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Perfectionnements au traitement thermique de l'acier,.
La présente invention concerne le traitement thermique ae l'acier et se rapporte particulièrement au traitement d'alliages d'acier tels que les aciers à outils par exemple.
L'acier et les objets en acier fabriqués actuellement présentent fréquemment des défauts par suite d'une répartition non uniforme du carbone dans la masse, ce qui donne une zone extérieure d'acier décarbure, une zone centrale intérieure de nature perlitique, et une zone intermédiaire d'acier à forte teneur en carbone. Cette hétérogénéité zônique de la structure est généralement accompagnée d'un état d'instabilité interne et on a trouvé, dans le cas de pièces d'acier laminées telles que les rails, qu'elle est la cause principale des in-
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convénients habituellement rencontrés et consistant en une ondulation et une usure excessives en service.
Un autre in- convénient fréquemment associé à la présence de cette subdi- vision de la structure en zones, est la tendance à la défor- mation de la pièce d'acier par suite d'efforts et de tensions internes.
Les défauts indiqués ci-dessus peuvent se produire pen- dant n'importe quel traitement thermique de l'acier après la production de celui-ci par exemple dans le cas d'un lingot, d'une billette ou d'une pièce analogue, le défaut peut se produire dans la fosse ou dans le four à réchauffer si l'acier est soumis à un moment quelconque à un réchauffage.
En réali- té, dans les conditions actuellement courantes dans l'industrie, pratiquement tout traitement thermique auquel l'acier ou un objet d'acier est soumis a pour résultat la répartition iné- gale indiquée du carbone et par conséquent une hétérogénéité zôniqua de la structure avec ses effets nuisibles sur la fa-
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jon dont l'acier se comporte à l'usage.
Les inventeurs ont découvert que si l'atmosphère envi- ronnant l'acier pendant le traitement thermique de celui-ci
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est une at1iosnhèra qui a été codifiée par l'action d iü:. réactifs, savoir um oxyde alcd.li.üo-t8rreux tel que la. ÛL1i.<:C, et une matière carbonée telle qu'un mélange carburant ';puis;
contenant une proportion de carbone libre et un constituant incombustible produisant un effet d'amortissement sur la réac- tion, l'acier n'est pas décarburé par Le traitemetn thrique et la répartition zônique non uniforme du carbone dans la masse ne se produit pas, ou bien si ces défauts se produisent, c'est seulement dans une mesure -fortement réduite en comparai- Son du traitement thermique dans une atmosphère noramle, Ci est-
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à-dire dans une atmosphère non modifiée telle que celle qui serait obtenue sans l'emploi de réactifs Modificateurs,
par exemple, dans le cas d'un traitement au four, l'atmosphère régnant ordinairement dans ce four.
On a donc trouvé que si,dans le cas du traitement thermi- que d'un lingot d'acier dans une fosse par exemple, ce trai- tement thermique est effectue en présence d'un mélange de deux réactifs modificateurs du genre indiqué, une quantité appropriée de ce mélange étant introduite dans le four et maintenue dans celui-ci pendant le traitement, le lingot n'est pas décarburé ni sa structure rendue non uniforme pour ce qui concerne la répartition du carbone, on a trouvé en outre que dans ces conditions, on peut laisser le lingot, la billette ou tout autre' objet analogue dans la fosse à réchauffer ou dans tout autre four pendant un temps pratiquement indéfini, en tous cas pendant une période beaucoup plus longue que jus- qu'à présent, sans constater l'effet nuisible du surchauffage sur l'acier.
Un autre inconvénient fréquemment, si -pas invariablement, associé au traitement thermique de l'acier tel qu'il est con- duit actuellement, est la formation considérable d'écailles sur la surface de l'acier ou de l'objet d'acier, ce qui est dû naturellement à l'oxydation par l'atmosphère ambiante pen- dant le traitement thermique. On a trouvé que cet inconvénient, tout comme ceux indiqués ci-dessus, est supprimé en, grande partie si pas entièrement et que l'acier ou l'objet d'acier traita thermiquement dans les conditions caractéristiques de la présente invention est sensiblement exempt d'oxydation.
On a mentionné ci-dessus le traitement thermique de D'acier dans une fosse à réchauffer. Le nouvel effet peut @
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s'obtenir toutefois avec n'importe quel traitement thermique et 11 n'est pas limita au traitement thermique à l'intérieur -l'une chambre de chauffage telle qu'un four.
Par exemple, dans le cas de la fabrication de rails d'acier au cours de laquelle le rail terminé est ordinairement transporte du la- minoir au refroidissoir après la dernière opération de lami- nage pour s'y refroidir, on peut obtenir une homogénéité cou- plète de la structure et éviter la décarouration et l'oxyda- tion en enfouissant le rail chaud dans un mélange des deux réactifs modificateurs indiqués ci-dessus.
Ainsi qu'il ressort de ce qui précède, l'expression "atmosphère normale" telle qu'elle est employée ci-dessus désigne l'atmosphère qui entoure ordinairement un objet d'a- cier dans n'importe lequel des procédés employés normalement pour le traitement thermique de l'acier par contact direct avec des gaz de four chauds, et elle n'est pas limitée a l'atmosphère d'une fosse à réchauffer, d'un four à récanauffer et d'appareils équivalents.
En outre il Importe peu que le traitement thermique soit un traitement impliquant une élévation ou un abaissement de la température de l'acier.
Suivant la présente invention, un procédé de traitement thermique de l'acier dans lequel l'acier est chauffé par con- tact direct avec des gaz de four est caractérisé en ce qu'il est réalisé dans une atmosphère de gaz de four modifiée par contact à la fois avec un oxyde alcalino-terreux et une ma- tière carbonée n'exerçant sensiblement aucune action carburan- te sur l'acier.
Le traitement thermique peut avantageusement être réali- sé en présence d'un mélange de l'oxyde alcalino-terreux et de la matière carbonée.
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Suivant une autre caractéristique, la matière carbonée peut consister en carbone libre associé à une.matière incombus- tible en proportion suffisante pour rendre la matière carbonée sensiblement non carburante pour l'acier, elle peut consister par exemple en un mélange carburant épuisé ou en cendres de gazogène.
Les réactifs modificateurs peuvent être introduits dans le four de façon que l'acier soit chauffé en leur présence, et que la modification de l'atmosphère du four se fasse sur place dans le four:
On a trouvé également que pour obtenir les meilleurs ré- sultats, l'oxyde alcalino-terreux doit être employé en propor- tion définie par rapport à la matière modificatrice carbonée et qu'il y a aussi un minimum admissible du pourcentage de carbone. On a trouvé par exemple qu'il est désirable d'employer une quantité d'oxyde alcalino-terreux égale à au moins 10 % en poids des quantités combinées d'oxyde et de matière carbo- née, et que la quantité de carbone libre contenue dans cette matière doit être au moins égale à 4 % du poids combiné des deux matières modificatrices.
La quantité d'oxyde employée doit être comprise de préférence entre 10 % et 50 % en poids des quantités combinées des deux matières modificatrices de la quantité de carbone libre doit être comprise entre 4 % et 20 %.
Suivant d'autres caractéristiques de l'invention, des deux réactifs modificateurs utilisés pour le -procédé, l'oxyde alcalino-terreux est employé en quantité égale à au moins 10 % en poids des quantités combinées d'oxyde alcalino-terreux et de matière carbonée et la quantité de carbone libre contenue dans cette dernière équivaut à au moins 4 % du poids combiné des deux modificateurs. De préférence la quantité de chaux employée est comprise entre 1.0 et 50 % en poids des quantités combinées des deux réactifs et la teneur en carbone libre de
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la matière carbonée est comprise entre 4 et 20 % en poids de la somme des deux réactifs.
On a trouvé aussi par expérience que les nouveaux effets caractéristiques de l'invention peuvent être favorisés en réa- lisant le traitement thermique de l'acier dans une atmosphère de four modifiée, comme on l'a indiqué, et en présence d'une matière, telle que par exemple des déchets de tôle d'acier (notamment des déchets de fer blanc), des bobines ou spirales de fil d'acier, de la mitraille d'acier de n'importe quelle nature, par exemple des tournures, de la limaille des copeaux de fraisage, des déchets d'atelier, etc., qui soit facilement oxydable, ne produise aucune réaction nuisible sur l'acier en traitement à la température employée, et ait une forme telle qu'elle présente à 1''atmosphère environnante une surface oxy- dable de grande dimension relativement à sa masse.
Le degré de décarburation et de formation d'écaillés semble être appro- ximativement proportionnel à la surface de métal exposée. En conséquence, une fausse augmentation de la surface telle qu'el- le résulte de la présence de matière du type indiqué ci-dessus réduit le degré d'oxydation possible de l'acier par unité de surface, et par conséquent aussi, dans une mesure correspon- dante, l'étendue de la décarburation.
Suivant une autrecaractéristique de l'invention, l'acier est donc soumis au traitement thermique dans une atmosphère modifiée comme on l'a indiqué, en présence d'une matière telle que celle mentionnée plus haut par exemple, qui est facilement oxydable, n'exerce pas de réaction nuisible sur l'acier en . traitement à la température employée et possède une forme lui permettant de présenter à l'atmosphère environnante une sur- face oxydable de grande dimension relativement a sa masse.
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Les quantités de- copeaux d'acier, déchets de tôle d'acier, de bobines ou spirales de fil d'acier, etc,, de chaux ou autre oxyde alcalino-terreux et de mélange carburant épuisé ou autre matière carbonée à employer dépendront, comme on -pourra le remarquer, des circonstances dans chaque cas donné. On trouve par exemple que les quantités varient avec le genre d'acier traité c'est-à-dire avec l'analyse de l'acier, particulière- ment pour ce qui concerne la possibilité d'oxydation, le poids d'acier dans un four quelconque, la surface de l'acier exposée aux gaz relativement au volume de gaz envoyés dans le four, la forme du four et finalement la composition chimique réelle des gaz de four eux-mêmes.
Comme on l'observera, tous ces facteurs sont des facteurs variables et, comme ils ont tous une importance au point de vue des quantités réelles de dé- chets d'acier ou de matières équivalentes à employer dans chaque cas donné, on comprendra immédiatement qu'il est pra- tiquement impossible de stipuler une règle régissant les quantités de matière à employer. En pratique, c'est une chose simple pour un ouvrier conduisant l'opération que de déter- miner par le jugement ou par des essais et des réglages, les quantités appropriées à utiliser. Il y a de plus certaines indications, telles que l'aspect de la flamme sortant du four et l'aspect général de celui-ci, qui guideront l'opéra- teur pour déterminer si l'on emploie une quantité suffisante des réactifs modificateurs.
L'emploi des réactifs modifica- teurs implique la présence dans le four d'une atmosphère réductrice et, d'une manière générale, l'aspect du four indi- quera aisément si la quantité de réactifsmodificateurs uti- lisée est Suffisante.
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On a cité cornue exemple type de réactif modificateur car- boné dont l'emploi est envisagé suivant la présente invention, un mélange carburant épuisé. On entend par là un mélange carburant composé par exemple de trois parties de charbon de bouleau pulvérisé, deux parties de charbon de corne pulvérisé et deux parties de noir animal pulvérisé, qui a été employé jusqu'à ce qu'il ne puisse plus servir à la carburation. La matière carbonée peut être une matière autre qu'un mélange carburant épuisé. Elle peut par exemple être constituée par des cendrées de chaudière ou des cendres de gazogène contenant encore une proportion convenable (par exemple de 5 à 15 %) de carbone combustible.
On a constaté que le traitement thermique spécial faisant l'objet de la présente invention peut être employé non seule- ment en vue d'éviter au cours de la fabrication d'un objet d'acier les défauts de structure déjà indiqués ci-dessus, mais aussi pour éliminer ces défauts après la fabrication, on a trouvé que si de l'acier ou un objet d'acier, présentant les défauts indiqués à cause de la décarburation et de l'hé- térogénéité zônique de sa structure, est traité à chaud en passant de préférence par une série de températures embrassant les points de changement de l'acier, dans une atmosphère mo- difiée conformément à la présente invention, ces défauts sont considérablement si pas entièrement éliminés, la structure étant rendue uniforme dans toute la masse, pour ce qui con- cerne la répartition du carbone,
et la teneur en carbone de l'acier étant ramenée à la valeur qu'elle aurait dû avoir s'il n'y avait pas eu de décarburation lors du traitement thermique antérieur auquel l'acier a été soumis.
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L'invention est susceptible de vastes applications et peut en outre subir des modifications étendues en ce qui con- cerne les proportions, les températures et d'autres conditions d'application.
On trouvera ci-dessous un exemple détaillé montrant l'in- vention appliquée à la fabrication des billettes d'acier pour des applications variées.
Suivant la pratique normale en usage jusqu'à présent dans les ateliers, le lingot d'acier est démoulé et chauffé dans des fosses à réchauffer avant le laminage. La durée du chauf- fage dans ces fosses varie de six à dix heurs suivant les exigences du travail. A la fin de cette période, le lingot est envoyé aux trains de dégrossissage et de laminage jusqu'à ce que la section requise ait été obtenue, puis il est envoyé aux cisailles à chaud où on découpe les chutes au dessus et en dessous, et finalement au magasin.
Pour réaliser le procédé suivant la présente invention, on peut procéder comme suit.
On prépare un mélange consistant en l partie en poids de chaux et en 8 parties en poids de cendrée de chaudière conte- nant environ 10 % de carbone combustible. On'laisse sécher ce mélange pendant deux jours avant de s'en servir. Aucune mesure particulière n'est prise pour réduire les particules de ce mélange à une grosseur définie quelconque.
Le mélange est 'répandu sur une épaisseur de 15= cm. sur la sole du four avant l'allumage de ce dernier. Au-dessus du lit ainsi formé, on répand des tournures d'acier sur une nou- velle épaisseur de 5 cm. Lors du chargement de chaque lingot, on jette sur celui-ci quatre pelletées du mélange en même temps @
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que deux pelletiées de tournures. On place en outre une certaine quotité de matière sur le bord des lumières d'en- trée de gaz, de faon que les gaz entrant doivent passer à travers le petit tas de matière laissé au bout des lumières.
Après chauffage dans ces conditions, le lingot est trait i de la manière normale, c'est-à-dire envoya dans les trains de dégrossissage et de laminage, puis les chutes sont coupées à chaque extrémité et la pièce terminée est envoyée au maga sin.
La perte de poids approximative entre le métal chargé dans les fosses et les billettes terminées, y compris les chutes, était avant 1 application du présent procédé d'envi- ron 4 % en poids. Les chiffres donnés ci-dessous se rapportent à des lingots pris dans une charge traitée suivant la présente invention.
Acier b-teneur moyenne en carbone.
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En outre, l'acier ainsi traité présente moins de défauts imputables au lingot et il est en général de meilleure qualité.
Suivant un autre exemple d'application de l'invention, on peut procéder comme suit pour durcir des limes d'acier.
Auparavant on traitait les limes dans un four à moufle chauffé au gaz. A la fin du traitement ces limes étaient for- tement écaillées et présentaient en outre des zônes locales de décarburation. En procédant suivant le présent procédé, on
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traite les limes dans le même moufle chauffé qu gaz, exacte- ment dans les mêmes conditions, mais en présence d'un mélange de 2 parties de chaux et de 3 parties d'une matière carburan- te épuisée contenant environ 15 % de carbone libre lors de son introduction dans le four, ce mélange étant placé dans le moufle en une couche d'environ 15. cms. d'épaisseur sur le fond du moufle et les limes étant placées sur ce lit.
A la fin de l'opération de durcissement, les limes enlevées sont convena- blement durcies, exemptes d'éaailles et d'endroits doux, c'est- à-dire de surfaces de décarburation.
De même on peut traiter de l'acier à outil à chaud dans un four électrique dans le but de le durcir, en modifiant l'atmosphère du four suivant la présente invention ou en ne la modifiant pas. Dans ce dernier cas, c'est-à-dire en trai- tant l'acier à outils de la manière ordinaire, on obtient une oxydation considérable et une décarburation locale de l'acier.
Le même traitement répété sur une autre charge du même acier en présence d'un mélange de chaux et de cendrée de chaudière, ce dernier constituant contenant environ 15,6 % de carbone combustible et les deux constituants étant présents approxi- mativement dans les proportions relatives de 40 à 60, a pour résultat un durcissement convenable de l'acier avec suppres- sion complète de la formation d'écailles et de la décarbura- tion de l'acier.
On dispose le mélange indiqué de chaux et de cendrées de chaudière en une couche d'environ 10 cm. d'épais- seur sur le fond du four et après avoir placé l'acier dans le four, on introduit une nouvelle charge du mélange sans la tasser autour de l'acier dans l'espace entre l'acier et les parois du four= Outre le mélange de chaux et de cendrée de chaudière, on introduit dans le four une certaine quantité de tournures d'acier. Ces dernières sont mélangées à la couche du mélange de chaux et de cendrées de chaudière sur la sole du
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four et des spirales d'acier suspendues aux .cotés et à la voûte du four occupant l'espace autour et au dessus de la charge d'acier traitée.
Les spirales sont suspendues à des intervalles d'environ 10 cm. en travers de la voûte du four.
On introduit en outre de temps en temps des déchets d'acier dans le four pendant le traitement.
L'invention s'est montréeparticulièrement avantageuse pour le traitement à chaud de plaques de blindage, par exem- ple en vue de durcir ces plaques et d'augmenter leur résistan- ce.
Comme on l'a indiqué précédemment, l'invention est appli- cable au traitement thermique dans n'importe quel genre de four,que ce soit un four électrique, un four à gaz ou un four à réverbère.