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Acier allié magnétique La présente invention a pour objet un acier allié magnétique, et plus particulièrement un acier possédant une limite élastique élevée associée à une bonne ténacité à l'entaille, pour .la confection de forgeages de grandes dimensions pour rotors de générateurs.
Dans l'indus-trie de l'énergie électrique, il existe une demande pour un acier magnétique fort et tenace convenant pour la confection des grands forgeages des rotors de générateurs qui produisent le champ tournant des grands générateurs entraînés par turbine à vapeur. Ces grands forgeages pour rotors ont un diamètre de 30 à 178 cm et une longueur de 4,6 à 10,7 m. Les rotors en acier doivent être exempts de défauts internes afin de pouvoir supporter de fortes charges en service.
Ils doivent être tenace (non fragiles) afin de s'opposer à la propagation de fissures ou défauts internes ou externes éventuellement présents ou apparaissant en cours de service. La propagation de ces fissures ou défauts conduit à une rupture brusque en service. En outre, ces forgeages pour rotors de champ doivent présenter une perméabilité magnétique élevée (B/H ou pente de la courbe de magnétisation) pour réduire au mini- mum le courant nécessaire pour engendrer le champ magnétique voulu.
Le type d'acier utilisé couramment pour les forgeages de rotors de générateurs à grande vitesse est un acier au nickel-molybdène-vanadium contenant 0,18 à 0,33 % de carbone, 0,40 à 0,70 % de man- ganèse, 0,15 à 0,40 % de silicium, au moins 2,50 0/0 de nickel, 0,20 à 0,70% de molybdène, 0,03 à 0,
12 % de vanadium, et parfois jusqu'à 0,75 % de chrome, lorsqu'une résistance mécanique supérieure est désirée:
Un tel acier présente ordinairement une limite d'élasticité avec 0,02 % d'allongement per- manent d'environ 45,7 à 63,3 kg/mm-, une température de transition de l'aspect de la cassure (basée sur un aspect de la cassure de cisaillement à 50 0/0) de 15,6 à 930 C, et une force magnétisante (H) de 236 à 512 amp-tours par cm pour produire une induction magnétique (B) de 20 000 gauss.
Cet acier est loin de présenter les propriétés désirées par les fabricants de générateurs à turbine à vapeur pour les rotors de générateurs.
On a découvert un acier présentant ces propriétés après forgeage et revenu, c'est-à-dire une limite d'élasticité de 63,3 kg/mm2 (allongement per- manent de 0,02 0/0), une température de transition de l'aspect de la cassure inférieure à 10 C (50 0/0 au cisaillement), une perméabilité magnétique correspondant à une force magnétisante inférieure à 285 amp-tours par cm pour produire une induction magnétique de 20 000 gauss, et une tendance pratiquement nulle à devenir fragile par le revenu.
L'acier, objet de l'invention, consiste pratiquement, en plus de fer, en 0,17 à 0,26 % de carbone, 0,20 à 0,40 0/0 de manganèse, 0,15 à 0,40 % de silicium, 3,50 à 4,25 % de nickel, 0,20 à 0,
50 % de molybdène et 0,18 à 0,40 % de vanadium. Il peut en outre con- tenir jusqu'à 0,50 % de chrome et jusqu'à 0,10 0/0 d'aluminium (soluble dans l'acide).
La température de transition de l'aspect de la cassure .est déterminée en utilisant des échantillons pour machine de Charpy à entaille en V. La température de transition de l'aspect de la cassure diffère de la température de transition de la ductilité, qui est d'usage plus courant.
La température de transition de l'aspect de la cassure est déterminé en brisant des échantillons à différentes températures et en déterminant d'après l'aspect des cassures à quelle température l'acier se rompt de manière 50 % duc- tile et 50 % fragile. Les cassures ductiles ont un aspect gris et fibreux,
mais les cassures de fragilité ont un aspect argenté et granulaire. En comparant
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les échantillons brisés avec un tableau, la ductilité ou fragilité relative de la cassure peut être aisément déterminée. Par contre, la :température de transition de la ductilité est ordinairement déterminée en mesurant l'énergie absorbée en cassant des échantillons à différentes températures et en déterminant à quelle température la quantité d'énergie absorbée augmente ou diminue brusquement.
La température de transi- tion de l'aspect de la cassure donne une indication plus sûre et plus reproductible de la ténacité à l'en- taille des aciers de forgeage. Dans la suite, l'expression température de transition sera utilisée pour désigner la température de transition de l'aspect de la cassure.
Il est préférable que les lingots de l'acier selon l'invention destinés au forgeage de rotors soient fondus sous vide.
Les limites préférées des composants sont les suivantes
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<tb> C <SEP> Mn <SEP> si <SEP> Ni <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> V <SEP> Al*
<tb> 0,18 <SEP> 0,20 <SEP> 0,15 <SEP> 3,70 <SEP> 0 <SEP> 0,20 <SEP> 0,18
<tb> 0,24 <SEP> 0,35 <SEP> 0,40 <SEP> 4,00 <SEP> 0,30 <SEP> 0,31 <SEP> 0,30 <SEP> 0,05 <SEP> max.
<tb> * <SEP> Soluble <SEP> dans <SEP> l'acide.
La composition ci-dessous est un exemple .typique de ce nouvel acier
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<tb> c <SEP> Mn <SEP> P <SEP> S <SEP> Si <SEP> Ni <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> V <SEP> Al* <SEP> Fe
<tb> 0,22 <SEP> 0,30 <SEP> 0,012 <SEP> 0,012 <SEP> 0,25 <SEP> 3,75 <SEP> 0,25 <SEP> 0,30 <SEP> 0,22 <SEP> 0,0l0 <SEP> Complément
<tb> et <SEP> impuretés
<tb> * <SEP> Soluble <SEP> dans <SEP> l'acide.
Des essais ont été effectés sur des aciers ayant les compositions suivantes
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<tb> Acier <SEP> C <SEP> Mn <SEP> p <SEP> s <SEP> si <SEP> Ni <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> V <SEP> Al*
<tb> A <SEP> 0,19 <SEP> 0,32 <SEP> 0,011 <SEP> 0,015 <SEP> 0,32 <SEP> 2,97 <SEP> 0,28 <SEP> 0,26 <SEP> 0,09 <SEP> 0,045
<tb> B <SEP> 0,l7 <SEP> 0,31 <SEP> 0,012 <SEP> 0,013 <SEP> 0,24 <SEP> 3,65 <SEP> 0,27 <SEP> 0,32 <SEP> 0,10 <SEP> 0,054
<tb> C <SEP> 0,21 <SEP> 0,30 <SEP> 0,009 <SEP> 0,013 <SEP> 0,24 <SEP> 2,97 <SEP> 0,26 <SEP> 0,28 <SEP> 0,22 <SEP> 0,006
<tb> D <SEP> 0,22 <SEP> 0,31 <SEP> 0,010 <SEP> 0,0l3 <SEP> 0,23 <SEP> 3,72 <SEP> 0,28 <SEP> 0,3l <SEP> 0,22 <SEP> 0,069
<tb> Soluble <SEP> dans <SEP> l'acide.
Les aciers A, B et C ont des compositions en dehors des limites prescrites par l'invention.
L'acier A est semblable à l'acier pour forgeage de rotors mentionné précédemment comme étant d'usage courant dans l'industrie. 11 diffère de cet acier pour forgeage de rotors uniquement par sa moindre teneur de manganèse. L'acier B est semblable à l'acier A, en dehors d'une teneur en nickel supérieure. L'acier C est semblable à l'acier A en dehors d'une teneur en vanadium supérieure. Les résultats obtenus avec ces aciers montrent que les propriétés désirées ne peuvent pas être obtenues sans augmenter simultanément les teneurs en nickel et en vanadium.
Lorsque les teneurs en nickel et en vanadium sont augmentées simultanément dans la proportion requise et lorsque la teneur en manganèse est basse (acier D conforme à l'invention), les propriétés désirées sont obtenues.
Des barres forgées de ces quatre aciers ont été homogénéisées 2 h à 9270 C, refroidies à l'air jusqu'à température ordinaire, austénitisées 4 h à $16 C, refroidies à 316 C à une vitesse d'environ 67 C par heure (approximativement la vitesse de refroidissement qui prévaut à un emplacement de quelques cm en dessous de la surface d'un forgeage de rotor de 114 cm de diamètre normalisé), puis laissées refroidir librement dans un four jusqu'à la température ordinaire. Ceci constitue le traitement de normalisation auquel tous les échantillons ont été soumis.
Avec des aciers moulés dans des conditions atmosphériques, il est nécessaire de s'arrêter entre 232 et 3300 C afin d'empêcher le fissurage ou l'écaillage. Cependant, le nouvel acier peut être refroidi à l'air jusqu'à température ordinaire sans inconvénient, à condition d'être coulé sous vide, et cela a même un effet avantageux sur la ténacité à l'entaille sans abaisser la limite d'élasticité.
Les ébauches d'échantillons pour l'essai à la traction ont été soumises à un revenu de 24 h à 616 ou 5770 C et refroidies à l'air. Un revenu dans les limites de 571 à 5820 C est préféré. Des échantillons pour l'essai à la traction (12,83 mm de diamètre) ont été usinés dans les ébauches et essayés à température ordinaire. Les résultats suivants ont été obtenus.
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<tb> Tableau <SEP> 1
<tb> Température <SEP> Limite <SEP> d'élasticité <SEP> Résistance <SEP> Elongation/ <SEP> Striction
<tb> Acier <SEP> de <SEP> revenu <SEP> Limite <SEP> d'écoulement <SEP> (kg/-2) <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> 51 <SEP> mm
<tb> (OC) <SEP> (kg/mm-) <SEP> ail.
<SEP> permanent <SEP> : <SEP> (kg/mmz) <SEP> o/o <SEP> B/
<tb> sup. <SEP> inf. <SEP> 0,029/o <SEP> 0,24/a
<tb> A <SEP> 616 <SEP> 56,5 <SEP> 55,9 <SEP> 56,5 <SEP> 56,0 <SEP> 69,0 <SEP> 24,5 <SEP> 66,0
<tb> A <SEP> 577 <SEP> - <SEP> - <SEP> 56,5 <SEP> 57,6 <SEP> 72,7 <SEP> 24,5 <SEP> 64,0
<tb> B <SEP> 616 <SEP> - <SEP> - <SEP> 62,3 <SEP> 65,2 <SEP> 76,6 <SEP> 19,5 <SEP> 64,4
<tb> B <SEP> 577 <SEP> - <SEP> - <SEP> 64,8 <SEP> 69,3 <SEP> 81,0 <SEP> 22,0 <SEP> 65,9
<tb> C <SEP> 616 <SEP> 55,5 <SEP> 52,3 <SEP> 55,5 <SEP> 52,4 <SEP> 63,5 <SEP> 27,5 <SEP> 67,6
<tb> D <SEP> 616 <SEP> 66,5 <SEP> 62,9 <SEP> 65,8 <SEP> 63,1 <SEP> 73,2 <SEP> 24,5 <SEP> 67,2
<tb> D <SEP> 577 <SEP> 68,7 <SEP> 67,7 <SEP> 68,7 <SEP> 67,7 <SEP> 79,1 <SEP> 23,0 <SEP> 65,7
Après normalisation,
les ébauches d'échantillons pour l'essai au choc ont été soumises à un revenu de 24 h à 616 ou 577 C puis, soit trempées dans de la saumure, soit refroidies lentement (environ 40 C par h jusqu'à 4000 C, puis laissées refroidir librement
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<tb> Tableau <SEP> 11
<tb> Température <SEP> de <SEP> transition <SEP> (OC)
<tb> - <SEP> Refroidi <SEP> Trempe
<tb> Température <SEP> lentement <SEP> dans <SEP> la <SEP> saumure
<tb> - <SEP> Acier <SEP> de <SEP> revenu <SEP> à <SEP> partir <SEP> à <SEP> partir
<tb> (OC) <SEP> de <SEP> la <SEP> température <SEP> de <SEP> la <SEP> température
<tb> de_-_ <SEP> de <SEP> revenu_
<tb> A <SEP> 616 <SEP> 10,0 <SEP> 1,67
<tb> A <SEP> 577 <SEP> 15i6 <SEP> 1,67
<tb> B <SEP> 616 <SEP> 23,9 <SEP> 12,8
<tb> B <SEP> 577 <SEP> 15,6 <SEP> 12,8
<tb> C <SEP> 616 <SEP> -12,2 <SEP> -23,
3
<tb> D <SEP> 616 <SEP> -28,9 <SEP> 1 <SEP> -40
<tb> D <SEP> 577 <SEP> -17,8 <SEP> -28,9
Après normalisation, on a fait revenir une partie des ébauches d'échantillons pour l'essai magnétique pendant 24h à 627 C, on les a laissées librement refroidir dans le four, on les a faites revenir 2,4h à 604 C, puis on les a .laissées à nouveau refroidir librement dans le four (les deux refroidissements à environ 840 C/h)
. Les autres ébauches d'échantillons pour l'essai magnétique ont été soun-ises à un revenu à 599 et à 577o C et ont été refroidies de façon sem- blable. Les échantillons pour l'essai magnétique (302 mm de largeur par 6,35 mm d'épaisseur par 305 mm de longueur) ont été usinés dans les ébauches après revenu et essayés à température ordinaire. Les résultats suivants ont été obtenus ;
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<tb> Tableau <SEP> 111
<tb> Ampères-tours <SEP> par <SEP> cm <SEP> pour <SEP> 20 <SEP> 300 <SEP> gauss
<tb> Acier <SEP> 627 <SEP> -h <SEP> 604- <SEP> C <SEP> 599 <SEP> ;- <SEP> 577- <SEP> C
<tb> A <SEP> 294 <SEP> B <SEP> 246 <SEP> C <SEP> 310 <SEP> 283
<tb> D <SEP> 286 <SEP> 279
dans le four jusqu'à la température ordinaire). Les échantillons pour l'essai au choc selon Charpy avec entaille en V ont été usinés dans les ébauches et essayés à des températures comprises entre -73,3 et 26,70 C. Les résultats suivant ont été obtenus.
Après normalisation et revenu, l'acier selon d'in- vention présente une microstructure consistant essentiellement en ferrite et bainite.
Les résultats ci-dessus montrent que la limite d'élasticité désirée avec 0,02 % d'allongement per- manent (63,3 kg/mm2) n'est pas obtenue avec l'acier A, mais est obtenue avec l'acier B revenu à 5770 C. En outre, les propriétés magnétiques de l'acier B sont très bonnes (force magnétisante de 246 ampères- tours par cm). Cependant, la température de transition de l'acier B, tout en étant bonne, est encore relativement élevée (15,6 à 23,9 C).
Toutefois, en augmentant la teneur en vanadium de 0,10 à 0,22, une amélioration marquée de la température de transition a été obtenue (aciers C et D). L'acier C, qui contient seulement 2,97 % de nickel, présente une basse température de transition (-12,20 C) mais présente également une faible limite d'élasticité (55,5 kg/mm2) tout comme l'acier A.
On peut en conclure que 2,97 % de nickel ou 0,22 % de vana- dium, en eux-mêmes, ne donnent pas une limite d'élasticité de 63,3 kg/mm2 avec 0,02 % d'allonge- ment permanent.
En portant la teneur en nickel de 2,97 % à plus de 3,50 % et la teneur en vanadium à environ 0,18 0/0, on a cependant obtenu la combinaison désirée de résistance mécanique élevée, bonne ténacité à Pentaille et perméabilité magnétique élevée (force magnétisante relativement faible).
(Acier D.) De plus, l'acier D n'a que peu tendance à devenir fragile sous l'effet du revenu, comme on le voit par l'augmentation de seulement 11, P, C de la température de transition des échantillons refroidis lentement à partir du revenu, par rapport à la température de transition des échantillons trempés à partir du revenu. On admet que la faible teneur en manganèse de l'acier D contribue largement à sa tendance relati- ment faible à devenir fragile par le revenu.
Les mécanismes par lesquels les augmentations de teneurs en nickel et, dans suie moindre mesure, en
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vanadium, augmentent la résistance mécanique de l'acier au nickel-molybdène-vanadium ne sont pas entièrement élucidés, mais on admet que le nickel renforce la ferrite et que le vanadium, en teneur supérieure à environ 0,18 %, améliore la ténacité à l'entaille de l'acier au nickel-molybdène-vanadium par un ou plusieurs des mécanismes suivants 1)
Affinage de la grosseur de grain austénitique et ferritique. (La grosseur de grain de l'austénite des aciers contenant 0,22 % de vanadium a été de 7 ASTM ou plus fine, et la grosseur de grain de la ferrite a été de 8 1/2 ou plus fine.
Une grosseur de grain d'austénite correspondant au No 4 ASTM ou plus fine est désirable, car cette finesse de grain est nécessaire pour un examen ultrasonore satisfaisant.) 2) Combinaison avec le carbone, et par conséquent abaissement de la proportion de carbone en solution.
3) Diminution éventuelle de la tendance de l'acier au nickel-molybdène-vanadium à devenir fragile par le revenu.
On admet que la faible teneur en manganèse diminue la tendance de l'acier à devenir fragile par le revenu.