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ACIERS FERRITIQUES AU CHROME.
La présente invention se rapporte à des aciers ferritiques au chro- me usinables à chaud et à des articles faits au moyen de ces aciers, et plus particulièrement à des aciers contenant 20 à 30% de chrome, présentant une bon- ne résistance au choc à l'état recuit, à la température ambianteo
Les aciers ferritiques au chrome montrent une bonne résistance à de nombreux milieux corrosifs et présentent par là des possibilités industriel- les séduisantes.
Toutefois, il est souvent nécessaire que les aciers exposés à la corrosion non seulement manifestent une bonne résistance à la corrosion, mais aussi une bonne ténacité;, et cette dernière exigence n'est pas satisfai- te par les aciers ferritiques au chrome ordinaires qui tendent à être sensibles à l'entaillage à la température ambiante, c'est-à-dire qu'ils tendent à deve- nir cassants ou à perdre de leur résistance nominale au voisinage des concen- trations de tension, en particulier dans les zones contenant une entaille, une rainure, une rayure ou un filetage. C'est en particulier le cas lorsque la teneur en chrome dépasse 18%.
D'autre part, bien que les alliages d'aciers austénitiques au chrome possèdent de bonnes propriétés de résistance au choc, ils sont difficilement usinables à chaud en raison de leur grande résistance et de leur faible ductilité aux températures élevées. Ils contiennent d'ail- leurs de plus grandes quantités de métaux alliés que les aciers ferritiques et sont donc d'une fabrication plus coûteuse.
Les métallurgistes ont donc cher- ché depuis longtemps à produire un acier ferritique au chrome qui soit tenaceo
Bien qu'on ait mis au point quelques moyens d'obtenir des aciers ferritiques au chrome tenaces, ces moyens n'ont pas été adoptés industrielle- ment d'une manière quelque peu importante par'suite de difficultés techniques et économiqueso On a par exemple proposé d'introduire de notables proportions d'azote dans l'acier, en même temps que'du nickel ou du cuivre, ou les deux.
Les difficultés rencontrées dans la production industrielle d'aciers sains à haute teneur en azote ont empêché une adoption généralisée de ce moyen,, On a également proposé de produire des aciers ferritiques au chrome par réglage des
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teneurs en carbone et en azote. On a abaissé les teneurs en carbone et en fonction de la teneur en chrome des aciers.
C'est ainsi que la tolérance maxi- mum pour le total du carbone et de l'azote dans les aciers à 25% de chrome est d'environ 0,035% pour obtenir de cette manière la ténacité recherchée, Et en- core,bien qu'on ait pu obtenir les résultats voulus au laboratoire, l'indus- trie n'est pas encore prête à adopter sur une grande échelle la technique de fonte sous vide ou en atmosphère inerte qui est nécessaire pour abaisser la te- neur en azote de l'acier au-dessous de ce niveau critiquée
Les aciers inoxydables sont généralement produits au four à arc électrique qui constitue un moyen économique d'affiner la charge fondue et de régler étroitement la composition totale de l'acier qui est nécessaire pour obtenir les propriétés désirées.
L'utilisation du four électrique fournit ain- si au métallurgiste le moyen d'utiliser les riblons et de récupérer d'une ma- nière économique d'importantes quantités de matières d'alliage'de ces déchetso Le carbone peut également être facilement éliminé du métal fondu au moyen d'un agent oxydante On charge le four de riblons d'acier, de riblons d'acier au chrome et d'une petite quantité de fondant, et on fond la charge initiale et on procède à sa décarburation au moyen d'un agent oxydant tel que du minerai de fer ou de l'oxygène gazeux, L'introduction d'oxygène gazeux dans le four a pour résultat,une diminution extrêmement prononcée de la teneur en carbone des aciers,,. L'oxygène facilite l'obtention des hautes températures nécessai- res à l'oxydation du¯carbone de préférence au chrome.
Bien que l'usage d'oxy- gène gazeux pour l'oxydation permette au métallurgiste de fabriquer des,aciers à très faible teneur en carbone a partir des matières premières ordinaires a faible teneur en carbone et des riblons d'acier, il n'élimine pas les der- nières traces d'azote de l'aciero L'azote tendà être absorbé à partir de l'at- mosphère et des matières premières et l'acier contient habituellement environ 0,04 % à 0,07% d'azote. Cette teneur en azote, ajoutée à la teneur en carbone, dépasse la valeur de 0,035% qu'il est reconnu comme nécessaire de ne pas dé- passer dans les aciers à 25% de chrome si l'on veut en assurer la ténacité,
Il s'ensuit que les aciers ferritiques au chrome produits de cette manière sont relativement cassants.
La présente invention fournit un acier ferritique au chrome, con- tenant 20 à 30% de chrome et possédant à l'état recuit une résistance Izod au choc d'au moins 2,07 kgm en moyenne. Les aciers suivant la présente invention présentent une meilleure ténacité aux teneurs en azote et en carbone considé- rées jusqu'à présent comme nuisibles. Les aciers ferritiques au chrome de la présente invention s'obtiennent en introduisant de l'aluminium dans le bain fondu de métal et en règlant judicieusement les constituants de l'alliage et les impuretéso On peut obtenir une augmentation supplémentaire de la ténaci- té en introduisant du nickel dans l'acier contenant l'aluminium, avec ou sans addition'de cuivre.
Les aciers ferritiques au chrome suivant l'invention contiennent 20 à 30% de chrome, jusqu'à 0,03% de carbone, jusqu'à 0,08 % d'azote, la som- me du carbone et de l'azote étant supérieure à 0,06%, 0,25 % à 1,5% d'alumi- nium, jusqu'à 1% de silicium, jusqu'à 2 % de manganèse, le reste étant du fer.
On peut obtenir de meilleures résistances au choc en incorporant dans l'acier 0,05 à 3,5% de. nickel et jusqu'à 3% de cuivrée Quand on utilise à la fois le nickel et le cuivre, la somme des deux ne doit pas dépasser 4 % En présen- ce de nickel, ou de nickel et de cuivre, la teneur en manganèse peut être por- tée à 3 %.
On peut ajouter à l'acier une faible proportion de molybdène ne dé- passant pas 3 % pour améliorer sa résistance à la corrosion;, Les impuretés classiques telles que le phosphore et le soufre peuvent figurer, mais en quan- tité extrêmement faible
Les limites de composition de l'acier sont critiques., Avec une teneur en carbone supérieure à 0,03%, c'est-à-dire comprise entre les limites pratiques de teneur en carbone obtenues au four électrique sans usage d'oxy- gène pour l'affinage, la ténacité de l'acier est abaissée, -même en présence d'aluminium., L'azote constitue également un facteur critique et il ne doit pas dépasser une teneur de 0,08%.
Entre 0,03 et 0,08% d'azote, l'aluminium neutralise efficacement la tendance de l'azote à rendre cassants les aciers
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au chrome contenant au maximum 0,03 % de carbonée Les aciers suivant la pré=
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sente invention contiennent 0,5 à 1 % d9aluminium, en particulier si la te- neur en chrome est de 22 à 30%,attendu que des pourcentages plus élevés en aluminium tendent à abaisser la ténacité et à diminuer la ductilitéo L'acier doit être désoxydé, convenablement au moyen de manganèse et de silicium, mais la quantité résiduelle de silicium présent dans lacier ne doit pas dépasser 1 % environ, sinon l'acier devient cassant,,
On donne dans le tableau I plusieurs exemples d'aciers contenant environ 22 et 26% de chrome avec des proportions variées de carbone, dazote et d'aluminium, ainsi qu'un certain nombre de valeurs de la résistance Izod au choc obtenues en essayant chacun des aciers à la température ambiante, après
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l'avoir recuit en le chauffant pendant six heures à 900QOo et trempé à l'eau,, Tableau I.
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Composition g 22% Gr 0,35 % Si9 0,7 % Mn, le reste du fer9 et Résistance Izod au choc, ¯¯¯¯.......-....... , , en kilogramme très % C % N F¯¯¯
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<tb> 0,03 <SEP> 0,058 <SEP> 0,000 <SEP> 0,553 <SEP> 0,553 <SEP> 0,553 <SEP> 0,691
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,022 <SEP> 0,057 <SEP> 0,42 <SEP> 13,686 <SEP> 12,857 <SEP> 7,465 <SEP> 6,083
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,021 <SEP> 0,060 <SEP> 0,47 <SEP> 2,903 <SEP> 1,244 <SEP> 2,350 <SEP> 3,318
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,022 <SEP> 0,065 <SEP> 0,55 <SEP> 4,700 <SEP> 11,336 <SEP> 7,357 <SEP> 11,613
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,021 <SEP> 0,063 <SEP> 0,62 <SEP> 4,838 <SEP> 3,732 <SEP> 4,977 <SEP> 6,221
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,022 <SEP> 0,055 <SEP> 0,65 <SEP> 6,910 <SEP> 12,719 <SEP> 13,139 <SEP> 4,838
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,017 <SEP> 0,057 <SEP> 0,97 <SEP> 12,166 <SEP> 11,889 <SEP> 12,304 <SEP> 6,
910
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,023 <SEP> 0,053 <SEP> 1,23 <SEP> 11,336 <SEP> 0,345 <SEP> 7,880 <SEP> 11,613
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Composition <SEP> : <SEP> 26 <SEP> % <SEP> Or; <SEP> 0,35 <SEP> % <SEP> Si; <SEP> Résistance <SEP> Izod <SEP> au <SEP> choc,
<tb>
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007 % Mn le reste du fer., et en kilogrammètres %--G- % N au
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<tb> 0,025 <SEP> 0,074 <SEP> 0,000 <SEP> 0,553 <SEP> 0,691 <SEP> 0,691 <SEP> 0,691
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,026 <SEP> 0,052 <SEP> 0,045 <SEP> 0,553 <SEP> 0,591 <SEP> 0,691 <SEP> 0,483
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,038 <SEP> 0,069 <SEP> 0,15 <SEP> 0,829
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,026 <SEP> 0,055 <SEP> 0,25 <SEP> 2,488 <SEP> 2,073 <SEP> 1,936 <SEP> 1,935
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,020 <SEP> 0,059 <SEP> 0,28 <SEP> 3,870 <SEP> 4,009 <SEP> 3,041 <SEP> 3,318
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,
027 <SEP> 0,067 <SEP> 0,32 <SEP> 2,212 <SEP> 9,539 <SEP> 2,764 <SEP> 2,626
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,027 <SEP> 0,057 <SEP> 0,45 <SEP> 2,903 <SEP> . <SEP> 4,838 <SEP> 2,764 <SEP> 5,944
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,021 <SEP> 0,071 <SEP> 0,48 <SEP> 2,212 <SEP> 2,073 <SEP> 5,115 <SEP> 4,562
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,023 <SEP> 0,082 <SEP> 0,51 <SEP> 1,797 <SEP> 1,244 <SEP> 3,041 <SEP> 2,351
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,022 <SEP> 0,066 <SEP> 0,70 <SEP> 2,903 <SEP> 1658 <SEP> 3,041 <SEP> 3,732
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,057 <SEP> 0,085 <SEP> 0,88 <SEP> 0,967 <SEP> 0,967 <SEP> 0,691 <SEP> 0,967
<tb>
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0,032 0,062 0,89 19244 1,658 1,528 1,935
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<tb> 0,030 <SEP> 0,073 <SEP> 1,14 <SEP> 6,774 <SEP> 5,253 <SEP> 1,793 <SEP> 2,488
<tb>
<tb> 0,025 <SEP> 0,074 <SEP> 1,49 <SEP> 2,201 <SEP> 2,488 <SEP> 1,658 <SEP> 1,
935
<tb>
<tb> 0,018 <SEP> 0,064 <SEP> 1,56 <SEP> 1,935 <SEP> 5,331 <SEP> Il,198 <SEP> 5,528
<tb>
<tb> 0,030 <SEP> 0,073 <SEP> 1,64 <SEP> 1,244 <SEP> 1,382 <SEP> 1,793 <SEP> 1,935
<tb>
<tb> 0,028 <SEP> 0,078 <SEP> 2,31 <SEP> 0,829 <SEP> 0,967
<tb>
On voit diaprés ce tableau que, même pour une faible teneur en carboneles aciers contenant 22% et 26% de chrome et dans lesquels la somme des teneurs en azote et carbone est supérieure à 0,06% sont cassants en l'ab-
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sence d9aluminitm. On peut également constater que 19addition d'une quantité d"aluminium ne dépassant pas 092 confère aux aciers une meilleure résistan- ce au choc.
Il est en outre manifeste qu'il doit y avoir au moins 0,05 ewi- ron d9aluminium pour obtenir des résistances au choc régulièrement meilleures, mais qu'une quantité supérieure à 1,5% est nuisible Les résultats montrent également que si la teneur en carbone dépasse 0,03% ou si la teneur en azote
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dépasse environ 0,08 %s la présence d9aluminiu:
m" même entre les limites pré- férées., ne permet pas d'obtenir la résistance minimum moyenne Izod au choc de 2,073 khm à la température ambianteo
La présence du nickel et du cuivre améliore encore la ténacité des
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aciers ferritiques contenant de 1?aluminium Le cuivre est moins efficace que le nickelo Comme on l'a mentionné antérieurement en présence du cuivre,
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la somme du nickel et du cuivre ne doit pas dépasser 4 %. En présence du mo- lybdène il est préférable que le nickel constitue 1 à 2,5 % de l'acier.
L'a- cier doit être désoxydé, et il est commode de le faire au moyen de manganèse et de silicium, mais la quantité résiduelle de silicium présente dans l'acier ne doit pas dépasser 1 % sous peine de le rendre cassante
Le tableau II donne plusieurs exemples d'aciers contenant envi- ron 26 % de chrome et des proportions variées de carbone, d'azote, d'alumi- nium, de nickel et de cuivre, ainsi qu'un certain nombre de valeur de résis- tance Izod au choc obtenues par essai de ces aciers à la température ambian- te après recuit par six heures de chauffage à 900 C et trempe à l'eau.
Tableau II
Composition g 26 % Cr; 0.35 % Si. le reste du fer et s
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<tb> Résistance <SEP> Izod <SEP> au <SEP> choc
<tb>
<tb> %C <SEP> % <SEP> N <SEP> % <SEP> Al <SEP> % <SEP> Ni <SEP> % <SEP> Cu <SEP> %Mn <SEP> % <SEP> Mo <SEP> en <SEP> kilogrammètres
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,022 <SEP> o,059 <SEP> 0,75 <SEP> 1,0 <SEP> - <SEP> 0,7 <SEP> - <SEP> 4,838 <SEP> 7,609 <SEP> 6,773 <SEP> 6,497
<tb>
<tb>
<tb> 0,025 <SEP> 0,059 <SEP> 0,75 <SEP> 2,0 <SEP> =.
<SEP> 0,7 <SEP> - <SEP> 4,146 <SEP> 10,229 <SEP> 4,976 <SEP> 4,976
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,028 <SEP> 0,062 <SEP> 0,75 <SEP> 3,0 <SEP> - <SEP> 0,7 <SEP> = <SEP> 6,497 <SEP> 12,857 <SEP> 7,463 <SEP> 5,530
<tb>
<tb>
<tb> 0,020 <SEP> 0,051 <SEP> 0,66 <SEP> 3,0 <SEP> - <SEP> 0,7 <SEP> - <SEP> 6,083 <SEP> 7,189 <SEP> 8,156 <SEP> 8,986
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,025 <SEP> 0,055 <SEP> 0,75 <SEP> 2,0 <SEP> 1,0 <SEP> 0,7 <SEP> = <SEP> 6,083 <SEP> 9,401 <SEP> 5,580 <SEP> 7,050
<tb>
<tb>
<tb> 0,032 <SEP> 0,052 <SEP> 0,75 <SEP> 1,0 <SEP> - <SEP> 3,0 <SEP> - <SEP> 7,463 <SEP> 6,674 <SEP> 6,081 <SEP> 4,838
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,032 <SEP> 0,062 <SEP> 0,75 <SEP> 2,0 <SEP> 1,0 <SEP> 3,0 <SEP> - <SEP> 6,221 <SEP> 69359 <SEP> 9,262 <SEP> 10,507
<tb>
<tb>
<tb> 0,025 <SEP> n;
.D <SEP> 0,75 <SEP> 1,9 <SEP> 1,0 <SEP> 0,7 <SEP> 2,25 <SEP> 5,668 <SEP> 5,668 <SEP> 3,593 <SEP> 7,406
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,025 <SEP> 0,074 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> à,7 <SEP> 0,553 <SEP> 0,691 <SEP> 0,691 <SEP> 0,691
<tb>
<tb>
<tb> 0,023 <SEP> 0,055 <SEP> - <SEP> 2,0 <SEP> - <SEP> 0,7 <SEP> - <SEP> 2,212 <SEP> 3,593 <SEP> 4,562 <SEP> 3,860
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,025 <SEP> 0,055 <SEP> - <SEP> 1,0 <SEP> - <SEP> 0,7 <SEP> - <SEP> 0,967 <SEP> 1,244 <SEP> 1,382 <SEP> 1,793
<tb>
n.d. non déterminée.
A titre de comparaison, l'antépénultième acier du tableau ci-des- sus ne contient ni aluminium, ni nickel, ni cuivre, alors que les deux derniers contiennent du nickel mais pas d'aluminium. Il est évident que l'addition d'aluminium et de nickel, avec ou sans cuivre, élève la résistance moyenne à l'impact de 0,691 à très au-dessus de 3,456 kgm et que la présence de nickel en l'absence d'aluminium ne donne pas l'amélioration de ténacité désirée.
Dans les aciers suivant la présente invention, l'aluminium agit probablement comme désoxydant et formateur de nitrure. Le nickel, le manga- nèse et le cuivre augmentent probablement la solubilité du carbone dans l'acier par formation de petites quantités d'austénite. Que ces effets soient ou non la cause de l'augmentation de résistance au choc des aciers de l'invention, l'incorporation de ces éléments dans les proportions indiquées permet de pro- duire des aciers ferritiques tenaces contenant 20 à 30% de chrome par la tech- nique courante de fonte, en utilisant les matières premières brutes courantes.
La ténacité et la résistance à la corrosion de ces aciers ferri- tiques sont améliorées par un traitement thermique de recuit convenable., Dans l'opération du recuit, l'acier est maintenu à 900 C. pendant un temps suffi- sant pour provoquer, au moins en partie, le passage en solution solide des car- bures et des nitrures. La durée préférée pour ce traitement est de six heu- res. Après ce traitement,,l'acier doit'être refroidi rapidement au moyen d'air, d'huile et d'eau comme milieu de trempe. A l'état recuit,.l'acier est sensi- blement ferritique et susceptible de mise en forme et d'usinage; il convient à la fabrication d'articles résistants à la corrosion et de nombreux autres produits exposés à des efforts élevés en service.
Ces aciers ne sont pas exempts de la tendance à devenir cassants lorsqu'on les chauffe vers 500 C; ils sont également susceptibles d'une attaque intergranulaire quand on les 'chauffe au-dessus de 00 C.
Les aciers suivant la présente invention peuvent être fabriqués ' au four Héroult suivant les techniques courantes du four à l'arc électrique appliquées à la production des aciers inoxydables. Il est inutile d'exclure l'azote de l'atmosphère du four et les matières premières ordinaires à fai- ble teneur en carbone conviennent à la fabrication. Ces aciers peuvent égale-
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ment être fabriqués dans les fours à induction à condition de surveiller de très près la teneur en carbone des matières premières;, laquelle ne doit pas dépasser 0,035% dans les aciers terminéso Ces aciers sous forme de lingots sont usinables à chaud à une température d'environ 1150 C.
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CHROME FERRITIC STEELS.
The present invention relates to hot-machinable ferritic chrome steels and to articles made from these steels, and more particularly to steels containing 20 to 30% chromium, exhibiting good impact resistance to heat. annealed state, at room temperature o
Ferritic chromium steels show good resistance to many corrosive media and therefore present attractive industrial possibilities.
However, it is often necessary that steels exposed to corrosion not only exhibit good corrosion resistance, but also good toughness ;, and this latter requirement is not met by ordinary ferritic chromium steels which tend to be sensitive to notching at room temperature, i.e. they tend to become brittle or to lose their nominal strength in the vicinity of stress concentrations, particularly in areas containing a notch, groove, groove or thread. This is in particular the case when the chromium content exceeds 18%.
On the other hand, although austenitic chromium steel alloys have good impact resistance properties, they are difficult to hot-work due to their high strength and low ductility at high temperatures. They also contain larger amounts of alloyed metals than ferritic steels and are therefore more expensive to manufacture.
Metallurgists have therefore long sought to produce a ferritic chromium steel which is tenacious.
Although some means of obtaining tenacious ferritic chromium steels have been developed, these means have not been adopted industrially in a somewhat important way due to technical and economic difficulties. proposed to introduce substantial proportions of nitrogen into the steel, along with nickel or copper, or both.
The difficulties encountered in the industrial production of sound high nitrogen steels have prevented widespread adoption of this means. It has also been proposed to produce ferritic chromium steels by adjusting the
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carbon and nitrogen contents. The carbon content and the chromium content of the steels were lowered.
Thus, the maximum tolerance for total carbon and nitrogen in 25% chromium steels is about 0.035% to thereby achieve the desired toughness, And still, although If the desired results have been obtained in the laboratory, the industry is not yet ready to adopt on a large scale the technique of melting under vacuum or in an inert atmosphere which is necessary to lower the nitrogen content of steel below this level criticized
Stainless steels are generally produced in an electric arc furnace which provides an economical means of refining the molten charge and tightly regulating the total steel composition which is necessary to achieve the desired properties.
The use of the electric furnace thus provides the metallurgist with the means of using the scrap and economically recovering large quantities of alloying material from this waste. Carbon can also be easily removed from the scrap. molten metal by means of an oxidizing agent The furnace is charged with scrap steel, scrap chromium steel and a small amount of flux, and the initial charge is melted and decarburized by means of An oxidizing agent such as iron ore or gaseous oxygen. The introduction of gaseous oxygen into the furnace results in an extremely pronounced decrease in the carbon content of the steels. Oxygen facilitates the achievement of the high temperatures required for the oxidation of carbon in preference to chromium.
Although the use of oxygen gas for oxidation enables the metallurgist to fabricate ultra low carbon steels from ordinary low carbon raw materials and scrap steel, it does not. does not remove the last traces of nitrogen from the steel. Nitrogen tends to be absorbed from the atmosphere and raw materials and steel usually contains about 0.04% to 0.07% of nitrogen. This nitrogen content, added to the carbon content, exceeds the value of 0.035% which it is recognized as necessary not to exceed in steels with 25% chromium if we want to ensure their toughness,
It follows that the ferritic chromium steels produced in this way are relatively brittle.
The present invention provides a ferritic chromium steel, containing 20 to 30% chromium and having in the annealed condition an Izod impact strength of at least 2.07 kgm on average. The steels according to the present invention exhibit improved toughness at the nitrogen and carbon contents heretofore considered to be harmful. The ferritic chromium steels of the present invention are obtained by introducing aluminum into the molten metal bath and by judiciously controlling the alloy constituents and the impurities o A further increase in toughness can be obtained by introducing nickel in steel containing aluminum, with or without the addition of copper.
The ferritic chromium steels according to the invention contain 20 to 30% chromium, up to 0.03% carbon, up to 0.08% nitrogen, the sum of carbon and nitrogen being greater than 0.06%, 0.25% to 1.5% aluminum, up to 1% silicon, up to 2% manganese, the remainder being iron.
Better impact strengths can be obtained by incorporating 0.05 to 3.5% of. nickel and up to 3% copper When both nickel and copper are used, the sum of the two should not exceed 4% In the presence of nickel, or nickel and copper, the manganese content may be raised to 3%.
A small proportion of molybdenum, not exceeding 3%, can be added to the steel to improve its corrosion resistance ;, Conventional impurities such as phosphorus and sulfur may be included, but in extremely small quantities
The compositional limits of steel are critical., With a carbon content greater than 0.03%, that is, between the practical limits of carbon content obtained in the electric furnace without the use of oxy- hindering the refining, the toughness of the steel is lowered, even in the presence of aluminum., Nitrogen is also a critical factor and it should not exceed a content of 0.08%.
Between 0.03 and 0.08% nitrogen, aluminum effectively neutralizes the tendency of nitrogen to make steels brittle
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chromium containing a maximum of 0.03% carbon The steels according to the pre =
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This invention contains 0.5-1% aluminum, particularly if the chromium content is 22-30%, since higher percentages of aluminum tend to lower toughness and decrease ductility. deoxidized, suitably by means of manganese and silicon, but the residual amount of silicon present in the steel must not exceed about 1%, otherwise the steel becomes brittle ,,
Several examples of steels containing about 22 and 26% chromium with varying proportions of carbon, nitrogen and aluminum are given in Table I, as well as a certain number of values of the Izod impact resistance obtained by testing each steels at room temperature, after
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have annealed it by heating it for six hours at 900QOo and quenching it in water, Table I.
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Composition g 22% Gr 0.35% Si9 0.7% Mn, the rest of iron9 and Izod resistance to impact, ¯¯¯¯ .......-.......,, in very kilograms % C% NF¯¯¯
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<tb> 0.03 <SEP> 0.058 <SEP> 0.000 <SEP> 0.553 <SEP> 0.553 <SEP> 0.553 <SEP> 0.691
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.022 <SEP> 0.057 <SEP> 0.42 <SEP> 13.686 <SEP> 12.857 <SEP> 7.465 <SEP> 6.083
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.021 <SEP> 0.060 <SEP> 0.47 <SEP> 2.903 <SEP> 1.244 <SEP> 2.350 <SEP> 3.318
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.022 <SEP> 0.065 <SEP> 0.55 <SEP> 4.700 <SEP> 11.336 <SEP> 7.357 <SEP> 11.613
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.021 <SEP> 0.063 <SEP> 0.62 <SEP> 4.838 <SEP> 3.732 <SEP> 4.977 <SEP> 6.221
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.022 <SEP> 0.055 <SEP> 0.65 <SEP> 6.910 <SEP> 12.719 <SEP> 13.139 <SEP> 4.838
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.017 <SEP> 0.057 <SEP> 0.97 <SEP> 12.166 <SEP> 11.889 <SEP> 12.304 <SEP> 6,
910
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.023 <SEP> 0.053 <SEP> 1.23 <SEP> 11.336 <SEP> 0.345 <SEP> 7.880 <SEP> 11.613
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Composition <SEP>: <SEP> 26 <SEP>% <SEP> Or; <SEP> 0.35 <SEP>% <SEP> If; <SEP> Resistance <SEP> Izod <SEP> to <SEP> shock,
<tb>
EMI3.5
007% Mn the rest of the iron., And in kilogrammeters% - G-% N at
EMI3.6
<tb> 0.025 <SEP> 0.074 <SEP> 0.000 <SEP> 0.553 <SEP> 0.691 <SEP> 0.691 <SEP> 0.691
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.026 <SEP> 0.052 <SEP> 0.045 <SEP> 0.553 <SEP> 0.591 <SEP> 0.691 <SEP> 0.483
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.038 <SEP> 0.069 <SEP> 0.15 <SEP> 0.829
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.026 <SEP> 0.055 <SEP> 0.25 <SEP> 2.488 <SEP> 2.073 <SEP> 1.936 <SEP> 1.935
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.020 <SEP> 0.059 <SEP> 0.28 <SEP> 3.870 <SEP> 4.009 <SEP> 3.041 <SEP> 3.318
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,
027 <SEP> 0.067 <SEP> 0.32 <SEP> 2.212 <SEP> 9.539 <SEP> 2.764 <SEP> 2.626
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.027 <SEP> 0.057 <SEP> 0.45 <SEP> 2.903 <SEP>. <SEP> 4,838 <SEP> 2,764 <SEP> 5,944
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.021 <SEP> 0.071 <SEP> 0.48 <SEP> 2.212 <SEP> 2.073 <SEP> 5.115 <SEP> 4.562
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.023 <SEP> 0.082 <SEP> 0.51 <SEP> 1.797 <SEP> 1.244 <SEP> 3.041 <SEP> 2.351
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.022 <SEP> 0.066 <SEP> 0.70 <SEP> 2.903 <SEP> 1658 <SEP> 3.041 <SEP> 3.732
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.057 <SEP> 0.085 <SEP> 0.88 <SEP> 0.967 <SEP> 0.967 <SEP> 0.691 <SEP> 0.967
<tb>
EMI3.7
0.032 0.062 0.89 19244 1.658 1.528 1.935
EMI3.8
<tb> 0.030 <SEP> 0.073 <SEP> 1.14 <SEP> 6.774 <SEP> 5.253 <SEP> 1.793 <SEP> 2.488
<tb>
<tb> 0.025 <SEP> 0.074 <SEP> 1.49 <SEP> 2.201 <SEP> 2.488 <SEP> 1.658 <SEP> 1,
935
<tb>
<tb> 0.018 <SEP> 0.064 <SEP> 1.56 <SEP> 1.935 <SEP> 5.331 <SEP> Il, 198 <SEP> 5.528
<tb>
<tb> 0.030 <SEP> 0.073 <SEP> 1.64 <SEP> 1.244 <SEP> 1.382 <SEP> 1.793 <SEP> 1.935
<tb>
<tb> 0.028 <SEP> 0.078 <SEP> 2.31 <SEP> 0.829 <SEP> 0.967
<tb>
It can be seen from this table that, even for a low carbon content, steels containing 22% and 26% of chromium and in which the sum of the nitrogen and carbon contents is greater than 0.06% are brittle in the ab-
EMI3.9
aluminum sence. It can also be seen that the addition of an amount of aluminum not exceeding 092 gives the steels better impact resistance.
It is further evident that there must be at least 0.05 ewiron of aluminum to achieve consistently better impact strengths, but that more than 1.5% is detrimental. The results also show that if the content of carbon exceeds 0.03% or if the nitrogen content
EMI3.10
exceeds approximately 0.08% s the presence of aluminum:
m "even between the preferred limits., does not allow to obtain the minimum average Izod impact resistance of 2.073 khm at room temperature.
The presence of nickel and copper further improves the toughness of
EMI3.11
Ferritic steels containing aluminum Copper is less efficient than nickelo As previously mentioned in the presence of copper,
<Desc / Clms Page number 4>
the sum of nickel and copper must not exceed 4%. In the presence of molybdenum it is preferable that the nickel constitutes 1 to 2.5% of the steel.
The steel must be deoxidized, and it is convenient to do this by means of manganese and silicon, but the residual amount of silicon present in the steel must not exceed 1%, otherwise it will become brittle.
Table II gives several examples of steels containing about 26% chromium and varying proportions of carbon, nitrogen, aluminum, nickel and copper, as well as a number of resistance values. - Izod impact strength obtained by testing these steels at ambient temperature after annealing by heating for six hours at 900 ° C. and quenching in water.
Table II
Composition g 26% Cr; 0.35% Si. The rest of the iron and s
EMI4.1
<tb> Resistance <SEP> Izod <SEP> to shock <SEP>
<tb>
<tb>% C <SEP>% <SEP> N <SEP>% <SEP> Al <SEP>% <SEP> Ni <SEP>% <SEP> Cu <SEP>% Mn <SEP>% <SEP> Mo <SEP> in <SEP> kilogrammeters
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.022 <SEP> o, 059 <SEP> 0.75 <SEP> 1.0 <SEP> - <SEP> 0.7 <SEP> - <SEP> 4.838 <SEP> 7.609 <SEP> 6.773 <SEP > 6.497
<tb>
<tb>
<tb> 0.025 <SEP> 0.059 <SEP> 0.75 <SEP> 2.0 <SEP> =.
<SEP> 0.7 <SEP> - <SEP> 4.146 <SEP> 10.229 <SEP> 4.976 <SEP> 4.976
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.028 <SEP> 0.062 <SEP> 0.75 <SEP> 3.0 <SEP> - <SEP> 0.7 <SEP> = <SEP> 6.497 <SEP> 12.857 <SEP> 7.463 <SEP> 5.530
<tb>
<tb>
<tb> 0.020 <SEP> 0.051 <SEP> 0.66 <SEP> 3.0 <SEP> - <SEP> 0.7 <SEP> - <SEP> 6.083 <SEP> 7.189 <SEP> 8.156 <SEP> 8.986
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.025 <SEP> 0.055 <SEP> 0.75 <SEP> 2.0 <SEP> 1.0 <SEP> 0.7 <SEP> = <SEP> 6.083 <SEP> 9.401 <SEP> 5.580 <SEP > 7.050
<tb>
<tb>
<tb> 0.032 <SEP> 0.052 <SEP> 0.75 <SEP> 1.0 <SEP> - <SEP> 3.0 <SEP> - <SEP> 7.463 <SEP> 6.674 <SEP> 6.081 <SEP> 4.838
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.032 <SEP> 0.062 <SEP> 0.75 <SEP> 2.0 <SEP> 1.0 <SEP> 3.0 <SEP> - <SEP> 6.221 <SEP> 69359 <SEP> 9.262 <SEP > 10.507
<tb>
<tb>
<tb> 0.025 <SEP> n;
.D <SEP> 0.75 <SEP> 1.9 <SEP> 1.0 <SEP> 0.7 <SEP> 2.25 <SEP> 5.668 <SEP> 5.668 <SEP> 3.593 <SEP> 7.406
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.025 <SEP> 0.074 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> to, 7 <SEP> 0.553 <SEP> 0.691 <SEP> 0.691 <SEP> 0.691
<tb>
<tb>
<tb> 0.023 <SEP> 0.055 <SEP> - <SEP> 2.0 <SEP> - <SEP> 0.7 <SEP> - <SEP> 2.212 <SEP> 3.593 <SEP> 4.562 <SEP> 3.860
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.025 <SEP> 0.055 <SEP> - <SEP> 1.0 <SEP> - <SEP> 0.7 <SEP> - <SEP> 0.967 <SEP> 1.244 <SEP> 1.382 <SEP> 1.793
<tb>
n.d. not determined.
By way of comparison, the antepenultimate steel of the table above does not contain aluminum, nickel or copper, while the last two contain nickel but no aluminum. It is evident that the addition of aluminum and nickel, with or without copper, raises the average impact resistance from 0.691 to much above 3.456 kgm and that the presence of nickel in the absence of aluminum does not give the desired improvement in toughness.
In the steels according to the present invention, aluminum probably acts as a deoxidizer and a nitride former. Nickel, manganese and copper probably increase the solubility of carbon in steel by forming small amounts of austenite. Whether or not these effects are the cause of the increase in impact resistance of the steels of the invention, the incorporation of these elements in the proportions indicated makes it possible to produce tough ferritic steels containing 20 to 30% chromium per common smelting technique, using common raw materials.
The toughness and corrosion resistance of these ferri- tic steels are improved by a suitable annealing heat treatment., In the annealing operation, the steel is held at 900 ° C. for a time sufficient to cause, at least in part, the passage in solid solution of the carbides and nitrides. The preferred time for this treatment is six hours. After this treatment, the steel should be cooled rapidly using air, oil and water as the quench medium. In the annealed state, the steel is substantially ferritic and susceptible to shaping and machining; it is suitable for the manufacture of corrosion resistant articles and many other products exposed to high stresses in service.
These steels are not exempt from the tendency to become brittle when heated to around 500 C; they are also susceptible to intergranular attack when heated above 00 C.
The steels according to the present invention can be manufactured in the Héroult furnace according to the current techniques of the electric arc furnace applied to the production of stainless steels. There is no need to exclude nitrogen from the furnace atmosphere, and ordinary low carbon raw materials are suitable for manufacture. These steels can also
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be manufactured in induction furnaces provided that the carbon content of the raw materials is closely monitored ;, which must not exceed 0.035% in finished steels o These steels in the form of ingots can be hot machined at a temperature of about 1150 C.