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" PERFECTIONNEMENTS AUX ACIERS SPECIAUX " Cette invention a trait aux aciers au chrome et concerne plus spécialement un procédé pour améliorer les propriétés physiques des aciers contenant une teneur élevée en chrome, qu'ils contiennent ou non d'autre métaux tels que le nickel.
C'est un fait d'observation et d'expérience cou- rantes que les aciers fondus à haute teneur en chrome sont composés de cristaux et grains grossiers fixés entre eux de façon lâche. Les pièces coulées de ce métal sont peu solides et réellement poreuses, comme le montrent des essais hydrau- liques à haute pression. Cette structure grossière des aciers
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fondus à forte teneur en chrome est pour une grande part la cause des propriétés physiques relativement médiocres du métal fondu. Un affinage de la structure du grain est très désirable en vue de la production tant d'aciers coulés que d'aciers forgés possédant des propriétés physiques supérieures.
La demanderesse a découvert que la présence d'azote en quantités supérieures à 0,2% environ améliore considéra- blement les propriétés physiques des aciers forgés et moulés qui contiennent un grand pourcentage de chrome. Bien que les aciers au chrome forgés ne possèdent pas la structure à grain grossier du métal fondu, on constate que l'addition d'azote leur confère aussi des avantages marqués sur les structures normalement bonnes de ces aciers. L'invention est par conséquent applicable non seulement aux aciers au chrome coulés, mais aussi aux aciers au chrome forgés et donne un produit supérieur dans l'un et l'autre cas.
Suivant l'invention, on peut déjà obtenir un cer- tain avantage par l'application d'une teneur enazote un peu inférieure à 0,2%,, mais il est préférable que la teneur en/ soit au moins égale à ce pourcentage. En général, il est désirable que la quantité d'azote présente soit le maximum susceptible d'être retenu sous forme d'une combinaison stable à la température nécessaire pour la coulée du métal. La quantité d'azote qui peut être retenue dans le produit final augmente avec la teneur en chrome.
L'invention est en particulier avantageusement applicable à des aciers contenant de 15 % à 35% environ de chrome, quoique son application à des aciers de teneur en chrome un peu plus faible ou un peu plus grande présente aussi des avantages. La présence d'autres éléments combinés dans l'acier ne limite ou ne diminue en aucune façon les avantages résultant de l'addition d'azote. Cette invention est donc applicable aux aciers à grande teneur en chrome en général.
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Des expériences ont permis de démontrer que l'addition d'azote en quantités notablement supérieures à celles normalement présentes dans les aciers affine la structure du grain et améliore la résistance des aciers à haute teneur en chrome sans influencer notablement leur ductilité , leur aptitude à se laisser usiner, leur dureté, leur résistance à la corrosion ou leurs caractéristiques de forgeage, de laminage et de travail. Par exemple, des essais ont montré que l'addition de 0,2 à 0,4 % environ d'azote à des aciers au chrome, tant forgés que fondus, qui contiennent de 18 à 30 % environ de chrome et de 0,1 à 2% environ de carbone améliore considérablement les propriétés physiques de ces aciers.
L'effet avantageux de l'addition d'azote est plus marqué dans ceux des aciers qui contiennent entre 0,1 et 1 % environ de carbone, mais il continue à être appréciable lorsqu'on élève la teneur en carbone à une valeur aussi grande que 2 % environ.L'azote n'a qu'un faible effet avantageux sur des aciers contenant moins de 0, 1% environ de carbone.
Dans une série d'expériences, on prépara un certain nombre d'éprouvettes en acier forgé comprenant chacune une proportion prépondérante de fer, 0,1 % environ de carbone, 0,4% environ de manganèse, 0,5 % environ de silicium, un faible pourcentage d'impuretés et une addition de chrome et d'azote. L'azote fut introduit dans les aciers fondus sous forme de nitrure de chrome et d'un ferro-chrome de grande teneur en azote. Pour chaque éprouvette riche en azote ainsi préparée, on prépara un acier correspondant pauvre en azote, cet acier ayant approximativement la même composition en ce qui concerne tous les éléments à l'exception de l'azote. On soumit alors toutes les éprouvettes à un certain nombre dtessais physiques dans des conditions comparables.
La table
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suivante indique l'effet de ltazote constaté dans ces essais:
EMI4.1
<tb> Analyse <SEP> Propriétés <SEP> physiques
<tb>
EMI4.2
' Cr P.F. ' R.T. ;A1. eR.S. 7,: Eric. Brinell
EMI4.3
<tb> :19: <SEP> 0,04 <SEP> : <SEP> 32,3: <SEP> 54,2: <SEP> 30 <SEP> 60 <SEP> . <SEP> 7,5 <SEP> : <SEP> 131
<tb>
EMI4.4
'19 0,2$ : 9, :
Z0,2 : 2'6 56 8,5 : 170
EMI4.5
<tb>
<tb>
<tb> 23 <SEP> 0,03; <SEP> 33,1: <SEP> 47,8: <SEP> 31 <SEP> 52 <SEP> 7,5 <SEP> : <SEP> 128
<tb>
<tb>
<tb> :23: <SEP> 0,37: <SEP> 35,9 <SEP> :62,8: <SEP> 26: <SEP> 57 <SEP> 8,0 <SEP> : <SEP> 149
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 26 <SEP> 0,03 <SEP> : <SEP> 35,1: <SEP> 54,2: <SEP> 27 <SEP> 59 <SEP> 7,5 <SEP> : <SEP> 128
<tb>
<tb>
<tb> 26 <SEP> 0,42: <SEP> 35,1: <SEP> 58,2 <SEP> : <SEP> 24 <SEP> 49 <SEP> 8,0 <SEP> : <SEP> 128
<tb>
Dans la table ci-dessus se rapportant à des aciers forgés, on a employé les symboles suivants : P.F., pour le point de fléchissement ou limite d'écoulement en kilos par millimètre carré ; R.
T., pour la résistance à la traction en kilos par millimètre carré ; Al. %, pour le pourcentage d'al- longement obtenu sur une longueur de 5 centimètres ; R.S.% , pour le pourcentage de réduction de section accompagnant l'allongement ; Eridc., pour les valeurs obtenues sur la machine Erichsen ; et Brinell, pour les coefficients de dureté selon l'échelle Brinell.
Un examen microscopique des aciers forgés montrent que l'azote affine considérablement la structure du métal et semble éliminer les limites des grains des cristaux.
D'autres essais auxquels furent soumis ces aciers ont démon- t.ré que l'addition d'azote diminue leur tendance à devenir cassants aux températures élevées telles que celles de l'or- dre de 475 C.
On pratiqua une série correspondante d'essais sur des aciers fondus de grande teneur en chrome. On prépara une série d'éprouvettes sous forme de barres normales moulées en acier contenant une proportion prépondérante de fer, un faible pourcentage d'impuretés, 15 à 35% environ de chrome, 0,5% environ de carbone et diverses teneurs -- élevées et faibles -- en azote et éprouva ces barres. On constata que l'azote amé- liore les propriétés physiques'et affine considérablement
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la structure du grain.
La table ci-dessous donne quelques résultats typiques de cette série d'essais :
EMI5.1
<tb> Analyse <SEP> Propriétés <SEP> physiques
<tb>
<tb>
<tb> % <SEP> Cr <SEP> :% <SEP> N: <SEP> Flèche <SEP> C.R.T. <SEP> Brinell
<tb>
<tb>
<tb> 25 <SEP> 0,10 <SEP> 3,5 <SEP> 2100 <SEP> 187
<tb>
<tb> 25 <SEP> 0,35 <SEP> 8,4 <SEP> 3190 <SEP> 207
<tb>
Dans la table ci-dessus relative aux aciers coulés, les symboles suivants ont été employés Flèche, pour la flèche en millimètres C.R.T., pour la charge de rupture transversale en tonnes ; et Brinell, pour les coefficients de dureté selon l'échelle Brinell.
La présence d'azote ne diminue en aucune façon la résistance des aciers au chrome à l'oxydation et à certains types de corrosion, ainsi que cela a été déterminé par des essais étendus effectués à la fois sur des aciers forgés et sur des aciers coulés.
En outre, on a découvert que l'addition d'azote en quantités notablement plus grandes que celles qui exis- tent ordinairement dans les aciers tend nettement à augmen- ter la résistance mécanique et à améliorer la facilité d'u- sinage des aciers coulés et fondus contenant des quantités relativement grandes tant de chrome que de nickel. Ces perfectionnements sont obtenus , comme dans le cas des sim- ples aciers au chrome, sans diminuer notablement la résis- tance à la corrosion et à l'oxydation, la ténacité ou la ductilité des aciers. Cette addition augmente la résistance des aciers sans en modifier considérablement la dureté.
En général, on constate que la quantité d'azote qui peut être retenue dans le produit final augmente avec la teneur en chrome et diminue avec la teneur en nickel., Lorsqu'il est possible d'ajouter une proportion aussi grande que 0,2 % environ d'azote, il convient que cette quantité au moins soit présente pour assurer les perfectionnements que l'invention confère aux propriétés des aciers, mais
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dans les cas où la teneur en nickel est si grande que la proportion d'azote que le métal est capable de retenir de façon stable est inférieure à 0,2%, la plus faible quan- tité retenue de façon stable est encore suffisante pour assurer des résultats avantageux.
Des essais ont démontré que le fait d'ajouter à des aciers au chrome-nickel contenant de 15 à 35 % environ de chrome et de 5 à 35 % environ de nickel des quantités d'azote telles que l'acier contienne au moins un total de 0,1 % environ d'azote améliore ces aciers du point de vue de leur résistance et de la facilité avec laquelle ils se laissent usiner. Comme les aciers contenant les teneurs en nickel les plus élevées et les teneurs en chrome les plus faibles des échelles de pourcentages susindiquées sont plus faciles à usiner que les autres combinaisons possibles de ces aciers, l'amélioration apportée à la résistance de ces aciers riches en nickel et pauvres en chrome présente un peu plus d'importance que celle apportée à la facilité d'usinage.
On constate que les additions d'azote aux aciers au chrome-nickel n'influencent pas la grosseur du grain du métal à un degré comparable avec l'effet obtenu en ajou- tant de l'azote aux aciers au chrome ordinaires.
La table suivante donne la comparaison de résul- tats numériques d'essais d'aciers typiques suivant l'inven- tion,avec des aciers au chrome-nickel ordinaires pauvres en azote. Les éprouvettes avaient la composition approximative suivante : silicium 0,5% , manganèse 0,5 %, carbone 0,3%, fer le reste, à l'exception des pourcentages de chrome, de nickel et d'azote indiqués dans la table :
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EMI7.1
<tb> Alliage <SEP> Etat <SEP> Essais <SEP> de <SEP> Essais <SEP> trans- <SEP> Dureté
<tb> du <SEP> traction <SEP> versaux <SEP> :Brinelle <SEP> 11:
<tb>
EMI7.2
rocr % Ni')1 N métal :P.F.:R.T.;A.l,% 7 :C.R.T.:Flèche: Ù'
EMI7.3
<tb> :17: <SEP> 34 <SEP> ;0,03;fondu <SEP> :26 <SEP> :34,5: <SEP> 3,0 <SEP> 3,1 <SEP> . <SEP> 4,5 <SEP> 131
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> :17:
<SEP> 34 <SEP> 0,12 <SEP> fondu. <SEP> :35 <SEP> :9,4: <SEP> 3,0 <SEP> 3,4 <SEP> . <SEP> 2,5 <SEP> 126
<tb>
EMI7.4
: 1 25 = 1.2 ; 0, 06;fondu ; 3, 3 :40 . 4,0 3$6 : 6,8 187
EMI7.5
<tb> 23 <SEP> 12 <SEP> ;0,30:fondu <SEP> 41,5:52 <SEP> 3,0 <SEP> 3,8 <SEP> 6,1 <SEP> 187
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 18 <SEP> 8 <SEP> :0,08:fondu <SEP> : <SEP> - <SEP> : <SEP> - <SEP> : <SEP> - <SEP> 3,2: <SEP> 8,1 <SEP> 156
<tb>
<tb>
<tb> :18 <SEP> 8 <SEP> ;0,30:fondu <SEP> : <SEP> - <SEP> . <SEP> - <SEP> . <SEP> - <SEP> : <SEP> 3,6 <SEP> 7,9 <SEP> 163
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 18 <SEP> 8 <SEP> 0,03 <SEP> forgé <SEP> 26 <SEP> :64,7: <SEP> 60 <SEP> - <SEP> 143
<tb>
<tb>
<tb> :18 <SEP> 8 <SEP> 0,30 <SEP> forgé <SEP> 37,3:75,5: <SEP> 50- <SEP> - <SEP> 159
<tb>
<tb>
<tb> :::::::::::::::
<tb>
(+Nota. Ce métal contenait 0,10 % environ de carbone).
Dans la table ci-dessus, les abréviations suivantes ont été employées : Alliage, pour les pourcentages des élé- ments d'alliage présents dans l'éprouvette d'acier ; P.F. pour le point de fléchissement ou limite d'écoulement en'kg par centimètre carré ; R.T. pour la résistance de traction maximum en kg par millimètre carré ; Al.% pour le pourcen- tage d'allongement sur une longueur de 5 centimètres d'une éprouvette de traction normale de 12,8 mm ; Essais transver- saux , pour les résultats d'essais effectués sur une éprou- vette normale en métal fondu ; C. R.T. pour la charge de rupture transversale en tonnes ; Flèche,pour la flèche en millimètres ; et Dureté Brunell, pour le coefficient de dureté selon l'échelle Brinell.
Dans tous les essais ci-dessus, on a constaté que celle des éprouvettes qui contenait le plus grand pour- centage d'azote parmi les deux éprouvettes de même composi- tion en métaux était la plus facile à usiner. Des essais étendus de projection d'acide et de sel à l'état divisé effectués sur ces éprouvettes ont permis de déterminer que la présence des pourcentages élevés d'azote n'influence pas considéra- blement la résistance des aciers à la corrosion et à l'oxy- dation. Toutes les pièces fondues employées pour les essais ont été préparées de la façon spéciale suivante : @
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On fond un acier pauvre en carbone dans un des types de fours usuels.
Pendant la fusion, on introduit la quantité désirée d'azote dans le métal fondu sous'forme soit de nitrure de chrome, soit d'un ferro-chrome riche en azote , soit encore d'un autre nitrure ou mélange de ni- trures convenbale. Après avoir fondu l'acier, on le main- tient à une température suffisamment supérieure au point de fusion pour permettre à l'azote mis en liberté par les ni- trures instables de s'échapper. En réglant la température de l'acier fondu, la teneur des nitrures stables combinés peut être réglée de façon à donner un métal fondu solide, étant donné que la stabilité des nitrures diminue avec une élévation de température.
Ce procédé de fabrication d'aciers riches en azote évite la formation de soufflures et de retassures excessives, étant donné que l'azote restant dans l'acier està l'état combiné dans l'alliage.
On a décrit plusieurs exemples particuliers et modes de réalisation préférés, mais il est bien entendu que ces exemples ne limitent pas l'invention, qui a trait à un procédé généralement applicable à l'amélioration d'aciers spéciaux à haute teneur en chrome.