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. Perfectionnements au traitement thermique de métaux.
La présente invention se rapporte au traitement de métaux et concerne en particulier l'obtention d'un grain fin de métal.
De nombreux avantages peuvent être obtenus en don- nant un grain fin à des métaux comme, par exemple; les aciers inoxydables et les alliages à base de nickel et ces avantages comprennent une amélioration des caractéristiques d'étirage à froid et de formage, une augmentation de la ductilité et de la résistance à la traction aux températures peu élevées.par exemple jusqu'à en- viron 450 C, et également une augmentation de la ductilité aux températures élevées après irradiation neutronique. On notera que
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ce dernier facteur a une importance particulière pour les matériaux' utilisés dans la technique nucléaire, par exemple, comme gaine bêlements combustibles parce que la rupture,des constituants à l'intérieur d'un réacteur peut avoir des conséquences graves.
Jusqu'ici l'obtention d'un grain fin nécessi- tait le travail à froid suivi d'un chauffage jusqu'à la tempéra- ture la plus basse à laquelle la recristallisation du métal se produit. Cette température pour les aciers est d'environ 800 C et ! 'est maintenue pendant plusieurs heures afin que la recristallisà- tion puisse être complète. 'La dimension de grain minimum facilement obtenue par cette technique est de l'ordre de 7 à 8 microns et afin d'améliorer la ductilité du métal, une dimension encore plus petite est désirable. Ce traitement présente aussi l'inconvénient d'interférer avec les traitements thermiques de vieillissement et peut empêcher l'emploi du traitement optimum désiré.
Le but de la présente invention est de fournir un pro- cédé nouveau ou amélioré pour traiter des métaux, procédé qui a pour résultat l'obtention d'une grande finesse de grains.
Suivant la présente invention, un procédé.de traitement d'un acier inoxydable austénitique ou d'un métal analogue, est caractérisé en ce qu'on travaille le métal à froid, on le chauffe rapidement jusqu'à une température de recuit dans la gamme 900- 1200 C, on maintient cette température de recuit pendant une durée suffisante pour provoquer une recristallisation pratiquement com- plète du métal mais insuffisante pour provoquer une croissance du grain significative et on refroidit ensuite rapidement le métal chaud.
L'expression "métal analogue" se rapporte aux alliages à base de;nickel contenant au moins une des additions d'alliage suivantes : cobalt, chrome, fer et molybdène et'éventuellement . aussi des additions de durcissement par précipitation telles que le titane et l'aluminium et comprend la gamme d'alliages
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dénommée "Nimonics".
Il y a lieu de noter que le traitement thermique de ' l'invention est nécessairement précédé par un traitement de tra- vail à froid, par exemple une opération de laminage à froid et il apparaît que pour obtenir les résultatssatisfaisantsla quantité de travail à froid doit dépasser un certain minimum de,par exemple, environ 25% de réduction d'épaisseur.
La durée optimum pendant laquelle'le métal est maintenu à la température de recuit dépend de la température et la Demanderesse a découvert qu'une durée de moins de 1 minute et par- fois de l'ordre de quelques secondes a pour résultât une finesse de grain satisfaisante.' Ainsi', la Demanderesse a découvert que des résultats satisfaisants peuvent être obtenus en maintenant une température de recuit dans la gamme de 1000 à 1150 C pendant une durée de 1 - 5 secondes maisqu'à aes températures inférieures, par exemple 900 C, des durées de 10 secondes sont insuffisantes pour produire l'effet désiré et des durées d'environ 30 secondes paraissent être nécessaires à cette température.
On remarquera que si le métal est maintenu à la température de recuit pendant une période de temps excessive, on peut s'attendre à ce que le g r a i n obtenu ne soit pas suffisamment fin car il y aura dans ces conditions une certaine croissance du grain. De plus, si ia température de recuit n'est pas maintenue pendant une durée suffisante, on peut s'attendre à ce qu'une recristallisation complète ne se produise pas et le résultat pourrait être des grains fins dispersés dans une.gangue de métal non recristallisé'.
De tels effets ont été observés dans la pratique.
Le métal peut être chauffé par tout moyen approprié, par exemple, un four préchauffé, un ..chauffage par induction ou au moyen d'un bain de sel fondu. Bien qu'un bain de sel se soit avéré approprié pour être utilisé sur une petite échelle, il est. nécessaire de nettoyer la surface du métal après un tel traite- ment, et dès lors une technique de chauffage par induction est ,
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préféréepour une opération à grande échelle. En utilisant la technique de chauffage par induction, une longue barre de métal peut être traitée en la faisant passer au travers du bobinage d'induction à une vitesse telle qu'une zone du métal à l'intérieur du bobinage soit chauffée jusqu'à la température de recuit désirée pendant la période de temps désirée.
D'autres procédés de chauf- fage qui peuvent être appropriés comprennent l'emploi d'un faisceau d'électrons ou.une torche à gaz ou à plasma et l'emploi de ces techniques semble être particulièrement approprié au traitement' d'une éprouvette mince qui est passée rapidement, par exemple en 1/10 de seconde,au travers de la zone de chauffage.
La trempe rapide du métal chaud peut être réalisée de manière pratique en utilisant la trampe @ à l'eau mais dans cer- tains cas, il peut être préférable de ne pas effectuer la trempe à une température aussi basse et en pareils cas, on peut utiliser la trempe dans un bain de sel liquide ou de métal liquide jusqu'à une température de par exemple 750 C.
En appliquant la présente invention à un alliage à base de nickel, contenant du chrome, du fer et du molybdène, avec du titane et de l'aluminium comme addition de durcissement par préci- pitation, il est possible d'utiliser un procédé de vieillissement à une température appropriée pour donner naissance' à un précipité de durcissement (de Ni3TiAL) sous une forme fine. En utilisant une température de recuit d'environ 800 C pendant une longue pério- de de temps sur le même alliage, le précipité de durcissement est formé pendant le recuit sous une forme grossière et ultérieurement le vieillissement a peu d'effet sur la forme de ce précipité qui reste grossier.
Avec un tel alliage,cependant, la présence d'un précipité de durcissement fin a pour résultat un matériau de ré- sistance mécanique pl@s élevée que si le précipité de durcisse- ment a été obtenu sous la forme grossière. Ainsi-, la présente. invention conduit à l'obtention d'une grain fin avec un- précipité de durcissement fin lorsqu'un traitement de vieillisse-
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ment approprié est également utilisé.
Le procédé de la présente invention peut êtreprécédé par un traitement thermique en solution pour dissoudre une partie ou la totalité du matériau précipité et suivi par un traitement de vieillissement pour obtenir un précipité approprié. Le traite- ment thermique en solution est généralement effectué à une tempé- rature similaire à celle du traitement de recuit de courte durée, c'est-à-dire dans la gamme 900-12000C.
Afin que la présente invention soit plus facilement comprise, différentes formes de réalisation en seront maintenant décrites à titre d'exemple.
EXEMPLE 1.- .On travaille à froid pour obtenir une réduction d'épais- seur de 65%, un échantillon de l'alliage Nimonic PE 16 ayant la ,composition suivante : carbone, 0,083%; chrome, 17,1%; molybdène, 3,15%. titane, 1,2%; aluminium, 1,3%; silicium, 0,3%; manganèse, < 0,05%, plomb, 4'-' 0,0005%; zirconium, 0,03%; bore, 0,001%, magnésium, < 0,002%; nickel, 42,5%, le reste étant du fer.
L'échantillon travaillé.à froid est alors chauffé jusqu'à 10500C pendant 5 secondes en le plongeant dans un bain de sel fondu ayant une composition de'92% de chlorure de baryum, 5% de borax hydraté, le reste étant de la farine de silice. L'échan- tillon est retiré du bain et trempé en le plongeant dans l'eau.
L'échantillon traité thermiquement est alors soumis à un examen au microscope pour déterminer la finesse des grains.On constate que' leur dimension est de 4,3 microns, ce qui est approximativement la moitié de ce qu'on pouvait obtenir facilement jusqu'ici.
EXEMPLE 2. -
On travaille à froid par laminage pour obtenir une réduction d'épaisseur de 28,5%, un autre échantillon de Nimonic PE 16.
La dimension initiale des grains de l'alliage est de 31 microns. L'al- liage est alors chauffé jusqu'à 11500C pendant 1 seconde, le traitement thermique étant autrement identique à celui décrit dans
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l'exemple 1. La dimension des grains du matériau traité the@@i- quement est de 2,9 @icrons.
EXEMPLE 3.-
On travaille à froid par laminage pour obtenir un(? réduction d'épaisseur de 50% un échantillon d'acier inoxydable du type dénommé 20-25Nb et ayant comme composition : carbone, 0,03%, silicium, 0,44%, manganèse, 0,78%; chrome, 20,@%; nickel, 25,3%: niobium, 0,68%; molybdène, < 0,05%; soufre, < 0,02%; phosphore, 0,02%; le reste étant du fer. La dimension initiale des* grains est'de 9 microns mais le traitement thermique par chauffage à 1050 C pendant.2 secondes comme dans l'exemple 1 a pour résultat une dimension finale des grains de 3,1 microns.
EXEMPLE 4. - BXì'lPL2 Un autre échantillon de Nimonic PE 16 contenant, en outre, 0,0024% de bore est soumis au traitement thermique suivant ..
L'alliage est traité en solution par chauffage jusqu'à 10500C pen- dant 1/2 heure, travaillé à froid pour obtenir une réduction d'épais- seur de 80% , recuit par chauffage à 1050 C, cette température étant maintenue pendant 3 secondes, trempé à l'eau, vieilli à 750 C pendant 4 heures et refroidi à l'air. On constate que la di- mension des grains va, de 3,1 à 4,1 microns. Ce traitement donne non seulement un; grain fin mais encore un. précipité de durcissement (de Ni3 (TiAL)) sous une forme fine ce qui donne de; meilleures caractéristiques de résistance mécanique. EXEMPLE 5.-.
Un échantillon de l'alliage de l'exemple 4 est soumis au traitement thermique suivant. L'alliage est traité en solution à 11500C pendant 1 heure, travaillé à froid pour obtenir une ré- duction d'épaisseur de 80%, recuit pendant 3 secondes à 10500C. trempé à l'eau, vieilli à 875 C pendant 15 minutes, re- 'froidi à l'air, vieilli à nouveau à 750 C pendant 4 heures et finalement refroidi à l'air. La dimension.finale des ,grains va' de 3,5 à 4,6 microns.Ce traitement donne à nouveau un grain
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fin le durcissement final produit un précipité de durcissement fin.
Le traitement en solution à température élevée dissout le carbure et ceci en même temps que le vieillissement de coulte durée à 875 C a pour résultat une quantité contrôlable de carbure formant un précipité aux limites du.grain. On estime que ce pré- cipité. produit une résistance accrue dans le produit final et diminue la quantité de glissement qui peut se produire aux li- mites du grain.
EXEMPLES 6 à 8.-
D'autres échantillons de PE 16 sont traités comme décrit dans le tableau I.
TABLEAU I
EMI7.1
<tb> Conditions <SEP> de <SEP> recuit <SEP> Dimensions <SEP> des
<tb>
<tb> grains
<tb>
<tb>
<tb> Exemple <SEP> Température <SEP> Durée <SEP> (sec) <SEP> (microns)
<tb>
<tb>
<tb> C
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 950 <SEP> la <SEP> 3,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 1000 <SEP> 5 <SEP> 3,2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 1000 <SEP> 10 <SEP> 3,7
<tb>
Dans tous les exemples, le travail à froid a pour but d'obtenir une réduction d'épaisseur de 65%. On remarquera qu'à
1000 C avec une durée de chauffage de 10 secondes, il semble se - produire une certaine croissance du grain (comparer les exemples
7 et 8). On notera également que des granulométries comparables sont obtenues aux deux températures différentes par l'emploi de durées de chauffage différentes (exemples 6 et 7).
D'autres essais , montrent qu'à 900 C, des durées de plus de 10 secondes sont né- cessaires pour obtenir une recristallisation complète et la
Demanderesse a découvert que le recuit à 900 C pendant 10 secondes produit des grains fins dans une gangue non cristallisée continue, la structure dans son ensemble ayant une dimension apparente des grains de 3,3 microns, déterminée par un comptage des grains en
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utilisant le procédé d'intersection.
EXEMPLES 9 à 24.-
D'autres échantillons de Nimonic PE.16 sont soumis à une série de traitements thermiques et leurs caractéristiques de résistance à la traction sont testées dans des conditions dif- férentes avant et après l'irradiation dans un réacteur nucléaire.
Les résultats obtenus sont repris dans le tableau II.
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TABLEAU II
EMI9.1
<tb> Traitement <SEP> Dimensions <SEP> Conditions <SEP> de <SEP> l'essai <SEP> Limite <SEP> conven- <SEP> Résistance <SEP> à <SEP> Allongement <SEP> % <SEP>
<tb> des <SEP> grains <SEP> tionnelle <SEP> d'élas <SEP> la <SEP> traction
<tb> Exemple <SEP> Chauf- <SEP> Irradia- <SEP> (microns) <SEP> Temp.
<SEP> Taux <SEP> de <SEP> contrain- <SEP> ticité <SEP> à <SEP> 0,2% <SEP> de <SEP> rupture <SEP>
<tb> fage <SEP> tion <SEP> ( C) <SEP> te <SEP> (sec-1) <SEP> (103 <SEP> p.s.i.) <SEP> (103 <SEP> p.s.i.) <SEP> Total <SEP> Uniforme
<tb> 9 <SEP> A <SEP> U <SEP> 14,5 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 68,5 <SEP> 5,9 <SEP> 20 <SEP> 4,3
<tb> 10 <SEP> A <SEP> 1 <SEP> 14,5 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 62,4 <SEP> 72, <SEP> 6 <SEP> 3,0 <SEP> 2,8
<tb> 11 <SEP> B <SEP> U <SEP> 3,5 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 45,9 <SEP> 65,4 <SEP> 40 <SEP> 3,6
<tb> 12 <SEP> B <SEP> 1 <SEP> 3,5 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 44,2 <SEP> 63,3 <SEP> 7, <SEP> 8 <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 13 <SEP> C <SEP> U <SEP> 4,0-5,0 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 61,2 <SEP> 72,9 <SEP> 50 <SEP> 2,8
<tb> 14 <SEP> C <SEP> 1 <SEP> 4,0-5,
0 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 42,0 <SEP> 63,0 <SEP> 21 <SEP> 5,2
<tb> 15 <SEP> D <SEP> U <SEP> 13,0 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 64,8 <SEP> 71,4 <SEP> 23 <SEP> 4, <SEP> 2 <SEP>
<tb> .16 <SEP> D <SEP> 1 <SEP> 13,0 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 63,3 <SEP> 72,0 <SEP> l,2 <SEP> 1,2
<tb> 17 <SEP> E <SEP> U <SEP> 3,5-4,6 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 43,8 <SEP> .
<SEP> 58,0 <SEP> 55 <SEP> 4,1
<tb> 18 <SEP> E <SEP> 1 <SEP> 3,5-4,6 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 44,6 <SEP> 60,0 <SEP> 8,7 <SEP> 4,2
<tb> 19 <SEP> A <SEP> U <SEP> 14,5 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 45,1 <SEP> 55,4 <SEP> 22,6 <SEP> 1,8
<tb> 20 <SEP> A <SEP> 1 <SEP> 14,5 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 46,0 <SEP> 58,8 <SEP> 2,3 <SEP> 1,2
<tb> 21 <SEP> B <SEP> U <SEP> 3,5 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 34,1 <SEP> 36,5 <SEP> 130,0' <SEP> 0,8
<tb> 22 <SEP> B <SEP> 1 <SEP> 3,5 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 37,7 <SEP> 42,9 <SEP> 18,8 <SEP> 1,4
<tb> 23 <SEP> E <SEP> U <SEP> 3,5-4,6 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 30,7 <SEP> 35,5 <SEP> 165 <SEP> 2,0
<tb> 24 <SEP> E <SEP> 1 <SEP> 3,5-4,6 <SEP> 7@0 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 27,7 <SEP> 35,5 <SEP> 40 <SEP> 3,
2
<tb>
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Les traitements thermiques sont les suivants :
Traitement A : un traitement en solution classique et un vieillis- sement comprenant 20 minutes à 1020 C suivi par 4 heures à 7 0 C;
Traitement B: travail à froid pour obtenir une réduction d'é ais- seur de 65%, recuit pendant 3 secondes à 10500C. trempe à 1,, au et vieillissement comme dans le traitement A,
Traitement C:
travall à froid pour obtenir une réduction d' pais- seur de 50%, recuit à 1050 C pendant 5 secondes, trempe à l'Eau, travail à froid pour obtenir une réduction d'épaisseur de 28 5%, -et répétition du recuit de la trempe et du vieillissement com@e dans le traitement A, Traitement D : en solution classique et vieillisseme@t avec un recuit intermédiaire de courte durée comprenant 20 min.
10200C un refroidissement à l'air, 3 secondes à 1050 C, une trempe à l'eau et 4 heures à 750 C, et
Traitement E: traitement en solution 'à 1150 C pendant . j
1 heure, travail à froid pour obtenir une réduction d'épaisseur de 80%, recuit pendant 3 secondes à 10500C, trempe à l'eau, vieillissement à 875 C pendant 15 minutes, refroidissement à l'air, vieillissement à 750 C pendant 4 heures et refroidisse- ment à l'air,
Dans la colonne "traitement d'irradiation" l'alliage' . est soit non irradié (U), soit irradié (I) jusqu'à une dose de
1,5 x 1020 neutrons thermiques/cm2 et 5 x 1019 neutrons de fission/cm2.
On remarquera que le traitement A ne donne pas de petites dimensions des grains et que la ductilité (telle que mesurée-par le pourcentage d'allongement) de ce matériau après ce traitement est faible avant et,plusparticulièrement,après irradiation.
Le traitement D,bien qu'il comprenne le recuit de courte durée ,ne 'comprend pas le travail à froid avant le recuit et on: remarquera que.les résultats obtenus avec ce traitement donnent . des grains de relativement grandes 'dimensions et une faible ductilité,
Les traitements B, C et E,cependant,comprennent tous à
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la fois le travail à froid et un recuitdeoourte durée et onl1!tIBrquera qu'avec ces traitements, de petites dimensions des grains ne dépassant pas 5,0 microns en moyenne sont obtenues et qu'également les ma- tériaux ont une ductilité satisfaisante aussi bien avant qu'après l'irradiation.
On constata donc que le procédé de la présente inven- tion donne un matériau ayant des grains de petites dimensions et que ce matériau présente une ductilité améliorée aux températures élevées après irradiation.
REVENDICATIONS.
1.- Procédé de traitement d'un acier inoxydable austé- n itique ou d'un métal analogue, caractérisé en ce qu'on travaille à froid le métal, on le chauffe ra dement jusqu'à une tempéra- ture de recuit dans la gamme 900-1200 C, on maintient cette tem- pérature de recuit pendant une durée suffisante pour provoquer une recristallisation pratiquement complète du métal mais insuf- fisante pour provoquer une croissance significative du grain et on refroidit ensuite rapidement le métal chaud.
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. Improvements in the heat treatment of metals.
The present invention relates to the treatment of metals and relates in particular to obtaining a fine grain of metal.
Many advantages can be obtained by giving a fine grain to metals such as, for example; stainless steels and nickel based alloys and these advantages include improved cold drawing and forming characteristics, increased ductility and tensile strength at low temperatures, for example up to - around 450 C, and also an increase in ductility at high temperatures after neutron irradiation. Note that
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the latter factor is of particular importance for materials used in nuclear technology, for example, as combustible bleating cladding because the breakdown of components inside a reactor can have serious consequences.
Heretofore obtaining a fine grain has required cold working followed by heating to the lowest temperature at which recrystallization of the metal occurs. This temperature for steels is around 800 C and! is held for several hours so that recrystallization can be complete. The minimum grain size easily obtained by this technique is on the order of 7 to 8 microns and in order to improve the ductility of the metal an even smaller size is desirable. This treatment also has the drawback of interfering with the thermal aging treatments and may prevent the use of the optimum desired treatment.
The object of the present invention is to provide a new or improved process for treating metals, which process results in obtaining a great fineness of grains.
According to the present invention, a method of treating an austenitic stainless steel or a similar metal is characterized in that the metal is cold worked, it is heated rapidly to an annealing temperature in the range 900-1200 ° C, this annealing temperature is maintained for a time sufficient to cause substantially complete recrystallization of the metal but insufficient to cause significant grain growth, and the hot metal is then rapidly cooled.
The term "analogous metal" refers to nickel-based alloys containing at least one of the following alloy additions: cobalt, chromium, iron and molybdenum and optionally. also precipitation hardening additions such as titanium and aluminum and includes the range of alloys
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referred to as "Nimonics".
It should be noted that the heat treatment of the invention is necessarily preceded by a cold working treatment, for example a cold rolling operation and it appears that in order to obtain satisfactory results the amount of cold working must be obtained. exceed a certain minimum of, for example, about 25% reduction in thickness.
The optimum time during which the metal is maintained at the annealing temperature depends on the temperature and the Applicant has discovered that a time of less than 1 minute and sometimes of the order of a few seconds results in a fineness of. grain satisfactory. ' Thus, the Applicant has discovered that satisfactory results can be obtained by maintaining an annealing temperature in the range of 1000 to 1150 C for a period of 1 - 5 seconds but that at lower temperatures, for example 900 C, times. 10 seconds is insufficient to produce the desired effect and times of about 30 seconds appear to be necessary at this temperature.
It will be noted that if the metal is maintained at the annealing temperature for an excessive period of time, it can be expected that the grain obtained will not be sufficiently fine since there will be some grain growth under these conditions. In addition, if the annealing temperature is not maintained for a sufficient time, it can be expected that complete recrystallization will not occur and the result could be fine grains dispersed in a throat of non-metallic metal. recrystallized '.
Such effects have been observed in practice.
The metal can be heated by any suitable means, for example, a preheated oven, an induction heater or by means of a molten salt bath. Although a salt bath has proven to be suitable for use on a small scale, it is. necessary to clean the surface of the metal after such treatment, and therefore an induction heating technique is,
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preferred for large scale operation. Using the induction heating technique, a long bar of metal can be processed by passing it through the induction coil at a rate such that an area of the metal inside the coil is heated to the desired annealing temperature for the desired period of time.
Other heating methods which may be suitable include the use of an electron beam or a gas or plasma torch and the use of these techniques appears to be particularly suitable for processing a test specimen. thin that is passed quickly, for example in 1/10 of a second, through the heating zone.
Quick quenching of hot metal can be done conveniently using the water tramp @ but in some cases it may be preferable not to quench at such a low temperature and in such cases one can. use quenching in a bath of liquid salt or liquid metal up to a temperature of for example 750 C.
By applying the present invention to a nickel base alloy, containing chromium, iron and molybdenum, with titanium and aluminum as the precipitation hardening addition, it is possible to use an aging process. at a temperature suitable to give rise to a hardening precipitate (of Ni3TiAL) in fine form. By using an annealing temperature of about 800 C for a long period of time on the same alloy, the hardening precipitate is formed during annealing in a coarse form and subsequent aging has little effect on the form of. this precipitate which remains coarse.
With such an alloy, however, the presence of a fine hardening precipitate results in a material of higher mechanical strength than if the hardening precipitate was obtained in the coarse form. So-, this. invention leads to obtaining a fine grain with a fine hardening precipitate when an aging treatment
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appropriately is also used.
The process of the present invention can be preceded by a heat treatment in solution to dissolve some or all of the precipitated material and followed by an aging treatment to obtain a suitable precipitate. The solution heat treatment is generally carried out at a temperature similar to that of the short term annealing treatment, ie in the range 900-12000C.
In order that the present invention be more easily understood, various embodiments will now be described by way of example.
EXAMPLE 1. Cold working to obtain a thickness reduction of 65%, a sample of the Nimonic PE 16 alloy having the following composition: carbon, 0.083%; chromium, 17.1%; molybdenum, 3.15%. titanium, 1.2%; aluminum, 1.3%; silicon, 0.3%; manganese, <0.05%, lead, 4'- '0.0005%; zirconium, 0.03%; boron, 0.001%, magnesium, <0.002%; nickel, 42.5%, the remainder being iron.
The cold-worked sample is then heated to 10500C for 5 seconds by immersing it in a bath of molten salt having a composition of '92% barium chloride, 5% hydrated borax, the rest being flour silica. The sample is removed from the bath and soaked by immersing it in water.
The heat-treated sample is then subjected to microscopic examination to determine the fineness of the grains, and their size is found to be 4.3 microns, which is approximately half of what has been easily obtained hitherto. .
EXAMPLE 2. -
Cold rolling is done to obtain a 28.5% reduction in thickness, another sample of Nimonic PE 16.
The initial grain size of the alloy is 31 microns. The alloy is then heated to 11500C for 1 second, the heat treatment being otherwise identical to that described in
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Example 1. The grain size of the material treated is 2.9 microns.
EXAMPLE 3.-
Cold rolling is carried out to obtain a (50% reduction in thickness) a sample of stainless steel of the type called 20-25Nb and having as composition: carbon, 0.03%, silicon, 0.44%, manganese , 0.78%; chromium, 20, @%; nickel, 25.3%: niobium, 0.68%; molybdenum, <0.05%; sulfur, <0.02%; phosphorus, 0.02%; the remainder being iron The initial grain size is 9 microns but heat treatment by heating at 1050 C for 2 seconds as in Example 1 results in a final grain size of 3.1 microns.
EXAMPLE 4 - BXì'lPL2 Another sample of Nimonic PE 16 containing, in addition, 0.0024% boron is subjected to the following heat treatment.
The alloy is treated in solution by heating to 10500C for 1/2 hour, cold worked to obtain a thickness reduction of 80%, annealed by heating to 1050 C, this temperature being maintained for 3 seconds, soaked in water, aged at 750 C for 4 hours and cooled in air. The grain size is found to range from 3.1 to 4.1 microns. This treatment not only gives one; fine grain but still one. hardening precipitate (of Ni3 (TiAL)) in a fine form which gives; better mechanical resistance characteristics. EXAMPLE 5.-.
A sample of the alloy of Example 4 is subjected to the following heat treatment. The alloy is treated in solution at 11500C for 1 hour, cold worked to obtain an 80% reduction in thickness, annealed for 3 seconds at 10500C. quenched in water, aged at 875 C for 15 minutes, cooled in air, aged again at 750 C for 4 hours and finally cooled in air. The final grain size ranges from 3.5 to 4.6 microns. This treatment again gives a grain
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fine, final hardening produces a fine hardening precipitate.
The high temperature solution treatment dissolves the carbide and this together with long term aging at 875 C results in a controllable amount of carbide forming a precipitate at the grain boundaries. It is estimated that this precipitate. produces increased strength in the final product and decreases the amount of slippage that can occur at grain boundaries.
EXAMPLES 6 to 8.-
Further samples of PE 16 are processed as described in Table I.
TABLE I
EMI7.1
<tb> Conditions <SEP> of <SEP> annealing <SEP> Dimensions <SEP> of
<tb>
<tb> grains
<tb>
<tb>
<tb> Example <SEP> Temperature <SEP> Duration <SEP> (sec) <SEP> (microns)
<tb>
<tb>
<tb> C
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 950 <SEP> the <SEP> 3.1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 1000 <SEP> 5 <SEP> 3.2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 1000 <SEP> 10 <SEP> 3.7
<tb>
In all the examples, the aim of cold working is to obtain a thickness reduction of 65%. We will notice that
1000 C with a heating time of 10 seconds, there appears to be - some grain growth (compare examples
7 and 8). It will also be noted that comparable particle sizes are obtained at two different temperatures by the use of different heating times (Examples 6 and 7).
Other tests show that at 900 C, times of more than 10 seconds are necessary to obtain complete recrystallization and
Applicants have found that annealing at 900 ° C for 10 seconds produces fine grains in a continuous uncrystallized matrix, the structure as a whole having an apparent grain size of 3.3 microns, determined by a grain count in
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using the intersection method.
EXAMPLES 9 to 24.-
Other samples of Nimonic PE.16 are subjected to a series of heat treatments and their tensile strength characteristics are tested under different conditions before and after irradiation in a nuclear reactor.
The results obtained are shown in Table II.
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TABLE II
EMI9.1
<tb> Treatment <SEP> Dimensions <SEP> Conditions <SEP> of <SEP> test <SEP> Limit <SEP> conven- <SEP> Resistance <SEP> to <SEP> Elongation <SEP>% <SEP>
<tb> of <SEP> grains <SEP> tional <SEP> of elas <SEP> the <SEP> traction
<tb> Example <SEP> Heating- <SEP> Irradia- <SEP> (microns) <SEP> Temp.
<SEP> Rate <SEP> of <SEP> constraint- <SEP> ticity <SEP> to <SEP> 0.2% <SEP> of <SEP> break <SEP>
<tb> fage <SEP> tion <SEP> (C) <SEP> te <SEP> (sec-1) <SEP> (103 <SEP> psi) <SEP> (103 <SEP> psi) <SEP> Total <SEP> Uniform
<tb> 9 <SEP> A <SEP> U <SEP> 14.5 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 68.5 <SEP> 5.9 <SEP > 20 <SEP> 4.3
<tb> 10 <SEP> A <SEP> 1 <SEP> 14.5 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 62.4 <SEP> 72, <SEP> 6 <SEP> 3.0 <SEP> 2.8
<tb> 11 <SEP> B <SEP> U <SEP> 3.5 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 45.9 <SEP> 65.4 <SEP > 40 <SEP> 3.6
<tb> 12 <SEP> B <SEP> 1 <SEP> 3.5 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 44.2 <SEP> 63.3 <SEP > 7, <SEP> 8 <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 13 <SEP> C <SEP> U <SEP> 4.0-5.0 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 61.2 <SEP> 72 , 9 <SEP> 50 <SEP> 2.8
<tb> 14 <SEP> C <SEP> 1 <SEP> 4,0-5,
0 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 42.0 <SEP> 63.0 <SEP> 21 <SEP> 5.2
<tb> 15 <SEP> D <SEP> U <SEP> 13.0 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 64.8 <SEP> 71.4 <SEP > 23 <SEP> 4, <SEP> 2 <SEP>
<tb> .16 <SEP> D <SEP> 1 <SEP> 13.0 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 63.3 <SEP> 72.0 < SEP> l, 2 <SEP> 1,2
<tb> 17 <SEP> E <SEP> U <SEP> 3.5-4.6 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 43.8 <SEP>.
<SEP> 58.0 <SEP> 55 <SEP> 4.1
<tb> 18 <SEP> E <SEP> 1 <SEP> 3.5-4.6 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 44.6 <SEP> 60 , 0 <SEP> 8.7 <SEP> 4.2
<tb> 19 <SEP> A <SEP> U <SEP> 14.5 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 45.1 <SEP> 55.4 <SEP > 22.6 <SEP> 1.8
<tb> 20 <SEP> A <SEP> 1 <SEP> 14.5 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 46.0 <SEP> 58.8 <SEP > 2.3 <SEP> 1.2
<tb> 21 <SEP> B <SEP> U <SEP> 3.5 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 34.1 <SEP> 36.5 <SEP > 130.0 '<SEP> 0.8
<tb> 22 <SEP> B <SEP> 1 <SEP> 3.5 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 37.7 <SEP> 42.9 <SEP > 18.8 <SEP> 1.4
<tb> 23 <SEP> E <SEP> U <SEP> 3.5-4.6 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 30.7 <SEP> 35 , 5 <SEP> 165 <SEP> 2.0
<tb> 24 <SEP> E <SEP> 1 <SEP> 3.5-4.6 <SEP> 7 @ 0 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 27.7 <SEP > 35.5 <SEP> 40 <SEP> 3,
2
<tb>
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The heat treatments are as follows:
Treatment A: a conventional solution treatment and aging comprising 20 minutes at 1020 C followed by 4 hours at 7 0 C;
Treatment B: cold work to obtain a 65% reduction in ease, annealed for 3 seconds at 10500C. quenching to 1 ,, au and aging as in treatment A,
Treatment C:
cold work to obtain a thickness reduction of 50%, anneal at 1050 C for 5 seconds, water quench, cold work to obtain a thickness reduction of 28 5%, and repeat annealing quenching and aging com @ e in treatment A, treatment D: in conventional solution and aging with an intermediate annealing of short duration comprising 20 min.
10200C air cooling, 3 seconds at 1050 C, water quenching and 4 hours at 750 C, and
Treatment E: treatment in solution at 1150 C for. j
1 hour, cold work to achieve 80% thickness reduction, anneal for 3 seconds at 10500C, water quench, aging at 875 C for 15 minutes, air cooling, aging at 750 C for 4 hours and air cooling,
In the column "irradiation treatment" the alloy '. is either unirradiated (U) or irradiated (I) up to a dose of
1.5 x 1020 thermal neutrons / cm2 and 5 x 1019 fission neutrons / cm2.
It will be noted that treatment A does not give small grain dimensions and that the ductility (as measured by the percentage of elongation) of this material after this treatment is low before and, more particularly, after irradiation.
Treatment D, although it includes short term annealing, does not include cold working before annealing and it will be appreciated that the results obtained with this treatment give. grains of relatively large dimensions and low ductility,
Treatments B, C and E, however, all include to
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both cold working and short term annealing and it will be noted that with these treatments, small grain sizes not exceeding 5.0 microns on average are obtained and that also the materials have satisfactory ductility as well. before and after irradiation.
It was therefore found that the process of the present invention results in a material having small grain sizes and that this material exhibits improved ductility at high temperatures after irradiation.
CLAIMS.
1.- A method of treating an austenitic stainless steel or a similar metal, characterized in that the metal is cold worked, it is heated sharply to an annealing temperature in the 900-1200 C range, this annealing temperature is maintained for a time sufficient to cause substantially complete recrystallization of the metal but insufficient to cause significant grain growth, and then the hot metal is rapidly cooled.