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Acier à coupe rapide.
Cette invention a pour objet une composition d'acier à coupe rapide, extrêmement apte à conserver son tranchant au cours d'un travail à température élevée et n'ayant aucune tendance à se décarburer pendant la fabrication et la prépa- ration au service, décarburation qui est un défaut commun à toutes les compositions de cette classe, notamment à celles contenant des pourcentages relativement élevés de l'élément molybdène. Jusqu'à présent on a proposé un grand nombre de compositions d'acier à coupe rapide, et le mérite de la pré- sente invention ne peut être .apprécié sans passer en revue ces propositionsantérieures.
L'étendue des efforts développés jusqu'à présent en vue de la production d'aciers à teneur en molybdène possédant
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de hautes qualités de coupe rapide est révélée par une re- cherche dans la littérature métallurgique depuis 1900. Bien que les rapports publiés soient loin de faire connaître les innombrables recherches privées qui ont pu être faites, en grand nombre de données s'y trouvent cependant con signées.
Un examen des diverses combinaisons connues de molybdène et de tungstène employées dans un effort en vue de créer un acier à outils satisfaisant est très instructif.
Lors des toutes premières investigations sur les compositions possédant de véritables caractéristiques de coupe rapide il fut constaté que le molybdène partage avec le tungstène la. propriété unique d'assurer la, dureté au rouge et qu'en outre les aciers utilisant des combinaisons de mo- . lybdène et de tungstène sont aussi satisfaisants que ceux élaborés avec un seulement de ces éléments, et il fut noté que le molybdène est sensiblement deux fois plus efficace que le tungstène pour conférer des caractéristiques de coupe rapide. Ceci veut dire que la présence de 5% de molybdène conféreraient, pour autant que cela concerne la conservation de la dureté au rouge, sensiblement les mêmes' caractéristiques que 10% de tungstène.
Comme le savent bien de nos jours les initiés en métallurgie, cela s'explique entièrement par le fait que l'acier contient un pourcentage atomique égal de molybdène quand la concentra.tion de molybdène en poids est moitié moindre que la concentration de tungstène.
Un des plus anciens travaux fut la description par Mathews, en 1901, d'un acier "auto-trempant" contenant 9,42% de tungstène, 1,10% de molybdène et 3,67% de chrome.
Une autre composition essayée à peu près à la même époque fut à l'actif de Kern et contenait 2,0 de tungstène et 0,50% de molybdène.
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L'intéressant travail, suivant, mentionné dans la littérature, est associé au nom de Taylor, inventeur du traitement thermique à température élevée qui confère à des aciers d'une composition appropriée ce qu'on appelle cou- ramment la dureté au rouge. Un acier à outils essayé par Taylor en 1907 contenait 4,53% de tungstène, 2,03% de molybdène et 2,03% de chrome.
Un autre acier à coupe rapide au molybdène-tungstè- ne vendu en 1907 sous le nom d'acier "Excelsior" contenait il,1$ de tungstène et 4% de molybdène.
Il y eut un sensible arrêt dans les rapports publiés sur le développement des aciers à coupe rapide au molybdène- tungstène de 1907 à 1913, lorsque Hess proposa de remplacer en- viron 2% du tungstène par 1% de molybdène dans l'acier standard à 18% de tungstène, 4% de chrome et 1% de vanadium. Il est significatif que c'est un des premiers aciers à outils où 1% de molybdène fut employé en remplacement de 2% de tungstène.
Présente aussi de l'intérêt le fait que c'est une des premières compositions décrites dans la littérature, dans lesquelles l' équivalent de 18% de tungstène est contenu aprèsremplace- ment de deux parties de tungstène par une partie de molybdène.
L'analyse complète de l'acier Hess donne 16% de tungstène, 0,80%.' de molybdène, 3,55%. de chrome, 4,25$ de cobalt et 0,67% de vanadium.
De 1914 à 1919 des rapports touchant les aciers à coupe rapide au molybdène-tungstène sont très fréquents dans la littérature. On a dressé la. liste des compositions suivantes pour illustrer les limites et tendances marquées par les compositions d'alliage au molybdène-tungstène essayées durant cette période.
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EMI4.1
<tb>
4. <SEP> -
<tb>
<tb> Année <SEP> Développé <SEP> Carbone <SEP> Chrome <SEP> Cobalt <SEP> Tungstène <SEP> Mo <SEP> Vanadium
<tb>
EMI4.2
¯-122;1;:¯- ¯¯gg.JL ¯¯enL en . ¯¯ ¯¯ en ¯±¯ en ± 1914 Lantsberry 0,45-0,85 2, 5--F, 5 5, 0 8 - 18 2, 0 z5
EMI4.3
<tb> 1914 <SEP> Becker <SEP> 0,70 <SEP> 5,0 <SEP> 4,0 <SEP> 18,0 <SEP> 0,75 <SEP> 1,0
<tb>
EMI4.4
1914 Lantsberry 0,63 14,76 4;
2'ï 1,0 1,22
EMI4.5
<tb> 1915 <SEP> Hibbard <SEP> 0,55 <SEP> 4,46 <SEP> 4,72 <SEP> 16,05 <SEP> 0,72 <SEP> 0,80
<tb> 1916 <SEP> Horton <SEP> 4 <SEP> - <SEP> 5,5 <SEP> 16-18 <SEP> 0,25-1,5
<tb> 1916 <SEP> Brevet <SEP> al-
<tb> -lemand
<tb> N 300.765 <SEP> 0,652 <SEP> 5,0-2,0 <SEP> 3,0-7,0 <SEP> 2,0-6,0
<tb>
Il est significatif que la gamme de pourcentages admissibles de tungstène indiquée dans le brevet allemand déposé en 1916 est de 6,0 à 7,0% de tungstène pour 2 à 6% de molybdène.
Durant la guerre mondiale la rareté du tungstène eut pour effet une notable élévation du prix de cet élément, ce qui encouragea la substitution du molybdène au tungstène dans les aciers à coupe rapide produits tant en Amérique qu'en Europe. A partir de cette époque il y eut dans la littérature de fréquents rapports touchant les aciers à coupe rapide au molybdène-tungstè. ne.
Certaines des compositions d'alliage les plus significatives essayées durant cette période sont citées ci-après :
EMI4.6
<tb> Aimée <SEP> Développé <SEP> Carbone <SEP> Chrome <SEP> Cobalt <SEP> Tungstène <SEP> Mo <SEP> Vanadium
<tb>
EMI4.7
---1).f!--- ¯n - ¯en en en %- en .- %#
EMI4.8
<tb> 1919 <SEP> Arnold <SEP> &
<tb> Ibbotson <SEP> 0,76 <SEP> 2,82 <SEP> 12,12 <SEP> 2,06 <SEP> 1,28
<tb> 1919 <SEP> Poliakoff <SEP> 0,51 <SEP> 4,99 <SEP> 18,18 <SEP> 1,15
<tb> 1921 <SEP> C.M.Johnson <SEP> 0,20-0,75 <SEP> 3,0-5,0 <SEP> 12,0-18,0 <SEP> 0,25-1,0 <SEP> 1,1-1,5
<tb> 1922 <SEP> French <SEP> &
<tb> Strauss <SEP> 0,69 <SEP> 3,52 <SEP> 12,88 <SEP> 0,71 <SEP> 1,97
<tb> 1922 <SEP> French <SEP> &
<tb> Strauss <SEP> (? <SEP> ) <SEP> 0,65 <SEP> 4,25 <SEP> 4,88 <SEP> 17,70 <SEP> 1,07 <SEP> 1,00
<tb>
<tb>
<tb> 1922 <SEP> Oertel <SEP> 0,6-0,7 <SEP> 3,0 <SEP> 12,0 <SEP> 2,
0-6,0
<tb> 1923 <SEP> Woodward <SEP> 0,60 <SEP> 4,0 <SEP> 17-18 <SEP> 0,50 <SEP> 0,75-0,85
<tb> 1924 <SEP> Oertel <SEP> &
<tb> Polzguter <SEP> 0,70 <SEP> 4,5 <SEP> 20,3 <SEP> 0,50 <SEP> 1,4
<tb> 1925 <SEP> French <SEP> &
<tb>
EMI4.9
Digges 0,55 3,4 11,95 5,41. in,04
EMI4.10
<tb> 1925 <SEP> Guillet <SEP> 0,68 <SEP> 4,72 <SEP> 5,01 <SEP> 18,11 <SEP> 0,75 <SEP> 1,27
<tb> 1925 <SEP> Hohage <SEP> &
<tb>
EMI4.11
Grutzner 0,79 3,18 12,40 5,98 052
EMI4.12
<tb> 1925 <SEP> Sasagawa <SEP> 0,58 <SEP> 5,0 <SEP> 5,0 <SEP> 10,0 <SEP> 0,80 <SEP> 1,0
<tb>
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L'examen des chiffres ci-dessus permet d'observer plusieurs tendances : (1) la quantité de molybdène employé pour remplacer le tungstène est notablement augmentée, atteignant
EMI5.1
un maximum de ,98.;
(2) En. admettant que deux parties de tungstène équivalent à une partie de molybdène., l'équivalent de tungstène de la plupart des compositions est égale à environ 18% de tungstène.
Aucun développement important ultérieur n'est rapporté entre 1927 et 1930. En majeure partie, de faibles quantités de molybdène furent ajoutées aux compositions
EMI5.2
standard de i8% de tungstène, 4e de chrome et 1%. de vanadium et, occasionnellement, une partie de tungstène fut remplacée par la grande quantité de 3,41% de molybdène.
EMI5.3
<tb>
Année <SEP> Développé <SEP> Carbone <SEP> Chrome <SEP> Cobalt <SEP> Tungstène <SEP> Mo <SEP> Vanadium
<tb>
<tb> par <SEP> en <SEP> %, <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> . <SEP> en <SEP> en <SEP>
<tb>
EMI5.4
1927 Lantsberry 0,50 5,0 1.8,0 ' 1,6 0,L5
EMI5.5
<tb> 1927 <SEP> Lantsberry <SEP> 0,64 <SEP> 4,3 <SEP> 5,19 <SEP> 16,0 <SEP> 0,7 <SEP> 1,12
<tb>
EMI5.6
1927 Lantsberry 0,80 3,8 5>43 19,0 0,7 0,60 1927 Lantsberry 0, 68 4,0 16,2 1,1 i, :
5
EMI5.7
<tb> 1927 <SEP> Okochi <SEP> & <SEP>
<tb>
EMI5.8
Okoshi 0,57 3,07 18,0 0,91 bzz.0 1928 Niederhoff 0,70 4,0 i.8,0 0,75 1,4 1928 Rapatz 0,65 5,2 8,29 24,72 i.,97 1,0 1928 Rapatz 0,62 4,àsk .93 237 2,2
EMI5.9
<tb> 1929 <SEP> French <SEP> &
<tb>
<tb> Digges <SEP> 0,69 <SEP> 4,23 <SEP> 7,8 <SEP> 18,52 <SEP> 0,96 <SEP> 1,53
<tb>
<tb> 1929 <SEP> French <SEP> &
<tb>
EMI5.10
Digges 0,53 .5,40 env. ..9b ze4l 1,04
EMI5.11
<tb> 1929 <SEP> Goerens <SEP> 0,65-0,80 <SEP> 0,50 <SEP> env. <SEP> 16-18 <SEP> 0,50 <SEP> 0,3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1929 <SEP> Goerens <SEP> 0,80 <SEP> 0,5 <SEP> 13-15 <SEP> 1,0 <SEP> env.
<SEP> 2,0
<tb>
En 1930,une très importante série d'essais exécutés à Watertown -Arsenal pour élaborer un acier à coupe rapide exi- geant moins de tungstène qu'il n'en avait été employé jusque- là, apportèrent plusieurs changements significatifs aux compo- sitions d'acier pour outils de coupe au molybdène-tungstène.
(l) Exception faite seulement pour la composition décrite dans le brevet allemand Oertel de 1916 et pour l'acier
EMI5.12
"xcelsior", la teneur en molybdène publiée dans la littérature dépassa pour la première fois 4%.
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a. 1 tungstène pour 2 molybdène b. 1 tungstène pour 1 molybdène c. 2 tungstène pour 1 molybdène.
(3) La règle selon laquelle l'équivalent de 18% de tungstène doit être contenu dans l'acier à outils fut ob- servée dans trois sur six compositions employées pour ces essais
Ces points ressortent clairement du tableau suivant:
EMI6.1
<tb> Année <SEP> Développé <SEP> Carbone <SEP> Chrome <SEP> Cobalt <SEP> Tungstène <SEP> Mo <SEP> Vanadium
<tb>
<tb> par <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> % <SEP>
<tb>
EMI6.2
1930 % iatertouna Arsenal 0,74 4,19 4,44 7,06 1,26 1930 WatertO\Vl1 Arsenal 0,68 4,01 9,87 4,42 1,47 1930 Vdatertown Arsenal 0,68 4,01 12,09 3,38 1,23
EMI6.3
<tb> 1930 <SEP> Watertown <SEP> Arsenal <SEP> 0,73 <SEP> 4,90 <SEP> 12,23 <SEP> 2,04 <SEP> 1,24
<tb>
<tb> 1930 <SEP> Watertown <SEP> Arsenal <SEP> 0,68 <SEP> 3,70 <SEP> 9,68 <SEP> 4,58 <SEP> 3,84 <SEP> 1,
26
<tb>
<tb> 1930 <SEP> Watertown <SEP> Arsenal <SEP> 0,73 <SEP> 4,64 <SEP> 5,32 <SEP> 9,17 <SEP> 8,86 <SEP> 1,89
<tb>
Durant la période de 1931 à 1955, les aciers à coupe rapide Emmons, dans lesquels le tungstène est largement remplacé par du molybdène, éclipsèrent complètement tous les autres.
L'analyse des aciers Emmons et autres rendus publics durant cette période est la suivante:
EMI6.4
<tb> Année <SEP> Développé <SEP> Carbone <SEP> Chrome <SEP> Cobalt <SEP> Tungstène <SEP> Mo <SEP> Vana- <SEP> Tantale
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> par <SEP> en% <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> % <SEP> en% <SEP> dium <SEP> en <SEP> % <SEP>
<tb>
EMI6.5
¯ ¯¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯ ¯¯¯¯ ¯¯¯¯ ¯¯¯¯¯¯ - en % ¯¯¯¯¯
EMI6.6
<tb> 1931 <SEP> Parmiter <SEP> 0,75-0,90 <SEP> 4,5-6,0 <SEP> 8-15 <SEP> 17-22 <SEP> 0,75-1,5 <SEP> 1,0-2,5
<tb>
<tb>
<tb> 1932 <SEP> Emmons <SEP> 0,73 <SEP> 3,73 <SEP> 13 <SEP> 87 <SEP> 4,18 <SEP> 1,68
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1933 <SEP> Emmons <SEP> 0,5-1,3 <SEP> 0,2-10,0 <SEP> 5 <SEP> à <SEP> 40%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> Mo <SEP> 6,0-15
<tb>
EMI6.7
1933 A.Kropf o,8 4,o ls-&& o,5-1,0 1-1,5 50 1933 A.
Kropf 0, 8 4, 0 13-22 05-10 L-1, 5 jusqu 1933 L.Kluger 0,90-1,25 3,5-19,0 16,-5=22,5 0,1-1,1 0,5-1,75 Q1-,I5
EMI6.8
<tb> 1935 <SEP> Emmons <SEP> 0,15-1,6 <SEP> 3,25-6,0 <SEP> jusque <SEP> 8-20 <SEP> 12,5-28 <SEP> jusque
<tb> 16 <SEP> de <SEP> W <SEP> 6,0
<tb>
<tb> 1935 <SEP> Emmons <SEP> 0,15-1,6 <SEP> jusque <SEP> jusque <SEP> 2 <SEP> à <SEP> 4,5 <SEP> 6-15 <SEP> jusque
<tb> 10 <SEP> 16 <SEP> de <SEP> Mo <SEP> 5,0
<tb>
<tb> 1935 <SEP> Scherer <SEP> 0,70 <SEP> 4,10 <SEP> 19,16 <SEP> 0,56 <SEP> 0,96
<tb> 1935 <SEP> Pohl,Pollack
<tb> &Scherer <SEP> 0,78 <SEP> 5,41 <SEP> 2,07 <SEP> 6,80 <SEP> 1,04
<tb> 1935 <SEP> Pohl,Pollack
<tb> &Scherer <SEP> 0,80 <SEP> 4,05 <SEP> 1,87 <SEP> 8,01 <SEP> 1,32
<tb>
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Les tendances qui se manifestent depuis 1935 sont orientés, en majeure partie,
dans Le sens d'un accroissement de la teneur en molybdène aux dépens du tungstène. Dans un certain nombre d'analyses, la teneur en tungstène fut réduite, dans certains cas, à moins de 1%, tandis que la teneur en molybdène variait du faible pourcentage de 0,6à 8,39$. Le tableau suivant dressé dans l'ordre ascendant des teneurs en molybdène rend claire cette constatation:
EMI7.1
<tb> Année <SEP> Développé <SEP> Chrome <SEP> Cobalt <SEP> Tungstène <SEP> Mo <SEP> Vanadium
<tb>
EMI7.2
-..lls;r,:-- ¯en ¯en a en,,.,¯ en¯ ¯¯en o¯V 1938 H. Treppschuh 4,0 4,8 14 0,6 1,6-2,1 1937 R. Scherer 4, 37 4,87 13, 88 0, 61. l, 59
EMI7.3
<tb> 1937 <SEP> R. <SEP> Scherer <SEP> 4,39 <SEP> 12,45 <SEP> 0,78 <SEP> 2,60
<tb>
<tb> 1938 <SEP> Rapatz,Pollack <SEP> & <SEP> Holzberger <SEP> 5,0 <SEP> la,5 <SEP> 0,80 <SEP> 1,0 <SEP>
<tb>
EMI7.4
1937 R.
Scherer 2,68 8e32 o, 81 1,o 2
EMI7.5
<tb> 1937 <SEP> R.Scherer <SEP> 4,30 <SEP> 8,85 <SEP> 0,89 <SEP> 1,09
<tb>
<tb>
<tb> 1938 <SEP> H. <SEP> Treppschuh <SEP> 4,0 <SEP> 9,0 <SEP> 0,9 <SEP> 1,0
<tb>
<tb>
<tb> 1938 <SEP> H. <SEP> Treppschuh <SEP> 4,0 <SEP> 5,6 <SEP> 1,0 <SEP> 2,4
<tb>
<tb>
<tb> 1937 <SEP> R. <SEP> Scherer <SEP> 4,08 <SEP> 5,6 <SEP> 1,05 <SEP> 2,37
<tb>
EMI7.6
1938 Rapatz,Pollack & Holzberger 4,,1 2,9 12,2 1,7 1,8 1958 Rapatz,Po11ack & Holzberger jusque 5,0 13,0 à 2,0 1,7-5,0 1938 Rapatz,Pollack & Holzberger bzz 8,ë 3, 5 0,80 1938 Ra.patz,Pol.ack & Holzberger 6,0 4,0 2,5
EMI7.7
<tb> 1937 <SEP> R. <SEP> Scherer <SEP> 4,43 <SEP> 5,71 <SEP> 4,06 <SEP> 2,15
<tb>
EMI7.8
1938 Rapatz,Pollack & Eolzberger 6,0 4,5 S,7 1938 Rapat,Po.7.aek & Holzberger 4,2 2,15 6,95 1,14 19à58 Rapatz,Polack & Holzberger 4,5 2,0 7,0 1,la 1937 R.
Scherer z 35 2, .2 7,84 1,17 1958 RapatzePollack & Holzberger 2,0 8,0 1,0 1936 Brief (Metals & ,1ùJ.oys) 3,78 2, 09 8, 28 1,10 1958 Rapatz,Pollaek & Holzberger 6 82 6,5 2, 62 8, 39 1,84
Plus récemment, des durées de vie comparatives des outils ont été déterminées pour quelques alliages contenant des quantités relativement grandes de tungstène, de molybdène et de vanadium; ce travail est rapporté dans la publication périodique "métal progress" de mai 1939., pages 492 et 493.
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C'est ainsi que des aciers
EMI8.1
<tb> W. <SEP> Mo <SEP> V
<tb>
<tb> 3,0 <SEP> % <SEP> 3,5 <SEP> % <SEP> 3,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> 6,0 <SEP> % <SEP> 4,5 <SEP> % <SEP> 2,7 <SEP> %
<tb>
s'avérèrent comparables, quant à l'efficacité de coupe, à de vieux aciers contenant respectivement
EMI8.2
<tb> W. <SEP> V.
<tb>
<tb> 18 <SEP> % <SEP> 1,2 <SEP> %
<tb>
<tb> 18 <SEP> % <SEP> 1,8 <SEP> %
<tb>
et d'autres aciers à outils eurent les durées de vie suivan- tes :
EMI8.3
<tb> C. <SEP> W. <SEP> V. <SEP> Mo. <SEP> Durée <SEP> de <SEP> vie <SEP> de <SEP> l'outil
<tb> (en <SEP> minutes)
<tb>
<tb> 1,43 <SEP> 5,89 <SEP> 4,52 <SEP> --- <SEP> 17,5
<tb>
<tb> 0,81 <SEP> 5,60 <SEP> 2,37 <SEP> 1,05 <SEP> 35,0
<tb>
<tb> 1,10 <SEP> 0,0 <SEP> 3,18 <SEP> 3,42 <SEP> 19,0
<tb>
Scherer rapporte aussi ("Stahl und Eisen", 57, pp.1355-59 (1937) que la durée des outils est prolongée avec un acier contenant C. 0,79 % Cr. 4,43 % %ET. 5,71 % V. 2,5 % et Mo 4,06 %.
Une étude des chiffres ci-dessus indique que la plupart des combinaisons concevables de molybdène et de tungstène pour aciers à coupe rapide ont été essayées et rapportées durant les quelques dernières années.
En pleine connaissance de ce qui a été fait précé- demment et ayant reconnu que jusqu'ici on n'a pas réussi à indiquer une composition pratique, les Demandeurs ont entre- pris depuis 1934 des recherches continues sur le sujet. Au cours de ces recherches, beaucoup de facteurs fondamentaux concernant l'effet du molybdène sur les aciers à coupe rapide furent observés. Parmi ces facteurs les suivants importent :
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(1) L'effet du molybdène sur la décarburation, ainsi que les teneurs en molybdène pour lesquelles ce phénomène crée des problèmes de traitement thermique et de forge d'un intérêt pratique.
(2) L'empêchement de la décarburation par une adjonction d'autres éléments comme le silicium, le cuivre (brevet américain No.2.109.746), le titane, le bore, etc.
(3) Le développement de la dureté au rouge dans des aciers à teneurs en molybdène différentes, avec et sans la pré- sence de tungstène.
Comme résultat de ce long travail, on sait que la littérature n'a guère décrit jusqu'à présent beaucoup de com- positions pratiques au point de vue métallurgique et qu'aucune des compositions publiées ne remplit toutes les conditions auxquelles satisfait une composition conforme à l'invention, savoir : (1) une faculté d'adaptation totale à la pratique actuelle de fusion et de forgeage; (2) l'absence de décarburation durant la fabrication et le traitement thermique; (3) une plus grande dureté au rouge que pour toute autre composition d'un coût -équivalente (4) de meilleures qualités de coupe que celles de toute autre composition d'un coût équivalent.
Suivant la présente invention, on emploie une te- neur en molybdène minimum suffisante pour assurer à l'alliage une grande dureté au rouge, et la teneur maximum est le pour- centage le plus élevé qui puisse être employé sans créer un problème de décarburation d'une importance pratique à moins d'introduire des éléments comme le silicium, le cuivre, le bore, le titane, etc. Cela étant, on détermine la teneur en tungstène de manière à porter l'équivalent de tungstène à 18 %
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sur la base du rapport selon lequel 1 partie de molybdène est équivalente à 2 parties de tungstène.
Spécifiquement, une composition d'acier à coupe ra- pide conforme à l'invention contient 5 à 7 % de molybdène et, 4 à 8 % de tungstène, dosés de manière qu'en admettant qu'une partie de molybdène équivaut à deux parties de tungsène, la teneur totale soit de 18 %, et 0,50 à 1,0 % de carbone, 3 à 5 % de chrome et 0,5 à 3 % de vanadium. Dans certains cas, les teneurs en molybdène et en tungstène peuvent être diminuées de manière que la valeur équivalente soit comprise entre 14 et 18 % et la différence entre cette teneur et 18 % peut être comblée par une proportion de vanadium.
Un alliage qui confère aux outils une durée de vie avantageuse peut contenir 6 % de molybdène, 6 % de tungstène, 0,50 à 1,0 % de carbone, 3,0-à 5,0 % de chrome et 1,0 à 2,0 % de vanadium.
REVENDICATIONS ---------------------------
1.- Composition d'acier à coupe rapide contenant du molybdène dans les proportions de 5 à 7 % et du tungstène dans les proportions de 4 à 8 % de manière que l'équivalent de tungstène soit de 18 %, et 0,50 à 1,0 % de carbone, 3 à 5 % de chrome et 0,5 à 3,0 % de vanadium.
2.- Composition d'acier à coupe rapide contenant du molybdène dans la proportion de 6 % et du tungstène dans la proportion de 6 %, de manière que l'équivalent de tungstène soit de 18 %, et 0,50 à 1,0 % de carbone, 3 à 5 % de chrome et 1 à 2 % de vanadium.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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High speed steel.
This invention relates to a high-speed steel composition which is extremely capable of retaining its sharpness during high temperature work and which has no tendency to decarburize during manufacture and preparation for service, decarburization. which is a defect common to all the compositions of this class, in particular to those containing relatively high percentages of the element molybdenum. Heretofore a large number of high speed steel compositions have been proposed, and the merits of the present invention cannot be appreciated without reviewing these prior proposals.
The extent of the efforts developed to date for the production of molybdenum-containing steels having
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high qualities of rapid cutting is revealed by a research in the metallurgical literature since 1900. Although the published reports are far from revealing the innumerable private researches which could be made, a great deal of data is nevertheless found there. con signed.
A review of the various known combinations of molybdenum and tungsten employed in an effort to create satisfactory tool steel is very instructive.
During the very first investigations on compositions possessing true fast cutting characteristics it was found that molybdenum shares with tungsten 1a. unique property of ensuring the, red hardness and that in addition steels using combinations of mo-. lybdenum and tungsten are as satisfactory as those made with just one of these elements, and it has been noted that molybdenum is substantially twice as effective as tungsten in imparting fast cutting characteristics. This means that the presence of 5% molybdenum would impart, as far as the retention of red hardness is concerned, substantially the same characteristics as 10% tungsten.
As those initiated in metallurgy know well nowadays, this is entirely due to the fact that steel contains an equal atomic percentage of molybdenum when the concentration of molybdenum by weight is half the concentration of tungsten.
One of the earliest works was Mathews' 1901 description of a "self-hardening" steel containing 9.42% tungsten, 1.10% molybdenum and 3.67% chromium.
Another composition tested at about the same time was found to be Kern's credit and contained 2.0 tungsten and 0.50% molybdenum.
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The following interesting work, mentioned in the literature, is associated with the name of Taylor, inventor of the high temperature heat treatment which gives steels of suitable composition what is commonly referred to as red hardness. A tool steel tested by Taylor in 1907 contained 4.53% tungsten, 2.03% molybdenum, and 2.03% chromium.
Another high speed molybdenum-tungsten steel sold in 1907 as "Excelsior" steel contained $ 1 tungsten and 4% molybdenum.
There was a noticeable halt in the published reports on the development of high-speed molybdenum-tungsten steels from 1907 to 1913, when Hess proposed to replace about 2% of tungsten with 1% of molybdenum in standard steel to 18% tungsten, 4% chromium and 1% vanadium. It is significant that it is one of the first tool steels where 1% molybdenum was used to replace 2% tungsten.
It is also of interest that it is one of the first compositions described in the literature in which the equivalent of 18% tungsten is contained after replacing two parts of tungsten with one part of molybdenum.
Full analysis of Hess steel gives 16% tungsten, 0.80%. ' molybdenum, 3.55%. of chromium, $ 4.25 of cobalt and 0.67% of vanadium.
From 1914 to 1919 reports concerning high speed molybdenum-tungsten steels are very frequent in the literature. We set it up. list of the following compositions to illustrate the limitations and trends marked by the molybdenum-tungsten alloy compositions tested during this period.
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EMI4.1
<tb>
4. <SEP> -
<tb>
<tb> Year <SEP> Developed <SEP> Carbon <SEP> Chromium <SEP> Cobalt <SEP> Tungsten <SEP> Mo <SEP> Vanadium
<tb>
EMI4.2
¯-122; 1;: ¯- ¯¯gg.JL ¯¯enL en. ¯¯ ¯¯ in ¯ ± ¯ in ± 1914 Lantsberry 0.45-0.85 2.5 - F, 5 5, 0 8 - 18 2, 0 z5
EMI4.3
<tb> 1914 <SEP> Becker <SEP> 0.70 <SEP> 5.0 <SEP> 4.0 <SEP> 18.0 <SEP> 0.75 <SEP> 1.0
<tb>
EMI4.4
1914 Lantsberry 0.63 14.76 4;
2'ï 1.0 1.22
EMI4.5
<tb> 1915 <SEP> Hibbard <SEP> 0.55 <SEP> 4.46 <SEP> 4.72 <SEP> 16.05 <SEP> 0.72 <SEP> 0.80
<tb> 1916 <SEP> Horton <SEP> 4 <SEP> - <SEP> 5.5 <SEP> 16-18 <SEP> 0.25-1.5
<tb> 1916 <SEP> Patent <SEP> al-
<tb> -lemand
<tb> N 300.765 <SEP> 0.652 <SEP> 5.0-2.0 <SEP> 3.0-7.0 <SEP> 2.0-6.0
<tb>
It is significant that the range of permissible percentages of tungsten indicated in the German patent filed in 1916 is 6.0-7.0% tungsten for 2-6% molybdenum.
During the world war the scarcity of tungsten had the effect of a notable rise in the price of this element, which encouraged the substitution of molybdenum for tungsten in high speed steels produced both in America and in Europe. From this time on there were frequent reports in the literature of high speed molybdenum-tungsten steels. born.
Some of the most significant alloy compositions tested during this period are listed below:
EMI4.6
<tb> Aimée <SEP> Developed <SEP> Carbon <SEP> Chromium <SEP> Cobalt <SEP> Tungsten <SEP> Mo <SEP> Vanadium
<tb>
EMI4.7
--- 1) .f! --- ¯n - ¯en in% - in .-% #
EMI4.8
<tb> 1919 <SEP> Arnold <SEP> &
<tb> Ibbotson <SEP> 0.76 <SEP> 2.82 <SEP> 12.12 <SEP> 2.06 <SEP> 1.28
<tb> 1919 <SEP> Poliakoff <SEP> 0.51 <SEP> 4.99 <SEP> 18.18 <SEP> 1.15
<tb> 1921 <SEP> CMJohnson <SEP> 0.20-0.75 <SEP> 3.0-5.0 <SEP> 12.0-18.0 <SEP> 0.25-1.0 < MS> 1.1-1.5
<tb> 1922 <SEP> French <SEP> &
<tb> Strauss <SEP> 0.69 <SEP> 3.52 <SEP> 12.88 <SEP> 0.71 <SEP> 1.97
<tb> 1922 <SEP> French <SEP> &
<tb> Strauss <SEP> (? <SEP>) <SEP> 0.65 <SEP> 4.25 <SEP> 4.88 <SEP> 17.70 <SEP> 1.07 <SEP> 1.00
<tb>
<tb>
<tb> 1922 <SEP> Oertel <SEP> 0.6-0.7 <SEP> 3.0 <SEP> 12.0 <SEP> 2,
0-6.0
<tb> 1923 <SEP> Woodward <SEP> 0.60 <SEP> 4.0 <SEP> 17-18 <SEP> 0.50 <SEP> 0.75-0.85
<tb> 1924 <SEP> Oertel <SEP> &
<tb> Polzguter <SEP> 0.70 <SEP> 4.5 <SEP> 20.3 <SEP> 0.50 <SEP> 1.4
<tb> 1925 <SEP> French <SEP> &
<tb>
EMI4.9
Digges 0.55 3.4 11.95 5.41. in, 04
EMI4.10
<tb> 1925 <SEP> Guillet <SEP> 0.68 <SEP> 4.72 <SEP> 5.01 <SEP> 18.11 <SEP> 0.75 <SEP> 1.27
<tb> 1925 <SEP> Hohage <SEP> &
<tb>
EMI4.11
Grutzner 0.79 3.18 12.40 5.98 052
EMI4.12
<tb> 1925 <SEP> Sasagawa <SEP> 0.58 <SEP> 5.0 <SEP> 5.0 <SEP> 10.0 <SEP> 0.80 <SEP> 1.0
<tb>
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Examination of the above figures reveals several trends: (1) the quantity of molybdenum used to replace tungsten is notably increased, reaching
EMI5.1
a maximum of .98 .;
(2) In. assuming that two parts of tungsten equals one part of molybdenum, the tungsten equivalent of most compositions equals about 18% tungsten.
No further significant development is reported between 1927 and 1930. For the most part, small amounts of molybdenum were added to the compositions.
EMI5.2
standard of 18% tungsten, 4th chromium and 1%. vanadium and occasionally some tungsten was replaced by the large amount of 3.41% molybdenum.
EMI5.3
<tb>
Year <SEP> Developed <SEP> Carbon <SEP> Chromium <SEP> Cobalt <SEP> Tungsten <SEP> Mo <SEP> Vanadium
<tb>
<tb> by <SEP> in <SEP>%, <SEP> in <SEP>% <SEP> in <SEP>. <SEP> in <SEP> in <SEP>
<tb>
EMI5.4
1927 Lantsberry 0.50 5.0 1.8.0 '1.6 0, L5
EMI5.5
<tb> 1927 <SEP> Lantsberry <SEP> 0.64 <SEP> 4.3 <SEP> 5.19 <SEP> 16.0 <SEP> 0.7 <SEP> 1.12
<tb>
EMI5.6
1927 Lantsberry 0.80 3.8 5> 43 19.0 0.7 0.60 1927 Lantsberry 0.68 4.0 16.2 1.1 i,:
5
EMI5.7
<tb> 1927 <SEP> Okochi <SEP> & <SEP>
<tb>
EMI5.8
Okoshi 0.57 3.07 18.0 0.91 bzz. 0 1928 Niederhoff 0.70 4.0 i 8.0 0.75 1.4 1928 Rapatz 0.65 5.2 8.29 24.72 i ., 97 1.0 1928 Rapatz 0.62 4, àsk .93 237 2.2
EMI5.9
<tb> 1929 <SEP> French <SEP> &
<tb>
<tb> Digges <SEP> 0.69 <SEP> 4.23 <SEP> 7.8 <SEP> 18.52 <SEP> 0.96 <SEP> 1.53
<tb>
<tb> 1929 <SEP> French <SEP> &
<tb>
EMI5.10
Digges 0.53 .5.40 approx. ..9b ze4l 1.04
EMI5.11
<tb> 1929 <SEP> Goerens <SEP> 0.65-0.80 <SEP> 0.50 <SEP> approx. <SEP> 16-18 <SEP> 0.50 <SEP> 0.3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1929 <SEP> Goerens <SEP> 0.80 <SEP> 0.5 <SEP> 13-15 <SEP> 1.0 <SEP> approx.
<SEP> 2.0
<tb>
In 1930, a very extensive series of tests carried out at Watertown -Arsenal to develop a high speed steel requiring less tungsten than had been used up to that point brought several significant changes to the compositions of 'Molybdenum-Tungsten Cutting Tool Steel.
(l) Exception made only for the composition described in the German Oertel patent of 1916 and for steel
EMI5.12
"xcelsior", the molybdenum content published in the literature exceeded 4% for the first time.
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at. 1 tungsten for 2 molybdenum b. 1 tungsten for 1 molybdenum c. 2 tungsten for 1 molybdenum.
(3) The rule that the equivalent of 18% tungsten should be contained in tool steel was observed in three out of six compositions used for these tests.
These points are clear from the following table:
EMI6.1
<tb> Year <SEP> Developed <SEP> Carbon <SEP> Chromium <SEP> Cobalt <SEP> Tungsten <SEP> Mo <SEP> Vanadium
<tb>
<tb> by <SEP> in <SEP>% <SEP> in <SEP>% <SEP> in <SEP>% <SEP> in <SEP>% <SEP> in <SEP>% <SEP> in <SEP >% <SEP>
<tb>
EMI6.2
1930% iatertouna Arsenal 0.74 4.19 4.44 7.06 1.26 1930 WatertO \ Vl1 Arsenal 0.68 4.01 9.87 4.42 1.47 1930 Vdatertown Arsenal 0.68 4.01 12, 09 3.38 1.23
EMI6.3
<tb> 1930 <SEP> Watertown <SEP> Arsenal <SEP> 0.73 <SEP> 4.90 <SEP> 12.23 <SEP> 2.04 <SEP> 1.24
<tb>
<tb> 1930 <SEP> Watertown <SEP> Arsenal <SEP> 0.68 <SEP> 3.70 <SEP> 9.68 <SEP> 4.58 <SEP> 3.84 <SEP> 1,
26
<tb>
<tb> 1930 <SEP> Watertown <SEP> Arsenal <SEP> 0.73 <SEP> 4.64 <SEP> 5.32 <SEP> 9.17 <SEP> 8.86 <SEP> 1.89
<tb>
During the period 1931 to 1955, Emmons high speed steels, in which tungsten is largely replaced by molybdenum, completely eclipsed all others.
The analysis of Emmons steels and others made public during this period is as follows:
EMI6.4
<tb> Year <SEP> Developed <SEP> Carbon <SEP> Chromium <SEP> Cobalt <SEP> Tungsten <SEP> Mo <SEP> Vana- <SEP> Tantalum
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> by <SEP> in% <SEP> in <SEP>% <SEP> in <SEP>% <SEP> in <SEP>% <SEP> in% <SEP> dium <SEP> in <SEP>% <SEP>
<tb>
EMI6.5
in
EMI6.6
<tb> 1931 <SEP> Parmiter <SEP> 0.75-0.90 <SEP> 4.5-6.0 <SEP> 8-15 <SEP> 17-22 <SEP> 0.75-1.5 <SEP> 1.0-2.5
<tb>
<tb>
<tb> 1932 <SEP> Emmons <SEP> 0.73 <SEP> 3.73 <SEP> 13 <SEP> 87 <SEP> 4.18 <SEP> 1.68
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1933 <SEP> Emmons <SEP> 0.5-1.3 <SEP> 0.2-10.0 <SEP> 5 <SEP> to <SEP> 40%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> of <SEP> Mo <SEP> 6.0-15
<tb>
EMI6.7
1933 A.Kropf o, 8 4, o ls - && o, 5-1.0 1-1.5 50 1933 A.
Kropf 0, 8 4, 0 13-22 05-10 L-1, 5 until 1933 L. Kluger 0.90-1.25 3.5-19.0 16, -5 = 22.5 0.1-1 , 1 0.5-1.75 Q1-, I5
EMI6.8
<tb> 1935 <SEP> Emmons <SEP> 0.15-1.6 <SEP> 3.25-6.0 <SEP> until <SEP> 8-20 <SEP> 12.5-28 <SEP> until
<tb> 16 <SEP> of <SEP> W <SEP> 6.0
<tb>
<tb> 1935 <SEP> Emmons <SEP> 0.15-1.6 <SEP> until <SEP> until <SEP> 2 <SEP> to <SEP> 4.5 <SEP> 6-15 <SEP> until
<tb> 10 <SEP> 16 <SEP> of <SEP> Mo <SEP> 5.0
<tb>
<tb> 1935 <SEP> Scherer <SEP> 0.70 <SEP> 4.10 <SEP> 19.16 <SEP> 0.56 <SEP> 0.96
<tb> 1935 <SEP> Pohl, Pollack
<tb> & Scherer <SEP> 0.78 <SEP> 5.41 <SEP> 2.07 <SEP> 6.80 <SEP> 1.04
<tb> 1935 <SEP> Pohl, Pollack
<tb> & Scherer <SEP> 0.80 <SEP> 4.05 <SEP> 1.87 <SEP> 8.01 <SEP> 1.32
<tb>
<Desc / Clms Page number 7>
The trends that have manifested themselves since 1935 are oriented, for the most part,
in the sense of an increase in molybdenum content at the expense of tungsten. In a number of analyzes, the tungsten content was reduced, in some cases, to less than 1%, while the molybdenum content varied from the low percentage of 0.6 to 8.39 $. The following table, drawn up in ascending order of molybdenum content, makes this observation clear:
EMI7.1
<tb> Year <SEP> Developed <SEP> Chromium <SEP> Cobalt <SEP> Tungsten <SEP> Mo <SEP> Vanadium
<tb>
EMI7.2
- .. lls; r,: - ¯en ¯en a en ,,., ¯ en¯ ¯¯en ōV 1938 H. Treppschuh 4.0 4.8 14 0.6 1.6-2.1 1937 R. Scherer 4, 37 4.87 13, 88 0, 61. l, 59
EMI7.3
<tb> 1937 <SEP> R. <SEP> Scherer <SEP> 4.39 <SEP> 12.45 <SEP> 0.78 <SEP> 2.60
<tb>
<tb> 1938 <SEP> Rapatz, Pollack <SEP> & <SEP> Holzberger <SEP> 5.0 <SEP> la, 5 <SEP> 0.80 <SEP> 1.0 <SEP>
<tb>
EMI7.4
1937 R.
Scherer 2.68 8e32 o, 81 1, o 2
EMI7.5
<tb> 1937 <SEP> R.Scherer <SEP> 4.30 <SEP> 8.85 <SEP> 0.89 <SEP> 1.09
<tb>
<tb>
<tb> 1938 <SEP> H. <SEP> Treppschuh <SEP> 4.0 <SEP> 9.0 <SEP> 0.9 <SEP> 1.0
<tb>
<tb>
<tb> 1938 <SEP> H. <SEP> Treppschuh <SEP> 4.0 <SEP> 5.6 <SEP> 1.0 <SEP> 2.4
<tb>
<tb>
<tb> 1937 <SEP> R. <SEP> Scherer <SEP> 4.08 <SEP> 5.6 <SEP> 1.05 <SEP> 2.37
<tb>
EMI7.6
1938 Rapatz, Pollack & Holzberger 4,, 1 2.9 12.2 1.7 1.8 1958 Rapatz, Po11ack & Holzberger until 5.0 13.0 to 2.0 1.7-5.0 1938 Rapatz, Pollack & Holzberger bzz 8, ë 3, 5 0.80 1938 Ra.patz, Pol.ack & Holzberger 6.0 4.0 2.5
EMI7.7
<tb> 1937 <SEP> R. <SEP> Scherer <SEP> 4.43 <SEP> 5.71 <SEP> 4.06 <SEP> 2.15
<tb>
EMI7.8
1938 Rapatz, Pollack & Eolzberger 6.0 4.5 S, 7 1938 Rapat, Po 7.aek & Holzberger 4.2 2.15 6.95 1.14 19 to58 Rapatz, Polack & Holzberger 4.5 2.0 7 , 0 1, the 1937 R.
Scherer z 35 2, .2 7.84 1.17 1958 RapatzePollack & Holzberger 2.0 8.0 1.0 1936 Brief (Metals &, 1ùJ.oys) 3.78 2, 09 8, 28 1.10 1958 Rapatz , Pollaek & Holzberger 6 82 6.5 2, 62 8, 39 1.84
More recently, comparative tool lives have been determined for a few alloys containing relatively large amounts of tungsten, molybdenum and vanadium; this work is reported in the periodical publication "metal progress" of May 1939., pages 492 and 493.
<Desc / Clms Page number 8>
This is how steels
EMI8.1
<tb> W. <SEP> Mo <SEP> V
<tb>
<tb> 3.0 <SEP>% <SEP> 3.5 <SEP>% <SEP> 3.0 <SEP>% <SEP>
<tb>
<tb> 6.0 <SEP>% <SEP> 4.5 <SEP>% <SEP> 2.7 <SEP>%
<tb>
were found to be comparable, in terms of cutting efficiency, to old steels containing respectively
EMI8.2
<tb> W. <SEP> V.
<tb>
<tb> 18 <SEP>% <SEP> 1,2 <SEP>%
<tb>
<tb> 18 <SEP>% <SEP> 1.8 <SEP>%
<tb>
and other tool steels had the following lifetimes:
EMI8.3
<tb> C. <SEP> W. <SEP> V. <SEP> Mo. <SEP> Duration <SEP> of <SEP> <SEP> life of <SEP> tool
<tb> (in <SEP> minutes)
<tb>
<tb> 1.43 <SEP> 5.89 <SEP> 4.52 <SEP> --- <SEP> 17.5
<tb>
<tb> 0.81 <SEP> 5.60 <SEP> 2.37 <SEP> 1.05 <SEP> 35.0
<tb>
<tb> 1.10 <SEP> 0.0 <SEP> 3.18 <SEP> 3.42 <SEP> 19.0
<tb>
Scherer also reports ("Stahl und Eisen", 57, pp. 1355-59 (1937) that the tool life is extended with a steel containing C. 0.79% Cr. 4.43%% ET. 5.71% V. 2.5% and Mo 4.06%.
A study of the above figures indicates that most conceivable combinations of molybdenum and tungsten for high speed steels have been tried and reported in the past few years.
In full knowledge of what has been done previously and having recognized that so far it has not been possible to indicate a practical composition, the Applicants have since 1934 undertaken continuous research on the subject. In the course of this research, many fundamental factors regarding the effect of molybdenum on high speed steels were observed. Among these factors the following are important:
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(1) The effect of molybdenum on decarburization, as well as the molybdenum contents for which this phenomenon creates heat treatment and forging problems of practical interest.
(2) The prevention of decarburization by the addition of other elements such as silicon, copper (US Patent No. 2,109,746), titanium, boron, etc.
(3) The development of red hardness in steels with different molybdenum contents, with and without the presence of tungsten.
As a result of this long work, it is known that the literature has so far hardly described many practical compositions from a metallurgical point of view and that none of the published compositions fulfills all the conditions which a composition conforming to satisfies. invention, namely: (1) full adaptability to current practice of smelting and forging; (2) the absence of decarburization during manufacturing and heat treatment; (3) greater red hardness than for any other composition of equivalent cost (4) better cutting qualities than those of any other composition of equivalent cost.
In accordance with the present invention, a minimum molybdenum content sufficient to provide the alloy with high red hardness is employed, and the maximum content is the highest percentage which can be employed without creating a decarburization problem. 'of practical importance unless elements like silicon, copper, boron, titanium, etc. This being the case, the tungsten content is determined so as to bring the equivalent of tungsten to 18%.
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based on the ratio that 1 part of molybdenum is equivalent to 2 parts of tungsten.
Specifically, a fast cut steel composition according to the invention contains 5-7% molybdenum and 4-8% tungsten, dosed so that assuming that one part of molybdenum is equivalent to two parts. of tungsene, the total content is 18%, and 0.50 to 1.0% carbon, 3 to 5% chromium and 0.5 to 3% vanadium. In certain cases, the molybdenum and tungsten contents can be reduced so that the equivalent value is between 14 and 18% and the difference between this content and 18% can be made up by a proportion of vanadium.
An alloy which gives tools an advantageous life can contain 6% molybdenum, 6% tungsten, 0.50 to 1.0% carbon, 3.0-5.0% chromium and 1.0% chromium. 2.0% vanadium.
CLAIMS ---------------------------
1.- High-speed steel composition containing molybdenum in the proportions of 5 to 7% and tungsten in the proportions of 4 to 8% so that the equivalent of tungsten is 18%, and 0.50 to 1.0% carbon, 3-5% chromium and 0.5-3.0% vanadium.
2.- High-speed steel composition containing molybdenum in the proportion of 6% and tungsten in the proportion of 6%, so that the equivalent of tungsten is 18%, and 0.50 to 1.0 % carbon, 3 to 5% chromium and 1 to 2% vanadium.
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