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Procédé de fabrication d'aoier destiné à être transformé en .pièces cémentées.
On exige des pièces cémentées, telles que des boulons, des arbres et d'autres pièces analogues destinées à supporter de grands efforts, outre une surface aussi dure que le verre, un noyau tenace, nerveux, à cassure d'aspect velouté. Les essais auxquels on soumet d'habitude ces aciers consistent en ce qu'dn plie graduellement jusqu'à rupture, à la température normale de 20 environ, les pièces cémentées placées entre deux appuis ou qu'on les brise en les soumettant à des chocs.
Lorsque la pièce soumise à l'essai possède un noyau tenace et nerveux, la rupture n'a pas lieu brusquement; il se produit, avant cette rupture, une flexion du noyau et des fissures dans la couche périphérique cémentée. Dans ce cas, le noyau ne présente pas une texture cassante, cristalline et granuleuse de la cassure, mais une texture tenace, nerveuse, d'aspeot velouté. Il s'ensuit qu'un tel matériau présente une
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sécurité beaucoup plus grande à la rupture qu'un matériau à noyau cristallin et granuleux qui, par conséquent, se rompt brusquement.
On a cru jusqu'à présent que la production d'une cassure tenace, nerveuse, dans les aciers, sans métaux alliés, qu'on emploie pour les pièces cémentées, était limitée principalement aux aciers à faible teneur en carbone et en manganèse, cette faible teneur en carbone et en manganèse devant supprimer autant que possible, le durcissement de part en part de l'acier, durcissement qui est indésirable pour un noyau tenace et nerveux. Il en résulte qu'on doit employer principalement pour la cémentation des aciers contenant environ 0,10 à 0,15 % de carbone et 0,40 % de manganèse (voir par exemple Oberhoffer Das technische Eisen", Berlin, Julius Springer, page 501 ainsi que les prescriptions des Normes des Ingénieurs Allemands pour les aciers, St. C.IO. 61 et St.C. 16. 61).
En outre, on considère comme nécessaire un traitement thermique spécial double pour obtenir autant que possible un noyau tenace. Dans la cémentation, on carbure d'abord superficiellement un acier, en le laissant longtemps, à 9000 environ, dans la poudre de cémentation.
Dans le but d'obtenir un noyau tenace, on donne de nouveau à ce noyau, qui a acquis la forme de gros grains pendant la cémentation, une structure fine en trempant l'acier, par exemple à 9000, dans l'eau. Par une deuxième trempe, consécutive à un chauffage à température plus basse, par exemple à 760 , on provoque alors le durcissement et la nouvelle production de grain fin dans la couche cémentée. On trouve des presoriptions pour le traitement des aciers cémentés par exemple dans le manuel consacré aux matériaux 'Stahl und Eisen" 1.Il, p. 2. Ces prescriptions ne suffisent toutefois pas à elles seules pour obtenir sûrement un noyau tenace.
Des recherches approfondies des inventeurs ont montré maintenant que le facteur déterminant pour l'obtention d'un noyau tenace et nerveux n'est pas la teneur en carbone ou .en
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manganèse, ni le mode du traitement thermique, mais la mesure dans la-quelle s'est réalisée la désoxydation. Lorsqu'on emploie de l'acier convenablement désoxydé à la façon usuelle, on ne parvient pas, notamment même avec des teneurs faibles en carbone ou en manganèse ou par l'application du traitement thermique double mentionné plus haut, à réaliser sûrement un noyau tenace et nerveux.
Contrairement aux procédés susvisés, on produit, suivant l'invention, l'acier de telle façon qu'au moment où on le calme, il soit suffisamment désoxydé, grâce à une addition convenable dans le four, par une opération de fusion réglée de fa- çon à réaliser un bain aussi exempt que possible d'oxygène et par addition d'agents de désoxydation,, pour que les objets fabriqués à l'aide de cet aoier présentent un noyau nerveux après une seule trempe. Cette nature du noyau est réalisé même pour des aciers pour lesquels on la tenait jusqu'à, présent pour impossible en raison de la teneur élevée en carbone ou en manganèse.
C'est ainsi par exemple, qu'on a pu obtenir une cassure tenace, nerveuse, dans un acier Siemens-Martin de pureté usuelle, renfermant 0,30 % de carbone, 0,66 % de manganèse et 0,22 % de silicium qu'on a cémenté à 900 pendant 5 heures.
Outre l'avantage du trempage unique, on a constaté que l'acier fortement désoxydé obtenu suivant l'invention présente encore celui d'une certaine indifférence à l'action de la température, de sorte que les dépassements de température plus grands dans l'usinage des objets formés de cet acier n'ont pas d'inconvénients particuliers.
Si l'on compare la ténacité et la résistance du noyau des aciers qui ne renferment pas des métaux alliés et qui sont produits suivant l'invention, à celles des aciers traités de la même façon auxquels on a dû, pour obtenir un noyau tenace, ajouter un minimum déterminé dtéléments alliés, on constate dans l'acier à haute teneur en carbone produit suivant l'invention, une ténacité aussi grande et une très grande résistan-
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ce du noyau, désirables pour la plupart des applications pour permettre des charges plus élevées, par unité de surface ou de section.
On ne pouvait cependant pas s'en servir auparavant dans la technique en raison du noyau peu résistant que l'on obtenait à ces hautes teneurs en carbone* L'application de l'invention permet donc de remplacer dans de très nombreux cas, les aciers coûteux, contenant des métaux alliés, par des aciers beaucoup moins coûteux qui n'en contiennent pas*
Par l'application de l'invention, on obtient donc le progrès technique consistant dans la possibilité de produire sûrement et indépendamment en une large mesure, de la composition et du traitement thermique, des pièces cémentées qui se caractérisent, après une seule trempe, par une texture nerveuse et une grande résistance du noyau.
Le progrès technique réside donc surtout dans le fait que les traitements thermiques répétés pour la régénération de la couche périphérique et du noyau peuvent être supprimés.
On peut réduire ainsi considérablement les frais du traitement thermique de cémentation. Dans le procédé thermique double appliqué usuellement jusqu'ici, il se produisait facilement l'oxydation, la décarburation ou un retrait considérable des pièces cémentées. Pour ce motif, on prévoit dans les dimensions des objets une marge importante pour le meulage qui, pour un traitement thermique unique, comme le permet l'application de la présente invention, ne doit évidemment pas être aussi considérable. On diminue ainsi non seulement les frais de meulage, mais aussi le danger de formation de fissures au meulage.
On a constaté en outre que la zone périphérique cémentée des objets en acier suivant l'invention, sont très peu sensibles aux surchauffes. Lorsqu'on cémente pendant 5 heures environ à 9000 une pièce en acier désoxydé comme d'habitude, en même temps qu'une pièce eh acier fortement désoxydé suivant l'invention et qu'on les trempe dans de l'eau immédiatement au sortir de la caisse, la zone périphérique de l'acier normal
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présente, à. l'essai de dureté une cassure grossière et cristalline et l'acier fortement désoxydé, une cassure fine, veloutée.
Lorsqu'on laisse refroidir les deux aciers dans les caisses ou à l'air et lorsqu'on les durcit à la température de 870 à 900 , on constate le même phénomène. Lors du trempage on n'est donc pas forcé d'appliquer rigoureusement des températures exactes de durcissement aux objets produits à partir des aciers fabriqués suivant l'invention.
Dans le procédé proprement dit de fabrication de l'acier suivant l'invention, on procède de façon à tendre dès le début à l'obtention d'un acier aussi exempt que possible d'oxygène.
En d'autres termes, on calme l'acier, non pas dans le convertisseur, mais dans le four, on emploie les quantités convenables d'additions pauvres en oxydes et on règle ensuite toute l'opération de fusion de manière que l'oxydation soit minime. A cet effet, on emploie du laitier renfermant aussi peu que possible d'oxydes métalliques et, en particulier, d'oxyde ferreux. Pour plus de sûreté on effectue une désoxydation préalable avec du ferro-silicium pauvre qui favorise l'élimination des oxydes.
Enfin, on produit une oxydation finale très poussée au moyen d'agents désoxydants puissants, tels que l'aluminium, le titane, le vanadium ou d'autres éléments agissant de la même façon, les quantités ajoutées étant réglées sur la marche de l'opération et la composition du flux. Toutefois, l'invention ne s'étend pas aux mesures nécessaires pour la désoxydation.
On a, il est vrai, déjà proposé d'employer, comme acier à cémenter, des aciers contenant de 0,10 à 0,15 % de carbone et de 0,4 à 4,0 % d'aluminium, à l'état d'alliage. Ceci avait simplement pour but d'empêcher la formation, par carburation, lors de la cémentation, de composés se trouvant au-dessus de l'eutectoïde. Cet acier connu est toutefois très difficile à fabriquer et tend à des occlusions. On a constaté en outre que même des aciers riches en phosphore et en soufre tels que les aciers automatiques, lorsqu'on les désoxyde fortement suivant
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l'invention, manifestent une grande ténacité et une grande résistance du noyau, ce qui ouvre un large champ d'application à l'invention, en particulier dans la fabrication à grande échelle.
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Aoier manufacturing process intended to be transformed into case-hardened parts.
Hardened parts, such as bolts, shafts, and the like designed to withstand great strain, are required, besides a surface as hard as glass, a tough, sinewy, fractured, velvety core. The tests to which these steels are usually subjected consist in gradually bending the case-hardened parts placed between two supports until they break, at a normal temperature of about 20, or in breaking them by subjecting them to shocks. .
When the part under test has a tenacious and sinewy core, it does not break suddenly; before this rupture occurs, bending of the core and cracks in the hardened peripheral layer. In this case, the kernel does not have a brittle, crystalline, grainy texture of the break, but a tenacious, sinewy, velvety aspeot texture. It follows that such a material has a
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much greater safety at breakage than a material with a crystalline and granular core which therefore breaks suddenly.
It has heretofore been believed that the production of a tenacious, sinewy fracture in steels, without alloying metals, which are employed for case-hardened parts, was limited mainly to steels with a low carbon and manganese content, this low carbon and manganese content to suppress as much as possible the hardening through and through of the steel, hardening which is undesirable for a tenacious and nervous core. As a result, steels containing about 0.10 to 0.15% carbon and 0.40% manganese must be used mainly for case-hardening (see for example Oberhoffer Das technische Eisen ", Berlin, Julius Springer, page 501 as well as the prescriptions of the German Engineering Standards for steels, St. C.IO. 61 and St.C. 16. 61).
In addition, a special double heat treatment is considered necessary to achieve as much as possible a tough core. In case hardening, a steel is first superficially carburized, leaving it for a long time, at about 9000, in the case hardening powder.
In order to obtain a tenacious core, this core, which has acquired the shape of coarse grains during cementation, is again given a fine structure by quenching the steel, for example at 9000, in water. By a second quenching, following heating at a lower temperature, for example at 760, then hardening and the new production of fine grain in the hardened layer are brought about. Guidelines for the processing of case-hardened steels can be found, for example, in the materials manual 'Stahl und Eisen "1.Il, p. 2. These guidelines alone are not sufficient, however, to obtain a reliable core.
Extensive research by the inventors has now shown that the determining factor for obtaining a tenacious and nervous nucleus is not the carbon content or.
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manganese, nor the mode of heat treatment, but the extent to which deoxidation has taken place. When properly deoxidized steel is used in the usual way, it is not possible, especially even with low carbon or manganese contents or by the application of the double heat treatment mentioned above, to achieve a stubborn core reliably. and nervous.
Unlike the aforementioned processes, according to the invention, the steel is produced in such a way that when it is calmed down, it is sufficiently deoxidized, thanks to a suitable addition in the furnace, by a melting operation controlled by fa - Lesson to achieve a bath as free as possible of oxygen and by adding deoxidizing agents ,, so that the objects made using this aoier have a nerve core after a single quenching. This nature of the core is achieved even for steels for which it has hitherto been held to be impossible due to the high carbon or manganese content.
For example, it was possible to obtain a tenacious, nervous break in a Siemens-Martin steel of usual purity, containing 0.30% carbon, 0.66% manganese and 0.22% silicon. which was cemented at 900 for 5 hours.
In addition to the advantage of single dipping, it has been found that the highly deoxidized steel obtained according to the invention also exhibits that of a certain indifference to the action of temperature, so that the greater temperature overshoots in the machining of objects formed from this steel have no particular drawbacks.
If we compare the toughness and core strength of steels which do not contain alloyed metals and which are produced according to the invention, with those of steels treated in the same way to which we had to, to obtain a tenacious core, add a determined minimum of alloyed elements, in the high carbon steel produced according to the invention, such high toughness and very high strength are observed.
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this of the core, desirable for most applications to allow higher loads, per unit area or section.
However, it could not be used previously in the art because of the weak core that was obtained at these high carbon contents * The application of the invention therefore makes it possible to replace, in very many cases, steels. expensive, containing alloyed metals, by much less expensive steels which do not contain them *
By applying the invention, therefore, technical progress is obtained consisting in the possibility of producing reliably and independently to a large extent, from the composition and the heat treatment, case-hardened parts which are characterized, after a single quenching, by a nervous texture and a great resistance of the core.
Technical progress therefore resides above all in the fact that the repeated heat treatments for the regeneration of the peripheral layer and of the core can be eliminated.
The costs of the heat treatment of cementation can thus be considerably reduced. In the dual thermal process usually applied heretofore, oxidation, decarburization or considerable shrinkage of the case-hardened parts easily took place. For this reason, there is provided in the dimensions of the objects a large margin for grinding which, for a single heat treatment, as the application of the present invention allows, obviously does not have to be so considerable. This not only reduces the cost of grinding, but also the danger of cracks forming during grinding.
It has also been observed that the hardened peripheral zone of the steel articles according to the invention are very insensitive to overheating. When a part of deoxidized steel is cemented for about 5 hours at 9000 as usual, at the same time as a part of highly deoxidized steel according to the invention and that they are quenched in water immediately after leaving the chamber. the body, the peripheral zone of normal steel
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introduced to. hardness test a coarse, crystalline break and heavily deoxidized steel a fine, velvety break.
When the two steels are allowed to cool in the cases or in air and when they are hardened at a temperature of 870 to 900, the same phenomenon is observed. During the quenching, it is therefore not forced to strictly apply exact hardening temperatures to the articles produced from the steels produced according to the invention.
In the actual method of manufacturing the steel according to the invention, the procedure is carried out so as to tend from the start to obtain a steel which is as free as possible from oxygen.
In other words, one calms the steel, not in the converter, but in the furnace, one employs the suitable quantities of additions poor in oxides and one then regulates the whole operation of melting so that the oxidation be minimal. For this purpose, use is made of slag containing as little as possible metal oxides and, in particular, ferrous oxide. For greater safety, a preliminary deoxidation is carried out with poor ferro-silicon which favors the elimination of the oxides.
Finally, a very thorough final oxidation is produced by means of powerful deoxidizing agents, such as aluminum, titanium, vanadium or other elements acting in the same way, the quantities added being regulated according to the operation of the operation and flow composition. However, the invention does not extend to the measures necessary for the deoxidation.
It is true that it has already been proposed to use, as steel to be case-hardened, steels containing from 0.10 to 0.15% of carbon and from 0.4 to 4.0% of aluminum, as of alloy. The purpose of this was simply to prevent the formation, by carburization, during carburization, of compounds lying above the eutectoid. This known steel is however very difficult to manufacture and tends to occlusions. It has further been found that even steels rich in phosphorus and sulfur such as automatic steels, when strongly deoxidized according to
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invention, exhibit great toughness and core strength, which opens up a wide field of application to the invention, in particular in large-scale manufacturing.