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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
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<tb>
<tb>
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<tb> 0,023 <SEP> 0,053 <SEP> 1,23 <SEP> 11,336 <SEP> 0,345 <SEP> 7,880 <SEP> 11,613
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<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
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<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
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<tb>
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<tb>
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<tb> 0,027 <SEP> 0,057 <SEP> 0,45 <SEP> 2,903 <SEP> . <SEP> 4,838 <SEP> 2,764 <SEP> 5,944
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<tb>
<tb>
<tb>
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<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>
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<tb>
<tb>
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<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>
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<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
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<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
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.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
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<tb> 0,025 <SEP> 0,074 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> à,7 <SEP> 0,553 <SEP> 0,691 <SEP> 0,691 <SEP> 0,691
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<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
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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.