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Aciers inoxydable austénitiques.
La présente invention a pour objet des aciers inc- hydables austénitiques et en particulier dea aciers appropriés à la fabrication des soupapes et pièces similaires pour moteurs à combustion interne. les propriétés les plus Importantes pour un acier servant à la fabrication des soupapes sont la résistance au fluage et la résistance à la corrosion par l'oxyde de plomb..
D'autres propriétés importantes sont l'usinabilité et l'aptitude au façonnage à chaud, ainsi que l'aptitude à former des lingots laina.
La demanderesse a découvert un nouvel acier pour soupapes qui équivaut ou surpasse les meilleure aciers pour soupapes connus actuellement, eu ce qui concerne les deux . premières propriétés et leur est nettement supérieur dans
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au moins une des trois propriétés précitées, tout en pouvant être fabriqué à des prix identiques ou inférieurs.
Le meilleur acier actuellement connu pour la fabri- cation courante des soupapes d'échappement pour moteurs auto-
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mobiles, est celui désigné sous la dénomination "21-41f" et dé- crit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 2.657.130.
Cet acier comporte normalement 21 % de chrome, 4 f de nickel, 9" de manganèse, Ot5O % de carbone, 0,40 % d'azote, 0,07 % de loutre, le reste étant constitué par des fers et les impuretés éventuelles* Cet acier a une bonne résistance à la corrosion, par l'oxyde de plomb aise en évidence par une perte en poids
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de 17 g/da2 dans l'essai d'une heure à 91300.
Il a également une bonne résistance au fluage, subissant une déformation perma- t1ente de 0,56 " Bous urne contrainte de 10#9 kg/=2 pendant 100 heurta à 732*0 ln ce qui concerne l'ueinab:Ll1té, elle laisse beaucoup % désirer, les outils étant mis hors d'usage, dans
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les mémon conditions de travail dans lesquelles l'acier de la présente invention permet au contraire d'effectuer environ
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30 passes avant que l'outil soit use. De plue 1* acier précité est inférieur aux aciers de la présente. invention, en ce qui concerne la tendance à former des lingots sains ainsi que la
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facilite du façonnage à chaud.
La demanderesse a découvert qu'en préparant un allia- ge dont la composition est conforme en ce qui concerne le fer, le chrome, le nickel et le manganèse et qui de plus comporta
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den quantités appropriées de niobium, de carbone et et on le désire de bore, on peut obtenir certains avantages. On amélio- re la résistance à la corrosion due à l'oxyda de plomb tout
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en Maintenant pratiquement la résistance au fluaga.
Il est 6 a- laient envisagé de fabriquer des aciers dont les caractéristi-
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que. ont été décrites sommairement ei-deasus ayant une teneur en azote déterminée permettant l'obtention d'avantages oupplé-
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mentairas définie plus loin. A titre d'exemple spécifique on cite un acier contenant environ 20 % de chrome, 6 % de nickel,,
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6 % de manganèse, t, 35 G de carbone, 0,07 % au maximum d'azote, 0,25 z au maximum de silicium, 0,1 % de niobium, 0,002 j6 de bore, le reste, à part les impuretés, étant constitué par du
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fer.
Un tel acier présente de bonnes propriétés et en partiou- lier
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- une perte en poids de 9 /dm2 dans l'essai précité contre 15 g/dm2 pourl'acier "21-4N".
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z- une déformation plastique de 0*36 % dana les con- ditions précitées, contre 0,56 % pour l'acier
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921-4Nwo - un meilleur comportement à l'usinage et au façon- nage à chaud comme indiqué ci-dessous.
Les gammes de la composition générale, de la compost- tien plus précise et de la composition préférée de l'acier se Ion l'invention, sont indiquées dans le tableau I, sur lequel les pourcentages sont mentionnés en poids.
TABLEAUI
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Compositions chimiques des aciers conformes à l'invention
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Clément Gamme générale % Gamme étroite jet Gamme préférée i>
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<tb> Carbone <SEP> 0,15 <SEP> à <SEP> 1,00 <SEP> 0,15 <SEP> à <SEP> 0,40 <SEP> 0,25 <SEP> à <SEP> 0,40
<tb>
<tb> Silicium <SEP> jusqu'à <SEP> 3 <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 0,4 <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 0,25
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 15 <SEP> à <SEP> 25 <SEP> 15 <SEP> à <SEP> 25 <SEP> 17 <SEP> à <SEP> 22 <SEP>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> jusque <SEP> 20 <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 20 <SEP> 3 <SEP> à <SEP> 15
<tb>
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HanganeM jusque 20 " 3 à 10 4 à 8 Niobium 0,1 à 1 0,02 à 1,0 0905 à 0,25 Bore jusqu'à o,1 .
0,00005 à 0,04 0,001 à 0,03
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<tb> Azote <SEP> jusqu'à <SEP> 0,1 <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 0,1 <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 0,10
<tb>
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hanganèse +
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<tb> Nickel <SEP> 3 <SEP> à <SEP> 20 <SEP> 7 <SEP> à <SEP> 20 <SEP>
<tb>
Fer complément à l'exception des impuretés.
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On peut remplacer le niobium par des quantités équi- ftlente. en sk>1 # dt mtr métaux ayant une forte tendance à former des carbure tels que le zircon1um, la tungstène le va- JW11.- et le fI017bd'ne.
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On peut remplacer le tantale complètement ou en par- tie par le niobium au!* la base d'une partie en poids de nio- bium pour deux parties en poids de tantale.
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x,1a1l1a&e peut contenir jusqu'à 0,3 de $outre en vue 49*Mliorer l'aptitude a l1 usinage sans influencer défavo- rablement les autres caractéristiques as l'acier.
Le tableau If et III Indiquent à titre d'exemple les caractéristiques de certains aciers conformes à Illaveu- ti:#. Le u* 3103 représente un exemple d'acior à basse teneur en .i8e conforma h l'invention, tandis que les n. 1604j 1716 ruz 1716 z. représentent des exemples d'aciers préférés du* lesquels le niokel est remplacé en partie pur da iianga- aaae le* ooapositions et caractéristiques des autres aciers
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étant mentionnées à titre comparatif
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fXBMS 11 gqú,1tto. pn" e" don acier$
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Mier 0 Un S SI u.
¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯ 3103 0,36 1,35 ND** 0,10 1604 0,33 620 0,016 0,06 1716 0,34- 5 95 0,061 0,07 1716 A 0438 5,83 0,051 0,06 3230 Oe2C 1.33 1Q) 0,08 3229 0929 1*41 ND 0#10 3168 0,45 1,29 UD 0,OT 3169 0,71 0,06 ND 0,0fi 3170 Je 1,00 1,33 ND 0,05 3260 0,36 1,27 ND 0,10 3261 0,36 lut30 Nid 0,00 1578 0,34 10,00 0,014 0,10 1714 A 0,30 5,83 0,052 0,08 1715 0,33 6,11 0,055 0,09 171ÛA 0,36 5,83 0,046 0,09 1719 A 0,36 5,a., 0,056 0,10 1720 0,36 5,73 0,048 0,10 1648 0,56 5,80 0,056 0,08 21-40 0,55 9,00 0,07 0,15
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** Non d'terminé
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:&1BLEAU :t;;t (Suite) Compositions chimiQues et identification des aciers
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<tb> Acier <SEP> Or <SEP> Ni <SEP> Nb <SEP> B <SEP> N
<tb>
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no ¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯¯¯¯ l.r 1If' 17' .
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<tb>
3103 <SEP> 20,32 <SEP> 15,80 <SEP> 0,09 <SEP> 0,001 <SEP> 0,005
<tb>
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1604 20,06 6,30 fl,08 0,002 0,020
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<tb> 1716 <SEP> 20,00 <SEP> . <SEP> 5,87 <SEP> 0,11 <SEP> 0, <SEP> 001 <SEP> 0,030
<tb> 1716 <SEP> A <SEP> 20,25 <SEP> . <SEP> 5,90 <SEP> 0,32 <SEP> 0,001 <SEP> 0,050
<tb>
<tb> 3230 <SEP> 20,15 <SEP> 15,85 <SEP> 0,13 <SEP> 0,001 <SEP> 0,004
<tb> 3229 <SEP> 20,15 <SEP> 15,95 <SEP> 0,12 <SEP> 0,001 <SEP> 0,007
<tb> 3168 <SEP> 19,92 <SEP> 15,58 <SEP> 0,10 <SEP> 0,002 <SEP> 0,005
<tb> 3169 <SEP> 19,97 <SEP> 15,52 <SEP> 0,11 <SEP> 0,001 <SEP> 0,003
<tb>
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3170 A 20,02 15,94 0 12 0,001 0,005
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<tb> 3260 <SEP> 20,28 <SEP> 15,95 <SEP> 0,13 <SEP> Ni* <SEP> 0,005
<tb>
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3261 20,10 - 16,10 KA NA 0,004
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<tb> 1578 <SEP> 19,96 <SEP> 6,88 <SEP> 0,08 <SEP> 0,001 <SEP> 0, <SEP> 02 <SEP>
<tb>
<tb> 1714 <SEP> A <SEP> 20,
25 <SEP> 5, <SEP> 90 <SEP> 0,01 <SEP> * <SEP> 0,0005 <SEP> * <SEP> 0, <SEP> 04 <SEP>
<tb>
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1715 19,98 5,71 0,02 t3, 04. 0,03
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<tb> 1718 <SEP> A <SEP> 20,20 <SEP> 5,90 <SEP> 0,11 <SEP> 0,005 <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP>
<tb>
<tb> 1719 <SEP> 20,25 <SEP> 5,93 <SEP> 0,12 <SEP> 0,003 <SEP> 0,05
<tb> 1720 <SEP> 20,25 <SEP> 5,90 <SEP> 0,11 <SEP> 0,029 <SEP> 0,05
<tb>
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1648 20,34 5,80 0,11 0,001 0,03
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<tb> 21-4N <SEP> 21, <SEP> 00 <SEP> 4,00 <SEP> NÄ <SEP> NA <SEP> * <SEP> 0,40
<tb> * <SEP> Non <SEP> ajouté.
<tb>
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** Non déte1't1l1M.
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TABLER III Résultats de l'essai de corrosion par l'oxyde
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de ylocib et de l'essai de rupture par fluage
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<tb> Acier <SEP> n <SEP> Perte <SEP> de <SEP> poids <SEP> après <SEP> Déformation <SEP> plastique
<tb>
<tb> immersion <SEP> d'une <SEP> heure <SEP> après <SEP> 100 <SEP> heures <SEP> à
<tb>
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à 91300 dans du PbO ' 732 C sous une confondu (g/dm2) trainte de 10,9 kg 111m2
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<tb> 3103 <SEP> 9,83 <SEP> O,66a
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1604 <SEP> il <SEP> 79 <SEP> 0,36
<tb>
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1716 9,60 0 38 ?3.6 A 9Î3O O,f45 3230 l2r85 21.a 3229 3.3,18 1,,85 3168 12 09 1 34a 5169 13,62 1Î59
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<tb> 3170 <SEP> A <SEP> 14,88 <SEP> . <SEP> 2,03
<tb> 3260 <SEP> 11,17 <SEP> . <SEP> 1,96a
<tb>
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3261 12,70 8,eOa.
1578 lOt93 oe50 1714 A 7,75 2870 1718 A 9,30 . 0,46 1719 A 11,49 G) 34 1720 A 15,80 0,31 1648 17,65 ** 3,54 21*4 . 15,50 0,56 * Tous les échantillons ont été traités pour la mise en
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solution à. 11 '11 C pendant une heure puis refroidis brus- quement z l'eau et vieille pendant a heures 760 0 sauf pour l'acier "21-4N" qui a été vielli pendant i6 heures..
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Eati!, a) Moyenne de deux ou plusieurs essai individuels.
Il résulte des essais ci-dessus que les aciers con-
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formes présentent après, immersion d'une heu- re à 91300 dans du FbO fondu, ione perte de poids inférieure aux deux tiers de celle présentée par l'acier "21-4N" ser- vant de comparaison, Le tableau III indique 1* influence de la teneur en carbone sur la résistance à la corrosion
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par PbOo le D8x1mum de résistance se produisant pour une teneur en carbone de 0,32 à Oo4 , D'autre part les résul- 1716,
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tais obtenus pour les aciers 1718 A, /L719 A et 1720 A indi- quant qu'une teneur en bore plus élevée influence défavo-
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rablement la résistance au PbO.
Le tableau III indique par ailleurs d'une façon inattendue que la résistance à l'essai de rupture par fluage atteint un maximum pour environ la mime teneur en carbone, de façon qu'il est possible d'obtenir pour une telle teneur en carbone, un acier ayant une résistance à la rupture par fluage très proche de celle de l'acier "21-4N* tout en lui étant supé- rieure en ce qui concerna la résistance à la corrosion par les produits de combustion des combustibles contenant du plomb* Ceci est particulièrement remarquable car, comme indiqué ci- dessus, l'acier "21-4N" n'a jamais été surpassé jusqu'à main- tenant en ce qui concerne la résistance à la* corrosion par PbO,
par aucun matériau à base de fer ayant une résistance suffisante à l'oxydation périphérique et à la rupture par fluage à chaud pour pouvoir être utilisé dans la fabrication des soupapes de moteurs d'automobiles et d'autres moteurs à combustion interne. En comparant les échantillons 1714 A avec les échantillons 1715 et 1716 A on constate qu'il est pos- sible d'obtenir une bonne résistance à la rupture par fluage sans addition de bore, mais les essais 1719 A et 1720 A montrent que l'addition de bore améliore encore cette résistance.
On observe en outre que les aciers conformes à l'in- vention présentent une aptitude améliorée au façonnage à chaud et à l'usinage. Le finissage d'une soupape d'échappement pour un moteur à combustion interne comporte une opération d'usi- nage. On a évalué l'aptitude à l'usinabiliré relative d'un acier conforme à l'invention en comparaison arec celle d'une soupape en acier "21-4N" au cours d'une opération d'usinage au tour.
L'acier contrôlé dans cet essai avait la. composition préférée suivante :
0,36 % de carbone, 6,05 % de manganèse, 0,05 % de soufre, 0,007 % de phosphore, 0,07 % de silicium, 19,51 % de
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ohooo, 5184 % de motel, 0,12 % de atOb1wn, 0,002 % de bore,' 0007 % 4tuoto, le reste étant oonst11ï:u1 par du fer. On a utilisé un outil à grande vitesse type mi (A13I) (Institut africain pour le Par et lf!e;1.e:r) pour usine une barre de 2,54 Cil de diamètre dans chacun des aciers à l'état traité pour la aise en solution. et v1EG.l1.
Les caraotéristiquea de 1* outil et les conditions de l'tainae ont été les suivantes, R ....................... -American Pacemaker" 35*6 x 76,4 cm (équipe "'un dispositif Centrai- nement à vitesse variable
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pour la commande de la vitesse de la broche).
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Vffif yf f .r$$ ,.. |f>,, .rgf , ...... ...,,# 150 tours/ffiiaute .
|ys|t|gg.iin|rsWJ.? *#* ..*### 0,00802 em/tour. e.id-petaen, *### *# # Un produit de refroidisse-
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ment hydrocarbure bien con- nu des techniciens.
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Matière constituant l'outil ....... Type MI (AISI) J)tm,eM1o# de 1tfbauohs .......... 15,25 x 2,54 x 0,318 cm
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:tome de l'outil ânes de coupe ............. 0 degré
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Angle de dépcoille frontale , . 11,5 Il Acele de démina latérale 3 fi Angle d'attaque ............ 11,5 Il Ltovt:t1 utilisé pour usiner l'acier "21-4N" a été hors d,''U.Sa&8 avant d'avoir effectue une seule coupe. Par- contre l'outil employé pour usiner l'acier conforme à l'inven- 'U,Q1, possédait une ooupe satisfaisante après avoir effectue 32 paaeea, après quoi on a arrêté lassai. les oh1ttrea des tableaux IV et V oî-desaoue mon-
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trant que l'acier préféré conforme à l'invention est supérieur
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aciar l'acier "21-4S" en ce qui concerne le façonnage à chaud.
Cet/ préféré a la composition de l'échantillon n I6O4 du tableau XI tandis que l'acier "21-'4N" a la composition indiquée sur ce même tableau.
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Les barres d'acier ayant un diamètre de 2,54 cm cnt
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été chauffées à Ù77OC, puis on les a laminées à chaud pour former dea feuillards d'une épaisseur de 0,318 cm. Le programme des passes étant pratiquement identique pour chaque barre.
Après chaque passe on a déterminé la pression de laminage ainsi
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que l'épaisseur àW.a sortie et on a calculé la réduction 486- paisseur obtenue au cours de la passe. Le tableau IV indique les réductions d'épaisseur obtenues pour chacun des aciers, dans l'ordre dans laquez elles étaient obtenues, tandis que le tableau V indique pour chacun des aciers le rapport entre la pression exercée et la réduction d'épaisseur obtenue.
TABLEAU IV
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8,"eais.¯.....àe ,laun.. chaud
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Epaisseur à la Réduction dlépaja- Pression de sortie Beur laminage lmmJ L { II.. kg1 Passe Con- Acier Acier con- Acier Acier con- Acier :p,o forma à '*21-49% torcae à "21-4N" forne à "21-4H* J.'invep.t10n .....- T 't-l7.ViBi!'tj.0l1 .. l'invent1on
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<tb> 18,50 <SEP> 18,45 <SEP> 2? <SEP> 27 <SEP> 7.240 <SEP> 9.060
<tb>
EMI9.6
2 16,20 * 16,25 13 13 4,530 7.240
EMI9.7
<tb> 3 <SEP> 12,35 <SEP> @ <SEP> 12,31 <SEP> 23 <SEP> 24 <SEP> 8.150 <SEP> 12.680
<tb> 4 <SEP> 9,05 <SEP> 9,89 <SEP> 21 <SEP> 19 <SEP> 9.860 <SEP> 11.890 <SEP> '
<tb>
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5 6,55 6,5 33 33 19.920 27.200
EMI9.9
<tb> 6 <SEP> 3,42 <SEP> 3,55 <SEP> 48 <SEP> 47 <SEP> 44.400 <SEP> 63.400
<tb>
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TABLEAU V façonnage à chaud.
Comparaison entre la réduction de l'épaisseur et la pression de laminage.
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<tb>
Acier <SEP> conforme <SEP> à <SEP> l'invention <SEP> Acier <SEP> "21-4N"
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Séduction <SEP> en <SEP> Force <SEP> de <SEP> laminage <SEP> Réduction <SEP> en <SEP> Force <SEP> de <SEP> lami-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> épaisseur <SEP> (%) <SEP> (kg) <SEP> épaisseur <SEP> (%) <SEP> nage <SEP> (kg)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 4.530 <SEP> 13 <SEP> 7. <SEP> 240
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 21 <SEP> 9. <SEP> 860 <SEP> 19 <SEP> 11.090
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 23 <SEP> 8.150 <SEP> 24- <SEP> 12.680
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 27 <SEP> 7.240 <SEP> 27 <SEP> 9.060
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 33 <SEP> 19.
<SEP> 920 <SEP> 33 <SEP> 27.200
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 48 <SEP> 44.400 <SEP> 47 <SEP> 63.400
<tb>
Le tableau V indique que l'acier "21-4N" nécessite chaque foie une force de laminage plus importante pour une réduction d'épaisseur donnée.
Les propriétés précitées indiquent que les aciers ',conforme. à l'invention conviennent pour la fabrication de soupapes pour moteurs à combustion interne. Les soupapes fa- briquées à partir de ces aciers présentent une meilleure résie. tance à la corrosion,
par PbO ainsi qu'une meilleure résistance au fluage que 1* alliage "21-4N" actuellement disponible dans le comme=*@ Lee soupapes obtenues à partir des aciers selon l'invention sont également plus faciles à usiner et l'aoier lui-même se façonne plus facilement à chaud.