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BREVET D'INVENTION 'Piéces métalliques et leur procédé de fabrication-
L'invention concerne la fabrication de pièces métal- liques par compression de poudres et plus particulièrement un procédé de moulage de précision de pièces en aciers dure à forte teneur en carbone et allies, et elle vise également les pièces fabriquées par ce procédé.
Le principal objet de l'invention consiste dans la fabrication de pièces non déformées, de dimensions précises et d'une résistance voisine de celle des aciers les plus durs et les meilleurs, sans avoir recours aux opérations coûteuses successives d'usinage, de trempe et de rectifi- cation de précision*
D'autres objets de l'invention consistent à abréger la durée des opérations d'agglomération ou de "frittage" nécessaires jusqu'à présent dans le traitement des poudres
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par compression;
à comprimer l'acier ou les alliages d'acier sous forme de pièces compacte@ jusqu'à une densité et une résistance qui n'ont pu être obtenues jusque présent, en rendant ces pièces compactes particulièrement susceptibles de subir une déformation plastique, tandis que les matrices et poingona qui exécutent le travail restant résistants et rigides; et à comprimer des pièces en acier de forme pré-
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cîsep qui peuvent être ensuite trempées k l'état'de marteb- site et de bainite, ou de martensite ou de bainîte, sans subir de déformation sensible, même lorsque des variations de densité considérables sont inévitables en raison de
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l'irrégularité des formes, qu'on fe,ît prendre k la poudre comprimée.
Ces résultats sont obtenus au moyen de deux opérations
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de conlpression séparées par un traitement thermique inter- médiaire, en mettant à profit le fait connu que certains aciers à l'état doux aust6nîtîque (gamma)caractér1etique des températures supérieures à la température critique, peuvent être trempés, non en réalité à la- température am-
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biante, mais à une température inférieure à celle qui cor- respond k la formation rapide de la perlite et supérieure à l'intervalle Arg (généralement compris entre 93 et 63700)t sans revenir immédiatement aux formes plus dures (alpha) qui sont stables à ces températures.
La description de l'intervalle Ar' est donnée dans le chapitre VI de l'ou-
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vrage d'Epatein -Alliages de fer et de carbonew, En choi- sissant, aussit6t après cette trempe 4 une température intermédiaire, le moment de comprimer le métal Se@ dimen- sions finales avant qu'il ait eu le temps de se transformer à l'état stable, on a l'avantage de disposer d'une masse
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de métal dom:, élastique, qui peut être comprimé à, l'état de très faible porosité, sans exercer une pression excès-
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sive, ni chauffer les matrices ou les poincons à une tempé- rature les affaiblissant notablement.
De plus l'agglo- mération ou frittage qui serait nécessaire pour faire ac- quérir à la pièce la ténacité et la résistance voulue après compression, et provoquerait sa déformation et lui ferait perdre la grande précision des dimensions assurée par l'opération de compression devient inutile. les conditions d'exécution de détail des principes de l'invention sont très variables suivant la composition de l'acier employé, qui peut contenir des éléments d'al- liage, tels que le nickel, le chrome, le manganèse, le molybdène, le tungstène, le vanadium et le tantale ainsi que leurs carbures, à l'exclusion du carbure de nickel, qui ne se diffuse que partiellement dans l'acier, lorsqu'ils existent aussi en partie à l'état de particules, en faisant acquérir à l'acier une grande dureté et une forte résis- tance à l'usure.
En général, les éléments d'alliage autres que le co- balt retardent la transformation et abaissent l'intervalle Ar". Des teneurs excessives en manganèse, chrome et nickel ou une combinaison quelconque de ces métaux peuvent même retarder indéfiniment la transformation. L'invention est donc limitée aux aciers dont la limite supérieure de l'in- tervalle Ar" est supérieure à la température ambiante.
En général, le traitement par le procédé suivant l'invention s'effectue de préférence par les opérations aui- vantes: a) On comprime à froid la poudre mélangée avec un lubrifiant tel que l'acide stéarique, en lui faisant ac- quérir une densité d'environ 7 (par exemple porosité de ; 10 %). On lubirife également les surfaces de la matrice et du poingon. Suivant une solution équivalente, on peut tasser la poudre en vrac dans un moule.
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b) On chauffe la pièce compacte une température de 371 . ds593 C pour en chasser le lubrifiant, puis on la chauffe
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k une température supérieure à, la température critique de l'acier en question en la transformant en austénite.
S'il contient des éléments d1alliage n'ayant pas diffusé, il peut être avantageux de prolonger ce chauffage assez long-
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temps pour permettre à la diffusion de s'effectuer, Mais on emploie de préférence une poudre dans laquelle les élé-
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/sont mente d'alltage/dêàà dîffunês d'une manière suffisamment uniforme pour qu'un chauffage de courte durée soit suffi- sent- Le chauffage s'effectue en atmosphère non oxydante
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dont la nature est commode À vérifier par ie8$ai de non coloration de l'acier inoxydable brillant "18-18"
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C) On trempe la pièce compacte à une température inférieure à sa température critique,
mais sup4rieure k son intervalle Ar'. La trempe s'effectue assez rapidement pour que la structure de l'acier reste en totalité ou en grande
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partie &uetén1tique è, l'état temporairement stable. d) Avant qu'une quantité appréciable (ou nulle) d'aus-
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ténite ait eu le temps de se transformer, on reeomprime ou matrice la pièce compacte rapidement à peu près k la m3me température avec une matrice et un poinçon chauffé@ d'une manière appropriée pour lui faire prendre ses dimensions finales, de préférence nous une forte pression, par exemple
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de 9,6 k 14 tonnes/cm.
Si la compression est assez rapide, la densité de la pièce compacte peut ainsi atteindre une valeur de 7,6 7,7 ou supérieure, qui lui fait acquérir une très forte résistance. La forme peut ainsi être beaucoup Plus compliquée que celle de. pièces subissant une compres-
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sion ordinaire À froid pour deux raisons , 1) le métal s'écoule plus facilement et 2) même si des différences de densité subsistent, la pièce ne subit pas de fritte.
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±'111al à. haute température donnant lieU à une notable défor-
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mation.
Dans certains cas, il est possible de combiner la trempe avec la compression, en introduisant rapidement la pièce compacte austénitique chauffée dans une matrice volumineuse à une température légèrement inférieure à la. température de matricage et en faisant agir la pression immédiatement en soustrayant ainsi rapidement de la chaleur à la pièce compacte relativement petite et en lui faisant prendre la température de matriçage de préférence avant que le matrigage soit terminé.
Quoique de préférence la structure soit pratiquement austénitique lorsque la pièce compacte est matricée, elle doit être au moins austénitique à 60 %. e) On transforme la structure austénitique sous sa forme stable. Cette transformation s'effectue spontanément sans déformation, soit par formation de bainite si la température 1) augmente ou dinue légèrement, ou 2) reste à peu près constante, soit 3) par formation de martensite si la. pièce compacte refroidit rapidement à la température ambiante.
Ce refroidissement ne doit pas être plus rapide qu'il n'est nécessaire, pour empêcher la transformation à l'état de bainite, afin que les contraintes qui prennent naissance sous l'effet de fortesvariations de température et la dilatation qui résulte de la transformation à l'état de martensite à des *itesses différentes d'une partie de la pièce à l'autre ne provoquent pas de déformations, ni d'affaiblissement, ni ne laissent subsister des contrain- tes résiduelles; toutes ces précautions sont faciles à observer au oours de l'opération suivant l'invention.
En transformant ainsi la structure austénitique sous sa forme finale stable à basse température et avec de faibles variations de température, les dimensions de la pièce finie peuvent être conservées à 0,0006 mm/mm près par rapport aux dimensions que lui a fait acquérir la matrice au cours de
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l'opération de compression fina1c En. régie générale, la pice peut être refroidie dans l'air ou dans un gaz non oxydant. Aucune opération de frittage n'est nécessaire* f) La pièce peut être étirée, recuite, ce. par les moyens connus, si on le désire.
Les opérations décrites ci-dessus suivant l'invention sont résumées graphiquement sur la figure ci-jointe, qui
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est un diagramme des transformations îsothormlques (voir par exemple ê6 titre de comparaîeqon "Atlau of Isothermal Transformation Dia-grajac', United 8ta,teo Stell, 1943) d'un acier type contenant 0,8 C et 0,8 % , auoténî 4 8990 avec grains de grosseur 6.
L'axe vertical du côté gauche indique les niveaux de température et l'axe vertical du cô- té droit indique la dureté finale en degrés de dureté
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Rockw*11 C en fonction du temps porté en valéars l.oari miques sur l'axe horizontal. Les courbes1 et II représen- tent respectivement la transition tro l'unténite et
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l'austén1te-ferrite d'une part, et la. transition entre l'austénite-ferrite et la ba-inite d'autre part. Les inter- vaiies Ar' et Ar' précitée sont également indiquas.
Les lettres (qui correspondent aux opérations décrites ci-dessus et désignées de la même manière) indi- quent les phases du procédé suivant l'invention dans les conditions suivantes:
La piéce compacte froide comprimée est maintenue pen- dant une période d'une durée appropriée a-b à une tempéra- ture ta à laquelle elle se transforme en austénite.. Au
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moment A la trempe 4 une température intérieure k sa trempé- rature critique, :mais eupérie1..<1.re h l'intervalle Arme Pendant la. période la pièce compacte subit une recompression rapide
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, une température sensiblement constante tee Faia la pièce compacte reeomprimée, encore L l'état eusténitique, est transformée à l'état stable par un des moyens suivants :
on
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peut la réchauffer à une certaine température e1, puis la. transformer en bainite à température constante,, pour lui faire acquérir une dureté déterminée, caractéristique de la température de transformation; ou bien on peut la main- tenir à peu prés à la température de recompresaion et la transformer en bainite, en lui faisant acquérir la dureté correspondant à cette température, comme l'indique le point ou bien on peut refroidir la pièce compacte à la tempé- rature ambiante, comme l'indique la courbe e2, pour former de la mertensite.
Pendant toutes ces opérations, on protège de préférence la pièce contre l'oxydation en la maintenant dans une at- mosphère Inerte ou non oxydante.
Le procédé suivant l'invention est très différent de la compression ordinaire à chaud, qui s'effectue à une température beaucoup plus élevée dans le but de ramollir le métal seulement par l'action de la température, ce qui a évidemment pour effet de ramollir le métal des matrices et des poinçons, Pendant l'opération de compression à chaud, la dureté du métal comprimé à chaud ne varie pas en fonction du temps tant que la température reste constante. Au con- traire, suivant l'invention, le métal a été trempé à un état temporairement stable de ramollissement non naturel à la température de l'opération, et on le recomprime ou le matrice pendant une période d'une durée limitée, avant qu'il redevienne dur.
De préférence, la température de recompression ou matrigage est comprise entre 205 et 317 C mais l'invention .'est pas limitée à cet intervalle, pour traiter les aciers de toutes les compositions. Ces conditions ont été considé- rées jusqu'à présent comme absolument inacceptables dans le traitement du fer et de l'acier, soit pour le comprimer à chaud, soit pour faire prendre sa forme à un lingot. Cet
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Intervalle de température a été appelé intervalle de "fragilité au bleu*' (voir Z. Jeffries & R.S. Archer, "The
Science of Metals". page 182). car le traitement du fer ou de l'acier à l'état stableé cette température a pour effet de les rendre extrêmement fragiles, lorsqu'on les refrodit à la température ambiante.
La résistance et la dureté du fer et de l'acier sont plus grandes et leur ductilité plus faible dans l'intervalle de la fragilité au bleu et par suite ils sont plus diffi- ciles à travailler. Le métal des matrices et des poinçons n'est donc pas mou lorsqu'il est chauffé à la température de la pièce, pour la matricer pendant qu'clle est à l'état métastable, et en fait sa température peut être comprise dans l'intervalle de la fragilité au bleu, qui correspond une dureté non élastique.
Lorsque la matière première copaiste en poudre de fer en mélange avec des éléments d'alliage en poudre, on emploie de préférence de la poudre de fer extrêmement pure, non rendue fragile par l'hydrogène ni écroule. Le degré de pureté de la poudre doit être suffisant pour que la tota- lité des Impuretés dissoutes ne dépasse pas 0,3- 0,8 %, que la perte de poids de la poudre chauffée dans l'hydrogène sec pendant deux heures à 982 C soit inférieure à 0,4 - 0,7% et que la grosseur des grains soit égale ou supérieure à la grosseur No 9 de l'échelle ASTM des grosseurs des grains des divers métaux.
L'invention est facile à comprendre d'aprés les exam- ples suivants, mais ne doit pas être considérée comme étant limitée par eux :
Exemple 1- On mélange intimement (par exemple dans un broyeur à boulets) du fer électrolytique avec 1 % de manganése métallique, 0,9 % de carbone et 1% de lubri- fiant d'acide stéarique. On comprime ce mélange aoue un@
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pression de 4 tozme./¯2 et on la fritte à, 109300 pendant trois heure. (pour permettre à la diffusion de s'effectuer,
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en particulier celle du manganèse) dans de l'hfdrogene contenant 0,32 % en volume de gaz naturel.
Buis on trempe la pièce compacte frittée et sensiblement homogène dans un bain de soudure fondue à 260 C, on l'y comprime (matrice) pendant deux minutes noue une pression de 14 tennes/cm2 dans une matrice également à une température environ 260 c, on la fait sortir de la. matrice et on la refroidit rapi- dement, en transformant aa structure austénitique à peu
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près complètement en martensite. On peut la. reCUire/eaui'" par un procédé connu pour augmenter sa ténacité, si on le désire.
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Etant donné que la traneformation cl 1austdnite ayant la composition indiquée ci-dessus ne commence pas avant que deux minutes se soient écoulées après que l'acier a été trempé à une température inférieure à sa température critique, la pièce compacte est austénitique pendant qu'elle
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subit la recomprosolon (matr1Iage. La densité d'un échan- tillon d'essai a été trouvée égale à 7,54, qui correspond
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16 une porosité d' environ a % et se dureté Rockwoli-0 égale â 68. Après 'tira8. k 59300p sa résistance k la traction était supérieure k 105#4 kfiosoa2 et sa dureté Rockwall-B 4gale .. 102.
Une pièce compacte semblable a été fahriqués en par- tant de la même matiére première, comprimée à la même pression et frittée à la même température pendant le même temps, puis refroidie lentement (au lieu de la tremper) de façon à rendre sa structure perlitique. L'échantillon fritté a été chauffé à 280- C, et matricé dans une matrice
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et avec un potngon chauffés également , 26000 sous une pression de 141,7 klJ/rma2. La densité de cet échantillon était de z,11 correspondant a. une porosité d'environ 8 %
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et ses propriétés physiques étaient beaucoup moins satis- faisantes, du fait de la résistance plus forte de la. perlite au matriçage par rapport à 11 austénite temporairement stable.
Si un trempe cette pièce en la chauffant à une température supérieure à sa température critique et en la trempait ensuite, elle subît de* déformations considérables, qui ne permettent pas de la fabriquer avec des tolérances étroi- tes, qu'on peut obtenir en comprimant la pièce de struc- ture austénitique temporairement stable suivant l'invention, opération qui n'exige auuun traitement thermique ultérieur haute température pour obtenir une forte dureté.
Exemple 2 - La matière première est une poudre d'acier ayant à peu près la composition de 'acier "S.A.E' 1080 c'es-à-dire; carbone 0,76 k 0,88 %; manganèse c,60 à 0.90 %; phosphore 0,04 % max et soufre 0,05% maax, le complément étant du fer. Cette -poudre d'acier est trop dure pour qu'on puise* obtenir une forte densité de l'ordre de 7,3à 7,7 et des caractéristiques physiques élevées en la comprimant à froid et la frittant par les procédés ordinaires.
Sui- vant 1' invention, on peut mélanger cette poudre avec 1% de lubrifiant d'acide stéarique dans un broyeur k boulets ou autre mélangeur approprié. huis on la. comprime . froid dans une matrice appropriée sous une pression de 42,5à 141,7 kg/mm2. par exemple BOUS 'forme d'une barre d'environ 60 x 6 x 8 mm, qu'on fait sortir de la. matrice de compres- sion à froid.
Puis on fritte la pièce comprimée à froid dans une atmosphère non oxydante, non carburante et non décarburante, qui peut consister en hydrogène et en méthane* La température de frittage peut être comprise entre 815 et 1315 C et est de préférence égale à 1093 C.
Etant donné que la matière première consiste en une poudre dtacier conformée, dans laquelle le carbone et les
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éléments d'alliage sont dissous et à peu près uniformément répartis dans toutes les particules de la poudre, la durée du frittage peut être plus courte que dans l'exemple pré- cèdent, pù doivent s'effectuer l'homogénéisation et la production de l'acier. La durée du frittage doit être suf- fisante pour que la structure de l'acier devienne complè- tement austénitique. La limite supérieure de l'intervalle Ar" de cet acier est d'environ 221 0. A la fin de la période de frittage on trempe la pièce en acier austénitique agglomérée dans un bain de mercure à une température d'en- viron 271 0.
Lorsque la pièce en acier austénitique a atteint sensi- blement cette température et avant qu'une quantité appré- ciable de sainite s'y soit formée, la structure de la pièce restant austénitique, on l'introduit dans une matrice appropriée qui est à une température de 281 C et on la comprime au moyen d'un poingon chauffé à la même température sous une pression de matrigage d'environ 141,7 kg/mm2, qu'on maintient de préférence pendant environ 16 secondes.
La structure de la pièce est alors austénitique. Puis on fait sortir la pièce matricée en acier austénitique de la matrice, et on peut alors la refroidir par un des moyens décrits ci-dessus pour transformer l'austénite en marten- site ou en bainite, ou en un mélange de martensite et de bainite en proportions quelconques à volonté.
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PATENT OF INVENTION 'Metal parts and their manufacturing process-
The invention relates to the manufacture of metal parts by powder compression and more particularly to a method of precision molding of parts made of hard steels with a high carbon content and alloys, and it also relates to parts manufactured by this method.
The main object of the invention consists in the manufacture of undeformed parts, of precise dimensions and of a resistance close to that of the hardest and best steels, without having recourse to the successive costly operations of machining, quenching and precision grinding *
Other objects of the invention consist in shortening the duration of the agglomeration or "sintering" operations necessary until now in the treatment of powders.
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by compression;
compressing the steel or steel alloys in the form of compact parts @ to a density and a strength which could not heretofore be obtained, making these compact parts particularly susceptible to plastic deformation, while the dies and poingona that perform the work remaining resistant and rigid; and compressing pre-shaped steel parts
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cîsep which can then be quenched to the state of marteb- site and bainite, or martensite or bainite, without undergoing substantial deformation, even when considerable variations in density are inevitable due to
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the irregularity of the forms, which one fe, to take in the compressed powder.
These results are obtained by means of two operations
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pressure separated by an intermediate heat treatment, taking advantage of the known fact that some steels in the mild austic state (gamma) characteristic of temperatures above the critical temperature, can be quenched, not in fact at the temperature. am-
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biante, but at a temperature below that corresponding to the rapid formation of perlite and above the interval Arg (generally between 93 and 63700) t without immediately reverting to the harder forms (alpha) which are stable at these temperatures.
The description of the interval Ar 'is given in chapter VI of the
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Glass of Epatein - Alloys of iron and carbon, By choosing, immediately after this quenching 4 an intermediate temperature, the moment to compress the metal Se @ final dimensions before it has had time to transform itself into the stable state, we have the advantage of having a mass
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of metal dom :, elastic, which can be compressed to, the state of very low porosity, without exerting excess pressure
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sive, nor heat the dies or the punches to a temperature which weakens them appreciably.
In addition, the agglomeration or sintering which would be necessary to make the part acquire the tenacity and the desired resistance after compression, and would cause its deformation and would make it lose the great precision of dimensions ensured by the compression operation becomes unnecessary. the detailed execution conditions of the principles of the invention vary greatly depending on the composition of the steel used, which may contain alloying elements, such as nickel, chromium, manganese, molybdenum, tungsten, vanadium and tantalum and their carbides, with the exception of nickel carbide, which diffuses only partially in the steel, when they also exist in part in the form of particles, by acquiring high hardness and high wear resistance to steel.
In general, alloying elements other than cobalt retard transformation and lower the Ar "interval. Excessive levels of manganese, chromium and nickel or any combination of these metals can even delay transformation indefinitely. The invention is therefore limited to steels in which the upper limit of the interval Ar "is greater than ambient temperature.
In general, the treatment by the process according to the invention is preferably carried out by the aforementioned operations: a) The powder mixed with a lubricant such as stearic acid is cold pressed, causing it to acquire a density of about 7 (eg porosity of; 10%). The surfaces of the die and the fist are also lubricated. Following an equivalent solution, the powder can be packed in bulk in a mold.
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b) The compact part is heated to a temperature of 371. ds593 C to expel the lubricant, then heat it
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k a temperature greater than the critical temperature of the steel in question by transforming it into austenite.
If it contains alloying elements which have not diffused, it may be advantageous to prolong this heating for a fairly long time.
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time to allow diffusion to take place, but preferably a powder is used in which the elements
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/ are fired in a sufficiently uniform manner so that short-term heating is sufficient - Heating takes place in a non-oxidizing atmosphere
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the nature of which is convenient To be verified by ie8 $ ai for non-coloring of shiny stainless steel "18-18"
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C) The compact part is quenched at a temperature below its critical temperature,
but greater than its interval Ar '. The quenching takes place quickly enough so that the structure of the steel remains in whole or in large
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part & uetén1tique è, the temporarily stable state. d) Before any appreciable (or zero) amount of aus-
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tenite has had time to transform, we recompress or die compact the part quickly at about the same temperature with a die and a heated punch @ in a suitable way to make it take its final dimensions, preferably us a strong pressure, for example
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of 9.6 k 14 tons / cm.
If the compression is fast enough, the density of the compact part can thus reach a value of 7.6 7.7 or higher, which makes it acquire a very strong resistance. The shape can thus be much more complicated than that of. parts undergoing compression
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Ordinary ion Cold for two reasons, 1) the metal flows more easily and 2) even if differences in density remain, the part does not undergo frit.
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± '111al to. high temperature giving rise to a noticeable deformation
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mation.
In some cases, it is possible to combine quenching with compression, quickly introducing the heated austenitic compact part into a bulky die at a temperature slightly below the. die temperature and causing the pressure to act immediately thereby rapidly removing heat from the relatively small compact part and causing it to take the die temperature preferably before die stamping is complete.
Although the structure is preferably substantially austenitic when the compact part is die-forged, it should be at least 60% austenitic. e) The austenitic structure is transformed into its stable form. This transformation takes place spontaneously without deformation, either by the formation of bainite if the temperature 1) increases or decreases slightly, or 2) remains approximately constant, or 3) by the formation of martensite if the. compact piece quickly cools to room temperature.
This cooling must not be faster than necessary, to prevent the transformation to the bainite state, so that the stresses which arise under the effect of strong variations in temperature and the expansion which results from the transformation in the state of martensite at different speeds from one part of the part to another do not cause deformation or weakening, nor do they leave residual stresses; all these precautions are easy to observe during the operation according to the invention.
By thus transforming the austenitic structure into its final stable form at low temperature and with small variations in temperature, the dimensions of the finished part can be kept to within 0.0006 mm / mm compared to the dimensions made by the die. during
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the compression operation fina1c In. As a general rule, the room can be cooled in air or in a non-oxidizing gas. No sintering operation is necessary * f) The part can be stretched, annealed, this. by known means, if desired.
The operations described above according to the invention are summarized graphically in the attached figure, which
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is a diagram of isothermal transformations (see for example ê6 for comparison "Atlau of Isothermal Transformation Dia-grajac ', United 8ta, teo Stell, 1943) of a typical steel containing 0.8 C and 0.8%, auoténî 4 8990 with grain size 6.
The vertical axis on the left side indicates the temperature levels and the vertical axis on the right side indicates the final hardness in degrees of hardness.
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Rockw * 11 C as a function of time plotted in l.oari mic valear on the horizontal axis. Curves 1 and II represent respectively the tro Untenite transition and
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the austenite-ferrite on the one hand, and the. transition between austenite-ferrite and ba-inite on the other hand. The aforementioned Ar 'and Ar' intervals are also indicated.
The letters (which correspond to the operations described above and designated in the same way) indicate the phases of the process according to the invention under the following conditions:
The compressed cold compact piece is held for a period of an appropriate time a-b at a temperature ta at which it turns into austenite. Au
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time At quenching 4 an internal temperature k its critical quenching,: but euperia1 .. <1st h the interval Arm During the. period the compact part undergoes rapid recompression
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, a substantially constant temperature tee Faia the re-compressed compact part, still L in the eustenitic state, is transformed into the stable state by one of the following means:
we
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can heat it up to a certain temperature e1, then the. transform into bainite at constant temperature ,, to make it acquire a determined hardness, characteristic of the transformation temperature; either we can keep it at roughly the recompresaion temperature and transform it into bainite, making it acquire the hardness corresponding to this temperature, as indicated by the point or we can cool the compact part to the temperature. - ambient erasure, as shown by curve e2, to form mertensite.
During all these operations, the part is preferably protected against oxidation by keeping it in an inert or non-oxidizing atmosphere.
The process according to the invention is very different from ordinary hot pressing, which is carried out at a much higher temperature in order to soften the metal only by the action of temperature, which obviously has the effect of softening the metal of dies and punches, During the hot pressing operation, the hardness of the hot pressed metal does not vary with time as long as the temperature remains constant. In contrast, according to the invention, the metal has been quenched to a temporarily stable state of unnatural softening at the operating temperature, and either recompressed or die for a period of limited time, before being recompressed. 'it becomes hard again.
Preferably, the recompression or stamping temperature is between 205 and 317 ° C. but the invention is not limited to this range, to treat steels of all the compositions. These conditions have heretofore been considered to be absolutely unacceptable in the processing of iron and steel, either for hot pressing or for forming an ingot. This
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Temperature interval has been called the "brittleness to blue *" interval (see Z. Jeffries & R.S. Archer, "The
Science of Metals ", page 182), because the treatment of iron or steel at a stable state at this temperature has the effect of making them extremely brittle, when cooled to room temperature.
The strength and hardness of iron and steel are greater and their ductility lower in the range of brittleness to blue and hence they are more difficult to work. The metal of the dies and punches is therefore not soft when heated to room temperature, to forge it while it is in the metastable state, and in fact its temperature may be within the interval from brittleness to blue, which corresponds to inelastic hardness.
When the powdered iron copaist raw material mixed with powdered alloying elements, preferably extremely pure iron powder, not made brittle by hydrogen or collapsed, is used. The degree of purity of the powder must be sufficient so that the total of the dissolved impurities does not exceed 0.3-0.8%, that the loss in weight of the powder heated in dry hydrogen for two hours at 982 C is less than 0.4 - 0.7% and the grain size is equal to or greater than size No. 9 of the ASTM scale for grain sizes of various metals.
The invention is easy to understand from the following examinations, but should not be construed as being limited by them:
Example 1- Electrolytic iron is intimately mixed (eg in a ball mill) with 1% metallic manganese, 0.9% carbon and 1% stearic acid lubricant. We compress this mixture with a @
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pressure of 4 tozme./¯2 and sintered at, 109300 for three hours. (to allow the distribution to take place,
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in particular that of manganese) in hydrogen containing 0.32% by volume of natural gas.
Boxwood is quenched the sintered and substantially homogeneous compact part in a bath of molten solder at 260 C, it is compressed there (die) for two minutes tied a pressure of 14 tennes / cm2 in a die also at a temperature of about 260 C, we take her out of there. matrix and it is cooled rapidly, transforming the austenitic structure to little
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almost completely in martensite. We can. Recirculation / watering by a method known to increase its toughness, if desired.
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Since the solidifying transformation having the above composition does not begin until two minutes have elapsed after the steel has been quenched at a temperature below its critical temperature, the compact part is austenitic while it is being quenched.
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undergoes recomposolon (matr1Iage. The density of a test sample was found to be 7.54, which corresponds to
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16 a porosity of about a% and a Rockwoli-0 hardness equal to 68. After 'tira8. k 59300p its tensile strength was greater k 105 # 4 kfiosoa2 and its Rockwall-B hardness was equal to .. 102.
A similar compact piece has been fabricated from the same raw material, compressed at the same pressure and sintered at the same temperature for the same time, then cooled slowly (instead of quenching) so as to make its structure pearlitic. . The sintered sample was heated to 280- C, and stamped into a die
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and with a potngon also heated, 26000 under a pressure of 141.7 klJ / rma2. The density of this sample was z, 11 corresponding to a. a porosity of about 8%
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and its physical properties were much less satisfactory, due to the stronger resistance of the. perlite on forging versus 11 temporarily stable austenite.
If this part is quenched by heating it to a temperature above its critical temperature and then quenching it, it undergoes considerable deformations, which do not allow it to be manufactured with close tolerances, which can be obtained by compressing the temporarily stable austenitic structural part according to the invention, an operation which does not require any subsequent high temperature heat treatment to obtain high hardness.
Example 2 - The raw material is a steel powder having approximately the composition of 'steel' SAE '1080 i.e.; carbon 0.76 k 0.88%; manganese c, 60 to 0.90% phosphorus 0.04% max and sulfur 0.05% maax, the remainder being iron. This steel powder is too hard to be able to obtain a high density of the order of 7.3 to 7, 7 and high physical characteristics by cold compressing and sintering it by ordinary methods.
According to the invention, this powder can be mixed with 1% stearic acid lubricant in a ball mill or other suitable mixer. here we are. compressed . cold in a suitable die at a pressure of 42.5 to 141.7 kg / mm2. for example BOUS 'form of a bar of approximately 60 x 6 x 8 mm, which one takes out of the. cold compression die.
Then the cold-pressed part is sintered in a non-oxidizing, non-fuel and non-decarburizing atmosphere, which may consist of hydrogen and methane * The sintering temperature may be between 815 and 1315 C and is preferably equal to 1093 C.
Since the raw material consists of a shaped steel powder, in which the carbon and
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Alloy elements are dissolved and almost uniformly distributed in all the particles of the powder, the sintering time may be shorter than in the previous example, where the homogenization and production of the powder must take place. 'steel. The duration of the sintering must be sufficient for the structure of the steel to become completely austenitic. The upper limit of the Ar "interval of this steel is about 221 ° C. At the end of the sintering period, the agglomerated austenitic steel part is quenched in a mercury bath at a temperature of about 271 ° C. .
When the austenitic steel part has reached appreciably this temperature and before an appreciable quantity of sane has formed therein, the structure of the part remaining austenitic, it is introduced into a suitable die which is at a temperature of 281 C and compressed with a fist heated to the same temperature under a stamping pressure of about 141.7 kg / mm2, which is preferably maintained for about 16 seconds.
The structure of the part is then austenitic. Then the forged part of austenitic steel is taken out of the die, and it can then be cooled by one of the means described above to transform the austenite into martensite or bainite, or into a mixture of martensite and bainite. in any proportions at will.