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Perfectionnements au traitement des aciers trempants.
Cette invention est relative aux aciers et elle concerne plus spécialement les aciers dont on.peut augmenter la dureté en les refroidissant rapidement depuis des températures oompri- ses dans la marge critique ou supérieures à celle-ci. Pour plus de simplicité, on décrira ci-après l'invention principalement dans son application aux aciers au .carbone contenant 0,1 à 1% de carbone et jusqu'à concurrence d'environ 2% de manganèse et d'environ 1% de silicium, mais au cours de la description il apparaîtra clairement que l'invention peut être appliquée à une grande variété d'aciers trempants.
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Quand on trempe l'acier par refroidissement rapide depuis des températures élevées, il est souvent utile de pro- duire une zone durcie profonde ou épaisse plutôt ù'une mince couche durcie superficielle. La profondeur jusqu'à laquelle est trempée une pièce d'acier, à une allure donnée d'extraction de la chaleur, est différente pour des aciers différents. La propriété de l'acier, qui provoque cette susceptibilité vis-à- vis de l'effet de la masse au cours de la trempe, semble être inhérente, et on la désignera ci-après, pour la commodité, par le terme "faculté de se tremper en profondeur" (en anglàis: "deep-hardenability").
Une mesure appropriée généralement admise de la "facul- té de l'acier de se tremper en profondeur est fournie par l'essai "Jominy" décrit en détail dans l'article "A Hardenabi- lity Test for Carburizing Steel" par W.E. Jominy et A.L.
Boegehold paru dans la publication "Transactions of the
American Society for Metals", Vol.26, p.574 (1938). Pour le résumer brièvement, l'essai est exécuté sur une éprouvette d'acier de forme et de dimensions standardisées, et consiste à chauffer l'éprouvette entière à la température de trempe voulue, à extraire rapidement la chaleur par une face d'extré- mité de l'éprouvette, à enlever à la meule l'écaille superfi- cielle et la pellicule décarburée et à produire une surface plane convenant pour exécuter l'essai de dureté, puis à mesurer la dureté Rockwell "C" tout le long de l'éprouvette.
Un moyen commode d'exprimer la relation entre la dureté et la distance depuis l'extrémité trempée ou durcie, est la distance entre cette extrémité et le point où la dureté devient inférieure au chiffre Rockwell "C" 50 et cette distance est appelée ci-après "profondeur de trempe Jominy". Quand on emploie la même tem- pérature de trempe et les mêmes conditions de refroidissement pour une série d'aciers, le rapport des profondeurs Jominy des zones trempées ou durcies correspond au rapport des "facultés @
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de ,se tremper en profondeur" des aciers de la série.
Un but de l'invention est d'améliorer la faculté de se tremper en profondeur des aciers trempants en général et, plus spécialement, celle des aciers ordinaires au carbone et à faible teneur en éléments d'alliage, (inférieure à 5% de l'agré- gat d'éléments autres que le fer et le carbone).
On peut améliorer dans une certaine mesure la faculté de se tremper en profondeur de l'acier en ajoutant des pourcen- tages appropriés d'un quelconque des éléments qui sont capa- bles d'entrer en solution solide dans l'acier aux températures élevées, par exemple du bore, silicium, molybdène, tungstène, chrome ou nickel. Ces éléments durcissants diffèrent notable- ment entre eux quant à leur pourcentage minimum requis pour conférer à l'acier la faculté de se tremper en profondeur dans une mesure satisfaisante et quant au maximum de cette faculté qui peut être obtenu tout en conservant à l'acier d'autres qualités nécessaires.
On a observé que certaines combinaisons des .éléments énumérés ci-dessus peuvent être employées pour conférer à l'acier une faculté de se tremper en profondeur même encore plus élevée, sans sacrifier sensiblement d'autres propriétés désirables de l'acier. On a trouvé en outre que des combinaisons de certains de ces éléments avec des proportions appropri,ées d'un ou plusieurs métaux alcalins, de métaux alcalino-terreux, de glucinium,, d'aluminium, de titane, de zirconium, d'uranium, de cérium, de thorium, de vanadium, de niobium et de tantale, élèvent notablement l'effet de la combinaison sur la faculté de se tremper en profondeur.
Au cours de recherches sur ce sujet.on à découvert que quelques-unes de ces combinaisons d'éléments sont particulié- rement efficaces pour conférer à l'acier la faculté de se trem- per en profondeur,et la présente invention est basée sur cette découverte.
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Une combinaison particulièrement avantageuse est celle du bore et du silicium, de préférence avec un ou plusieurs au- tres éléments qui peuvent être l'aluminium, le glucinium, le magnésium, le calcium, le-baryum, le strontium, les métaux al- calins, le titane, le zirconium, le cérium, le hafnium, le' thorium, le vanadium,. le niobium, le tantale, l'uranium, dans une proportion appropriée supérieure à celle requise pourl'af- finement du grain de l'acier.
Cela étant, la présente invention a pour objet - dans le cadre de la fabrication d'aciers trempants contenant une pro- portion de bore comprise entre 0,0005 et 0,05% - un procédé pour conférer à ces aciers la faculté de se tremper en profon- deur, qui consiste à maintenir la teneur en silicium de l'acier entre 0,1 et 2% et à ajouter éventuellement à l'acier un ou plusieurs éléments d'affinement du grain, employés dans une fai- ble proportion totale supérieure à celle requise pour l'affi- nement du grain, afin d'améliorer la faculté de se tremper en profondeur.
Selon la présente invention, le bore peut être présent dans une proportion comprise entre 0,0005 et 0,05%,mais doit d'ordinaire figurer à une teneur comprise entre environ 0,001 et 0,015%. La teneur en silicium peut avantageusement être com- prise entre 0,1 et 1% ou entre 0,1 et 2%, et elle sera habi- tuellement comprise entre 0,15 et 0,35%. La proportion minimum totale de l'autre ou des autres éléments susmentionnés à ajou- ter est toute proportion supérieure à celle requise pour l'affi- nement du grain.
Le pourcentage requis pour l'affinement du grain dépend de la sorte d'acier, des conditions de fabrication de l'acier et de la nature et du nombre des éléments désoxy- dants et affineurs de grain employés, et on peut le déterminer empiriquement par les méthodes employées couramment dans la métallurgie et dans la fabrication de l'acier. Dans la plupart
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des cas le pourcentage total de ces autres élémentsà ajouter sera compris entre 0,03 et 0,5% ou 1%, et la marge préférée se situe entre 0,05 et 0,3%.
Il s'avère que pour chaque élément et chaque combinai- son d'éléments il existe un pourcentage optimum qui confère à l'acier une faculté maximum de se tremper en profondeur, et un résultat fréquent d'un accroissement du pourcentage au-delà de l'optimum est un abaissement dela faculté dé se tremper en profondeur, en-dessous de celle conférée à l'acier par le pourcentage optimum. Pour des raisons d'économie, ou pour obtenir un acier présentant une certaine combinaison voulue de propriétés mécaniques, il est souvent avantageux d'ajouter une quantité d'éléments soit inférieure, soit supérieure à celle 'qui confère à l'acier une profondeur, de trempe maximum. Par conséquent, l'invention n'est point limitée à l'emploi des pourcentages optima.
L'efficacité relativement élevée des combinaisons de bore et de silicium peut être appréciée en'examinant les chiffres dérivés de données d'essais, groupés au Tableau A ci-après qui indique en centièmes de pouce anglais (25,4 mm) les chiffres relatifs de "profondeur de trempe Jominy" pour des aciers con- tenant environ 0,45% de carbone, 1,5% de manganèse et les pour- centages indiqués des autres éléments ajoutés, le reste étant du fer.
- TABLEAU A.
EMI5.1
<tb>
% <SEP> Si <SEP> % <SEP> B <SEP> % <SEP> Al <SEP> % <SEP> Zr <SEP> % <SEP> V <SEP> Profondeur
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> trempe
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Néant <SEP> Néant <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 53
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.25 <SEP> N,éant <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 56
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Néant <SEP> 0.01 <SEP> .0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 69
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> '0.25 <SEP> 0. <SEP> 01 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 208
<tb>
Chacun des aciers du tableau A contient une proportion totale des éléments aluminium, zirconium et vanadium légèrement
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supérieure à celle requise pour l'affinement du grain de l'acier.
Il faut observer que-ni 0,25% de silicium seul ni 0,01% de bore seul n'a aucun effet sensible sur la faculté de se tremper en profondeur de l'acier à grain fin, mais que l'addition simultanée de silicium et de bore améliorer cette faculté dans une mesure remarquable.
Les effets respectifs d'additions des éléments aluminium, zirconium, vanadium et titane employés individuellement, sur la faculté de se tremper en profondeur d'aciers contenant environ 1,6% de Mn, 0,25% de Si, 0,45 à 0,55% de carbone et 0,01%' de bore ajouté, sont indiqués comparativement par les chiffres du tableau B, dérivé de données d'essais.
La teneur en carbone des aciers employés dans ces essais varia de 0,42 à 0,53% et la profondeur de trempe Jominy, exprimée en centièmes de centimètre, est la profondeur mesurée au point correspondant au chiffre Rockwell "C" 50, corrigée par le facteur (¯ 0,01%C = ¯ 0,305 centimètre) afin d'indiquer la profondeur Jominy pour un acier à 0,45% de carbone correspondant.
TABLEAU B
EMI6.1
<tb> Pourcentage <SEP> ajoute <SEP> 0. <SEP> 00 <SEP> 0. <SEP> 025 <SEP> 0.05 <SEP> 0.10 <SEP> 0.15
<tb>
EMI6.2
Elément ajouté Profondeur de trem e Jomin (co¯rrigè') ¯
EMI6.3
<tb> Aluminium <SEP> 94 <SEP> 97 <SEP> 175 <SEP> -- <SEP> 216
<tb> Titanium <SEP> 94 <SEP> 150 <SEP> -- <SEP> 163 <SEP> 165
<tb> Zirconium <SEP> 94 <SEP> 122 <SEP> -- <SEP> 89 <SEP> 173
<tb> Vanadium <SEP> 94 <SEP> 210 <SEP> 236 <SEP> -- <SEP> 117
<tb>
<tb>
<tb> (-- <SEP> Non <SEP> déterminée) <SEP> .., <SEP> ¯
<tb>
Le tableau C est analogue au tableau B, excepté qu'il indique comparativement l'effet de l'addition de diverses com- binaisons de deux éléments du groupe aluminium, calcium, zir- conium, vanadium et titane.
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TABLEAU C
EMI7.1
Pourcentage d'éléments ajoutés Profondeur de trempe A7. o Zr 5Ù V o Ti % va Jominy ('corrigée)
EMI7.2
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 155
<tb>
<tb> 0.07 <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 165
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 201
<tb>
<tb>
<tb> 0.07 <SEP> - <SEP> 0 <SEP> .07 <SEP> - <SEP> - <SEP> 279
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 140
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.07 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> 143
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 160
<tb>
<tb> 0.07 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> 201
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.035 <SEP> 0,035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 239
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.07 <SEP> 0.
<SEP> 07 <SEP> - <SEP> - <SEP> 257
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 137
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> - <SEP> 145
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> 185
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 216
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> - <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> - <SEP> 178
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> 185
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 155
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> - <SEP> 0.
<SEP> 07 <SEP> 0.07 <SEP> 132
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (- <SEP> = <SEP> Néant) <SEP>
<tb>
Le tableau D est analogue aux tableaux B et C, excepté qu'y sont indiqués comparativement les effets de diverses com- binaisons de trois, quatre et cinq éléments du groupe aluminium, calcium, zirconium, vanadium et titane.
TABLEAU D
EMI7.3
<tb> Profondeur <SEP> de
<tb>
<tb> Pourcentage <SEP> d'éléments <SEP> ajoutés¯¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> trempe <SEP> Jominy
<tb>
EMI7.4
%A1 %Zr 9â v % Ti % ce 5l ùùtres (eorrigée)
EMI7.5
<tb> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> - <SEP> 237
<tb>
<tb>
<tb> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> - <SEP> 201
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 188
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.
<SEP> 025 <SEP> - <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> - <SEP> 188
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 193
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 241
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 146
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 201
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 229
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 257
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 170
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.025 <SEP> - <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 167
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 233
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 236
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.025 <SEP> Na <SEP> 211
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.05 <SEP> Sr <SEP> 214
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.025 <SEP> U <SEP> 231
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.10 <SEP> Ba <SEP> 206
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.025 <SEP> Th <SEP> 229
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.01 <SEP> Cb <SEP> 201
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (- <SEP> = <SEP> Néant)
<tb>
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Le fait qu'un accroissement notable de la faculté de se tremper en profondeur est conféré à l'acier par l'une ou l'autre d'un grand nombre de combinaisons d'éléments est im- portant car la latitude quant au choix des éléments procure une occasion de régler la pureté, la grosseur de grain, la résistance à la traction et la résilience de l'acier par une sélection de combinaisons appropriées. En général, on obtiendra la meilleure qualité d'acier à grande profondeur de trempe en ajoutant, dans les limites des pourcentages indiqués, plus de deux des "autres éléments" cités ci-dessus.
Cette généralisa- tion reste vraie non seulement pour les aciers à teneur en man- ganèse moyenne, trempés à l'huile, choisis à titre d'exemple pour les tableaux B, C et D, mais encore pour tous les types d'aciers à faible teneur en éléments d'alliage, y compris ceux contenant un ou plusieurs des éléments chrome, tungstène, molybdène, nickel, phosphore, soufre, etc. Toutefois, il ne faut pas croire que toutes les propriétés s'améliorent nécessai- rement dans une proportion constante au fur et à mesure qu'on augmente le nombre et le pourcentage d'éléments ajoutés. Il faut se rappeler que les efficacités comparatives des diffé- rents éléments ne sont pas les mêmes et aussi que certaines combinaisons d'éléments sont meilleures, à certains points de vue, que d'autres combinaisons comprenant le même nombre d'élé- ments.
La haute qualité à laquelle on peut atteindre dans les ciers conforme à la présente invention est indiquée aux ta- bleaux E et F par des données d'essai sur les propriétés mécaniques de plusieurs aciers représentatifs, obtenues après forgeage, trempe par refroidissement brusque depuis 850 C, et étirage à 400 C. pendant une heure. Au tableau E, les pourcen- tages de carbone et manganèse indiqués sont déterminés par analyse, le pourcentage de silicium dans tous les aciers est
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un pourcentage nominal de 0,25%, et les pourcentages des autres éléments sont les pourcentages d'éléments ajoutés à l'acier jus- te avant la coulée. Au tableau F, la limite d'étirage (Y. P.: "yield point" en anglais) et la résistance à la traction (T.
S.: "tensile strength" en anglais) des aciers du tableau E sont données en milliers de kilogrammes par pouce carré (6,45 centi- mètres carrés), % El, désigne rallongement en % (percentage elongation" en anglais) d'une longueur initiale de cinq centi- mètres servant d'étalon, et % R.A. désigne la contraction de la section transversale en % ("réduction in area" en anglais), après rupture de l'éprouvette de 1,28 centimètres de diamètre employée pour les essais de résistance à la traction. Sous "Izod" sont donnés les résultats de l'essai au choc, exprimés en kilogrammes-mètres, obtenus en employant un échantillon standard d'un centimètre carré, creusé d'une encoche en V stan- dard d'un millimètre de profondeur.
La profondeur de trempe Jominy est celle mesurée directement, en centièmes de centimètre,! au point correspondant au chiffre Rockwell "C" 50.
EMI9.1
#######.#...###.#.####' ' ....-#######" -..##. ' ' 1 TABLEAU E
EMI9.2
<tb> Composition <SEP> d'aciers
<tb>
<tb> Acier <SEP> Reste <SEP> en <SEP> substance <SEP> fer <SEP> et <SEP> 0.25% <SEP> Si)
<tb>
EMI9.3
N .. o Mn B %A1 %Ca v 0, - Z r o Ti Cr
EMI9.4
<tb> 1 <SEP> 0.51 <SEP> 1.6 <SEP> @ <SEP> 1 <SEP> 0.06
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 0. <SEP> 51 <SEP> 1.7 <SEP> 0.01 <SEP> - <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 0.50 <SEP> 1.7 <SEP> 0.01 <SEP> 0.15
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 0.
<SEP> 50 <SEP> 1.6 <SEP> 0.01 <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 0.-51 <SEP> 1.6 <SEP> 0.01 <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 0.49 <SEP> 1.7 <SEP> 0.01 <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.07
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 0.49 <SEP> 1.6 <SEP> 0.01 <SEP> 0.07 <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 0.46 <SEP> 1. <SEP> 6 <SEP> 0.01 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> 0.07 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 9 <SEP> 0. <SEP> 50 <SEP> 1.6 <SEP> 0.01 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 0.49 <SEP> 1.7 <SEP> 0.01 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> -
<tb>
EMI9.5
11 0.49 1.7 0.01 - - O.O.S5 0.035 0.035
EMI9.6
<tb> 12 <SEP> 0. <SEP> 49 <SEP> 1.
<SEP> 7 <SEP> 0.01 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP>
<tb>
EMI9.7
13 0.51 1.6 0.01 0.035 0.035 0.055 0035 - 14 0.50 1.7 0.01 0.025 0.025 0;0'25 0.0250.025 -
EMI9.8
<tb> 15 <SEP> 0. <SEP> 48 <SEP> 0.74 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 1. <SEP> 0
<tb>
<tb> 16 <SEP> 0. <SEP> 50 <SEP> 0.75 <SEP> 0.01 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 1.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (- <SEP> = <SEP> Néant)
<tb>
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TABLEAU F Propriétés des aciers du Tableau E
EMI10.1
<tb> Acier <SEP> Profondeur
<tb>
<tb>
<tb> N . <SEP> Y. <SEP> P. <SEP> T. <SEP> S. <SEP> % <SEP> El. <SEP> % <SEP> R.A. <SEP> Izod <SEP> Jominy
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 7.87 <SEP> 9. <SEP> 80 <SEP> 17. <SEP> 5 <SEP> 47.2 <SEP> 3.90 <SEP> 66
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 12.23 <SEP> 14.20 <SEP> 6.
<SEP> 0 <SEP> 18. <SEP> 8 <SEP> 2.30 <SEP> 112
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 12.54 <SEP> 14.17 <SEP> 9. <SEP> 0 <SEP> 32.5 <SEP> 1.15 <SEP> 231
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 12.79 <SEP> 14.35 <SEP> 10. <SEP> 5 <SEP> 37.6 <SEP> 1.17 <SEP> 295
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 12.65 <SEP> 14.17 <SEP> 11.0 <SEP> 35.7 <SEP> 1. <SEP> 06 <SEP> 182
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 12.79 <SEP> 13.81 <SEP> 11.0 <SEP> 40. <SEP> 4 <SEP> 1.17 <SEP> 155
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 11.88 <SEP> 13.43 <SEP> 11. <SEP> 0 <SEP> 39.8 <SEP> 1. <SEP> 58 <SEP> 214
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 12. <SEP> 72 <SEP> 14.20 <SEP> 11.0 <SEP> 41. <SEP> 0 <SEP> 1. <SEP> 25 <SEP> .267
<tb>
<tb>
<tb> 9 <SEP> 12.79 <SEP> 14.20 <SEP> 11.0 <SEP> 41. <SEP> 6 <SEP> 1.18 <SEP> 231
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 13.18 <SEP> 15. <SEP> 05 <SEP> 9. <SEP> 5 <SEP> 37.9 <SEP> 0. <SEP> 97 <SEP> '249
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 11 <SEP> 14.
<SEP> 27 <SEP> 16.13 <SEP> 10. <SEP> 0 <SEP> 39.1 <SEP> 1.10 <SEP> 208
<tb>
<tb>
<tb> 12 <SEP> 14.06. <SEP> 16.13 <SEP> 7. <SEP> 5 <SEP> 32.8 <SEP> 1. <SEP> 04 <SEP> 241
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 13.50 <SEP> - <SEP> 15. <SEP> 16 <SEP> 10. <SEP> 0 <SEP> 36.6 <SEP> 1. <SEP> 08 <SEP> 274
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 14 <SEP> 14. <SEP> 06 <SEP> 15. <SEP> 75 <SEP> 9.5 <SEP> 37.0 <SEP> 0. <SEP> 97 <SEP> 211
<tb>
<tb>
<tb> 15 <SEP> 14. <SEP> 48 <SEP> 16. <SEP> 10 <SEP> 10. <SEP> 5 <SEP> 40. <SEP> 4 <SEP> 1.04 <SEP> 137
<tb>
<tb>
<tb> 16 <SEP> 14. <SEP> 90 <SEP> 17. <SEP> 01 <SEP> 9. <SEP> 0 <SEP> 35.0 <SEP> 1. <SEP> 01 <SEP> 262
<tb>
Dans tous les essais de dureté Jominy ayant servi de base aux chiffres des tableaux ci-dessus, on a employé la même température de trempe et les mêmes conditions de refroi- dissement.
La Demanderesse a indiqué précédemment, dans le brevet belge n .433.831, que des fers et aciers purs, à grain fin, ayant des propriétés améliorées, peuvent être produits en ajou- tant au fer ou à l'acier fondu, jusqu'à concurrence de 5% d'un agent désoxydant complexe contenant du fer, 25 à 85% de sili- cium et soit: (A) au moins deux éléments choisis dans les groupes (1) glucinium, magnésium, calcium, baryum, strontium, bore, aluminium, (2) titane, zirconium, cérium, hafnium, thorium, (3) vanadium, niobium, tantale, les éléments d'au moins deux de ces groupes étant présents chacun en une quanti- té égale de préférence à au moins 3%, soit (B) au moins 3% de chacun de deux éléments au moins choisis dans le groupe: tantale, zirconium, cérium, hafnium et thorium.
En général, il est préférable que la somme des éléments autres que le fer et le silicium soit comprise entre 10 et 20% et ne dépasse pas 25% plus un pourcentage supplémentaire qui est 'égal à 5% mul- tipliés par le nombre d'éléments au-dessus de deux. Pour l'affi-
<Desc/Clms Page number 11>
nement du grain, il n'est d'ordinaire pas nécessaire d'ajouter une quantité d'agent désoxydant complexe plus élevée que celle qui suffit à augmenter de 0,25% la teneur en silicium de l'a- cier. De cette façon, le pourcentage maximum qui est réellement nécessaire à ces fins ne dépassera pas d'ordinaire 1% du fer ou de l'acier.
Les agents désoxydants complexes décrits dans le brevet antérieur conviennent admirablement bien pour être employés conformément à la présente invention, à condition qu'on les utilise dans une proportion supérieure à celle requise pour l'affinement du grain.
Des agents de durcissement comme par exemple le bore peu- vent être introduits dans l'acier avec l'agent désoxydant et affineur de grain, par exemple comme ingrédients d'un des agents désoxydants complexes décrits ci-dessus, dans lequel cas le bore peut avantageusement être présent dans une proportion supé- rieure à 0,1% dudit agent, ou ils peuvent être introduits sépa- rément dans l'acier fondu, avant, pendant ou après l'addition de l'agent désoxydant et affineur de grain. Le bore, par exem- ple, peut être ajouté à l'acier fondu sous forme de borax, de borate de calcium, de carbure de bore ou de ferro-bore, c'est- à-dire sous presque toutes les formes disponibles.
Les avantages de l'invention peuvent être exploités de plusieurs façons. Par exemple, les aciers les moins chers parmi ceux décrits ci-dessus peuvent être employés au lieu d'aciers coûteux, plus riches en éléments d'alliage, qui ont été employés jusqu'ici pour obtenir la résistance voulue. Ou bien des aciers actuels à haute résistance peuvent être rendus encore plus ré- sistants par l'application du principe de l'invention, soit en les trempant sur une plus grande profondeur à une duret<é moyen- ne inférieure, soit en les trempant sur une plus grande profon- deur à la même dureté, voire à une dureté supérieure.
Parmi les @
<Desc/Clms Page number 12>
différents aciers décrits on dispose d'un grand choix au point de vue de facteurs tels que le coût, le réglage de la grosseur de grain, la ductilité, la résistance mécanique, la résilience et les sortes d'inclusions. L'invention est ainsi susceptible d'un vaste champ d'applications, qui apparaîtra clairement aux métallurgistes et aux aciéristes. Par suite, bien qu'on ait cité de nombreux exemples pour illustrer les principes de l'in- vention, il est clair que ces exemples ne sont qu'illustratifs et qu'ils ne limitent point l'invention.
REVENDICATIONS ---------------------------
1.- Procédé pour traiter des aciers trempants contenant une proportion effective de bore ne dépassant pas 0,05%, ca- ractérisé en ce qu'on améliore la faculté des aciers de se tremper en profondeur en maintenant la teneur en silicium entre 0,1 et 2%, de préférence entre 0,15 et 1%.
<Desc / Clms Page number 1>
Improvements in the treatment of hardening steels.
This invention relates to steels and more particularly relates to steels whose hardness can be increased by rapidly cooling them from temperatures within or above the critical range. For simplicity, the invention will be described below mainly in its application to carbon steels containing 0.1 to 1% carbon and up to about 2% manganese and about 1% carbon. silicon, but during the description it will become clear that the invention can be applied to a wide variety of quenching steels.
<Desc / Clms Page number 2>
When quenching steel by rapid cooling from elevated temperatures, it is often useful to produce a deep or thick hardened area rather than a thin hardened surface layer. The depth to which a piece of steel is quenched, at a given rate of heat extraction, is different for different steels. The property of steel, which causes this susceptibility to the effect of mass during quenching, appears to be inherent, and will be referred to hereinafter, for convenience, as "ability. to soak in depth "(in English:" deep-hardenability ").
A suitable generally accepted measure of "steel's ability to quench deeply is provided by the" Jominy "test described in detail in the article" A Hardenability Test for Carburizing Steel "by WE Jominy et al. AL
Boegehold appeared in the publication "Transactions of the
American Society for Metals ", Vol.26, p.574 (1938). To summarize briefly, the test is carried out on a steel specimen of standardized shape and dimensions, and consists of heating the entire specimen to the desired quenching temperature, rapidly extracting heat from one end face of the test piece, grinding off surface scale and decarburized film, and producing a suitable flat surface for carrying out the test hardness, then measure the Rockwell hardness "C" along the length of the specimen.
A convenient way of expressing the relation between hardness and the distance from the quenched or hardened end, is the distance between that end and the point where the hardness becomes less than the Rockwell number "C" 50 and this distance is referred to herein as- after "Jominy quenching depth". When the same quenching temperature and the same cooling conditions are used for a series of steels, the ratio of the Jominy depths of the quenched or hardened zones corresponds to the ratio of the "faculties".
<Desc / Clms Page number 3>
of, deep quenching "steels in the series.
An object of the invention is to improve the ability to deeply quench quenching steels in general and, more especially, that of ordinary carbon steels with a low content of alloying elements (less than 5% of l (aggregate of elements other than iron and carbon).
The deep quenching ability of the steel can be improved to some extent by adding appropriate percentages of any of the elements which are capable of coming into solid solution in the steel at elevated temperatures. for example boron, silicon, molybdenum, tungsten, chromium or nickel. These hardening elements differ markedly from each other as to their minimum percentage required to give the steel the ability to quench to a satisfactory extent in depth and as to the maximum of this ability which can be obtained while retaining the steel. other necessary qualities.
It has been observed that certain combinations of the elements enumerated above can be employed to impart even greater depth quenching ability to the steel, without substantially sacrificing other desirable properties of the steel. It has further been found that combinations of some of these elements with appropriate proportions of one or more alkali metals, alkaline earth metals, glucinium, aluminum, titanium, zirconium, uranium , of cerium, of thorium, of vanadium, of niobium and of tantalum, notably increase the effect of the combination on the faculty of soaking in depth.
In the course of research on this subject it has been discovered that some of these combinations of elements are particularly effective in imparting deep-soaking capability to steel, and the present invention is based on this. discovery.
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A particularly advantageous combination is that of boron and silicon, preferably with one or more other elements which can be aluminum, glucinium, magnesium, calcium, barium, strontium, alkali metals. , titanium, zirconium, cerium, hafnium, thorium, vanadium ,. niobium, tantalum, uranium, in an appropriate proportion greater than that required for the refinement of the grain of the steel.
This being the case, the object of the present invention - in the context of the manufacture of quenching steels containing a proportion of boron of between 0.0005 and 0.05% - is a process for giving these steels the ability to quench. in depth, which consists in maintaining the silicon content of the steel between 0.1 and 2% and optionally adding to the steel one or more grain refining elements, used in a small total proportion greater than that required for grain refinement to improve the ability to soak in depth.
According to the present invention, boron may be present in an amount of between 0.0005 and 0.05%, but should usually be present in an amount of between about 0.001 and 0.015%. The silicon content can advantageously be between 0.1 and 1% or between 0.1 and 2%, and it will usually be between 0.15 and 0.35%. The total minimum proportion of the other above-mentioned element (s) to be added is any proportion greater than that required for grain refinement.
The percentage required for grain refinement depends on the kind of steel, the steelmaking conditions and the nature and number of deoxidizing and grain refining elements employed, and can be determined empirically by methods commonly used in metallurgy and steelmaking. Most of them
<Desc / Clms Page number 5>
in cases the total percentage of these other elements to be added will be between 0.03 and 0.5% or 1%, and the preferred range is between 0.05 and 0.3%.
It turns out that for every element and every combination of elements there is an optimum percentage which gives the steel a maximum ability to quench deeply, and a frequent result of an increase in the percentage beyond the optimum is a lowering of the ability to quench in depth, below that conferred on steel by the optimum percentage. For reasons of economy, or to obtain a steel having a certain desired combination of mechanical properties, it is often advantageous to add a quantity of elements either less or more than that which gives the steel depth. maximum quenching. Consequently, the invention is not limited to the use of optimum percentages.
The relatively high efficiency of the boron and silicon combinations can be appreciated by examining the figures derived from test data, grouped in Table A below which indicates the relative figures in hundredths of an inch (25.4 mm). of "Jominy quench depth" for steels containing about 0.45% carbon, 1.5% manganese and the stated percentages of other added elements, the remainder being iron.
- TABLE A.
EMI5.1
<tb>
% <SEP> Si <SEP>% <SEP> B <SEP>% <SEP> Al <SEP>% <SEP> Zr <SEP>% <SEP> V <SEP> Depth
<tb>
<tb>
<tb> from <SEP> quenching
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> None <SEP> None <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 53
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.25 <SEP> N, being <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 56
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> None <SEP> 0.01 <SEP> .0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 69
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> '0.25 <SEP> 0. <SEP> 01 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 208
<tb>
Each of the steels in Table A contains a total proportion of the elements aluminum, zirconium and vanadium slightly
<Desc / Clms Page number 6>
greater than that required for refining the grain of the steel.
It should be observed that neither 0.25% of silicon alone nor 0.01% of boron alone has no appreciable effect on the ability to quench fine-grained steel in depth, but that the simultaneous addition of silicon and boron enhance this faculty to a remarkable extent.
The respective effects of additions of the elements aluminum, zirconium, vanadium and titanium used individually, on the ability to quench in depth of steels containing about 1.6% Mn, 0.25% Si, 0.45 to 0 , 55% carbon and 0.01% boron added, are comparatively indicated by the figures in Table B, derived from test data.
The carbon content of the steels used in these tests varied from 0.42 to 0.53% and the Jominy quenching depth, expressed in hundredths of a centimeter, is the depth measured at the point corresponding to the Rockwell figure "C" 50, corrected by the factor (¯ 0.01% C = ¯ 0.305 centimeter) to indicate the Jominy depth for a corresponding 0.45% carbon steel.
TABLE B
EMI6.1
<tb> Percentage <SEP> adds <SEP> 0. <SEP> 00 <SEP> 0. <SEP> 025 <SEP> 0.05 <SEP> 0.10 <SEP> 0.15
<tb>
EMI6.2
Added element Trem e depth Jomin (cōrrigè ') ¯
EMI6.3
<tb> Aluminum <SEP> 94 <SEP> 97 <SEP> 175 <SEP> - <SEP> 216
<tb> Titanium <SEP> 94 <SEP> 150 <SEP> - <SEP> 163 <SEP> 165
<tb> Zirconium <SEP> 94 <SEP> 122 <SEP> - <SEP> 89 <SEP> 173
<tb> Vanadium <SEP> 94 <SEP> 210 <SEP> 236 <SEP> - <SEP> 117
<tb>
<tb>
<tb> (- <SEP> No <SEP> determined) <SEP> .., <SEP> ¯
<tb>
Table C is analogous to Table B except that it comparatively indicates the effect of the addition of various combinations of two elements from the group aluminum, calcium, zirconia, vanadium and titanium.
<Desc / Clms Page number 7>
TABLE C
EMI7.1
Percentage of added elements Quenching depth A7. o Zr 5Ù V o Ti% va Jominy ('corrected)
EMI7.2
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 155
<tb>
<tb> 0.07 <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 165
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 201
<tb>
<tb>
<tb> 0.07 <SEP> - <SEP> 0 <SEP> .07 <SEP> - <SEP> - <SEP> 279
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 140
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.07 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> 143
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 160
<tb>
<tb> 0.07 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> 201
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 239
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.07 <SEP> 0.
<SEP> 07 <SEP> - <SEP> - <SEP> 257
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 137
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> - <SEP> 145
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> 185
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 216
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> - <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> 0. <SEP> 07 <SEP> - <SEP> 178
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> 185
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 155
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> - <SEP> 0.
<SEP> 07 <SEP> 0.07 <SEP> 132
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (- <SEP> = <SEP> None) <SEP>
<tb>
Table D is analogous to Tables B and C, except that it comparatively shows the effects of various combinations of three, four and five elements from the group aluminum, calcium, zirconium, vanadium and titanium.
TABLE D
EMI7.3
<tb> Depth <SEP> of
<tb>
<tb> Percentage <SEP> of <SEP> elements added ¯¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> quenching <SEP> Jominy
<tb>
EMI7.4
% A1% Zr 9â v% Ti% ce 5l ùtres (corrected)
EMI7.5
<tb> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> - <SEP> 237
<tb>
<tb>
<tb> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> - <SEP> 201
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 188
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.
<SEP> 025 <SEP> - <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> - <SEP> 188
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 193
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 241
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 146
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 201
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 229
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 257
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 170
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.025 <SEP> - <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 167
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 233
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 236
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.025 <SEP> Na <SEP> 211
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.05 <SEP> Sr <SEP> 214
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.025 <SEP> U <SEP> 231
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.10 <SEP> Ba <SEP> 206
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.025 <SEP> Th <SEP> 229
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.01 <SEP> Cb <SEP> 201
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (- <SEP> = <SEP> None)
<tb>
<Desc / Clms Page number 8>
The fact that a noticeable increase in the ability of deep quenching is imparted to steel by one or other of a large number of combinations of elements is important because the latitude in the choice of elements provides an opportunity to adjust the purity, grain size, tensile strength and toughness of the steel through a selection of appropriate combinations. In general, the best quality of steel at great quenching depth will be obtained by adding, within the limits indicated, more than two of the "other elements" mentioned above.
This generalization remains true not only for steels with a medium manganese content, quenched in oil, chosen by way of example for Tables B, C and D, but also for all types of steel with low content of alloying elements, including those containing one or more of the elements chromium, tungsten, molybdenum, nickel, phosphorus, sulfur, etc. However, it should not be assumed that all properties necessarily improve in a constant proportion as the number and percentage of elements added is increased. It should be remembered that the comparative efficiencies of the different elements are not the same and also that some combinations of elements are better, in some respects, than other combinations comprising the same number of elements.
The high quality attainable in steels according to the present invention is indicated in Tables E and F by test data on the mechanical properties of several representative steels, obtained after forging, quenching by sudden cooling from 850. C, and stretching at 400 C. for one hour. In Table E, the percentages of carbon and manganese shown are determined by analysis, the percent of silicon in all steels is
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a nominal percentage of 0.25%, and the percentages of other elements are the percentages of elements added to the steel just before casting. In table F, the stretch limit (Y. P .: "yield point" in English) and the tensile strength (T.
S .: "tensile strength" in English) of the steels in table E are given in thousands of kilograms per square inch (6.45 square centimeters),% El, denotes elongation in% (percentage elongation) of an initial length of five centimeters serving as a standard, and% RA denotes the contraction of the cross section in% ("reduction in area" in English), after rupture of the test piece of 1.28 centimeters in diameter used for tensile strength tests. Under "Izod" are given the impact test results, expressed in kilogram-meters, obtained using a standard sample of one square centimeter, hollowed out with a standard V-notch. sting a millimeter deep.
Jominy quenching depth is that measured directly, in hundredths of a centimeter ,! at the point corresponding to the Rockwell number "C" 50.
EMI9.1
#######. # ... ###. #. #### '' ....- ####### "- .. ##. '' 1 TABLE E
EMI9.2
<tb> <SEP> composition of steels
<tb>
<tb> Steel <SEP> Rest <SEP> in <SEP> substance <SEP> iron <SEP> and <SEP> 0.25% <SEP> Si)
<tb>
EMI9.3
N .. o Mn B% A1% Ca v 0, - Z r o Ti Cr
EMI9.4
<tb> 1 <SEP> 0.51 <SEP> 1.6 <SEP> @ <SEP> 1 <SEP> 0.06
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 0. <SEP> 51 <SEP> 1.7 <SEP> 0.01 <SEP> - <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 0.50 <SEP> 1.7 <SEP> 0.01 <SEP> 0.15
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 0.
<SEP> 50 <SEP> 1.6 <SEP> 0.01 <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 0.-51 <SEP> 1.6 <SEP> 0.01 <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 0.49 <SEP> 1.7 <SEP> 0.01 <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.07
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 0.49 <SEP> 1.6 <SEP> 0.01 <SEP> 0.07 <SEP> 0.07 <SEP> - <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 0.46 <SEP> 1. <SEP> 6 <SEP> 0.01 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.07 <SEP> 0.07 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 9 <SEP> 0. <SEP> 50 <SEP> 1.6 <SEP> 0.01 <SEP> - <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 0.49 <SEP> 1.7 <SEP> 0.01 <SEP> 0.025 <SEP> - <SEP> 0.025 <SEP> 0.025 <SEP> -
<tb>
EMI9.5
11 0.49 1.7 0.01 - - O.O.S5 0.035 0.035
EMI9.6
<tb> 12 <SEP> 0. <SEP> 49 <SEP> 1.
<SEP> 7 <SEP> 0.01 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP>
<tb>
EMI9.7
13 0.51 1.6 0.01 0.035 0.035 0.055 0035 - 14 0.50 1.7 0.01 0.025 0.025 0; 0'25 0.0250.025 -
EMI9.8
<tb> 15 <SEP> 0. <SEP> 48 <SEP> 0.74 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 1. <SEP> 0
<tb>
<tb> 16 <SEP> 0. <SEP> 50 <SEP> 0.75 <SEP> 0.01 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 0.035 <SEP> 0.035 <SEP> - <SEP> 1.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (- <SEP> = <SEP> None)
<tb>
<Desc / Clms Page number 10>
TABLE F Properties of steels in Table E
EMI10.1
<tb> Steel <SEP> Depth
<tb>
<tb>
<tb> N. <SEP> Y. <SEP> P. <SEP> T. <SEP> S. <SEP>% <SEP> El. <SEP>% <SEP> R.A. <SEP> Izod <SEP> Jominy
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 7.87 <SEP> 9. <SEP> 80 <SEP> 17. <SEP> 5 <SEP> 47.2 <SEP> 3.90 <SEP> 66
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 12.23 <SEP> 14.20 <SEP> 6.
<SEP> 0 <SEP> 18. <SEP> 8 <SEP> 2.30 <SEP> 112
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 12.54 <SEP> 14.17 <SEP> 9. <SEP> 0 <SEP> 32.5 <SEP> 1.15 <SEP> 231
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 12.79 <SEP> 14.35 <SEP> 10. <SEP> 5 <SEP> 37.6 <SEP> 1.17 <SEP> 295
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 12.65 <SEP> 14.17 <SEP> 11.0 <SEP> 35.7 <SEP> 1. <SEP> 06 <SEP> 182
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 12.79 <SEP> 13.81 <SEP> 11.0 <SEP> 40. <SEP> 4 <SEP> 1.17 <SEP> 155
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 11.88 <SEP> 13.43 <SEP> 11. <SEP> 0 <SEP> 39.8 <SEP> 1. <SEP> 58 <SEP> 214
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 12. <SEP> 72 <SEP> 14.20 <SEP> 11.0 <SEP> 41. <SEP> 0 <SEP> 1. <SEP> 25 <SEP> .267
<tb>
<tb>
<tb> 9 <SEP> 12.79 <SEP> 14.20 <SEP> 11.0 <SEP> 41. <SEP> 6 <SEP> 1.18 <SEP> 231
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 13.18 <SEP> 15. <SEP> 05 <SEP> 9. <SEP> 5 <SEP> 37.9 <SEP> 0. <SEP> 97 <SEP> '249
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 11 <SEP> 14.
<SEP> 27 <SEP> 16.13 <SEP> 10. <SEP> 0 <SEP> 39.1 <SEP> 1.10 <SEP> 208
<tb>
<tb>
<tb> 12 <SEP> 14.06. <SEP> 16.13 <SEP> 7. <SEP> 5 <SEP> 32.8 <SEP> 1. <SEP> 04 <SEP> 241
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 13.50 <SEP> - <SEP> 15. <SEP> 16 <SEP> 10. <SEP> 0 <SEP> 36.6 <SEP> 1. <SEP> 08 <SEP> 274
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 14 <SEP> 14. <SEP> 06 <SEP> 15. <SEP> 75 <SEP> 9.5 <SEP> 37.0 <SEP> 0. <SEP> 97 <SEP> 211
<tb>
<tb>
<tb> 15 <SEP> 14. <SEP> 48 <SEP> 16. <SEP> 10 <SEP> 10. <SEP> 5 <SEP> 40. <SEP> 4 <SEP> 1.04 <SEP> 137
<tb>
<tb>
<tb> 16 <SEP> 14. <SEP> 90 <SEP> 17. <SEP> 01 <SEP> 9. <SEP> 0 <SEP> 35.0 <SEP> 1. <SEP> 01 <SEP> 262
<tb>
In all the Jominy hardness tests which served as the basis for the figures in the above tables, the same quenching temperature and the same cooling conditions were used.
The Applicant has previously indicated, in Belgian Patent No. 433,831, that pure, fine-grained irons and steels having improved properties can be produced by adding to molten iron or steel, to the extent that 5% of a complex deoxidizing agent containing iron, 25 to 85% silicon and either: (A) at least two elements selected from the groups (1) glucinium, magnesium, calcium, barium, strontium, boron, aluminum, (2) titanium, zirconium, cerium, hafnium, thorium, (3) vanadium, niobium, tantalum, the elements of at least two of these groups each being present in an amount preferably equal to at least 3% , or (B) at least 3% of each of at least two elements chosen from the group: tantalum, zirconium, cerium, hafnium and thorium.
In general, it is preferable that the sum of the elements other than iron and silicon be between 10 and 20% and not exceed 25% plus an additional percentage which is equal to 5% multiplied by the number of. items above two. For the display
<Desc / Clms Page number 11>
In addition to the grain, it is usually not necessary to add more complex deoxidizing agent than sufficient to increase the silicon content of the steel by 0.25%. In this way, the maximum percentage which is actually needed for these purposes will usually not exceed 1% of the iron or steel.
The complex deoxidizing agents disclosed in the prior patent are admirably well suited for use in accordance with the present invention, provided they are used in a higher proportion than required for grain refinement.
Curing agents such as, for example, boron can be introduced into the steel together with the deoxidizing and grain refining agent, for example as ingredients of one of the complex deoxidizing agents described above, in which case boron can. advantageously be present in a proportion greater than 0.1% of said agent, or they can be introduced separately into the molten steel, before, during or after the addition of the deoxidizing and grain refining agent. Boron, for example, can be added to molten steel in the form of borax, calcium borate, boron carbide or ferro-boron, ie in almost any form available.
The advantages of the invention can be exploited in several ways. For example, the less expensive steels among those described above can be used instead of expensive steels, richer in alloying elements, which have heretofore been used to obtain the desired strength. Or current high strength steels can be made even stronger by applying the principle of the invention, either by quenching them to a greater depth to a lower average hardness, or by quenching them. over a greater depth to the same hardness, or even to a higher hardness.
From @
<Desc / Clms Page number 12>
Different steels described there are many choices available from the point of view of factors such as cost, grain size control, ductility, mechanical strength, resilience and kinds of inclusions. The invention is thus capable of a wide field of applications, which will appear clearly to metallurgists and steelmakers. Therefore, although numerous examples have been cited to illustrate the principles of the invention, it is clear that these examples are only illustrative and do not limit the invention.
CLAIMS ---------------------------
1.- Process for treating quenching steels containing an effective proportion of boron not exceeding 0.05%, charac- terized in that the ability of steels to quench deeply is improved by keeping the silicon content between 0, 1 and 2%, preferably between 0.15 and 1%.