Alliage de cuivre et de nickel
I1 est bien connu que certains alliages de cuivre et de nickel, appelés souvent cupronickels, par exemple un alliage appelé cupronickel 70/30 contenant nominalement 30 o/o de nickel, le solde étant pratiquement entièrement du cuivre, possèdent une bonne résistance à la corrosion dans un grand nombre de milieux, y compris l'eau de mer, des alcalis et certaines solutions aqueuses acides diluées, et une bonne travaillabilité par laminage, forgeage et étirage, à froid ou à chaud. Les cupronickels sont aussi soudables, mais leur résistance est trop faible pour certaines utilisations, par exemple comme tuyaux pour l'eau de mer sous pression.
La limite d'élasticité du cupronickel 70/30 à la température ordinaire n'est que d'environ 14 kg/mm2 après le refroidissement à l'air, lorsqu'il a été laminé à chaud ou recuit. Bien que l'on puisse augmenter sa résistance en le travaillant à froid, les augmentations de la résistance qui dépendent du travail à froid entraînent nécessairement certains désavantages et ne satisfont pas à tous les besoins. La construction et l'entretien d'appareils en cupronickel. particulièrement d'appareils dans lesquels on garde des fluides ou les fait circuler sous pression, entraînent souvent le soudage et le chauffage, et le refroidissement qui accompagne le soudage du cupronickel travaillé à froid normalement, le laissent doux et peu résistant dans les zones thermiquement affectées.
De plus, le surchauffage auquel les appareils peuvent être soumis pendant la construction,
I'entretien ou l'utilisation peuvent l'affaiblir par tension ou recuire l'alliage travaillé à froid au point qu'il en résulte une sérieuse perte de la résistance qu'il n'est pas possible de rétablir par un travail à froid additionnel. De plus, lorsque les produits et des articles peuvent le plus économiquement être façonnés à chaud, tout travail à froid nécessaire pour les rendre plus résistants entraîne une dépense et une durée de fabrication superflues.
Par des additions appropriées à leurs compositions, les cupronickels peuvent être rendus durcissables par précipitation et l'on obtient alors une meilleure résistance sans travail à froid. Cependant, dans de nombreux cas, il est difficile ou impossible d'utiliser des traitements thermiques de durcissement par précipitation, et lorsque les alliages doivent être soudés, la chaleur due au soudage détruit généralement les avantages de résistance, dus au traitement thermique antérieur de durcissement par précipitation dans la zone de soudage. De plus, la résistance à la corrosion est parfois affectée défavorablement par la présence de deuxièmes phases précipitées.
L'objet de la présente invention est de fournir des alliages en cupronickel qui, après avoir été refroidis à l'air à la suite du travail à chaud, du recuit ou du soudage, possèdent une résistance bien supérieure à celle du cupronickel 70/30 recuit, sans perte, ou sans perte importante, de la travaillabilité, en particulier de la travaillabilité qui permet de laminer les alliages en tôles, ni de la résistance à la corrosion.
Selon la présente invention, les alliages de cupronickel contenant de 24 à 38 o/o de nickel contiennent aussi de 2,3 à 3,8 O/o de chrome, pas plus de 3 o/o de manganèse.
pas plus de 0,02 o/o de carbone, et ils satisfont à la relation suivante lorsque le o/o de Ni est de 33 à 38 O/o Cr 0,12 ( /0 Ni - 13) .
La teneur en manganèse, qui fonctionne évidemmenl comme désoxydant, ne dépasse de préférence pas 2 Oio , car autrement les plus hautes résistances ne sont pas obtenues. Comme il est bien connu, le carbone se combine avec le chrome en formant du carbure de chrome, et, bien que du carbone soit inévitablement présent par suite de la contamination de l'alliage pendant sa fabrication, la teneur en carbone ne doit pas dépasser 0,020/o.
De préférence, la teneur en nickel ne dépasse pas 33 /0, et avantageusement elle est de 28 à 32 oxo afin d'obtenir, après refroidissement à l'air, une microstructure favorable exempte de deuxièmes phases massives, y compris des précipités défavorables, et celle-ci favorise ainsi la travaillabilité et la résistance à la corrosion. Dans les alliages ayant une teneur en nickel jusqu'à 32 o/o, de préférence la teneur en chrome est de 2,4 à 3 o/o afin d'obtenir une association particulièrement bonne de bonne travaillabilité et de limite d'élasticité. Si la teneur en nickel est au-dessus de 33 /o, la teneur minimum en chrome augmente progressivement en accord avec la relation précitée.
Les alliages peuvent aussi contenir du fer, mais afin d'éviter la précipitation d'une phase riche en fer et des difficultés de recuit qui s'ensuivent, la teneur en fer ne doit pas dépasser 2,5 o/o et la nouvelle relation:
O/o Cr + /o Co + O/o Fe - < 5 doit être satisfaite.
Avantageusement, les alliages contiennent aussi jusqu'à 0,8 O/o de zirconium, puisqu'il améliore la travaillabilité à chaud des alliages et, en particulier, il élargit les limites de température pour le travail à chaud. Dans ce but, avantageusement de 0,05 o/o à 0,5 o/o de zirconium, et de préférence de 0,2 oxo à 0,4 o/o de zirconium peuvent être présents. Grosso modo, les alliages peuvent être travaillés à chaud dans les limites de température comprises entre 1060 et 8450 C, mais si un alliage contient 3 o/o ou plus de chrome, et ne contient pas au moins 0,05 o/o de zirconium, le travail à chaud au-dessous de 980t) C environ est à éviter.
L'importance du contrôle de la composition afin de rendre les alliages travaillables à chaud, et surtout afin d'assurer que la teneur en chrome ne dépasse pas 3,8 O/o, est mise en évidence par certains insuccès. Par exemple.
deux alliages de cuivre-nickel-chrome, l'un ayant 31,6 oxo de nickel et 4,2 oxo de chrome et l'autre ayant 30,3 o/o de nickel et 4,2 oxo de chrome, se sont fissurés sérieusement au cours de tentatives de les laminer en plaques, bien qu'ils contiennent respectivement 0,20/0 et 0,80/0 de zirconium. Une tentative de travailler à chaud un autre alliage à base de cuivre contenant 30,20/0 de nickel et 4,6 /o de chrome, pour façonner des plaques à partir de panneaux, eut pour résultat un insuccès total.
Le cobalt améliore la limite d'élasticité et, dans ce but, il est avantageux que 0,8 o/o à 1,20/o en soit présent, mais le cobalt est défavorable pour la travaillabilité à chaud et afin d'éviter de mauvaises caractéristiques de travaillabilité à chaud, avantageusement la teneur en cobalt n'est pas plus que 2 o/o .
En plus des éléments déjà cités, les alliages peuvent aussi contenir jusqu'à 6 o/o de zinc, jusqu'à 0,5 o/o de silicium et jusqu'à 0,5 0/o de titane. Cependant, si on a besoin d'une résistance particulièrement élevée, la teneur en zinc de l'alliage ne doit pas dépasser 3 O/o .
Le solde des alliages, à part les impuretés et des éléments fortuits (par exemple des éléments résiduels de désulfuration) est le cuivre. Les diverses impuretés et éléments fortuits incluent l'aluminium, le niobium et le beryllium, qui ne doivent pas dépasser 0,5 o/o chacun: jusqu'à 0,1 o/o de magnésium, et le vanadium qui affecte défavorablement la travaillabilité à chaud et doit représenter moins que 0,2 o/o , et au plus ne doit pas dépasser 0,5 /0 . Le plomb et le bismuth sont des impuretés particulièrement nuisibles car elles rendent cassant et, autant que possible, elles doivent être absentes.
Les teneurs en tous les éléments en plus du nickel, du chrome, du cuivre et du manganèse sont de préférence telles que l'alliage soit une solution solide exempte de toute deuxième phase nuisible. Afin d'assurer cela, les teneurs individuelles en niobium, silicium, titane, aluminium et beryllium éventuels ne doivent pas dépasser 0,3 O/o chacune et celle du magnésium ne doit pas dépasser 0,05 o/o et la teneur totale en tous ces éléments ne doit pas dépasser 2 o/o .
Compte tenu de toutes ces considérations, les alliages particulièrement appropriés contiennent de 28 o/o à 32 O/o de nickel, de 2,4 O/o à 3 O/o de chrome, de 0,05 o/o à 0,5 O/o de zirconium, au plus 20/o de manganèse et au plus 0,020/, de oarbone, le reste étant pratiquement du cuivre.
Les alliages selon la présente invention possèdent la limite d'élasticité élevée désirée, au moins 28 kg/mm2, lorsqu'ils sont refroidis des températures de recuit, de travail à chaud et de soudage, disons de 900 à 10900 C et plus, jusqu'à la température ordinaire, à travers une large gamme de vitesses de refroidissement, c'est-à-dire lorsque la vitesse de refroidissement des températures comprise entre 7600 C et 5400 C est de 1000 C par seconde jusqu'à 0,030 C par seconde. Ainsi les alliages se durcissent à l'air. Pour obtenir une résistance élevée, le refroidissement très rapide, par exemple celui obtenu par trempe dans l'eau de sections très minces, est à éviter.
Le tableau I ci-dessous indique la composition de certains exemples d'alliages selon l'invention, ainsi que celles de deux alliages comparables. Exception faite des impuretés qui incluent jusqu'à 0,25 o/o au total de titane, d'aluminium ou des deux, le solde de chaque alliage est du cuivre.
Tableau I
Alliage NO O/o Ni O/o Cr O/o Si O/o Mn O/o Fe O/o Zr 0/o, autres
1 24,2 2,70 0,06 0,63 0,68 0,08
2 25,0 3,50 0,06 0,70 0,68 0,07
3 28,6 3,7 0,07 0,64 1,0 0,08
4 29,8 2,40 0,12 0,52 0,69 0,21
5 29,7 2,60 0,13 0,52 0,70 0,26
6 29,5 3,15 0,15 0,66 0,73 0,09
7 30,3 3,55 0,34 0,70 0,94 0,20
8 36,7 3,20 0,05 0,47 0,67 0,14
9 36,6 3,55 0,05 0,66 0,68 0,10
Alliage No o/o Ni o/o Cr o/o Si o/o Mn o/o Fe o/o Zr O/o autres
10 30 2,87 - 0,6 0,6 -
11 29,4 2,30 0,11 0,55 0,73 0,18 1,12 Co
A 30 - 0,06 0,5 0,4 - -
B 31,5 1,20 0,07 0,5 0,68 0,11 -
Tous ces alliages sont façonnés en baguettes ou en tôles par laminage à chaud suivi de laminage à froid (sauf l'alliage No 3 qui est extrudé en baguettes) puis ils sont recuits à des températures comprises entre 900 et 9800 C, puis refroidis à l'air. Des échantillons d'alliages à l'état qui résulte de ce traitement sont alors soumis à des essais de traction; le tableau II indique les résultats obtenus, ainsi que le produit du laminage à chaud et à froid.
Le tableau montre aussi les résultats obtenus avec l'alliage No 7 lorsque l'on substitue une trempe à l'huile à la dernière étape de refroidissement à l'air. La limite d'élasticité et la résistance à la traction sont indiquées en kg/mm2 et l'allongement en o/o.
Tableau il
Limite d'élasticité Résistance à la traction Allongement
Alliage No Produit Epaisseur kg/mm2 kg/mm2 O/o
1 tôle 1,6 34.3 57.3 27
2 tôle 1,6 38.0 61.1 24
3 baguette 19 40.5 67.3 30
4 tôle 1,6 33.8 59.3 34
5 tôle 1,6 35.4 60.5 32
6 tôle 1,6 39.4 63.2 26
7 tôle 1,6 40.6 65.3 26
plaque 3 35.6 62.1 38
(trempé à l'huile)
8 tôle 1,6 33.2 60.1 34
9 tôle 1,6 33.3 59.7 35
10 baguette 19 42.1 70.3 25
11 tôle 1,6 38.0 62.8 32
A plaque 25 14 38.7 45
B tôle 1,6 20.7
L'effet d'augmentation de la résistance, grâce au cobalt, est montré par la comparaison de l'alliage No 11 contenant du cobalt avec l'alliage No 4, similaire par ailleurs.
Le grand allongement de la plaque en alliage NO 7, trempé à l'huile, qui a la teneur élevée en chrome 3,55 /0, est remarquable.
Le tableau montre aussi que tous les alliages selon la présente invention ont une limite d'élasticité qui est le double de celle en cupronickel 70/30 (alliage A). La faible teneur en chrome, l,20/o, de l'alliage B augmente la limite d'élasticité du cupronickel 70/30 typique de moins de la moitié au lieu de plus que le double.
Le dessin qui accompagne la description montre aussi l'importance de la teneur en chrome; c'est un graphique dans lequel on exprime la limite d'élasticité en kg/mm2 de tôles de 1,6 mu d'épaisseur en alliages exempts de cobalt et contenant environ 30 o/o de nickel en fonction de la teneur en chrome des alliages.
On peut effectuer de manière très satisfaisante des soudages ayant une limite d'élasticité élevée, après le refroidissement à l'air qui suit le soudage, en utilisant un alliage similaire comme métal d'apport. Par exemple, on soude bout à bout deux pièces d'une plaque recuite de 12,5 mm d'épaisseur, en alliage No 6, par soudage à
I'arc argon-tungstène en utilisant du métal d'apport contenant 30,0 o/o de nickel, 2,700/o de chrome, 0,04 O/o de zirconium, 0,68 O/o de manganèse, 0,32 0/o de silicium, 0,74 /o de fer et 0,04 o/o de titane, le solde n'étant pratiquement que du cuivre.
Les échantillons pour la limite d'élasticité, pris en travers du joint soudé et soumis aux essais à l'état refroidi à l'air après soudage ont donné les résultats suivants: 55,5 kg/mm2 pour la résistance à la traction, 39,6 kg/mm2 pour la limite d'élasticité et 15 o/o d'allongement.
Les alliages selon la présente invention sont appropriés à l'utilisation à des températures jusqu'à 3150 C.
Les alliages ont une résistance à la corrosion très satisfaisante. Un essai qui s'est montré très indicatif, pour savoir si les alliages de cupronickel sont appropriés pour les tuyaux utilisés pour transporter l'eau de mer à grande vitesse est le suivant: on soumet l'alliage à un jet d'eau de mer à grande vitesse pendant 30 jours. Lors de tels essais, on compare la résistance d'un alliage de cuivrenickel-chrome selon l'invention, contenant 30 /o de nickel et 3,6 o/o de chrome, à celle d'un alliage de cupronickel 70/30, et la perte en poids de l'alliage en alliage de cupronickel 70/30 est de 50 oxo plus élevée que celle de l'alliage selon la présente invention.
Bien que la limite d'élasticité élevée à l'état refroidi à l'air soit la caractéristique la plus avantageuse, les alliages peuvent aussi être durcis et rendus plus résistants par le travail à froid. Par exemple, une tôle d'alliage NO 10, lorsqu'elle est travaillée à froid jusqu'à une réduction de 50 oxo d'épaisseur, après avoir été travaillée à chaud puis refroidie à l'air, a une limite d'élasticité à la température ordinaire de 77,8 kg/mm2 et une résistance à la traction de 83,7 kg/mm2 et un allongement de 13 %.
Bien que la résistance des alliages soit généralement faible après une trempe à l'eau, on a obtenu des limites d'élasticité de 28 kg/mm2 ou plus pour certains alliages selon la présente invention trempés à l'eau. Un refroidissement très lent ne nuit pas à la résistance. Par exemple, lorsque l'on limite la vitesse de refroidissement d'une plaque en alliage No 7 de 12,5 mm d'épaisseur, de sorte que la plaque met environ 7 heures pour se refroidir de 955o C à 1500 C, on obtient, à la température ordinaire, les caractéristiques suivantes: limite d'élasticité: 46,2 kg/mm2, résistance à la traction: 69,8 kg/mme et 290/o d'allongement.
Les alliages peuvent être utilisés sous forme de tôles, de feuillard, de plaques, de barres, de baguettes, de tuyaux, de tuyauteries, de formes extrudées, de fils, etc.
Les produits que l'on peut fabriquer très avantageusement avec eux incluent des tuyauteries pour l'eau de mer sous pression, échangeurs de chaleur, des tôles pour tuyaux, des appareils à distiller, des condenseurs, des récipients résistant à la corrosion alcaline et des éléments de construction.
REVENDICATION I
Alliage de cuivre, contenant de 24 à 38 o/o de nickel, caractérisé en ce qu'il contient de 2,3 à 3,8 o/o de chrome, pas plus de 3 o/o de manganèse, pas plus de 0,02 % de carbone et en ce qu'il satisfait à la relation suivante lorsque le 0/o de Ni est de 33 à 38:
% Cr > 0,12(0/, Ni - 13) .
SOUS-REVENDICATIONS
1. Alliage selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il contient du fer et/ou du cobalt en teneurs ne dépassant pas 2,5 0/o de chaque et satisfaisant aux relations suivantes:
% Cr + 1/2 (0/o Co) compris entre 2,4 et 3.8: /0 Cr 0/oCo + O/o Fe < 5 .
2. Alliage selon la revendication I ou la sous-revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient au moins l'un des éléments suivants: au plus 6 oxo de zinc, au plus 0,8 /o de zirconium, au plus 0,5 % de silicium et au plus 0,5 % de titane.
3. Alliage selon la revendication I ou la sousrevendication 1, caractérisé en ce que la teneur en chrome est d'au moins 2,40/o.
4. Alliage selon la sous-revendication 2, caractérisé en ce qu'il contient de 0,05 % à 0,5 0/o de zirconium.
5. Alliage selon la revendication I ou la sousrevendication 1, caractérisé en ce qu'il contient de 24 à 33 0/o de nickel et de 3 à 3,8 % de chrome.
6. Alliage selon la revendication I ou la sous-revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient au moins 28 O/o de nickel.
7. Alliage selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il contient de 28 % à 32 % de nickel, de 2,4 % à 3 0/o de chrome, de 0,05 % à 0,5 O/o de zirconium, au plus 2 oxo de manganèse et au plus O,020/o de carbone. Ie reste étant pratiquement du cuivre.
8. Alliage selon la sous-revendication 7, caractérisé en ce qu'il contient de 0,2 à 0.4 % de zirconium.
9. Alliage selon la sous-revendication 2, caractérisé en ce qu'il ne contient pas plus que 3 % de zinc, pas plus que 2 oxo de manganèse et pas plus que 0,3 % de titane.
10. Alliage selon la sous-revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient de 0,8 à 1,2 oxo de cobalt.
REVENDICATION Il
Utilisation de l'alliage selon la revendication I pour la fabrication d'un article faconné par travail à chaud de l'alliage et refroidissement de l'article à l'air depuis la température de travail.
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