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" Alliage faiblement austénitique ' ¯ La. présente invention se rapporte au domaine de la métallurgie et concerne plus particulièrement une série d'allia. ges ferreux établis en vue d'offrir d'excellentes propriétés physiques aux températures élevées, sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à des quantités de matériaux hautement "straté - giques" et afin de permettre la production de tels alliages ferreux, sans que l'on fasse appel à un quelconque des éléments qu'il est convenu d'appeler *super-critiques ,
Les alliages ferrétiques courants deviennent sans valeur à des températures, voisines de 1200 F.
Lorsqu'il s'agit d'un fonctionnement à des températures dépassant 1200 F, on a recoure
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à des alliages à predominance austé nitique, tels que représentas par exemple par les alliages classiques d'acier inoxydable du type 18-8. Ces alliages à prédominance austnitique possèdent d'excellentes propriétés physiques au-dessus de 1200 F. mais leur emploi est limité par suite de l'inclusion de quantités importantes d'éléments rares, coûteux et critiques.
La présente invention a particulièrement pour objet d'établir une famille/d'alliages pouvant être réalises d'une façon économi- que et être utilisés dans la gamne de températures, allant jusque 1500 F. Cette gamme est suffisamment étendue pour permettre l'emploi de matériaux: de ce type dans de nombreuses applica- tions qui exigent actuellement des alliages à prédominance aus- tenitique, plus coûteux.
Cette famille d'alliages est évidemment basée sur @ fer et comporte, à titre d'adjuvants nécessaires$, les âgents généra- teurs d'austénite, à savoir le manganèse et l'azote. Tout en res- tant dans les limites qui apparaîtront clairement à tout métal- lurgiste expérimentée les additions d'alliage, que l'on utilise communement dans le domaine ferreux, telles que le carbone, le silicium, le nickel, le molybdène, le tungstène, le vanadium, le niobium, le titanium, etc.., peuvent être employées aussi longtemps que l'équilibre de base établi dans 1'alliage initial fer-manganè es-chrome-azote n'est pas détruit.
L'industrie métallurgique a fait, au cours des deux der- nières décades, un usage considérable d'azote en tant qu'élément d'alliage, afin de tirer parti de l'intense pouvoir générateur d'austénite, de la facilité d'acquisition et du coût peu élevé de ce gaz. L'azote est en outre avantageux par le fait qu'il procure une résistance aux hautes températures et une résistance au choc et parce qu'il constitue un agent d'affinage puissant des grains, Les brevets américains ci-après ont été relevés pour mettre en évidence l'intérêt marqué dont jouit l'alliage de ce type.
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EMI3.1
<tb>
1.990.589 <SEP> 2.191.790 <SEP> 2.294.412.
<tb>
<tb>
2.056.766 <SEP> 2.197.955 <SEP> 2.302.607
<tb>
<tb> 2.071.740 <SEP> 2.198.598 <SEP> .657.130
<tb> 2.120.554 <SEP> 2.199.096 <SEP> 2.671.726
<tb>
<tb> 2.140.905 <SEP> 2.212.496 <SEP> 2.686.116.
<tb>
Les inventeurs ont constaté que des alliages à base de fer, qui contiennent 10 à 30 pour-cent de chrome et 10 à 20 pour cent de manganèse, peuvent être notablement améliorés par l'ad- dition de 0,3 à 1 pour cent. le rapport chrome/azote. étant inférieur à 70/1 et pouvant descendre jusque 26/1.'Pour pouvoir obtenir un rapport chrome/àzote de cet ordre,il est nécessaire que l'incorporation de l'azote s'opère sous une pres- sion supérieure à la pression atmosphérique. La fixation de l'azote est accrue si l'on provoque une solidification rapide du moulage.
Le métal en fusion doit-être maintenu sous une pression supérieure de une atmosphère tout au moins à la pression ambiante. Une telle pression peut être obtenue à l'aide d'une amtosphè re comprimée d'azote ou d'un autre gaz inerte vis-à-vis du métal èn fusion, ou bien, elle peut ê tre réalisée en imprimant au métal en fusion une rotation suffisamment rapide pour multiplier les effets de la gravité dans 'la mesure voulue. Lorsque le bain est animé d'une rotation, un anneau intérieur de scorie inerte contribue avantageusement à appliquer une pression au métal sous-jacent.
On peut appliquer de cette façon une pression suffisant pour permettre une solidification directe,sans transfert dans un autre moule, ainsi que l'obtention d'un moulage sain. 11 est préférable que'les dimensions des lingots ainsi coulés soient limitées, afin de permettre une solidification rapide et que ceux-ci soient au besoin coulés dans des moules refroidis, tou jours en vue d'accélérer la solidification. Il est évident qu' après avoir atteint le rapport chrome-azote élevé voulu, le métal en fusion doit ê tre maintenu continuellement sous une près-
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sion supérieure à la pression atmosphérique, jusqu'a ce que la solidification S'accomplisse.
En calculant 10 rapport chrome/azote. il convient de ne pas tenir compta de l'azote combina avec des éléments tels que le zirconium et le titanium, qui forment des nitrures très stables, é tant donné que cet azote est fortement combiné et n'entre pas en ligne de compte en tant qu'agent gé né ra- teur d'austénite.
C'est seulement en observant ces précautions que l'on pourra obtenir un lingot qui réponde aux spécifications commer- ciales en ce qui concerne l'absence de défauts dus aux gaz.
Lorsqu'il s'agit de satisfaire certains desiderata commer- ciaux donnés, l'alliage fer-chrome-manganè se-azote de base peut être modifié par n'importe quelle quantité voulue de carbone, par l'addition de silicium jusque 3 pour-cent, par l'addition de nickel jusque 8 pour-cent, par l'addition de molybdène ou de tungstène jusque 6 pour-cent ou de vanadium jusque 1/2 ou 1 pour-cent* Comme il apparaîtra aisément aux techniciens de la branche, l'alliage initial fer-chrome-mangaè se-azote sera modi- fie par ces additions, soit vers la forme alpha, soit vers la forme gamma.. L'addition de carbone et de nickel, qui sont tous deux des agents générateurs d'austénite, tend à rendre la nature austénitique de l'alliage plus stable et permet une modification de l'alliage initial,
qui se rapproche ainsi vers le côté des faibles teneurs en manganèse, étant donne que le carbone ou le nickel peut remplacer une partie du manganèse. De même, l'addition d'un puissant agent générateur de ferrite, tel que le silicium, ou les agents générateurs de ferrite équivalents, tels que le tungstène ou le molybdène, exige une augmentation concomitante des additions de certains ou de tous les agents générateurs d'aus- ténite, tels que le carbone, le manganè se, le nickel et l'azote.
Le tableau' ci-après indiqueà titre d'exemples, des alliages préparés lors de la mise au point de la. présente invention.
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Tableau 111.
Composition des alliages.
Composition, pour-cent de poids.
EMI5.1
<tb> Element
<tb> N <SEP> de
<tb>
EMI5.2
l'allime Or Mn Mo Ni N Si
EMI5.3
<tb> 46 <SEP> 17, <SEP> 0 <SEP> 11,8 <SEP> 1,90 <SEP> 0,30 <SEP> 0,01 <SEP> 0,01
<tb>
EMI5.4
47 15,9 la93 ù,02 0,46 0,5 0, 03
EMI5.5
<tb> 48 <SEP> 17,0 <SEP> la,7 <SEP> 2,50 <SEP> 0,44 <SEP> 0,22 <SEP> 0,04
<tb>
<tb> 49 <SEP> 15,9 <SEP> 13,7 <SEP> 1,79 <SEP> 0,44 <SEP> 0,26 <SEP> 0,04
<tb>
<tb> 75 <SEP> 15,7 <SEP> 15,4 <SEP> 1,94 <SEP> 1,45 <SEP> 0,40 <SEP> 1,42. <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP>
<tb>
EMI5.6
76 15,6 15,2 1,94 .,45 0,39 1,08 0,07 90 16,7 lao,7 S, 8 - 0,6S O,3 0, 06
EMI5.7
<tb> va <SEP> 0 <SEP> 0,36 <SEP>
<tb>
Les alliages 46, 48 et 75 contenaient de faibles quantités de fer alpha. Les alliages restants étaient complètement austéni- tiques.
Il convient de considérer plus particulièrement les alliages 47 et 49, A une température de 1250 F, ces alliages offraient des propriétés physiques égales 1 celles des meilleurs alliages à base de fer dits *super-alliages** Ces alliages ont été comparés avec un alliage portant la désignation 316 et qui était un allia-
EMI5.8
ge du type 188, èomportant 2 pour-cent de molybdène, ainsi qu'avec un alliage désigné par 16-25-6 et qui contenait 16 pour- cent de chrome, 25 pourcent de nickel et 6 pour-cent de molybdène.
A 1250 F, les alliages 47 et 49 étaient complètement équivalents à ces alliages standard et hautement critiques.
On remarquera que le brevet américain Jennings N 2.657.130 indique dans la colonne 5, échantillon P, un alliage contenant 0,530 pour-cent d'azote, et 20,43 pour ,cent de chrome. Il pourrait paraître à première vue que cet alliage tombe directement dans les limites du rapport chrome/azote indiquées dans la présente demande.
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Toutefois, l'expérience constante des inventeurs démontre que toute tentative visant à préparer un tel alliage ayant un rapport chrome/azote inférieur à 70/1 aboutit à un lingot malsain, qui présente des défauts dûs aux gaz, s'il n'est pas maintenu et coulé sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, et rapidement refroidi.
La manière dont l'azote est incorporé à l'alliage n'est pas critique et l'on peut utiliser à cet effet n'importe quelle forme avantageuse de cet élément. Par exemple, l'azote peut être intro- duit sous la forme d'un azote moléculaire ou peut être dérivé de substances telles que les cyanures, les cyanamides, l'ammoniaque ou des alliages contenant de l'azote, tels que le fer à haute teneur ou le ferro-chrome à haute teneur d'azote..
REVENDICATIONS.
@
1) Moulage à base de fer, effectivement exempt de gaz et sain, qui contient; à titre d'éléments d'alliage essentiels le chrome en une proportion de 10 à. 30 pour-cent, le manganèse de 10 à 20 pour-cent et l'azote de 0,3 à 1,0 pour-cent, le rapport chrome. azote allant de 70/1 à 25/1. ce moulage présentant une structure complètement austénitique en substance.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"Low Austenitic Alloy" The present invention relates to the field of metallurgy and more particularly relates to a series of ferrous alloys established to provide excellent physical properties at high temperatures, without the need. to have recourse to quantities of materials which are highly "strategic" and in order to allow the production of such ferrous alloys, without the use of any of the elements which are commonly called * super-critical ,
Common ferretic alloys become worthless at temperatures around 1200 F.
When it comes to operation at temperatures exceeding 1200 F, the
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to predominantly nitric austic alloys, such as for example represented by conventional stainless steel alloys of the type 18-8. These predominantly austnitic alloys have excellent physical properties above 1200 F. but their use is limited due to the inclusion of large amounts of rare, expensive and critical elements.
A particular object of the present invention is to establish a family / of alloys which can be made economically and can be used in the temperature range up to 1500 F. This range is sufficiently wide to allow use. of materials: of this type in many applications which currently require more expensive predominantly austenitic alloys.
This family of alloys is obviously based on iron and comprises, as necessary adjuvants, the aged austenite generators, namely manganese and nitrogen. While remaining within the limits which will be apparent to any experienced metalworker, the alloy additions, which are commonly used in the ferrous field, such as carbon, silicon, nickel, molybdenum, tungsten , vanadium, niobium, titanium, etc., can be used as long as the basic equilibrium established in the initial iron-manganese-chromium-nitrogen alloy is not destroyed.
During the last two decades, the metallurgical industry has made considerable use of nitrogen as an alloying element, in order to take advantage of the intense generating power of austenite, of the ease of acquisition and low cost of this gas. Nitrogen is further advantageous in that it provides high temperature resistance and impact resistance and because it is a powerful grain refining agent. The following US patents have been noted to in evidence the marked interest enjoyed by the alloy of this type.
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<tb>
1.990.589 <SEP> 2.191.790 <SEP> 2.294.412.
<tb>
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2.056.766 <SEP> 2.197.955 <SEP> 2.302.607
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<tb> 2.071.740 <SEP> 2.198.598 <SEP> .657.130
<tb> 2.120.554 <SEP> 2.199.096 <SEP> 2.671.726
<tb>
<tb> 2.140.905 <SEP> 2.212.496 <SEP> 2.686.116.
<tb>
The inventors have found that iron-based alloys, which contain 10 to 30 percent chromium and 10 to 20 percent manganese, can be significantly improved by the addition of 0.3 to 1 percent. the chromium / nitrogen ratio. being less than 70/1 and being able to go down to 26/1. 'To be able to obtain a chromium / nitrogen ratio of this order, it is necessary that the incorporation of nitrogen takes place under a pressure greater than the pressure atmospheric. Nitrogen uptake is increased if the molding solidifies rapidly.
The molten metal must be maintained under a pressure above at least one atmosphere above ambient pressure. Such a pressure can be obtained by using a compressed nitrogen atmosphere or other gas inert to the molten metal, or it can be achieved by printing on the molten metal. a rotation fast enough to multiply the effects of gravity to the extent desired. When the bath is rotated, an inner ring of inert slag advantageously helps to apply pressure to the underlying metal.
Sufficient pressure can be applied in this way to allow direct solidification, without transfer to another mold, as well as obtaining a sound molding. It is preferable that the dimensions of the ingots thus cast are limited, in order to allow rapid solidification and that these are if necessary cast in cooled molds, always with a view to accelerating the solidification. Obviously, after reaching the desired high chromium-nitrogen ratio, the molten metal must be kept continuously under close range.
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higher than atmospheric pressure, until solidification takes place.
By calculating 10 chromium / nitrogen ratio. nitrogen combined with elements such as zirconium and titanium, which form very stable nitrides, should not be taken into account, since this nitrogen is strongly combined and is not taken into account as as a generating agent of austenite.
Only by observing these precautions will one be able to obtain an ingot which meets commercial specifications for the absence of gas defects.
When it comes to satisfying certain commercial desiderata, the basic iron-chromium-manganese-nitrogen alloy can be modified by any desired amount of carbon, by the addition of silicon up to 3%. -cent, by the addition of nickel up to 8 percent, by the addition of molybdenum or tungsten up to 6 percent or vanadium up to 1/2 or 1 percent * As will be readily apparent to technicians in the field branch, the initial iron-chromium-mangae-nitrogen alloy will be modified by these additions, either towards the alpha form or towards the gamma form. The addition of carbon and nickel, both of which are agents austenite generators, tends to make the austenitic nature of the alloy more stable and allows a modification of the initial alloy,
which thus approaches towards the low manganese content side, since carbon or nickel can replace part of the manganese. Likewise, the addition of a potent ferrite-generating agent, such as silicon, or equivalent ferrite-generating agents, such as tungsten or molybdenum, requires a concomitant increase in the additions of some or all of the generating agents. austenite, such as carbon, manganese, nickel and nitrogen.
The table 'below shows, by way of example, the alloys prepared during the development of the. present invention.
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Table 111.
Composition of alloys.
Composition, percent by weight.
EMI5.1
<tb> Element
<tb> N <SEP> of
<tb>
EMI5.2
allime Gold Mn Mo Ni N Si
EMI5.3
<tb> 46 <SEP> 17, <SEP> 0 <SEP> 11.8 <SEP> 1.90 <SEP> 0.30 <SEP> 0.01 <SEP> 0.01
<tb>
EMI5.4
47 15.9 la93 ù, 02 0.46 0.5 0.03
EMI5.5
<tb> 48 <SEP> 17.0 <SEP> la, 7 <SEP> 2.50 <SEP> 0.44 <SEP> 0.22 <SEP> 0.04
<tb>
<tb> 49 <SEP> 15.9 <SEP> 13.7 <SEP> 1.79 <SEP> 0.44 <SEP> 0.26 <SEP> 0.04
<tb>
<tb> 75 <SEP> 15.7 <SEP> 15.4 <SEP> 1.94 <SEP> 1.45 <SEP> 0.40 <SEP> 1.42. <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP>
<tb>
EMI5.6
76 15.6 15.2 1.94., 45 0.39 1.08 0.07 90 16.7 Lao, 7 S, 8 - 0.6S O, 3 0, 06
EMI5.7
<tb> va <SEP> 0 <SEP> 0.36 <SEP>
<tb>
Alloys 46, 48 and 75 contained small amounts of alpha iron. The remaining alloys were completely austenitic.
Special consideration should be given to alloys 47 and 49. At a temperature of 1250 F, these alloys offered physical properties equal to those of the best iron-based alloys known as * superalloys ** These alloys were compared with an alloy bearing the designation 316 and who was an ally
EMI5.8
Type 188, containing 2 percent molybdenum, as well as an alloy designated 16-25-6 and which contained 16 percent chromium, 25 percent nickel, and 6 percent molybdenum.
At 1250 F, Alloys 47 and 49 were completely equivalent to these standard and highly critical alloys.
It will be noted that US patent Jennings N 2,657,130 indicates in column 5, sample P, an alloy containing 0.530 percent nitrogen, and 20.43 percent chromium. It might appear at first glance that this alloy falls directly within the limits of the chromium / nitrogen ratio indicated in the present application.
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However, the constant experience of the inventors demonstrates that any attempt to prepare such an alloy having a chromium / nitrogen ratio of less than 70/1 results in an unhealthy ingot, which exhibits flaws due to gases, if it is not. maintained and cast under a pressure above atmospheric pressure, and rapidly cooled.
The manner in which the nitrogen is incorporated into the alloy is not critical and any desirable form of this element can be used for this purpose. For example, nitrogen can be introduced as molecular nitrogen or can be derived from substances such as cyanides, cyanamides, ammonia or nitrogen-containing alloys, such as iron. high content or high nitrogen ferro-chromium.
CLAIMS.
@
1) Iron-based casting, effectively free of gas and healthy, which contains; as essential alloying elements chromium in a proportion of 10 to. 30 percent, manganese 10 to 20 percent, and nitrogen 0.3 to 1.0 percent, the ratio chromium. nitrogen ranging from 70/1 to 25/1. this molding having a completely austenitic structure in substance.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.