 : 170 165 S 5Q8?: 18 ... ¯ .! - 12 Q, : 165 : 170 z0 :%40 745 ¯ S8
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L'augmentation de la charge de rupture et de l'allon- gement aux températures élevées produite par l'addition de ziroonium aux alliages coulés nickel-ouivre est surprenante paroe que, à la température ambiante, la charge de supture et l'allongement diminuent progressivement lorsqu'on, ajoute du ziroonium.
Cela est dèmontré par le tableau suivant :
Tableau III
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<tb> Eprouvette <SEP> : <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> Charge <SEP> de <SEP> rupture <SEP> Allongement
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<tb> n <SEP> : <SEP> Z <SEP> %.¯¯¯¯¯¯¯en <SEP> kg/mmê <SEP> :
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<tb> 13 <SEP> 57 <SEP> 38
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<tb> 14 <SEP> 0,02 <SEP> 53,95 <SEP> 35
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<tb> 15 <SEP> 0,22 <SEP> 56 <SEP> 36
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<tb> 16 <SEP> 0,59 <SEP> 47,95 <SEP> 25
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<tb> 17 <SEP> 0,76 <SEP> 38,10 <SEP> 24
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Des exemples particuliers types de moulages soumis en service à des températures élevées)
et pouvant être exécutés conformément à la présente invention sont des éléments de soupape comprenant des corps de soupape coulés, des sièges de soupapes, des disques, des pistons, des segments, des guides de tiges de soupape, des récipients de réaction et des agitateurs travaillant à des températures allant de 315 environ à 595 # environ, en particulier entre 370 et 480 environ pour lesquels la résistance, l'absence de fissura- tion et la capacité de résistance à des efforts et à des chocs sont exigés.