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La présente invention concerne les organes cémentés d'appui destinés à être utilisés jusqu'à une température de 315*Ce et les aciers constituant ces organes d'appui.
L'expression "organe d'appui" est utilisée ici dans un sens très lar- ge pour désigner les pièces en acier, qui se déplacent au contact l'une de l'au- tre- ou d'une autre pièce, en particulier dans des conditions nécessitant l'em- ploi d'un lubrifiant. Cette expression concerne particulièrement les paliers à rouleaux, mais elle concerne aussi d'autres organes similaires, qui se dépla- cent par rapport à un autre organe et au contact de celui-ci, comme par exemple les paliers à billes, les roués d'engrenage, les tourillons et une grande varié- té d'organes analogues.
Les organes d'appui sont généralement constitués actuellement par l'acier cémenté SAE 4600 ou SAE 52100, durci par une trempe à l'huile. Ces aciers sont limités dans leurs applications à une température maxima comprise à peu près entre 177 C et 204 C. Les industriels demandent actuellement des organes d'ap- pui se comportant d'une manière satisfaisante à des températures plus élevées, par exemple de l'ordre de 315 C. Les aciers -rapides à outils, comme par exemple les aciers 18-4-1, 8-4-1 et l'acier à 12% de chrome et à 1,5% de carbone, peuvent donner satisfaction pour constituer de nombreux organes d'appui travaillant à des températures élevées,pouvant atteindre une valeur comprise entre 540 C et 595 C.
Cepandant, de nombreuses raisons s'opposent à l'emploi de ces aciers à outils pour la fabrication des organes d'appui. Ainsi, du fait que ces aciers contiennent des proportions élevées de métaux spéciaux, ils sont rop coûteux, difficiles à usiner et à rectifier; de plus, le traitement thermique de ces aciers, quand il s'agit d'une production importante,-présente des inconvénients, du fait que des températures de trempe exceptionnellement élevées, qui dépassent communé- ment 1010 C, et même 120400, sont nécessaires, avec en outre une commande très précise de l'atmosphère de trempe.
L'un des buts de l'invention est de réaliser des organes d'appui cé- mentés, que l'on puisse utiliser au moins jusqu'à 315 0, 'dont la composition soit relativement simple et peu coûteuse, et qui possèdent, quand ils ont été correc- tement traités thermiquement, une dureté élevée'de cémentation et une dureté sa- tisfaisante du coeur à la température ambiante, en même temps qu'une dureté Rock- well C(Rc) de cémentation égale au moins à 52 à 315 C; ces organes d'appui cémen- tés doivent aussi posséder une dureté de coeur et une structure toutes les deux stables dans l'emploi à des températures élevées et à la température ambiante, et afin de bonnes caractéristiques, au point de vue recuit, cémentation et usi- nage.
L'invention a aussi pour but de réaliser de tels organes d'appui, qui offrent une grande résistance au recuit de la martènsite formée pendant la trempe, et qui conservent ainsi une dureté de cémentation d'au moins 58 Rc envi- ron à la température ambiante;, après un chauffage prolongé à 315 0.
L'invention se propose aussi de réaliser des aciers de cémentation destinés à la fabrication des organes d'appui définis ci-dessus.
D'autres buts de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre.
L'invention est basée sur le fait que les buts précédents peuvent être atteints pn cémentant des organes constitués par des aciers contenant à peu près, en poids, 0,16 à 0,21% de carbone, 1,25 à 1,65% de chrome, 0,5 à 0,7% de manganèse, 0,9 à 1,1% de molybdène, et 0,9 à 1,25% de silicium. Le reste de ces aciers est constitué par du fer, ainsi.que par des éléments et' impuretés dans des proportions normales pour des aciers de cette composition, et ne nuisent pas aux caractéristiques des produits de l'invention. Pour la plupart des applica- tions; on préfère que les aciers ne contiennent pas plus de 0,025% environ de phosphore et 0,025% environ de soufre.
A l'intérieur des marges indiquées plus
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haut, on préfère utiliser un acier contenant environ 0,19% de carbone, 1,45% de chrome, 0,6% de manganèse, 1% de molybdène et 1,05% de silicium.
Ces aciers peuvent être produits et travaillés, par exemple par for- geage, conformément aux procédés bien connus des gens familiarisés avec la tech- nique des aciers de ces compositions.
Pour illustrer l'invention au moyen d'un exemple, on peut considérer une coulée de 136 kg d'un four de chauffage à induction contenant 0,21% de car- bone, 1,46% de chrome, 0,61% de manganèse, 1,01% de molybdène et 1% de silicium, cette composition correspondant au mode de réalisation préféré de l'invention.
On a forgé de lingot de cette coulée de manière à obtenir des tiges rondes d'un diamètre de 38 mm, dans lesquelles on a coupé des tranches d'une épaisseur de 9,5 mm pour effectuer des essais en vue de déterminer les propriétés de cet acier
On a soumis des échantillons de cet acier à des procédés de cémenta- tion extrêmement différents les uns des autres; ces procédés comprenaient la cé- mentation par le mélange d'un gaz naturel et d'un gaz porteur, la cémentation effectuée par un gaz naturel agissant directement et suivie d'une période de dif- fusion, et la cémentation effectuée dans un récipient avec une composition spé- aiâle.
Dans tous les cas, on a constaté que les gradients de cémentation, les profondeurs de cémentation et la proportion maxima superficielle de carbone é- taient satisfaisants pour l'application à des organes d'appui.
Dans une série d'essais, on a cémenté les échantillons pendant 16 heures dans un mélange de gaz porteur et de gaz naturel dans le rapport de 8 à 1, et on a refroidi ensuite ces échantillons dans l'air. On les a ensuite rec- tifiés à la meule jusqu'à obtenir à la surface une proportion de carbone de 1%; ou de 0,7%, ou jusqu'au coeur. Ensuite, on les a traités pendant une heure à des températures variées de manière à provoquer la formation d'austénite, puis on les a trempés dans de l'huile agitée ; a ensuite déterminé les duretés Rockwell C (Rc) de ces échantillons. Ces duretés .-sont.'indiquées sur le tableau ci-dessous.
EMI2.1
<tb>
Proportion <SEP> Température <SEP> de <SEP> trempe
<tb>
EMI2.2
superficiel- 815 C 829 C 843 C 871 C 899 C 926oc
EMI2.3
<tb> le <SEP> de <SEP> carbone
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1% <SEP> 66,5 <SEP> 66,5 <SEP> 66,6 <SEP> 66,4 <SEP> 65,6 <SEP> 64,9
<tb>
<tb>
<tb> 7% <SEP> 65 <SEP> 65,5 <SEP> 66,7 <SEP> 66,4 <SEP> 65,4 <SEP> 66,9
<tb>
<tb>
<tb> Coeur <SEP> 39,6 <SEP> 40,5 <SEP> 42,3 <SEP> 43,8 <SEP> 43,3 <SEP> 42,5
<tb>
Les données du tableau précédent montrent qu'on a obtenu pour ces échantillons des duretés de cémentation extrêmement élevées à la température am- biante, avec des températures de trempe plutôt faibles, et que la trempe à la température de 82g C fournit des duretés satisfaisantes, aussi bien pour la cou- che cémentée que pour le coeur.
L'aptitude à acquérir de telles duretés, avec des températures de trempe relativement basses, est une caractéristique désira- ble pour les matériaux destinés à constituer des organes d'appui fonctionnant à haute température. Ainsi, la déformation de ces organes d'appui et leurs chan- gements de dimensions sont résuits à un minimum à de telles températures de trem- pe relativement basses ; deplus, on obtient des duretés plus élevées à chaud, aux températures élevées d'utilisation, quand la trempe fournit des duretés éle- vées. Autrement dit, la capacité de support de charge d'un organe d'appui, aux températures correspondant à la dureté à chaud dépend aussi de la dureté produi- te par la trempe initiale.
L'expérience a montré qu'en maintenant Cet acier pendant 30 minutes à 829 C avant la trempe, on obtenait une dureté et une structure stables, aussi
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bien pour la couche cémentée que pour le coeur dureté Rc de la couche cémentée égale à. 67,dureté Rc du coeur égale à 36.
La dureté à chaud à été déterminée par un appareil d'essai Rockwell; l'échantillon et l'organe d'indentation étaient renfermés dans un four électri- que à bobine. Les duretés des échantillons étaient mesurées à des intervalles
EMI3.1
de 55,504 depuis 204 C jusqu'à q.27oC dans une atntpsphere d'argon. Les échantil- Ions étaient maintenus à chaque température pendant une demi-heure, avantles mesures de dureté. Après avoir étudié la dureté à chaud à la température de 427 C on a mesuré la dureté, à la température ambiante, de la matière refroidie dans l'air.
Les résultats ainsi obtenus sont les--suivants :
EMI3.2
<tb> Proportion <SEP> Dureté <SEP> Dureté <SEP> Rc <SEP> aux <SEP> températures, <SEP> de <SEP> Dureté
<tb>
EMI3.3
Supe-rfi- après 204 C 260 C 316 0 371 C 42? C conservée
EMI3.4
<tb> cielle <SEP> du <SEP> trempe <SEP> après <SEP> - <SEP>
<tb> carbone <SEP> chauffa-
<tb>
EMI3.5
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯se à 42? 1% 66,5 58,5 56,2 53,5 5,,5 45,2 59,2
EMI3.6
<tb> 0,7% <SEP> 65,5 <SEP> 57,5 <SEP> 54,8 <SEP> 52,8 <SEP> 50 <SEP> 44,5 <SEP> 57,8
<tb> Coeur <SEP> 38,4 <SEP> 38,3 <SEP> 37,7 <SEP> 39,1 <SEP> 37,5 <SEP> 35,5 <SEP> 38,2
<tb>
Comme on peut le remarquer, les duretés de la couche cémentée et
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du coeur à la température de 316 0 sont sa,tiaisantes pour le travail des or- gangs d'appui,
et la résistance opposée au recuit par l'organe d'appui trempé est mise en évidence par l'excellente dureté conservée après chauffage à 427 C.
Les mesures de la dureté à la température ambiante ont été effectuées également sur les échantillons d'acier, pour les mêmes proportions superficiel- les du carbone, après des traitements prolongés de recuit aux températures de 260 C, 327 C ét 371 C, en utilisant les procédés standards Rockwell "C".
Les résultats 'obtenus ont été les suivants :
EMI3.8
<tb> Dureté <SEP> Rc <SEP> conservée <SEP> après <SEP> recuit <SEP> suivant <SEP> la <SEP> trempe
<tb>
<tb> à <SEP> l'huile-à <SEP> 829 C
<tb>
<tb> Proportion <SEP> Dureté <SEP> Durée <SEP> de <SEP> maintien <SEP> en <SEP> heure <SEP> à <SEP> 260 C
<tb>
EMI3.9
superficielle après 8 72 1$ 256 '500 1000 du carbone trempe 500 -#,,---#- 1 -##-##.
- 1% 67, 7 62e7 62,8 62, 3 62,,6 62,, 8 0,7% 67,5 62,5 62,7- 62,8 62,5 62 Coeur 39,5 38,5 38,1 38,4 38,9 39,7 Durée de maintien en heures â 3 6oc ¯¯¯¯
EMI3.10
<tb> 8 <SEP> 72 <SEP> 128 <SEP> 256 <SEP> 500 <SEP> 1000
<tb>
<tb> 1% <SEP> 67,7 <SEP> 61,6 <SEP> 61 <SEP> 60,6 <SEP> 61 <SEP> 60,8 <SEP> 59,8
<tb>
<tb> 0,7% <SEP> 67,2 <SEP> 59,5 <SEP> 59 <SEP> 58,3 <SEP> 59 <SEP> 58,3 <SEP> 57,7
<tb>
<tb> Coeur <SEP> 38 <SEP> 38,2 <SEP> 37,7 <SEP> 36,5 <SEP> 37,3 <SEP> 37,4 <SEP> 37,6
<tb>
Ces résultats montrent bien la stabilité des organes d'appui confor- mes à l'invention par rapport aux variations de la température.
Ainsi, un' tel
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organe, trempé à 829 C, conserve une dureté de cémentation Rc de 62,8 après 500 heures à 260 C et une dureté de cémentation Rc d'environ 60 après 1000 heures à 326 C. Les duretés du coeur sont tout aussi satisfaisantes, comme on peut le voir sur le tableau précédent. Les résultats inscrits dans ce tableau montrent aussi que les duretés de la couche cémentée et du coeur sont extrêmement stables, de sorte que la stabilité dimensionnelle des organes d'appui est assurée à.ces températures.
Après de longs traitements de recuit à 326 C, on a traité les échan- tillons pour obtenir les duretés à chaud indiquées dans le tableau ci-dessous.
EMI4.1
<tb>
Proportion <SEP> Dureté <SEP> Rc <SEP> Dureté <SEP> Rc <SEP> aux <SEP> températures-suivantes <SEP> Dureté
<tb>
<tb> superficiel- <SEP> après <SEP> servée
<tb>
<tb> le <SEP> du <SEP> carbone <SEP> 1000 <SEP> 'heures <SEP> 204 C <SEP> 260 C <SEP> 316 C <SEP> 371 C <SEP> 427 C <SEP> après
<tb>
<tb> à <SEP> 326 C <SEP> chauf-
<tb>
<tb> fage <SEP> à
<tb> 427 C
<tb>
<tb>
<tb> 1% <SEP> 59,8 <SEP> 58,5 <SEP> 57 <SEP> 56,5 <SEP> 5 <SEP> 47,6 <SEP> 58,5
<tb>
<tb> 0,7% <SEP> 57,7 <SEP> 55 <SEP> 54,8 <SEP> 53 <SEP> 50 <SEP> 46,2 <SEP> 56,3
<tb>
<tb> Coeur <SEP> 37,6 <SEP> 37,3 <SEP> 35,5 <SEP> 35,5 <SEP> 35,2 <SEP> 32,7 <SEP> 37,5
<tb>
Ces données montrent de nouveau la stabilité structurale des organes d'appui conformes à l'invention.
D'autre part,.les caractéristiques de recuit des organes d'appui con- forme à l'invention ont été déterminées par un essai comprenant un traitement isothermique ; dans ce traitement, les échantillons étaient chauffés jusqu'à 982 C, maintenus à cette température pendant une heure, refroidis jusqu'à 704 C maintenus à cette température pendant des temps variés, et enfin refroidis dans l'air, Après 1 heure à 704 C, la dureté Brinell était égale à 300 ; 2 heu- res 1/2 à cette température, la dureté Brinell était égale de 183 et après quatre heures, elle était égale à 179.
On a soumis aussi les échantillons à un cycle continu de refroidissement consistant à les maintenir à 982 C pendant une heure, à les refroidir jusqu'à 760 C, puis à les refroidir à des vitesses prédéterminées jusqu'à 649 C, et enfin à les refroidir dans l'air. Quand les échantillons étaient refroidis à partir de 760 C, à raison de 55,5 C par heure, la dureté Brinel- était de 179, tandis qu'en les refroidissant à raison de 27,7 C par heure on ob- tenait une durété Brinell de 167. Ces duretés indiquent dest structures satisfai- santes pour l'usinage et pour le refoulement à froid.
On a effectué aussi des essais pour évaluer les dimensions des grains de l'acier, en utilisant le procédé McQaid-Ehn; ces essais ont montré que les structures restent fines jusqu'à une température de 1010 C dans.les régions de la couche cémentée et du coeur.
REVENDICATIONS.
1. Acier cémenté constitué essentiellement par 0,16% à 0,21% de carbone, 1,25% à 1,65% de chrome, 0,5% à 0,7% de manganèse, 0,9% à 1,1% de molyb- dène, 0,9% à 1,25% de silicium, et le reste de l'acier comprend le fer, ainsi que les impuretés et les éléments divers dans des proportions normales pour un tel acier, cet acier possédant, quand il a été cémenté et trempé à 829 C, une dureté Rockwell C d'au moins 52 à 316 C pour la couche de cémentation, et une dureté résiduelle Rockwell "C" de 60 pour cette même couche après chauffage à 316 C pendant 500 heures.