Pièce moulée constituée en un alliage au nickel et au cuivre. L'invention a pour objet une pièce moulée constituée en un alliage au nickel et au cuivre, telle que notamment un corps de soupape moulé.
Certaines soupapes et autres pièces moulées doivent être capables de tra vailler à des températures élevées, de l'ordre de grandeur de plusieurs cen taines de degrés. Dans nombre de cas, on ne demande pas seulement que les pièces mou lées résistent à des efforts, mais aussi qu'elles résistent à la corrosion. Comme exemple, on peut citer les soupapes à pression de vapeur, qui sont utilisées dans des locomotives de che mins de fer et qui peuvent être appelées à travailler à des températures d'environ 400'C et sous une pression d'environ 28 kg par cm2.
Certains alliages composés en majeure par tie de nickel et de cuivre possèdent les pro priétés de moulage et de résistance à la cor rosion nécessaires pour la. fabrication de sou papes et d'autres pièces moulées de ce type général, mais leurs propriétés de résistance diminuent aux environs de 430" C, dans une telle mesure que les fabricants n'utilisent qu'à contrecoeur ces alliages pour les faire travailler à. des températures élevées.
La présente invention est basée sur la dé couverte que la résistance de pièces moulées au nickel-cuivre peut. être notablement amé liorée à des températures élevées par la pré sence de petites quantités de zirconium. A des températures élevées, l'allongement des allia- ges au nickel-cuivre contenant du zirconium présente un accroissement surprenant par rapport à celui d'alliages de composition com parable, mais exempts de zirconium, et cela est extrêmement important au point de vile de la sécurité et de la résistance à des sur charges, aussi bien que pour donner un aver tissement réel avant la rupture, si la pièce moulée est soumise à une forte surcharge pen dant son utilisation.
L'invention est basée également sur la constatation que, malgré la présence du zir conium, ces alliages ont des propriétés de moulage assez bonnes pour qu'il soit possible d'en fabriquer des corps de soupapes ou au tres pièces semblables par moulage, pourvu que du silicium, du carbone et au moins un élément de poids atomique compris entre 54 et 56 soient présents en des quantités conve nables.
La pièce moulée selon la présente inven tion, constituée en un alliage au nickel et au cuivre, est caractérisée en ce que ledit alliage contient au moins 50% de nickel, de 0,02 à 1,0% de zirconium, au moins un élément de poids atomique compris entre 54 et 56,
la teneur de l'alliage en ce ou en ces éléments n'excédant toutefois pas 5%, de 0,04 à 0,6% de carbone, de 0,5 à 5% de silicium,
le cuivre constituant la plus grande partie du reste de l'alliage et formant au moins le 10% de ce- lui-ci. Ledit élément peut être du fer ou du man ganèse, ces deux corps pouvant aussi être présents ensemble dans la proportion totale indiquée.
Les pièces moulées constituées en de tels alliages peuvent travailler à des tem- pératures de 370 C et au-dessus.
La teneur préférée en zirconium dépend quelque peu de la température à laquelle la pièce moulée sera appelée à fonctionner et de l'importance relative des propriétés de ré sistance à la traction après un chauffage de courte durée et un chauffage de longue du rée, cette dernière donnant une indication approximative de la résistance au fluage.
Pour des températures de fonctionnement pouvant atteindre environ 4801\C, la teneur préférée en zirconium s'approchera d'environ 0,04 à 0,501/o. Quand la température de fonctionne ment s'approche de 5401 C, la teneur la meil leure peut être de l'ordre de grandeur de 0,601/o en zirconium. Des essais pour déter miner le temps s'écoulant avant qu'une rup- ture ne se produise à environ 4301 C ont mon tré que pour que la.
résistance au fluage soit bonne, il est avantageux que la teneur en zir conium se trouve aux environs de 0,751/o. t1 des températures un peu plus basses, du zir conium dans une proportion de 0,03 à 0,201%o donne une combinaison avantageuse de pro priétés.
Pour obtenir suie bonne combinaison des propriétés à la température ordinaire et des propriétés aux températures élevées, no tamment la facilité de moulage, ainsi que pour maintenir bas le prix de revient et ne pas compromettre la sécurité de la fabrica tion, il est avantageux d'employer une teneur en zirconium comprise entre 0,05 et 0,301/o.
Le zirconium peut être ajouté à l'alliage fondu sous une forme appropriée quelconque. On a obtenu des résultats satisfaisants en se servant d'un alliage de silicium et de zirco nium se trouvant dans le commerce et conte- nant environ 481/o de silicium, 41% de zirco- nium et un solde constitué principalement par du fer.
Un alliage très pur de zirconium et de nickel contenant 701/o de zirconium et 301/o de nickel a donné également des résultats satis faisants. La matière fondue est préalablement désoxydée à. l'aide d.'itn désoxydant: approprié, tel que le silicium, le manganèse, etc., avant. que le zirconium ne soit ajouté. Quand on fabrique des alliages au nickel et au cuivre, il est généralement. nécessaire d'ajouter un élément ayant une grandë affinité pour le soufre, par exemple du magnésium, du cal cium, etc., comme agent désulfurant ou fixant le soufre.
On préfère en général se servir de magnésium, ordinairement entre les limites de 0,05 à 0,1.01/o, et l'ajouter dans la poche, juste avant la coulée.
La teneur en silicium peut varier de 0,5 à 51/o, la proportion maximum présente dans l'alliage dépendant de la teneur en nickel et de la @ dureté qu'on veut obtenir. Pour des buts généraux, le silicium devrait se trouver à l'intérieur de l'intervalle de 1 à.
1,51/o. Quand le silicium dépasse 3% dans un alliage contenant environ 651/o de nickel, l'alliage montre nettement une augmentation de la dureté et une diminution de la ductibilité, mais sa haute résistance à l'écaillage et à l'éro sion par la vapeur le rend précieux pour cer taines utilisations spéciales, par exemple sous forme d'éléments de soupapes et autres pièces semblables, qui sont exposés à un frottement de glissement.
Dans des alliages de ce type, la teneur en silicium dépasse avec. évidence la limite de solubilité solide et le silicium cons titue une phase précipitée ou forme une par tie d'une telle phase. La. proportion de sili cium nécessaire pour produire une microstruc ture équivalente augmente avec la teneur en nickel. Par exemple 2,5% de silicium pour 501/o de nickel donne à peu près le même type de microstructure que 4,251/o de silicium pour 671/o de nickel.
Un alliage contenant environ 2,51/o de silicium avec environ 6:5% de nickel peut être utilisé, si on demande une dureté plus faible, mais une ductibilité plus élevée que celles qu'on obtient avec 41/o de silicium.
La présence d'un élément tel que le fer ou le manganèse est nécessaire pour que la fluidité soit élevée et les propriétés de mou lage satisfaisantes; ces deux éléments peuvent être présents simultanément en de petites proportions. On préfère se limiter à 0,5 à 1,5% de manganèse, bien que des pourcen- tages plus élevés,
de l'ordre de grandeur de 2% ou même de 3% puissent quelquefois être utilisés. Une teneur en manganèse atteignant 5% tend à réduire la ductilité des alliages aux environs de<B>5301</B> C, bien que la résistance reste élevée.
Sauf dans les pièces moulées ayant une haute teneur en silicium, citées clans ce qui précède, la teneur en fer devrait être maintenue à peu près à l'intérieur des limites de la solubilité solide à la tempéra ture de travail. La proportion maximum de fer soluble dans l'alliage augmentera quelque peu avec la teneur du nickel.
Dans un alliage contenant environ 67% de nickel, la présence d'une quantité de fer atteignant 5% aug- mente légèrement la résistance à la traction à environ 430' C, mais diminue d'une manière appréciable l'allongement, comparé à celui d'un alliage ayant la même composition de base,
mais contenant environ 1,5% de fer. Si on le désire, on peut fabriquer des alliages exempts de fer, pourvu que du manganèse y soit présent, mais il est préférable qu'il y ait au moins 0,
5% de fer. S'il y a du fer dans une proportion de l'ordre de grandeur de l0,'0, le manganèse est moins nécessaire.
En général, la teneur en fer est inférieure à 2,5%; elle se tient habituellement entre 1,5 et 2%.
La teneur en carbone est maintenue ordi- nairement en dessous de 0,35%, de préférence entre les limites de 0,10 et de 0,25%. Dans certaines pièces moulées, il peut y avoir jus- qu'à 0,
6% de carbone. D'une manière géné- rale, avec de faibles teneurs de zirconium dans des alliages contenant environ 690!o de nickel, 1,25% de silicium et le reste composé en grande partie de cuivre, la résistance à la traction augmente avec la teneur du carbone jusqu'à environ 0,
30%. La ductilité diminue un peu avec des proportions de carbone plus élevées par suite de la formation de gra phite. La tendance du carbone contenu dans les alliages à se transformer en graphite est accentuée par l'accroissement de la teneur en silicium et aussi, mais moins nettement, par l'accroissement de la teneur en cuivre. La pré sence de quantités plus grandes de zirconium paraît supprimer quelque peu la tendance de carbone à se transformer en graphite.
Il est préférable de maintenir la teneur du nickel dans les limites de 60 à 70%. Le nickel utilisé pour former l'alliage peut con tenir une petite proportion de cobalt et la quantité maximum de cobalt qui peut être présente est à peu près la même que celle du fer. Le cuivre constitue en principe le reste de l'alliage et se trouve, de préférence, com pris entre 25 et 350/0.
D'autres éléments nor malement présents dans des alliages fondus au nickel et au cuivre, destinés à des appli cations à haute température, peuvent aussi se trouver dans les pièces moulées conformes à la présente invention; ce sont, par exemple, de petites quantités de désoxydant et d'élé ments produisant des carbures, tels que le titane.
En résumé, des essais de traction à haute température d'alliages au nickel et au cuivre ne contenant pas de zirconium révèlent une haute résistance et une grande ductilité j<B>u</B>s qu'à des températures d'environ<B>370'</B> C et une cassure transcristalline. Aux environs de 430 C une petite partie de la cassure devient intercristalline ou dendritique. Au-dessus d'en viron 4300 C, la cassure devient de phis en plus dendritique, jusqu'à ce que, vers 4800 C environ, elle le soit complètement.
Ce chan gement de nature de la cassure est accom pagné d'une chute nette et considérable de la ; résistance et en particulier de l'allongement. La présence de zirconium annihile la tendance du métal à se rompre d'une manière intercris- talline dans la marge de températures d'envi ron 430 à. plus de 5400 C.
Le zirconium a aussi un effet utile en ce sens qu'il diminue la tendance à la. forma tion de fissures, sous l'action de la chaleur, dans les pièces moulée. Ainsi, dans les pièces moulées, fabriquées à partir d'alliages à haute < . teneur de silicium, qu'il est nécessaire de tremper ou de refroidir rapidement, la ten dance à se fissurer par suite des tensions produites pendant le refroidissement est plus faible quand ces pièces contiennent du zirco nium.
Pour se faire une idée des avantages que procLire l'invention, on peut se référer aux données du tableau suivant se rapportant à des alliages contenant, outre les éléments spé- ciliés audit tableau, 28,2% de Cu, 0,75% de Mn, 1,6% de Fe, 1,
3% de Si, le reste étant en majeure partie du nickel.
EMI0004.0024
<I>Tableau <SEP> Z:
</I>
<tb> Echan- <SEP> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> en <SEP> kg/cm' <SEP> Allongement <SEP> en <SEP> ol0
<tb> tillon <SEP> % <SEP> C <SEP> % <SEP> Zr <SEP> 43010 <SEP> 480 <SEP> C <SEP> 530<B>0</B> <SEP> C <SEP> 590 <SEP> C <SEP> 4800 <SEP> C <SEP> 530<B>0</B> <SEP> C
<tb> No
<tb> 1 <SEP> 0,17 <SEP> 0 <SEP> 3800 <SEP> 2800 <SEP> 2160 <SEP> 17,5 <SEP> 3,0
<tb> 2 <SEP> 0,15 <SEP> 0 <SEP> 3_470 <SEP> 2300 <SEP> 24
<tb> 3 <SEP> 0,15 <SEP> 0,06 <SEP> 3600 <SEP> 3260 <SEP> 45 <SEP> 40
<tb> 4 <SEP> 0,18 <SEP> 0,12 <SEP> 3980 <SEP> 3-110 <SEP> 41 <SEP> 30
<tb> 5 <SEP> 0;
17 <SEP> 0,35 <SEP> 4050 <SEP> 3660 <SEP> 2830 <SEP> 33 <SEP> 30
<tb> 6 <SEP> 0,18 <SEP> 0,59 <SEP> 3700 <SEP> 3500 <SEP> 25,5 <SEP> \'5
<tb> 7 <SEP> 0,11 <SEP> 0,76 <SEP> 2740 <SEP> 3050 <SEP> 13 <SEP> 22,5 Dans ce tableau, les alliages N05 1 et 2 sont impropres à la formation de pièces conformes à l'invention et sont donnés à titre compa ratif.
On constatera qu'à 4800 C la résistance à la traction des alliages au nickel et au cuivre est notablement améliorée par du zirconium entre les limites de 0,05 à 0,60%, le maximum de résistance à la traction étant obtenu à cette température avec une teneur en zirconium de 0,10 à 0,
40%. La résistance à la traction à 4800 C tombe lorsque la teneur en. zirco nium continue à augmenter, mais, même avec 0,76% de zirconium, la résistance est plus élevée que celle d'- Lui alliage comparable, mais exempt de zirconium.
t1 5300 C, le maximum de résistance à la traction se produit dans les alliages contenant 0,35% de zirconium et, même avec environ 0,75% de zirconium, la résistance est notablement. plus grande qu'avec des alliages exempts de zirconium.
Sur la. to- talité de la marge de 0,05 à. 0,75% de zirco- nium, l'allongement est à 530 C d'environ 700 à 1000% plus élevé que celui des allia- ges exempts de zirconium.
Pour montrer l'amélioration de la résis tance au fluage, on petit citer les essais sui vants, portant sur des échantillons contenant, outre les éléments spécifiés ail tableau II, les mêmes composants que les échantillons du tableau I, en mêmes proportions. Ces échan tillons maintenus à 4300 C furent tort d'abord soumis à une traction d'environ 2460 kg/cm.=, qui fut maintenue jusqu'à ce qu'une rupture se soit produite ou jusqu'à ce qu'à peu près une semaine se soit écoulée.
Ceux de ces spécimens qui ne s'étaient pas rompus furent alors étirés sous une charge augmentée d'environ 350 lï@/C'ln@ pendant à peu près une semaine, après quoi la. traction fut élevée de nouveau d'environ 350 kg/CM= et ainsi de suite, jusqu'à ce que l'essai se soit terminé par une rupture.
Les résultats obte nus furent les suivants:
EMI0005.0001
<I>Tableau <SEP> II:</I>
<tb> Echan- <SEP> Temps <SEP> en <SEP> heures <SEP> sous <SEP> diverses <SEP> tractions <SEP> Temps <SEP> total <SEP> Allongement
<tb> <B>0/00</B> <SEP> o <SEP> jusqu'à <SEP> la <SEP> lors <SEP> de <SEP> la
<tb> tillon <SEP> /o <SEP> Zr <SEP> 2460 <SEP> 2810 <SEP> 3160 <SEP> 3510 <SEP> rupture <SEP> rupture
<tb> No <SEP> kg/em$ <SEP> en <SEP> heures <SEP> en <SEP> %
<tb> 8 <SEP> 0,17 <SEP> 0 <SEP> 130 <SEP> 130 <SEP> 8
<tb> 9 <SEP> 0.15 <SEP> 0,07 <SEP> 165 <SEP> 170 <SEP> 165 <SEP> 500 <SEP> 29
<tb> 10 <SEP> 0,17 <SEP> 0,35 <SEP> 160 <SEP> 170 <SEP> 165 <SEP> 20 <SEP> 515 <SEP> 21
<tb> il <SEP> 0,18 <SEP> 0,59 <SEP> 165 <SEP> 170 <SEP> <B>1</B>65 <SEP> 2 <SEP> 502 <SEP> 18
<tb> 12 <SEP> 0,<B>1</B>1 <SEP> 0,
76 <SEP> 165 <SEP> 170 <SEP> 170 <SEP> 240 <SEP> 745 <SEP> 22 L'alliage N 8 est impropre à la formation de pièces conformes à l'invention, et il est donné à titre comparatif.
L'accroissement de la résistance à la trac tion et de l'allongement à des températures élevées, produit par l'addition de zirconium aux alliages de moulage au nickel et au cui- vre, est surprenant, parce qu'aux tempéra tures ordinaires la résistance à la traction et l'allongement diminuent progressivement, lorsqu'on ajoute du zirconium. Cela ressort du tableau suivant, dans lequel sont réunis les résultats d'essais portant sur des alliages contenant, outre les éléments spécifiés au tableau III, les mêmes composants que les échantillons du tableau I, en mêmes propor tions. L'alliage N 13, impropre à la forma tion de pièces conformes à l'invention est donné à titre comparatif.
EMI0005.0004
<I>Tableau <SEP> III:</I>
<tb> Echan- <SEP> Résistance
<tb> tillon <SEP> oN <SEP> o <SEP> C <SEP> /oZr <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> Allongement
<tb> No <SEP> en <SEP> kg/emy <SEP> en <SEP> e%
<tb> 13 <SEP> 0,17 <SEP> 0 <SEP> 5770 <SEP> 38
<tb> 14 <SEP> 0,18 <SEP> 0,12 <SEP> 5400 <SEP> 35
<tb> 15 <SEP> 0,17 <SEP> 0.22 <SEP> 5600 <SEP> 36
<tb> 1.6 <SEP> 0,18 <SEP> 0,59 <SEP> 4800 <SEP> 25
<tb> 17 <SEP> 0,11 <SEP> <B>0,76</B> <SEP> 3820 <SEP> 24 Comme exemples caractéristiques de pièces moulées conformes à la présente invention et qui peuvent être soumises pendant leur utili sation à des températures élevées, on petit citer des pièces de soupapes, comprenant des corps et des sièges de soupapes, des disques, des pistons, des segments de pistons, des gui des de tiges de soupapes,
des récipients de réaction et des agitateurs. Ces pièces obtenues par coulée et travaillant à des températures de 325 à 590 C, en particulier de 370 à 480'C, sont résistantes, non sujettes à se fissurer et propres à résister à des efforts et à des chocs.