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J3R;VE"r D' IIVrTL'IT'l'IUN " PROCEDE POUR INTRODUIRE DU PLOMB DANS DE L'ACIER "
Cette invention est relative à un procédé d'introduction de plomb dans l'acier et concerne principalement la classe des aciers d'usinage ou de filetage, ce par quoi on entend ici les aciers se prêtant particulièrement aux opérations d'usinage. Elle n'est toutefois pas nécessairement limitée aux aciers de cette classe et concerne tous les types d'aciers destinés à être soumis à des opérations d'usinage.
Jusqu'à ce jour, les fabricants d'acier ont généralement utilisé le soufre à titre d'agent d'addition propre à améliorer la facilité avec laquelle l'acier se laisse travailler. Par exemple, les aciers d'usinage, qui font l'objet d'une classification bien établie et reconnue, contenaient
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tous une proportion sensible de soufre à titre d'élément d'alliage. C'est ainsi que l'association américaine S.A.E. (Society of Automotive Engineers) a établi des spécifications normales pour les aciers d'usinage, en spécifiant les compositions chimiques qui sont considérées comme spécialement appropriées. La table suivante contient les spécifications courantes :
TABLE I.- Aciers à coupe libre S.A.E.
EMI2.1
<tb>
<tb>
S.A.E. <SEP> Echelle <SEP> du <SEP> Echelle <SEP> du <SEP> Echelle <SEP> du <SEP> Echelle <SEP> du
<tb> N <SEP> carbone <SEP> manganèse <SEP> phosphore <SEP> soufre
<tb> 1112 <SEP> 0,08-0,16 <SEP> 0,50-0,90 <SEP> 0,09-0,13 <SEP> 0,10-0,20
<tb> X1112 <SEP> 0,08-0,16 <SEP> 0,60-0,90 <SEP> 0,09-0,13 <SEP> 0,20-0,30
<tb> 1115 <SEP> 0,10-0,20 <SEP> 0,70-1-- <SEP> 0,045 <SEP> max. <SEP> 0,075-0,15
<tb> 1120 <SEP> 0,15-0,25 <SEP> 0,60-0,90 <SEP> 0,045 <SEP> max. <SEP> 0,075-0,15
<tb> X1314 <SEP> 0,10-0,20 <SEP> 1,00-1,30 <SEP> 0,045 <SEP> max. <SEP> 0,075-0,15
<tb> X1315 <SEP> 0,10-0,20 <SEP> 1,30-1,60 <SEP> 0,045 <SEP> max. <SEP> 0,075-0,15
<tb> X1330 <SEP> 0,25-0,35 <SEP> 1,35-1,65 <SEP> 0,045 <SEP> max. <SEP> 0,075-0,15
<tb> X1335 <SEP> 0,30-0,40 <SEP> 1,35-1,65 <SEP> 0,045 <SEP> max. <SEP> 0,075-0,15
<tb> X1340 <SEP> 0,35-0,45 <SEP> 1,35-1,65 <SEP> 0,045 <SEP> max.
<SEP> 0,075-0,15
<tb>
On remarquera que ces aciers sont tous caractérisés par des teneurs en soufre plus élevées (0,075-0,300 %) que celles habituelles dans les aciers ne rentrant pas dans la classe des aciers d'usinage. On peut dire que le fait d'au- menter ainsi la teneur en soufre constitue la méthode couramment adoptée pour améliorer la facilité avec laquelle les aciers se laissent travailler et les faire rentrer dans la classe des aciers d'usinage.
L'utilisation du soufre sous des teneurs relativement élevées de ce genre en vue d'améliorer la facilité de travail des aciers présente certains inconvénients et limita-
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tions importants. Elle tend à provoquer des ennuis dans le travail à chaud de l'acier, par exemple au cours du laminage , du lingot. C'est pourquoi il est de pratique courante d'ef- fectuer le travail à chaud de ces aciers à coupe libre conte- nant des teneurs en soufre relativement élevées à des tempéra- tures plus élevées que dans le cas des aciers de moindre teneur en soufre.
De même, il est de pratique courante, dans la métallurgie, d'utiliser des teneurs relativement élevées en manganèse, lorsqu'on élève la teneur en soufre, afin d'é- viter ou réduire au minimum le caractère rouverin de l'acier, c'est-à-dire d'éviter le caractère cassant ou le manque de ré- sistance mécanique de l'acier au rouge. De plus, l'utilisa- tion d'une trop grande quantité de soufre dans l'acier, même si elle rentre dans les échelles données ci-dessus, a tendance à communiquer à l'acier des propriétés physiques préjudicia- bles, telles qu'une faible ductilité.
Sous certaines conditions, un accroissement de la teneur en phosphore tend à améliorer la facilité de travail des aciers. Ceci s'applique particulièrement aux aciers n'ayant qu'une faible teneur en carbone, lesquels aciers sont relativement doux et tendres à s'étirer pendant l'opération d'usinage.
On a reconnu que l'accroissement de la teneur en phosphore peut avoir pour effet de remédier à cet inconvénient. Toutefois, l'amélioration susceptible d'être ainsi apportée à la facilité de travail des aciers par l'accroissement de leur teneur en phosphore est limitée. Une trop grande quantité de phosphore peut donner à l'acier une dureté exagérée et diminuer la duc- tilité désirée. Dans certaines classes d'aciers, un certain degré de ductilité est nécessaire, et il n'est pratiquement pas possible d'augmenter la teneur en phosphore en vue de l'obtention d'un acier d'usinage en raison de la tendance qui
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en résulte à la diminution de la ductilité.
Les aciers Bessemer donnent normalement de meilleurs aciers d'usinage que les aciers Martin. Toutefois, les aciers Bessemer sont actuellement d'un prix de revient un peu plus élevé et sont plus difficiles à régler, en ce qui concerne la composition, que les aciers Martin, outre que certaines aciéries n'ont pas de Fours Bessemer. Pour ces raisons, et d'autres, la demande en aciers Martin, dans ces dernières années, a augmenté aux dépens de la demande en aciers Bessemer. léserait par conséquent très intéressant de fabriquer des aciers Martin ayant une aussi bonne facilité de travail que les aciers Bessemer. Il n'a toutefois pas été possible de réaliser ce désidératum en augmentant la teneur en soufre sans nuire à des propriétés physiques importantes.
Bien que des progrès considérables aient été apportés aux aciers en ce qui concerne leur facilité de travail, principalement par l'accroissement de la teneur en soufre et bien qu'on dispose maintenant dans l'industrie d'au moins neuf aciers qui sont énumérés dans les spécifications de la S.A.E., de sorte qu'on peut choisir dans ces types selon la facilité de travail requise et les propriétés mécaniques que doit posséder le produit fini, il reste beaucoup à faire en ce qui concerne l'amélioration désirable des caractéristiques d'usinage des aciers. Ceci s'applique particulièrement dans le cas où une telle amélioration peut être obtenue sans sacrifier d'autres caractéristiques désirables, telles qu'une bonne caractéristique de travail à chaud, une ductilité adéquate et d'autres propriétés physiques.
On sait que des recherches approfondies ont été faites en vue d'améliorer les aciers d'usinage cn modifiant les compositions chimiques et que de nouveaux procédés ont été étudiés qui consistent à
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ajouter des éléments tels que le soufre, le phosphore, le manganèse et le carbone et à faire varier la quantité d'oxygène retenue dans l'acier.
L'invention est basée principalement sur cette découverte qu'on peut grandement améliorer la facilité avec laquelle l'acier se laisse travailler en y incorporant du plomb, que ce soit à titre d'élément destiné à remplacer une partie du soui're habituellement utilisé danses aciers d'usinage ou en addition à ce soufre, ou en introduisant des proportions convenables de ce métal dans des aciers qui ne rentrent pas normalement dans la classe des aciers d'usinage. Contrairement à ce qui était généralement admis par les chercheurs dans l'art en question, on a découvert qu'on peut incorporer le plomb à l'acier fondu et que, s'il est introduit en proportions convenables-et d'une manière convenable, il sera retenu dans l'acier fini.
De plus, on a découvert que le plomb ainsi incorporé améliore grandement la facilité avec laquelle l'acier se laisse travailler sans que les propriétés mécaniques de cet acier soient modifiées dans une mesure appréciable et sans que cette incorporation présente l'inconvénient qui résulte de l'utilisation du soufre pour le but envisagé. La nouveauté de cette découverte est accentuée par le fait que de nombreux chercheurs ont étudié les alliages de fer et de plomb et ont publié dans la littérature technique que le plomb est insoluble dans le fer.
La demanderesse n'ignore pas que certains titulaires de brevets antérieurs ont proposé l'utilisation du plomb dans les métaux ferreux, mais les suggestions de ce genre ou bien envisageaient l'utilisation du plomb dans la fonte de fer ou un acier spécial, ou bien étaient plus ou moins basées sur
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cette idée générale que le plomb purifierait l'acier ou en modifierait la nature de manière à réduire au minimum les défauts que possèdent les lingots faits de cet acier. Dans certains cas, les quantités de plomb proposées étaient si grandes qu'elles indiquent un manque complet de compréhension des points de vue pratiques de la fabrication et de la vente de l'acier.
En tous ces, aucun des brevets dont la demanderesse ait eu connaissance n'a enseigné ni même suggéré que l'introduction du plomb dans les aciers normaux était susceptible d'en améliorer la facilité de travail, pas plus qu'aucun chercheur ou inventeur n'avait suggéré que, introduit dans l'acier en proportions appropriées, le plomb serait susceptible de convertir l'acier traité en un acier d'usinage, soit seul, soit en combinaison avec le soufre ou tout autre élément.
En vue des présents perfectionnements, le pl@mb a été ajouté à l'acier par divers moyens, qui seront exposés ci-après plus en détail. On a trouvé que certains procédés d'introduction sont si supérieurs aux procédés antérieurs qu'ils constituent un pro1=rès marqué sur ces derniers. La forme exacte sous laquelle le plomb existe dans l'acier fini, lorsqu'il est introduit suivant l'invention, n'est pas connue d'une façon précise à l'heure actuelle. On sait toutefois que les aciers au plomb établis suivant l'invention possèdent certaines microstructures caractéristiques qu'on peut mettre en évidence par la technique métallographique et que ces structures caractérisent ces aciers au plomb qui ont été améliorés en ce qui concerne la facilité avec laquelle ils se laissent travailler.
En introduisanb du plomo dans de l'acier fondu, on a trouvé que lorsqu'on place le plomb sur la partie
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supérieure d'un bain d'acier fondu sous forme de blocs assez gros, il arrive fréquemment qu'il se dépose directement au fond du bain, de sorte que seule une très petite proportion de ce métal se disperse dans toutes les parties du bain et que la majeure partie du plomb introduit se retrouve finalement au fond du récipient. De même, si l'on introduit le plomb sous forme de tronçons ou grains relativement gros, ces morceaux se déposent individuellement au fond du récipient ou se combinent sous forme d'une ou plusieurs masses qui se déposent aussi au fond du récipient.
Il semble que dès que le plomb s'est déposé au fond du récipient, il reste à cet endroit sous forme d'une couche métallique séparée et ne se répartit pas notablement dans toutes les parties du bain. Il en résulte que dans le lingot d'acier qui est finalement constitué à l'aide du bain, la quantité de plomb qu'on retrouve à l'état dispersé dans la masse du lingot est si faible que l'effet avantageux du plomb dans l'acier est pour ainsi dire annihilé. En raison de ces inconvénients, la demanderesse a imaginé d'autres procédés pour introduire le plomb dans l'acier en vue d'améliorer la facilité avec laquelle l'acier se laisse travailler et a constaté que ces procédés sont extrêmement avantageux.
Par exemple, elle a trouvé qu'il est très avantageux d'introduire le plomb dans l'acier fondu sous forme d'un constituant de la galène minérale (PbS avec environ 86,6% de Pb et 13,4% de S). De même, la demanderesse a découvert qu'on peut ajouter le plomb à l'acier fondu sous forme de plomb à l'état divisé ou de particules relativement petites de plomb métallique. Le plomb peut être sous forme de chevrotine ou de grenaille de divers calibres. Il peut être sous forme de cubes d'environ 2,5 cm de côté. Toutefois,
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il est préférable de l'introduire sous forme de plomb finement divisé pour passer à travers des tamis allant du N 10 au N 50.
En fait, on peut introduire le plomb sous de nombreuses formes différentes dans un bain d'acier en vue d'amé- liorer la facilité avec laquelle l'acier finalement produit se laisse travailler. Quolques-unes de ces formes ont été cs- sayées et sont indiquées dans la table ci-dessous.
Alliage de plomb-étàin-antimoine- rapport 1:1:1
Galène ( PbS)
EMI8.1
<tb>
<tb> Plomb <SEP> pur
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> plomb <SEP> -,-',tain <SEP> Pb, <SEP> 60%-Sn <SEP> 40%
<tb>
EMI8.2
Alliage de plomb-ci)!-vre-,-tain Pb,32%-Cu,66jo-Sn,2jô
EMI8.3
<tb>
<tb> Litharge <SEP> PbC
<tb> Phosphate <SEP> de <SEP> plomb <SEP> Pb3 <SEP> (PC)
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> plomb-étain <SEP> (1,5%Sn)
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> plomb-calcium <SEP> 0,5% <SEP> Ca)
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> plomb-bismuth <SEP> (3% <SEP> Bi)
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> plomb-arseinc <SEP> (1,1% <SEP> As)
<tb> Alliages'de <SEP> pl, <SEP> mb <SEP> cadmium <SEP> (0,5% <SEP> Cd <SEP> @ <SEP> l,6% <SEP> Cd)
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> plomb-tellure <SEP> (0,1% <SEP> Te)
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> plomb-antimoine <SEP> (1,7% <SEP> Sb)
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> plomb-lithium <SEP> (0,1,
<SEP> Li)
<tb> Alliages <SEP> de <SEP> plomb-zinc <SEP> (0,3; <SEP> Zn <SEP> & <SEP> 0,9% <SEP> Zn)
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> plomb-sodium <SEP> (0,3% <SEP> ila)
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> plomb-magnésium <SEP> (0,3% <SEP> Mg)
<tb>
EMI8.4
Alliage de plomo-rfianganèse-fer z Pb 4ô% 1[,n- 33% Fe)
EMI8.5
<tb>
<tb> PbS,FeS <SEP> (64% <SEP> Pb <SEP> - <SEP> 13% <SEP> Fe- <SEP> 17% <SEP> S)
<tb> Alliage <SEP> de <SEP> Pb- <SEP> Fe- <SEP> S
<tb>
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Il a été démontré que le plomb peut être incorporé à l'acier par tous les agents d'addition ci-dessus, et l'on a obtenu ,des teneurs en plomb allant de 15 à 64 %. Ces teneurs dépendent de plusieurs facteurs.
Il semble qu'on augmente la teneur de l'acier en plomb, sous certaines conditions, en augmentant le temps qui s'écoule entre l'addition du plomb et la coulée de l'acier surtout si le métal est maintenu en agitation ou circulation. La teneur obtenue a été meilleure lorsqu'on a effectué des additions relativement petites, telles que 0,4 %, que lorsqu'on a effectué des additions plus grandes, telles que 1,5 %. La composition chimique de l'acier peut avoir quelque influence sur la teneur en plomb, mais cette relation n'a pas été déterminée d'une façon nettement définie.
Comme on le verra par ce qui suit, on a ajouté du plomb à des aciers de compositions très diverses.
La solubilité du plomb dans l'acier fondu et l'acier solide n'est pas connue exactement, mais on a obtenu un acier contenant 0,53 % de plomb et constaté que, jusqu'à cette valeur, l'accroissement de la teneur en plomb continue à améliorer la facilité de travail. Lorsqu'on ajoute du plomb en quantités telles que 0,8 à 1,5 %, on note qu'une partie du plomb a tendance à se déposer au fond du récipient en raison de sa densité élevée. Il est toutefois probable que, par une longue durée de maintien à la température de fabrication de l'acier et par l'application du procédé le plus favorable d'addition du plomb à l'acier, la teneur de celui-ci en plomb peut être élevée notablement au-dessus de 0,53%, qui est la valeur maximum ayant été obtenue jusqu'ici dans les charges fondues pour les essais.
L'addition de plomb à un acier de teneur en soufre relativement élevée (environ 0,2% S), d'une part, et à un
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acier de teneur en soufre relativement faible ( environ 0,03% S), d'autre part, a aussi étudiée, et il ne semble pas qu'il y ait une différence essentielle dans les quantités de plomb retenues dans les aciers ou dans les teneurs relatives en plomb des aciers ootenus. On a trouvé que l'addition de plomb tant à des acers contenant un faible pourcentage de soufre qu'à des aciers contenant un pourcentage élevé de soufre améliore nettement la facilité de travail de ces aciers. Lorsqu'on ajoute le plomb sous forme de galène, on augmente la teneur en soufre de l'acier en raison de la présence de soufre dans la galène.
On a ajouté du plomb à des aciers ayant des teneurs en manganèse de 0,8 et 1,35 % et l'on a obtenu sensiblement les mêmes teneurs en plomb et apporté les mêmes améliorations à la facilité de travail. De même on a ajouté du plomb à des aciers de 0,03 et 0,25% de silicium sans qu'on constate de différence dans la quantité de plomb retenu et dans l'effet de ce plomb sur la facilité avec laquelle l'acier se laisse travailler.
Les recherches ae la demanderesse ont montré que le plomb peut être ajouté à différentes stades de la fabrication de l'acier.
Le plomb sous des formes diverses, tel que le plomb métallique, le sulfure de plomb et d'autres composés, a été ajouté dans le four de fusion à la charge fondue. Il a aussi été ajouté dans la poche de coulée, au moment où l'on retirait l'acier du four ou d'une poche plus grande. Bien qu'on puisse introduire le plomb avec la charge dans le four Martin, par exemple, il est préférable de ne pas l'introduire de cette façon à cause du risque d'une fusion prématurée du plomb et d'une attaque des réfractaires du four par ce métal.
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Lorsque l'acier a été fondu, on peut ajouter le plomb avec moins de risque d'attaque des réfractaires du four. Les façons préférées d'ajouter le plomb consistent : A l'ajouter à la charge d'acier fondu avant la coulée.
A l'introduire dans la poche au moment où l'on coule l'acier fondu du four dans la poche.