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Procède de décarburation à l'état solide des aciers au carbone et de certains sciera inoxydables, produits en résultant et leurs applications.-
L'invention a pour objet un procède de décarburation de l'acier ayant pour but l'obtention de fer sensiblement pur, a'est... à-dire ne contenant que des impuretés .-habituelles (Mn, Si) S, P) et une quantité infime de carbone (de l'ordre de 0,01 %),en vue d'augmenter la malléabilité de toutes pièces découpées, décolletées, prises sous forme de produits fondas ou laminés, d'obtenir des pro- duits à haute perméabilité magnétique et à faible hystérésis, d'a- juster la composition et de reclasser des tôles et feuillards sortant des laminoirs.
Ce procédé peut être considéré dans une certaine mesure comme une transposition au domaine de l'acier des procédés de décarburation de la fente, pour la fabrication de la fonte malléable, mais il se distingue de ceux-ci, non seulement par le but poursuivi et la nature des produits obtenus, mais encore par la technique opé- ratoire. Il se distingue également des procédés classiques de recuit par l'abaissement considérable de la dureté et de la limite
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élastique.
S'il est relativement facile de décarburer les feuillards d'aciers doux très minces (-de l'ordre de 0,1 m/m en particulier) par chauffage en milieu décarburant, il est impossible de décarburer à coeur des feuillards ou tôles plus épais (jusqu'à 2,5 m/m en particu- lier). Les conditions de décarburation et de malléabilité sont expo- sées d'après les conditions opératoires du procédé suivant l'inven- tion.
La décarburation résulte d'un appauvrissement graduel en carbone de la phase austénitique dans le système univariant Fe Ó Solution solide , l'absorption du carbone étant produite par un élément extérieur décarburant. Cette absorption est facilitée par le choix de la température qui doit rester constante, de façon à maintenir stable l'équilibre théorique du système univerant et éga- lement par la structure à très gros graine résultant d'en écrouissage initial, cette structure à très gros grains étant destinée à diminuer les résistances passives lors de la diffusion du carbone (théories de Beilby, Tamman, eto...) du grain de solution solide sursaturé au grain voisin de la même solution ,
appauvri par l'action extérieure décarburate.
Enfin, un refroidissement lent est calculé de sorte qu'il diminue encore la limite élastique et la dureté, tout en globulant les impuretés ou constituants non en solution, susceptibles de pro- voquer un durcissement.
La température sera également choisie de façon à ne pas provoquer, au refroidissement, la transformation polymorphique indi- recte, c'est-à-dire le passage de l'état! à l'état Ó qui détrui- rait partiellement l'effet de malléabilité recherché (impossibilité de la conservation de la structure à gros grains).
La vitesse de diffusion du carbone tend à augmenter à mesu- re que la température s'élève, jusqu'à la limite théorique constituée par la ligne de transformation CD du diagramme (voir la figure unique du dessin annexé). Ainsi avec un acier à 0,1% de carbone, la tempé- rature maximum théorique de chaffage serait 890 .
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Toutefois, l'expérience montre que la température doit être maintenue plue basse. En effet, entre 800 et 850 , la masse a tendance à cristalliser en gros grains, le long desquels la mi- gration du carbone vers la périphérie est aisée. A des températures plus élevées, il y a tendance à la multiplication des grains et la migration du carbone se trouve ralentie, ce qui exige un chauffage plus prolongée, malgré l'élévation de température.
Il faut remarquer que la décarburation expliquée comme ci-dessus est également possible dans la phase austénitique. Dans ce dernier cas, il faudrait choisir la température de surchauffe, c'est-à-dire 1200 - 13000. Il faudrait donc un four capable d'at- teindre ces hautes températures, ce qui est actuellement difficile ; d'autre part des caisses de recuit spécialement adaptées pour résis- ter à ces hautes températures, sont nécessaires, alors que pour 800-850 des caisses en acier doux conviennent très bien. Au point de vue prix de revient, le chauffage dans le domaine de la solution solide Ó n'est donc pas intéressant.
Il faut remarquer également que le traitement dans le domaine Ó se trouverait limité à la' seule opération de décarbura- tion. Au cours du refroidissement, le passage de la ligne Ar-3 (CD sur le dessin) ne peut conserver la grosseur des grains; la limi- te élastique se trouve augmentée.
La température de chauffage est naturellement fonction de la teneur en carbone de 1 acier traité et doit être d'autant plus faible que l'on se rapproche de l'euteotoide, figuré par le point D (0 = 0,9 %). La durée de chauffage, de son coté, est fonc- tion de la quantité de carbone et de l'épaisseur de la pièce, cette durée étant,par exemple, de 6 heures pour une tôle de 1 m/m et de 12 à 15 heures pour une tôle de 1,5 m/m.
L'épaisseur de 2,5 m/m représente approximativement la limite supérieure de possibilité d'application pratique du procédé au point de vue prix de revient. Il est bien entendu que le traite.. ment peut également s'appliquer à des épaisseurs plus grandes que 2,5 m/m, par exemple 3 et 4 m/m (cas de certaine rondelles utilisées dans les mines). Dans oe dernier cas, la décarburation peut ne pas
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atteindre le coeur de la pièce, ce qui pratiquement n'a pas d'im- portance, du moins pour certains jointe ou rondelles. En effet, l'aplatissement,en cours de compression, est largement suffisant avec une épaisseur déoarburée de 0,8-1 m/m pour chaque face.
Quel que soit-le type de la rondelle, l'expérience montre que l'on peut obtenir une bonne oompressibilité en limitant le temps de chauffage à 5 heures.
Bien entendu, pour certaines applications, on aura inté- rêt à partir de feuillards ou t8les en nuances d'aciers aussi dou- ces que possible, parmi les aciers habituellement laminés. (En gé- néral C sera compris entre 0,05 et 0,1 %).
Ayant assuré, par un chauffage suffisamment long dans la zone Fe Ó + Sol. , la modification de concentration du carbone et la diffusion de celui-ci vers la périphérie, il s'agit de l'éli- miner à l'état gazeux en réalisant le chauffage dans un milieu dé- carburant, par exemple une atmosphère convenable en 00/002 ou par contact avec des produits décarburants, par exemple des tournures ou de la limaille d'acier extra-doux, etc...
L'ensemble des conditions sus-indiquées constitue en définitive un procédé de décarburation de pièces d'acier doux d'une épaisseur pratique de 2,5 m/m environ (tôles, feuillards ou autres laminés, pièces fondues, étirées, découpées, décolletées, etc...) qui consiste à chauffer la pièce en milieu décarburant à une température correspondant à la zone Fe Ó + Sel. du diagramme fer-oarbone, mais limitée à celle correspondant au grossissement maximum des grains, pendant un temps suffisant pour assurer la migra- tion du carbone vers la périphérie.
L'invention a également pour objet, à titre de produit industriel nouveau, une pièce de fer deux d'une épaisseur inférieu- re à 2,5 m/m (télés, feuillards ou autres laminés, pièces fondues, étirées, découpées, décolletées, etc...), contenant une proportion maximum de carbone de l'ordre de '0,01 à 0,02 et les impuretés habituelles de l'acier extra-doux (Si, Mn, S, p).
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Des produits de fer doux de ce genre se distinguent des produits en fer électrolytique par les traces de carbone qu'Alita renferment et qui ne peuvent pas être éliminées entière,?mont du fait que la ligne de transformation A B C (limite de solubilité du carbone dans le fer) ne coïncide pas avec l'ordonnée 0 = 0 %, ainsi que par les impuretés habituelles de l'acier que le procède ne per- met pas d'éliminer.
Ces produits présentent toutefois l'avantage d'être obte- nus par un procède purement thermo-ehimique et relativement écono- mique, et de présenter les propriétés remarquables de malléabilité et les propriétés magnétiques du fer pur.
Ces propriétés permettent d'utiliser ce produit pour la confection de rondelles et joints d'étanchéité, en remplacement du ouivre et du laiton, de tubes à conditionner les pâtes, en remplace- ment des tubes d'étain, etc... Au point de vue magnétique, la haute perméabilité et le faible hystérésis de ce métal permettent de mom- breuses applications dans les appareils électriques à haute fréquen- ce, les circuits magnétiques de moteurs, génératrices, alternateurs, transformateurs, les noyaux de fer doux de bobines, relais, etc.,.
Enfin, oe procédé permet le reclassement des aciers sous forme de tôles et feuillards, par correction de leur teneur en carbone.
Pour la mise en oeuvre du procédé, il n'est pas possible de fixer d'une manière systématique, toutes les températures et durées de chauffage pour toutes les nuances d'aciers et toutes les épaisseurs de tôles et feuillards, mais les considérations générales qui précédent et les exemples ci-après constitueront des directives générales et des points de repère qui permettront, par quelques essais préalables, de choisir les conditions opératoires optima.
En général d' ailleurs, on aura intérêt à maintenir la température entre 800 et 8500.. qui correspond approximativement aux limites de grossissement desgrains.
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Exemple 1 - Fabrication de rondelles et joints d'étanchéité pour culasses de moteurs, pompes, turbines, bougies d'allumage, fabri- cation d'emballage, tubes, etc...
Acier Martin effervenoent - La composition est de pré- férence la suivante :
C ¹ 0,10
Mn ¹ 0,30 Si 0,03
S ¹ 0,03
P ¹ 0, 02
L'acier Martin (ou électrique) donne toujours les meilleurs résultats.
Cet acier doit subir un affinage, le meilleur possible.
En particulier, il ne faut pas avoir, avant le traitement mentionné, de structure rubannée, c'est-à-dire de trace nette de ségrégation pour le carbone, le soufre et le phosphore.
Au cas où la malléabilité ne devra pas être très élevée, on pourra prendre l'acier Thomas t
C ¹ 0,10
Ma ¹ 0,50 Si % 0,03
S ¹ 0,05
P ¹ 0,08
La valeur à donner initialement à l'écrouissage est très importante et sera chaque fois un cas d'espèce. Pour les rondelles, on prendre de 1 - 5 % , pour les tubes 10 - 15 'le.
En règle générale, il sera toujours préférable de partir d'acier sous forme de tôles, plutôt.que de feuillards, à cause de la présence de la perlite à l'état de transformation, plus facile à faire disparaître que la perlite globulaire (cas des feuillards).
Par conséquent, pour les feuillards, il est bon, avant le traitement décrit ci-après, de les normaliser, c'est-à-dire de recuire à 9150 pour obtenir la perlite à l'état de transformation.
Ce recuit est exécuté en vase clos, en atmosphère ordinaire, puis refroidissement rapide.
Le traitement de décarburation consiste en un recuit en caisses parfaitement étanches pendant une durée : - de 12 à 15 heures pour de la tale de 20 à 25/10 de m/m;
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- de 6 heures pour de la tôle de 10 à 15/10 de m/m; - de 4 heures pour une épaisseur de 6/10 de m/m.
On peut opérer en atmosphère décarburante, CO/CO2 par exemple.
On procède ensuite à un refroidissement lent (5 par heure en caisse). Le détournement est possible à partir de 200 .
Les résultats obtenus ont été pour l'acier Martin effer- vescent, en ce qui concerne la teneur en carbone :C = 0,02.
(Si on double ou triple le temps de séjour, on obtient C ¹ 0,02 c'est-à-dire qu'on peut obtenir la limite de solubilité du C dans le Fe ) .
Les propriétés mécaniques ont été les suivantes) pour l'acier Martin effervescent:
Limite élastique : E = 8 - 12 kg/mm2;
Résistance à la traction : R = 25 - 28 kg/mm2;
Allongement : A % = 17- 22.
La durété Rockwell R est passée de 50- 40 à 8 ou 0 pour un acier Martin possédant le minimum d'impuretés. Dans le cas géné- ral, on a comme dureté RookKell B 8 à 15.
Pour l'acier Thomas, on obtient :
E = 12 - 15
R = 30 - 32
A = 10 - 15
Rokwell B : 20 - 30.
Pour les joints et rondelles d'étanchéité, il est indis- pensable d'avoir une surface polie ou semi-polie. De plus, pour avoir des produits dépapés, on peut employer un ga à la fois dé- carburant et réducteur. Si ces mêmes produits doivent ultérieure- ment résister à la corrosion, on peut les zinguer, ou les phosphater.
Exemple II - Production d'aciers à haute perméabilité et faible hys- térésis.
Le métal de base est de préférence l'acier Martin effer- vescent ayant les mêmes spécifications que ci-dessus.
Le traitement est le même que précédemment, mais pour @ toutes épaisseurs, particulièrement pour des épaisseurs inférieures
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à 10/10, on maintiendra en température, pendant un temps suffi- sant pour tendre vers le monocristal. Les conditions de surface sont, dans ce cas, indifférentes. On observera certaines précau- tions générales, pour éviter l'hystérésis (respecter le sens de laminage, ne pas éorouir les pièces après traitement).
Exemple III - Pour les aciers inoxydables, genre 18/8, c'est-à-dire C ¹ 0,10 - Cr = 18 - Ni = 8 et surtout spn substituant l'acier au Or-Mn : C ¹ 0,10 - Cr = 17 - 19 - Mn = 9 - 11 - Ni = 1,5 - 2, le carbone forme des carbures complexes qui peuvent donner lieu à des précipitations (après soudure par exemple), d'au. corrosion fissu- raite. Il est désirable de maintenir le C à C < 0,05, ce qui est ordinairement très difficile, sinon impossible.
Pour obtenir un tel résultait, on procédera comme expos6 précédemment. Il est donc nécessaire d'avoir une structure à gros grains, puis de décarburer dans une atmosphère contrôlée. On chauf- fe pendant 4 heures pour une épaisseur de 10/10 de m/m, à 9500 - 1000 dans le cas de l'acier 8/8 qui est austénitique et pour la même épaisseur pendant 5 heures, dans le cas de l'acier inoxydable au chrome-manganèse qui, à 950 -1000 , est à raison de 50 % ferriti- que et, à raison de 50 %, austénitique. La vitesse de refroidisse- ment ne joue pas.
On devra terminer par un traitement mécanique (laminage) pour reconstituer la structure à grains fins et effectuer la trempe d'adoucissement à l'eau.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux détails d'exécution ci-dessus décrits, qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple.
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