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"Perfectionnements aux alliages d'acier".
La présente invention est relative à des alliages d' acier qui sont durcissables par vieillissement à l'état marten- sitique. Le terme "martensitique" est utilisé pour des alliages qui ont ou peuvent être amenés à avoir une structure de base composée essentiellement de martensite, et le terme "martensite" englobe les produits de transformation à basse température de l'austénite.
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Dans la brevet principal'" 612240, on a décrit et revendiqué des alliages contenant 10 k 27% de nickel, 1 à 10% de molybdène et 2 à 30% de cobalt, le produit des valeurs mumé- riques des pourcentages de molybdène et de cobalt étant de 10 à
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100, de préférence de 15 à po. Les aciers peuvent contenir iega- lement 0 à 0,15% de carbone, 0 z 2% de silicium, 0 à 3% de titane, 0 à 3% d1 aluminium, 0 à 6% de cuivre, 0 à 10% de tungstène, 0 à 3% de niobium, 0 à 6% de vanadium, 0 à 1% de b.ry11iua,ot 0 à 0,2% d'azote, l'en,semble des éléments carbone, silicium, titane,
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aluminium, cuivre, tungstène, niobîumq vanadium, béryllium et azote étant de l'ordre de 0 à 10%.
Les aciers peuvent contenir également 0 à 8% de chrome, pourvu que la somme des teneurs de @ nickel et de chrome n'excède pas 23%. Les aciers peuvent contenir
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en outre 0 z 5% de manganèse, 0 à 001% en tout de calcium ou de magnésium ou des deux, 0 à 0,1% de bore et 0 à 0,25% de &ircOllli\8.
Le restant de la composition, à part les impureté., est formé par
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du fer qui ne trouve en une quantité supérieure à celle de ntimu porte quel autre constituant seul.
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Ces ftclers développent, lors d'un vieillissement à l'état mattenaitique, une dureté très élevée et une très haute résistance à la traction, en même temps que d'autre. propriétés
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mécaniques avantageuses.
Ils représentent un progrès très consi dérable en pratique mais tous les aciers décrits à titre d'exem- ple dans le brevet antérieur et réalisés avant la présente inven- tion présentent le désavantage qu'ils perdent une certaine partie de leur résistance,
lorsqu'ils sont chauffés à des températures de l'ordre de 425 à 540*C. L'expédient évident consistant à aug- menter simplement la résistance à la température ambiante des aciers pour compenser la perte de résistance provoquée par la chaleur n'est pas efficace car les aciers perdent alors leur dureté à la température ambiante et ne conviennent ' pas de ce fait pour l'utilisation comme matrices et autres objets soumis à 1'
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usage à des températures de 500 C. et plus.
Il semble que la perte de résistance de ces aciers durcis par vieillissement, aux températures élevées, est le résultat du retour d'une partie de la martensite à l'état d' austénite. La présente invention est basée sur la découverte qu'en réglant la composition de l'acier, il est possible de re- tarder ce retour à l'état austénitique et de produire ainsi un acier ayant une bonne résistance et une bonne dureté aux tempe* ratures élevées, aussi bien qu'à la température ambiante.
Suivant la présente invention, un acier contient
14 à 16% de nickel, 4,6 à 5,2% de molybdène, 8,5 à 9,5% de cobalt, 0,1 à 0,8% de titane, 0,1 à 1,2% d'aluminium, 0 à 3% de vanadium,
0 à 5,4% de niobium, 0 à 10,5% de tantale, 0 à 0,03% de carbone,
0 à 0,2% de manganèse, 0 à 0,2% de silicium$ 0 à 0,01% de bore et 0 à 0,1% de zirconium, le restant, à part les impuretés et les éléments désoxydants résiduaires, étant constitué par le fer, les teneurs de titane, d'aluminium, de vanadium, de niobium et de tantale étant dans un rapport tel que l'on ait :
5 x %Ti + 3 x %A1 + %V + 0,5 x %Nb + 0,25 x %Ta = 4, 5 à 7, et j %V + 0,5 x %Nb + 0,25 x %Ta # 3. L'acier fondu est de prêté.. rence désoxydé par le calcium, avec le résultat qu'il peut y avoir jusqu'à 0,05 ou même 0,1% de calcium dans l'acier à titre d'élé.. ment désoxydant résiduaire.
Le vanadium donne une petite amélioration de la ductilité mais diminue la fluidité de l'acier fendu et est de préférence absent. Le niobium et le tantale sont à peu près les équivalents du vanadium sur la base atome pour atome et sont éga- lement de préférence absents. En conséquence, le chiffre critique de 4,5 à 7 est de préférence assuré uniquement par l'aluminium et te titane, l'acier contenant 0,6 à 0,8% de titane et 0,5 à 0,9% d'aluminium, avec uniquement du carbone, du manganèse, du @ bore et du zirconium comme éléments facultatifs présents, à part
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les impuretés et les éléments désoxydants résiduaires.
Pour une utilisation aux températures élevées$ il est normalement nécessaire qu'un acier ait non seulement une résistance élevée à la traction (résistance à court terme) mais également une bnnne durée jusqu'à rupture sous tension (résiatan- ce à long terme), et on a trouvé que, bien qu'une augmentation de la teneur de nickel améliore la résistance à court terme à 540*C., elle réduit la résistance à long terme, Pour assurer que ces deux résistances soient appropriées, la teneur de nickel doit être comprise entre 14 et 16%. On a également trouvé qu'à moins que le chiffre critique dont il a été question soit d'au moins 4,5, que la teneur de molybdène soit d'au moins 8,5% et que la teneur de cobalt soit d'au moins 4,6%, la résistance aux tempe ratures élevées diminue.
D'autre part, si le chiffre critique est supérieur à 7, si la teneur de molybdène est supérieure à 9,5% ou si la teneur de cobalt est supérieure à 5,2%, la dureté à la température ambiante en souffre. Des teneurs de carbone su- périeures à 0,03% diminuent la dureté à la température ambiante et la teneur de cabone est maintenue de préférence en dessous de 0,02%.
L'acier peut être modifié en y incluant un ou plusieurs des éléments formés par le tungstène (jusqu'à 7%), le béryllium (jusqu'à 1%) et le phosphore (jusqu'à 0,5%).
Les aciers peuvent également être modifiés par l'ad- dition d'une quantité allant jusqu'à 5% de chrome, le chrome rem- plaçant le nickel poids pour poids, avec une amélioration de la résistance au fluage à 540 C. Toutefois, la résistance élastique et la résistance limite à la traction sont réduites et, ce qui est surprenant, les aciers contenant du chrome montrent une ré- sistance à l'oxydation sensiblement plus mauvaise. Les aciers exempts de chrome de la présente invention, lorsqu'ils sont sou- mis à des tests d'oxydation cycliques, dans lesquels le critère
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dt la résistance in l'oxydation est le gain de poids par unité de surface, mesuré en mglrxa2, montrent normalement un gain de poids inférieur à 0,2 mg/em2. après 100 heures à 540*0 .
Sous les mto mes conditions,, un acier dans lequel 3% de chrome sont substituas à 3' de nickel montre un gain de poids d'environ 0,4 sg/cmr2 et un acier pour outil bien connu comportant 5% de chrome, 1% de molybdène et 1% de vanadium montre un gain de poids d'environ
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0,8 mgln2, Ces résultats montrent que les aciers exempts de chrome de la présente invention présentent une résistance à 1' oxydation av moins aussi bonne et probablement meilleure que les alliages courants à haute résistance, et ce aux températures dit. vées.
Les aciers suivant la présente invention, après avoir été coulés en lingots, peuvent être travaillés à chaud, chauffés à solution, refroidis pour transformer la matrice ou base à l'état martensitique et vieillis dans cet état par chauf-
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fage dans la gamme de température de 423 à .540*0. Un traitement de durcissement par vieillissement pendant 3 heures à 4800C, est très satisfaisant.
Le chauffage à solution peut être réalisé dans la gamme de température de 815 à 985*C., de préférence à 985 C. pendant 1 heure, car la durée jusqu'à rupture est géné- ralement augmentée par l'utilisation d'une telle température é- levée de chauffage à solution, Trois exemples d'aciers suivant la présente in- vention sont donnée au Tableau 1.
TABLEAU1
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Acier] % % % % % % % N*. C Ti Ai Ni Co MoV 1 0,008 0,68 0060 1503 9,1 3,1 2 0,010 0,70 0,92 15,1 9,2 5,1 3 0,015 0,71 0,36 14,9 8,7 4,8 cl,?6
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Dans chaque acier, la restant de la composition est formé par le fer, avec de petites quantités de silicium, de manganèse, de bore et de zirconium dans les limites fixées précédemment, ainsi que des impuretés et les éléments désoxydants résiduaires,
Des échantillons de ces acier.. après qu'ils ont été travaillés, sont chauffés à solution à 985*C. pendant 1 heure, refroidis à l'air jusqu'à la température ambiante pour produire une matrice martensitique, durcis par vieillissement pendant en* viron 3 heures à 480 C.
et ensuite refroidis à l'air jusqu'à la température ambiante. Les propriétés des échantillons ainsi trai tés thermiquement sont déterminés à la fois à la température am- biante et à des températures élevées. La résistance élastique (Y.S.) en kilos par millimètre carré, la résistance limite à la traction (U.T.S.) également en kilos par millimètre carré, l'al- longement (El.) en pour-cent et les réductions de surface (R.A.) en pour-cent pour l'alliage N 2 sont donnée au Tableau II suivant.
TABLEAU II
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<tb> Température <SEP> 0,2% <SEP> Y.S. <SEP> U.T.S. <SEP> El., <SEP> R.A.,
<tb>
<tb>
<tb> du <SEP> test, <SEP> C <SEP> % <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> 21 <SEP> 198 <SEP> 211 <SEP> 6 <SEP> 23 <SEP>
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<tb>
<tb>
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<tb> 150 <SEP> 176 <SEP> 191 <SEP> 8 <SEP> 32
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<tb>
<tb>
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<tb> 260 <SEP> 165 <SEP> 182 <SEP> 9 <SEP> 40
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 425 <SEP> 153 <SEP> 169 <SEP> 10 <SEP> 41
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<tb>
<tb>
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<tb> 480 <SEP> 144 <SEP> 162 <SEP> 12 <SEP> 49
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 540 <SEP> 131 <SEP> 143 <SEP> 16 <SEP> 60
<tb>
Les résultats des tests de rupture sous tatillon sont donnés au Tableau III.
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TABLEAU III
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<tb> Acier <SEP> Température <SEP> Charge <SEP> Durée <SEP> El., <SEP> R.A.,
<tb>
<tb>
<tb> N , <SEP> du <SEP> test, <SEP> C <SEP> Kg/mm2 <SEP> heures <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> | <SEP> 540 <SEP> | <SEP> 70 <SEP> | <SEP> 84 <SEP> | <SEP> 9 <SEP> | <SEP> 26
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 540 <SEP> 56 <SEP> 433 <SEP> 7 <SEP> 15
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<tb>
<tb>
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<tb> 2 <SEP> 540 <SEP> 63 <SEP> i87 <SEP> 9 <SEP> 20
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<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 540 <SEP> 70 <SEP> 104 <SEP> 10 <SEP> 25
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<tb>
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<tb> 2 <SEP> 540 <SEP> 87,9 <SEP> 29 <SEP> 12 <SEP> 35
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 480 <SEP> 87,
9 <SEP> 756 <SEP> 8 <SEP> 12
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 480 <SEP> 105 <SEP> 302 <SEP> 7 <SEP> 13
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<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 480 <SEP> 123 <SEP> 95 <SEP> 10 <SEP> 28
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<tb>
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<tb>
<tb> 2 <SEP> 480 <SEP> 141 <SEP> 35 <SEP> 9 <SEP> 29
<tb>
<tb>
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<tb> 2 <SEP> 425 <SEP> .155 <SEP> 834 <SEP> 5 <SEP> 9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 425 <SEP> 169 <SEP> 292 <SEP> 8 <SEP> 15
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 540 <SEP> 87,9 <SEP> 7 <SEP> 17 <SEP> 63
<tb>
A titre de comparaison, un acier suivant l'inven- tion précédente, qui est excellent:
pour une utilisation à la ten- pérature ambiante, contient 18,5% de nickel, 7,5% de cobalt, 4,8% de molybdène, 0,4% de titane, 0,1% d'aluminium et une quantité allant jusqu'à environ 0,03% de carbone. Lorsque cet acier, après chauffage à solution et durcissement par vieillissement à l'état martensitique est soumis à des tests à des températures élevées, ces propriétés en souffrent considérablement, comme montré par le Tableau IV qui peut être comparé directement au Tableau II.
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TABLEAU IV
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<tb> Température <SEP> Température <SEP> 0,2% <SEP> Y.S. <SEP> U.T.S. <SEP> El., <SEP> R.A.,
<tb>
<tb>
<tb> du <SEP> test, <SEP> C <SEP> de <SEP> chauffage <SEP> Kg:mm2 <SEP> Kg/mm2
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> solution,*C
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 21 <SEP> 815 <SEP> 174 <SEP> 180 <SEP> 12 <SEP> 54
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 315 <SEP> 815 <SEP> 157 <SEP> 164 <SEP> 6 <SEP> 43
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 425 <SEP> 815 <SEP> 148 <SEP> 155 <SEP> 6 <SEP> 46
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 480 <SEP> 815 <SEP> 130 <SEP> 141 <SEP> 9 <SEP> 46
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 540 <SEP> 815 <SEP> 90,
7 <SEP> 105 <SEP> 11 <SEP> 59
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 315 <SEP> 985 <SEP> 155 <SEP> 162 <SEP> 6 <SEP> 39
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 425 <SEP> 985 <SEP> 139 <SEP> 150 <SEP> 6 <SEP> 45
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 480 <SEP> 985 <SEP> 122 <SEP> 131 <SEP> 11 <SEP> 55
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 540 <SEP> 985 <SEP> 90,7 <SEP> 101 <SEP> 14 <SEP> 65
<tb>
Les aciers de la présente invention conviennent particulièrement bien pour une utilisation comme matrices et , comme outils utilisés à des températures élevées, par exemple des matrices pour le forgeage à chaud et des matrices pour 1' extrusion à chaud, des pièces constitutives de missiles et d' avions, chauffées durant l'utilisation jusqu'à des températures atteignant jusqu'à 540 C., par exemple des pièces d'enveloppes de fusées,
les arbres et les rotors d'installations génératri. ces, les tubes de mortiers, les canons d'armes à feu et les insu tallations chimiques. Les aciers peuvent également être employée pour des éléments de fixation et d'autres pièces soumises par intermittence à des températures élevées. A cause de leur bonne aptitude à être conformés, les aciers peuvent être produits nous forme de pièces travaillées à chaud ou à froid, telles que des tiges, des barres, des tôles, des rubans, des plaques, des tu- bes, des fils, des pièces extrudées, des billettes et des feuil- les.