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Production et utilisation d'alliages d'aciers austénitiques.
Il appartient au domaine connu d'ajouter de l'azote aux alliages ferritiques de ferro-chrome pour influencer d'une façon favorable la grosseur du grain.des alliages. D'autre part, il n'est plus nouveau d'introduire de l'azote dans les alliages de ferro-chrome-nickel pour améliorer la limite d'élasticité de ces aciers qui eux-mmes ont déjà une structu- re austénitique.
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La présente invention se rapporte à la production et à l'utilisation d'aciers austénitiques et repose sur la constatation qu'on peut donner un caractère austénitique sta- ble aux alliages de ferro-chrome-nickel contenant 0,2% de carbone au maximum, et de 15 à 30% de chrome, avec de faibles teneurs en nickel, supérieures à 3% et inférieures à 5%, en y incorporant une quantité d'azote supérieure à 0,2% qui peut atteindre 1,5% et, d'une façon plus particulière, une quantité dépassant 0,2% et atteignant 0,5% d'azote. Les aciers corres- pondants exempts d'azote forment de la martensite déjà par un chauffage de courte durée à température élevée et subis- sent de ce fait une influence'très défavorable en ce qui concerne leurs propriétés mécaniques.
De plus, ils deviennent cassants à 500 C. et dans une zone de température allant de 650. à 850 , par séparation d'une combinaison entre les métaux fer et chrome ou de leurs cristaux mixtes, tandis que les aciers produits d'après le procédé suivant l'invention ne présentent pas cette propriété défavorable. Il est surprenant en outre de constater que ces alliages d'acier peuvent, malgré leur résistance plus élevée, être emboutis.aussi facilement que les aciers doux austénitiques. Il est d'ailleurs d'une grande importance du point de vue technique que ces aciers se laissent facilement souder et que les structures soudées exé- cutées à partir d'eux présentent des propriétés mécaniques et technologiques plus favorables que les pièces de construc- tion obtenues à partir d'alliages austénitiques doux correspon- dants, qui ne renferment pas d'azote.
En ce qui concerne le comportement chimique des aciers produits conformément à l'invention, outre leur résistance générale à l'action des acides, des sels et des gaz à tempé- rature normale ou à haute température, leur résitance accure, en comparaison des aciers exempts d'azote, à l'action de
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l'acide sulfurique et de mélanges d'acide nitrique et d'acide sulfurique est surtout remarquable.
De plus, ils ont une résistance plus grande à la corrosion due à l'écrouissage, qu'on observe principalement lorsqu'on expose à l'attaque par des acides ou des solutions salines acides, des aciers austé- ni tiques, au chrome et au nickel, qui ont été déformés plasti- quement ou des objets produits à partir de ces aciers sans qu'on ait supprimé par un traitement thermique les tensions internes provoquées par la déformation plastique, les aciers ou les objets qui ont été ainsi soumis aux forces d'écrouissa- , ge acquérant des fissures intracristallines (c'est-à-dire des fissures qui s'étendent transversalement à travers les grains cristallins) sans qu'il se produise essentiellement un grand changement de la surface du point de vue de la corrosion.
Un autre champ d'application avantageux des alliages en question est constitué par des objets qui doivent être résistants à l'action de solutions renfermant des chlorures, par exemple le chlorure ferrique. On a constaté par exemple, qu'un alliage d'acier renfermant 0,08% de carbone, 0,40 % de silicium, 1,05% de manganèse, 4,13% de nickel, 22,5% de chrome et 0,29 % d'azote ne perdait de son poids que 0,19 g. par mètre carré et par heure dans une solution de chlorure ferrique à 20%, tandis que, pour l'acier austénitique au chrome et au nickel connu, résistant à la corrosion et renfermant environ 18% de chrome et 8% de nickel, on a constaté une perte de ,14 g.
par mètre carré et par heure dans les mêmes condi- tions d'expérimentation. La surface de cet acier cité en dernier lieu présehtait après l'essai un très grand nombre de petites corrosions en forme de trous ; parcontre, l'acier à faible teneur en nickel et contenant de l'azote employé confor- mément à l'invention avait, même après l'essai, une surface lis- se.
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D'autre part, il y a lieu d'observer le fait remarqua- ble que les alliages d'acier produits suivant l'invention sont particulièrement appropriés comme matériau pour des objets en acier coulé en moule, tels que des hélices de navire soumises à des efforts considérables. Les objets produits,à partir de ces alliages, par le procédé de coulée en moule de l'acier se distinguent en premier lieu par une limite élastique élevée.
Jusqu'à présent, on employait comme matériau pour des objets de cette nature des alliages au ferro-chrome-nickel à texture mixte, c'est-à-dire des aciers qui contenaient, à côté de l'austénite, des proportions plus ou moins grandes de ferrite.
Au regard des alliages purement austénitiques, qu'on employait au début à ces usages, ces aciers présentent l'avantage d'une limite élastique un peu plus élevée. Hais cet avantage devait être payé par un allongement et une résilience plus faibles et une tendance plus grande des composants ferritiques à deve- nir cassant. Lorsqu'on emploie des alliages produits suivant l'invention, on évite ces inconvénients. Outre les propriétés méc niques et technologiques favorables des alliages austéniti- ques coulés, usuels jusqu'à présent, .les alliages suivant l'in- vention présentent encore une limite élastique plus élevée que celle des alliages à texture mixte. Ils permettent en outre une économie d'un matériau coûteux, le nickel.
Les
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propriétésprécitées des alliages qu'on utiliSSe conformément à l'invention sont réaliséesmême sans traitement thermique, dans les pièces coulées. Elles peuvent encore s'accroître par une trempe à partir de températures élevées ou par recuit à des températures d'une élévation moyenne. Les alliages produits selon les indications qui précèdent peuvent en outre être employés avec avantage quand il s'agit de produire des anneaux de capuchon non magnétiques. Jusqu'à présent, on employait comme matériau pour ces pièces, des aciers austénitiques au chrome-manganèse,- au manganèse et au
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manganèse-nickel.
Mais ces alliages présentent l'inconvénient que la limite élastique est basse et que, pour les employer comme matériau pour les anneaux de capuchon, ils doivent être déformés à froid. Par l'emploi des alliages d'acier dont il est question, on évite ces inconvénients. Ces alliages sont non magnétiques et ont déjà, à l'état trempé, la limite élasti- que élevée qui est nécessaire. On a par exemple obtenu les valeurs suivantes de résistance avec un alliage qui contenait 0,04% de carbone, 0,33% de silicium, 0,51 de manganèse, 22,7% de chrome, 4,2% de nickel et 0,27% d'azote par une trempe à
1100 , dans l'eau: limite élastique: 60 kg. par mm2 résistance à la traction: 86,5 kg. par mm2 allongement (5.d) 48%..
Malgré la limite élastique élevée, on peut encore, s'il est nécessaire, élargir à froid les alliages, grâce à l'allon- gement élevé qu'ils présentent encore. Il en résulte que lors- qu'on emploie ces alliages comme matériau pour des anneaux de capuchon non magnétiques, on atteint la résistance à la traction de la valeur élevée nécessaire avec une limite élas- tique et un allongement beaucoup plus élevés, sans déformation à froid ou avec une déformation à froid beaucoup moindfe que @ celle qui est nécessaire pour les espèces d'acier usuelles..',,.
Un autre champ vaste et important d'application des @ inoxydables alliages objet de l'invention est constitué par des haubans/ d'avions. Jusqu'à présent, on employait à cet effet des allia- .ges austénitiques au ferro-chrome-nickel ou au ferro-chrome- manganèse que toutefois, par suite de leur limite élastique et de leur résistance à la traction peu élevées,on devait laminer très fortement à froid pour atteindre les propriétés mécaniques nécessaires pour les haubans d'avions, par exemple des résis- tances à la traction supérieures à 100 kg. par mm2. Mais les ,aciers destinés à l'emploi selon l'invention ont déjà, à
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l'état trempé, des propriétés mécaniques très favorables; de ce point de vue, ils sont donc nettement supérieurs aux alliages connus, au ferro-chrome-nickel.
Par une faible défor- mation à froid, on obtient en outre pour la résistance à la traction des valeurs comme celles que les alliages employés jusqu'à présent ne possèdent qu'après un fort laminage. C'est ainsi par exemple qu'un acier contenant 0,07% de carbone, 0,40% de silicium, 1,05% de manganèse, 4,13% de nickel, 22,5% de chrome et 0,29% d'azote atteint, après une déformation à froid de 20% seulement, avec un allongement de 23% environ, une résistance à la traction de 120 kg. par mm2. Pour atteindre cette même résistance à la traction pour l'acier au chrome- nickel connu, contenant environ 18% de chrome et 8% de nickel, une déformation à froid de 40% est nécessaire. Dans ce cas, l'allongement n'est que de 11% environ.
Lorsqu'on pousse plus loin la déformation à froid de l'acier contenant de l'azote, par exemple lorsqu'on la pousse également à 40%, la résistance à la traction atteinte s'élève à environ 142 kg. par mm avec un allongement de 11% environ ; en d'autres ter.nes, pour un même allongement, l'acier à employer conformément à l'inven- tion a une résistance à la traction plus élevée de 20% que celle de l'acier connu au nickel-chrome.
Comme matériau d'haubans d'avions on a recommandé déjà également des aciers au chrome-manganèse-azote. Au regard de ces aciers, ceux qu'on emploie conformément à l'invention présentent l'avantage que, même pour des teneurs élevées en chrome (supérieures à 17%), on peut réaliser encore une texture austenitique et que, par suite, on peut incorporer à ces aciers plus a'azote et réaliser ainsi des propriétés mécaniques et chimiques plus favorables.
En outre, les aciers au chrome-manganèse-azote deviennent plus cassants au laminage à froid que les aciers au chrome-nickel- azote suivant l'invention.
On a constaté en outre qu'on peut, dans les aciers à produire ou à employer suivant l'invention, remplacer complè- tement ou partiellement le nickel par le cobalt sans que
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les propriétés avantageuses de ces aciers subissent une modifi- cation apprécialble. Pour accentuer leurs propriétés nécaniques ou chimiques, on peut incorporer encore par alliage, aux aciers, jusqu'à raison de 4% , du silicium, du molybdène, du cuivre, du titane, du tantale, du niobium, du vanadium, du tungstène et/ou du zirconium.
Revendications.
1.- Procédé pour la production de l'état austénitique dans les alliages d'acier contenant 0,2% de carbone au plus, 15 à 30% de chrome et ayant une teneur en nickel supérieure à 3% et inférieure à 5%, caractérisé en ce qu'on incorpore aux alliag-es une quantité d'azote supérieure à 0,2% qui peut attein- dre 1,5% et, d'une façon plus particulière, une quantité dépassant 0,2% et allant jusqu'à 0,5%.
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Production and use of austenitic steel alloys.
It is in the known field to add nitrogen to ferritic ferro-chromium alloys in order to favorably influence the grain size of the alloys. On the other hand, it is no longer new to introduce nitrogen into ferro-chromium-nickel alloys in order to improve the elastic limit of these steels which themselves already have an austenitic structure.
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The present invention relates to the production and use of austenitic steels and is based on the recognition that a stable austenitic character can be given to ferro-chromium-nickel alloys containing 0.2% carbon at most. , and from 15 to 30% of chromium, with low nickel contents, greater than 3% and less than 5%, incorporating therein a quantity of nitrogen greater than 0.2% which may reach 1.5% and, more particularly, an amount exceeding 0.2% and reaching 0.5% nitrogen. The corresponding nitrogen-free steels form martensite already on short-term heating at elevated temperatures and therefore experience a very unfavorable influence on their mechanical properties.
In addition, they become brittle at 500 C. and in a temperature range of 650 to 850, by separation of a combination of iron and chromium metals or their mixed crystals, while steels produced according to the process according to the invention do not exhibit this unfavorable property. It is further surprising to find that these steel alloys can, despite their higher strength, be drawn as easily as austenitic mild steels. It is also of great importance from a technical point of view that these steels can be easily welded and that the welded structures made from them have mechanical and technological properties that are more favorable than the construction parts. obtained from the corresponding mild austenitic alloys, which do not contain nitrogen.
With regard to the chemical behavior of steels produced according to the invention, in addition to their general resistance to the action of acids, salts and gases at normal temperature or at high temperature, their resistance increases, in comparison with steels. nitrogen-free, with the action of
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sulfuric acid and mixtures of nitric acid and sulfuric acid are especially remarkable.
In addition, they have a greater resistance to corrosion due to work hardening, which is observed mainly when exposed to attack by acids or acidic salt solutions, austenetic steels, chromium and nickel, which have been plastically deformed or articles produced from such steels without removing by heat treatment the internal stresses caused by the plastic deformation, steels or articles which have been so subjected to the forces strain hardening, acquiring intracrystalline cracks (i.e. cracks that extend transversely through crystal grains) without essentially taking place a large change in surface from the point of view of the corrosion.
Another advantageous field of application of the alloys in question consists of articles which must be resistant to the action of solutions containing chlorides, for example ferric chloride. It has been found, for example, that a steel alloy containing 0.08% carbon, 0.40% silicon, 1.05% manganese, 4.13% nickel, 22.5% chromium and 0 , 29% nitrogen lost only 0.19 g of its weight. per square meter and per hour in a 20% ferric chloride solution, while for known austenitic chromium nickel steel, corrosion resistant and containing about 18% chromium and 8% nickel, we have noted a loss of .14 g.
per square meter and per hour under the same experimental conditions. The surface of this steel mentioned last showed after the test a very large number of small corrosions in the form of holes; on the other hand, the low nickel and nitrogen containing steel employed in accordance with the invention had, even after testing, a smooth surface.
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On the other hand, it should be noted that the steel alloys produced according to the invention are particularly suitable as a material for articles of cast steel, such as ship propellers subjected to stress. considerable effort. The articles produced from these alloys by the steel mold casting process are distinguished in the first place by a high elastic limit.
Until now, mixed texture ferro-chromium-nickel alloys have been used as material for objects of this nature, that is to say steels which contained, besides austenite, more or less proportions. less ferrite.
In view of the purely austenitic alloys, which were employed at the beginning for these uses, these steels have the advantage of a slightly higher elastic limit. But this advantage had to be paid for by lower elongation and toughness and a greater tendency for ferritic components to become brittle. When using alloys produced according to the invention, these drawbacks are avoided. In addition to the favorable mechanical and technological properties of the austenitic cast alloys, customary until now, the alloys according to the invention still exhibit a higher elastic limit than that of the mixed texture alloys. They also make it possible to save on an expensive material, nickel.
The
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The above-mentioned properties of the alloys which are used in accordance with the invention are produced even without heat treatment, in the castings. They may increase further by quenching from elevated temperatures or by annealing at temperatures of medium rise. The alloys produced according to the foregoing may further be employed with advantage in the production of non-magnetic cap rings. Until now, as material for these parts, austenitic steels with chromium-manganese, - manganese and
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manganese-nickel.
However, these alloys have the disadvantage that the elastic limit is low and, in order to use them as a material for the cap rings, they must be cold deformed. By using the steel alloys in question, these drawbacks are avoided. These alloys are non-magnetic and already have the necessary high yield strength when quenched. For example, the following resistance values were obtained with an alloy which contained 0.04% carbon, 0.33% silicon, 0.51 manganese, 22.7% chromium, 4.2% nickel and 0 , 27% nitrogen by quenching
1100, in water: elastic limit: 60 kg. per mm2 tensile strength: 86.5 kg. per mm2 elongation (5.d) 48% ..
Despite the high elastic limit, it is still possible, if necessary, to expand the alloys in the cold, thanks to the high elongation which they still exhibit. As a result, when these alloys are employed as a material for non-magnetic cap rings, the required high tensile strength is achieved with much higher yield strength and elongation without deformation at cold or with much less cold deformation than that required for the usual types of steel.
Another vast and important field of application of the stainless steel alloys which are the subject of the invention consists of stay cables / aircraft. Hitherto, austenitic alloys with ferro-chromium-nickel or ferro-chromium-manganese have been used for this purpose which, however, owing to their low elastic limit and low tensile strength, one had to. cold rolled very strongly to achieve the mechanical properties required for aircraft struts, for example tensile strengths greater than 100 kg. per mm2. But the steels intended for use according to the invention have already, to
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the hardened state, very favorable mechanical properties; from this point of view, they are therefore clearly superior to known alloys, to ferro-chromium-nickel.
The low cold deformation additionally achieves tensile strength values such as the alloys used heretofore only have after heavy rolling. For example, a steel containing 0.07% carbon, 0.40% silicon, 1.05% manganese, 4.13% nickel, 22.5% chromium and 0.29% of nitrogen reaches, after cold deformation of only 20%, with an elongation of about 23%, a tensile strength of 120 kg. per mm2. To achieve this same tensile strength for the known chromium-nickel steel, containing about 18% chromium and 8% nickel, a cold strain of 40% is required. In this case, the elongation is only about 11%.
When the cold deformation of the nitrogen-containing steel is pushed further, for example when it is also pushed to 40%, the tensile strength achieved is about 142 kg. per mm with an elongation of approximately 11%; in other words, for the same elongation, the steel to be used according to the invention has a tensile strength that is 20% higher than that of the known nickel-chromium steel.
Chromium-manganese-nitrogen steels have already been recommended as the material for aircraft stays. With regard to these steels, those which are used in accordance with the invention have the advantage that, even for high chromium contents (greater than 17%), an austenitic texture can still be produced and that, consequently, it is possible can incorporate more nitrogen into these steels and thus achieve more favorable mechanical and chemical properties.
In addition, the chromium-manganese-nitrogen steels become more brittle on cold rolling than the chromium-nickel-nitrogen steels according to the invention.
It has also been found that it is possible, in the steels to be produced or to be used according to the invention, to completely or partially replace nickel by cobalt without
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the advantageous properties of these steels undergo appreciable modification. To accentuate their nechanical or chemical properties, it is also possible to incorporate into steels, up to 4%, silicon, molybdenum, copper, titanium, tantalum, niobium, vanadium, tungsten and / or zirconium.
Claims.
1.- Process for the production of the austenitic state in steel alloys containing 0.2% carbon at most, 15 to 30% chromium and having a nickel content greater than 3% and less than 5%, characterized in that there is incorporated into the alloys a quantity of nitrogen greater than 0.2% which may reach 1.5% and, more particularly, an amount exceeding 0.2% and ranging up to 'at 0.5%.