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" Aciers spéciaux graphitiques ".
La présente invention se rapporte à des alliages ferreux ,et plus particulièrement à un acier graphiti que nouveau ainsi qu'aux produits ouvrés et/ou thermiquement traités qui en sont faits.
Au cours de ces dernières années on a élaboré des aciers graphitiques destinés à divers usages,, tels qu'éléments mobiles de valves, bielles d'accouplement, mtrioes et autres appliaa- tions où l'on reoherohe particulièrement une haute résistance à l'usure et un faible coefficient de frottement. Ces aciers se distinguent également par leurs bonnes propriétés à l'usinage.
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Les aciers graphitiques commerciaux antérieurs avaient en général une teneur en carbone de 1,5 % et plus et contenaient environ 0,8 % de silicium et environ 0,25 % de molybdène. On trouve également dans le commerce un acier graphitique de composition d'ailleurs similaire mais contenant environ 0,5 % de molybdène et environ 2,8 % de tungstène pour 'des usages exigeant une résistance de coeur relativement élevée.
La plupart des aciers graphitiques qu'on trouvait jusqu'à présent dans le commerce étaient caractérisés, dans leur forme graphitisée, par la présence de 0,8 % on plus de carbone sous forme combinée; en d'autres termes, ils ont la teneur en carbone des aciers eutectoîdes et nypereutectoides et présentent des propriétés physiques analogues à ces aciers lorsqu'on les soumet à un traitement thermique. Les aciers graphitiques antérieurs pré- sentaient les mânes défauts que les aciers au carbone ordinaire quant à la distorsion et au gauchissement lorsqu'on essayai de les durcir par des traitements impliquant l'emploi de tempé- ratures relativement élevées suivi d'un refroidissement accéléré.
De plus, la dureté qu'ils peuvent avoir acquise par le traite- ment thermique se perd si les pièces sont surchauffées en service, et elles ne récupèrent pas cette dureté par refroi- dissemnt.
On a trouvé qu'en pe t préparer des aciers spéciaux graphi- tiques possédant des propriétés intéressantes et utiles pour maintes applications en outre de celles auxquelles on a déjà affecté les aciers graphitiques en ajoutant des proportions judicieusement dosées d'aluminium,, ,de chrome et de molybdène à des compositions d'acier allié contenant 1 à 2 % de carbone et du silicium en quantités suffisantes pour favoriser une graphi- tisation partielle au carbone en l'absence des autres compléments
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d'alliage spécifiés.
Plus particulièrement, on a trouvé que lorsque du chrome et des éléments stabilisateurs de carbure analogues, tels que du manganèse et du vanadium, existent en proportions mesurées ainsi qu'il sera précisé ci-après, il est possible de contrôler leur tendance à empêcher la graphitisation du carbone présent lorsqu'on soumet l'acier à un traitement ther- mique approprié en ajoutant pour cela de l'aluminium et réglant convenablement les quantités et proportions relatives d'alumi- nium et de silicium présents. Cela permet de produire des aciers spéciaux possédant des propriétés physiques extrêmement satis- faisantes après travail à chaud suivi d'un traitement thermique de graphitisation qui les rend propres à maints usages avec ou sans traitement complémentaire.
On a trouvé de plus que les nouveaux aciers spéciaux ainsi obtenus sont susceptibles d'acquérir un haut degré de dureté de nitruration lorsqu'on les traite convenablement et qu'on les nitrure ensuite suivant la technique bien connue à cet effet.
L'invention prévoit également qu'on peut convertir lesdits aciers spéciaux en produits nitrurés possédant la grande dureté superficielle des aciers nitrurés ainsi que des propriétés d'auto-lubrification et de résistance à l'usure encore meil- leures que celles des aciers graphitiques antérieurement connus.
L'un des objets de la présente invention est de réaliser un acier spécial perfectionné possédant les propriétés physiques désirables et les aptitudes à l'amélioration par trà tement thermique approprié et par nitruration ainsi qu'il vient d'être dit.
L'invention vise également à réaliser un acier spécial perfectionné susceptible d'être travaillé et façonné à chaud puis traité thermiquement à l'effet d'y créer une structure /
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physique caractérisée par la présence de carbone graphitique libre réparti dans une masse composée principalement de ferrite et contenant 0,2 à 0,8 % de carbone combiné, cet acier étant susceptible, dans cet état, d'acquérir une/grande dureté super- ficielle à la suite d'un traitement de nitruration.
L'invention a encore pour objet de créer un acier spécial graphitisable perfectionné susceptible d'être travaillé à chaud et de réagir à un traitement thermique de graphitisation des- tiné à lui donner uns structure physique caractérisée par la présence de graphite réparti plus ou moins uniformément et d'or- dinaire en grande partie sous une tome nodulaire dans une masse d'acier ferritique, cet acier possédant une bonne combinaison de charge de rupture, de limite élastique et de ductilité à l'état graphitisé.
D'autres avantages et objets seront mis en lumière au cours de la description qui va suivre, dans laquelle on se ré- ferera au dessin ci-annexé dont les figures 1 et 2 sont des microphotographies grossies 100 et 500 fois respectivement et montrant, pour une composition d'acier typique entrant dans le cadre de la présente invention et dénommée ci-après coulée n 4965-A2, la. microstructure d'une coupe longitudinale d'un spéoimen. prélevé dans une barre de 25 mm de diamètre laminée à chaud, préalablement trempée à partir de la température de 900 C et soumise ensuite à un tra tement thermique de graphitisation d'une durée de 5 heures.
Les figures 3 et 4 sont des microphotographies similaires représentant, avec un grossissement de 100 et de 500 fois res- pectivemetn, la microstructure d'une coupe longitudinale d'un spécimen analogue de la même composition d'acier ayant subi un traitement thermique identique d'une durée de 10 heures.
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Les figures 5 et 6 sont des microphotographies similaires représentant, avec un grossissement de 100 et de 500 fois res- pectivement, la microstructure d'une coupe longitudinale d'un autre spécimen analogue de la même composition d'acier après avoir subi un traitement thermique analogue d'une durée de 15 heures.
Les figures 7 et 8 sont des microphotographies semblables à celles des figures 5 et 6 et montrent encore un autre spécimen identique de la même composition d'acier après avoir subi un traitement thermique identique d'une durée de 20 heures.
Les figures 9 et 10, 11 et 12, 13 et 14, 15 et 16 sont des microphotographies représentant, toujours avec des grossissements de 100 et 500 fois respectivement, pour une autre exposition d'acier entrant dans le cadre de la présente invention et qui sera dénommée coulée n EX-2054., la microstructure de coupes longitudinales de quatre specimens identiques portant les apel- lations Echantillons BS-10, -11,, -12, et -18 et tirés d'une 'barre laminée à chaud de 25 mm de diamètre et soumise à un trai- tement thermique de graphitisation d'une durée de 5 heures (B3-10), 10 heures (B3-11), 15 heures (BE-12) et 20 heures (B3-13).
La figure 17 est un graphique montrant les courbes de la dureté-profondeur des deux compositions d'acier précitées obte- nues par nitruration des spécimens représentés aux figures 1 et 2, 9 et 10 et soumises à un traitement thermique de graphitisa- tion d'une durée de 5 heures.
Les figures 18 à 21 sont des microphotographies/d'une autre composition d'acier couverte par l'invention dénommée ci-après "Acier A", vue en coupe longitudinale; la figure 18 montre la microstructure, grossie 100 fois, de la couche superficielle et
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du coeur; les figures 19 et 20 montrent avec un grossissement de 500 fois la microstructure de la couche superficielle et du coeur respectivement; la figure 21 montre, grossie 100 fois, la répar- titi.on du graphite dans la section transversale du coeur, le tout aprèstraitement thermique de graphitisation et nitruration.
Les compositions d'alliage suivant la présente invention ont une teneur en carbone comprise entre 1 et 2 % et de préfé- rence, pour la plupart des usages, entre 1 et 1,5 %. Elles con- tiennent également 0,5 à 2,5 % d'aluminium, 0,5 à 1,75 % de si- licium, 0,2 à 0,6 % de chrome, 0,2 à 0,75 % de molybdène et 0,2 à 1% de manganèse. Facultativement du vanadium peut également être présent en proportions de 0,1 à 0,3 %. Le restait de l'al- liage est constitué par du fer, à part de petites quantités de soufre, de phosphore et d'autres éléments présents à titre d'im- puretés dans les proportions normalement introduites avec la ferraille employée pour préparer l'alliage.
Pour aboutir aux combinaisons et proportions des éléments précédemment énumérés telles qu'elles assurent les meilleurs résultats pour un usage déterminé il importe de choisir et de proportionner les éléments promoteurs de nitruration, stabilisa- teurs de carburation et promoteurs de graphitisation de manière à assurer que le carbone présent dans la composition résultante demeure à peu près complètement ou principalement sous forme combinée ou sous forme de solution solide à la suite des opé- rations de coulée et de solidification aussi bien que pendant les opérations subséquentes de réchauffage et de maintien à telle température opératoire et, au moins dans une large mesure, pendant le travail à chaud,
'mais aussi de manière à permettre la décomposition au carbure lorsqu'on porte l'acier ainsi tra- vaillé à chaud à une température supérieure à la zone de transe
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formation et qu'on l'y maintient jusqu'à ce qu'il ait à peu près été amené à. l'état austénitique, puis qu'on le trempe ou qu'on le refroidit à l'air et qu'on le porte ensuite à une température approchant sans l'atteindre la zone de transformation, autrement dit inférieure au point Aol pour la composition considérée, pour le maintenir à cette température pendant une période relative- ment brève de 5 à 20 heures. D'ordinaire, il est préférable d'effectuer ce traitement the rmique final de graphitisation à une température comprise entre 780 C et le point Ac1.
L'aluminium joue un rôle particulièrement important dans les compositions d'acier spécial suivant l'invention parce qu'il agit à la fois comme agent promoteur de nitmration et comme agent graphitisant. Chacun sait que l'aluminium agit comme graphitisant et que le chrome est éminemment apte à re- tarder cette action. On a apporté un soin particulier à régler les proportions de silicium et d'aluminium en tant qu'agents de graphitisation par rapport au chrome et au manganèse afin d'ob- tenir la microstructure désirée dans le produit thermique trai- té.
On sait également que le chrome favorise la dureté de ni- truration et que les aciers de nitmration le plus communément employés contiennent 1 à 2 % de chrome. Toutefois, l'adjonction d'aussi forts pourcentages de chrome à un acier possédant d'ail- leurs des propriétés gmphitiques se traduit par une stabili- sation du carbure à un degré tel qu'on ne peut la contrebalancer par l'adjonction d'aluminium et de silicium, éléments graphi- tisants, en proportions qui sans cela assureraient une micro- structure satisfaisante du point de une de la graphitisation et donne raient en marne temps naissance à une composition se prêtant bien à l'usinage et à la nitratation.
n s'ensuit qu'il tant être prudent; dans l'emploi du chrome dans les compositions
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suivant la présente invention et ne pas dépasser une proportion de 0, 6 %.
On a préconisé le molybdène comme agent de graphitisation mais l'expérience indique que son pouvoir sous ce rapport est modéré. Assurément le molybdène contribue quelque peu à opérer le durcissement par nitruration et à accroître la profondeur de la couche durcie. 11 contribue dans une plus large mesure à améliorer les propriétés physiques des aciers spéciaux suivant la présente invention. Il s'ensuit qu'on peut utilement ajouter du molybdène dans une gamme de pourcentage plutôt large sans craindre qu'il soit gênant quant à la possibilité de régler à volonté le rapport entre le carbone combiné et le carbone gra- phitique dans le produit final thermiquement traité. D'ordinaire, il suffira d'une proportion de molybdène comprise entre 0,2 et 0,45 %.
Le vanadium, est un élément générateur de carbure, mais on peut l'employer à faible dose avec de bons résiliaispour amé- liorer l'aptitude à la nitruration et les propriétés physiques de l'alliage. Le vanadium en proportions variant entre 0,1 et 0,3 % sert à améliorer la structure de grain et les propriétés physiques et, de plus ; agit favorablement sur l'aptitude à la nitruration. Des pourcentages plus élevés ne sont, en général, pas désirables à cause de la tendance à la formation de carbures réfractaires au traitement thermique de graphitisation. Bien entendu, si l'on ajoute à la fois du vanadium et du chrome, il faudra régler le pourcentage global de manière à atténuer autant que possible la tendance à la formation de carbures stables.
On devra employer le silicium en proportions modérées, aussi bien parce qu'il complète l'action graphitisante de l'aluminium que parce qu'une augmentation de la teneur en sili-
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cium 'tend à diminuer 1' aptitude au forgeage de la composition.
Lorsqu'on emploie des proportions d'aluminium comprises dans la partie supérieure de la zone indiquée il faudra diminuer d'autant la proportion de silicium. Sans cela il tend à se former du carbone libre dans l'alliage brut de fonderie, et oela rend le produit moins apte au forgeage.
Le manganèse peut aussi exister en proportions supérieures à. cellequi se trouvent ordinairement dans un acier au carbone, et plus précisément en proportion quelconque entre environ 0,2 et 1 %. Le manganèse peut remplacer partiellement le chrome qu'on pourrait sans cela employer pour améliorer la cureté de nitruration, et il a l'avantage de servir de générateur decar- bure contrebalançant dans une certaine mesure l'action graphi- ti sante de l'aluminium et au silicium, maisil ne tend pas, comme le chrome, à stabiliser lescarbures à un point qui em- pêche les carbures de se décomposer pour produire du carbone a l'état graphtique lorsqu'on soumet l'alliage à un traitement thermique de graphitisation.
On établira de la façon optimum les proportions des élé- ments promoteurs de nitrurations de carburation et de graphiti- sation de manière que l'acier spécial brut de couléecontienne tout au plus d'infimes quantités de carbone libre et qu' il n'ait que peu sinon pasde tendance à former au carbone graphitique pendant le réchauffage à la température de forgeage et pendant cette opération elle-même. En même temps, il faut que le carbone combiné se prête à un traitement thermique de graphitisation et à une facile décomposition avec formation de carbone graphiti- que, afin que le produit résultant de ce traitement thermique de graphitisation ait une teneur en carbone combiné comprise entre 0,2 et 0,8%, le surplus étant bien réparti sous forme
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de nobles ou de paillettes.
Si l'on a soigneusement à l'esprit le comportement réciproque des divers éléments indiqués aiuant à leur aptitude à favoriser la nitruration, à former du carbure et quant à l'aptitude de ces carbures à réagir au traitement thermique de graphitisation tendant à former une structure gra- phitique voulue, il devient relativement facile de déterminer par un petit nombre d'essais préliminaires comment il faut faire varier les proportions relatives de ces éléments dans les limi- tes sus-indiquées de manière à obtenir le résultat désiré.
Les compositions comprises dans les limites ci-après pos- sèdent des propriétés très intéressantes nonsseulement du point de vue de leur aptitude à la nitruration et à un usinage facile à l'état non nitruré consécutif à un traitement thermique de graphitisation, mais aussi parce qu'elles se prêtent bien au forgeage et qu'ellessont caractérisées par une ténacitéet une limite élastique relativement élevées:
Carbone total 1,25- 1,50 %
Mn 0,40 - 0,60 %
Si 1,25 - 1,50
A1 1. 00-1,50%
Cr 0,20 - 0,40 %
Mo 0,20 - 0,30 %
Coulée n 4965-
A titre d'exemple spécifique on a fondu au four électrique une coulée d'environ 225 kg. Après coulée en lingots on a trans- formé le métal par laminage en barres de 25 mm de diamètre.
De ces barreson a enlevé environ 15/10 de mm avant de letraiter thermiquement, afin d'éviter les fissures de durcissement.
La coulée avait la composition suivante :
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Carbone 1,31% Manganèse 0,53 % Silicium 1,20% Chrome 0,43% Molybdène 0,26 % .aluminium 1,49 %
On a soumis des tronçons de longueur suffisante pour des essais à la traction à une trempe à l'huile à partir d'une tem- pérature de 1000 C suivie d'un revenu à une température de 746 C pendant des périodes variables. On a déterminé le carbone graphi- tique sur les spécimens thermiquement traités. Les tableaux I et II donnent les résultats obtenus.
Tableau 1
EMI11.1
<tb> : <SEP> Dureté <SEP> :Carbone: <SEP>
<tb>
<tb> Echantillon <SEP> : <SEP> Traitement <SEP> thermique <SEP> :Rockwell: <SEP> graphi-:
<tb>
<tb> : <SEP> n <SEP> : <SEP> "C" <SEP> "tique"
<tb>
EMI11.2
:------.¯----:---------------------------:---------:--------:
EMI11.3
<tb> :C1-1H <SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 1 <SEP> h. <SEP> trempe <SEP> huile <SEP> 19 <SEP> 0,78 <SEP> : <SEP>
<tb>
<tb> 746 C <SEP> 5 <SEP> h.
<tb>
EMI11.4
:
C1 - 18 10001 0 1 1 h trempe huile : 17 0,84 :
EMI11.5
<tb> 746 C <SEP> 10 <SEP> ho
<tb>
<tb> : <SEP> : <SEP> :
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> :C1- <SEP> 14 <SEP> : <SEP> 1000 C <SEP> 1 <SEP> ho <SEP> trempe <SEP> huile <SEP> : <SEP> 15 <SEP> 0,84 <SEP> : <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> 7469 <SEP> C <SEP> 15 <SEP> h.
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb> ci <SEP> - <SEP> 15 <SEP> : <SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 1 <SEP> h. <SEP> trempe <SEP> huile <SEP> : <SEP> 14 <SEP> 0,87 <SEP> :
<tb>
<tb>
<tb> : <SEP> : <SEP> 746 <SEP> C <SEP> 20 <SEP> h. <SEP> : <SEP> : <SEP>
<tb>
Tableau II
EMI11.6
<tb> Limite: <SEP> charge <SEP> de:
<tb>
<tb> Echantillon <SEP> élastique <SEP> rupture <SEP> : <SEP> Allongement <SEP> : <SEP> Striction
<tb>
<tb> : <SEP> n <SEP> : <SEP> kg/cm2 <SEP> kg/cm2 <SEP> sur <SEP> 50 <SEP> mm <SEP> :
<SEP>
<tb>
EMI11.7
:----¯.¯-----:--------:-----------:------¯.¯----:-----------:
EMI11.8
<tb> Cl <SEP> - <SEP> 1H <SEP> : <SEP> 5915 <SEP> 7628 <SEP> 17,5% <SEP> 19,4 <SEP> % <SEP> : <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> CI-18 <SEP> 5118 <SEP> 7065 <SEP> 17,0% <SEP> 17,4 <SEP> % <SEP> : <SEP>
<tb>
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<tb>
<tb> c1- <SEP> 14 <SEP> 5026 <SEP> 6855 <SEP> : <SEP> 16,5 <SEP> % <SEP> 18,6 <SEP> % <SEP> : <SEP>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> CI <SEP> - <SEP> 16 <SEP> 5019 <SEP> 6749 <SEP> : <SEP> 18,0% <SEP> 21,5%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> : <SEP> : <SEP> : <SEP> ; <SEP> : <SEP>
<tb>
<tb>
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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Résultats de nitruration.
On a trampé à l'huile à partir de 10000 C et revenu à 746 C pendant 5 heures, puis nitruré à 524 C pendant 48 heures un spécimen afin de déterminer la courbe de dureté en fonction de la profondeur. On trouvera les résultats à la figure 17.
On observera que les propriétés de dureté sont excellentes.
Coulée N EX-2054.
On a composé une autre coulée contenant des pourcentages de carbone et de chrome un peu moins élevés. On a converti le produit obtenu en barres de 25 et 50 mm par laminage. La chaude était ainsi composée:
Carbone 1,17
Manganèse 0,52
Phosphore 0,016
Soufre 0,011
Silicium 1,28 .Aluminium 1,35
Chrome 0,22
Molybdène 0,23
Tableau III.
EMI12.1
: Éohàntilion : : fiuieté : carb3ne n Traitement thermique : Ropkwell graphiti- : 8¯¯¯¯¯¯-------.-------------------------. C . nue w ¯¯i¯w.¯...¯.¯,.¯¯¯¯¯¯.¯¯..¯..¯¯¯..¯..e,. w.¯ - ¯...¯¯:¯....¯ ¯..
EMI12.2
<tb> :
<tb>
<tb> :B3- <SEP> 10 <SEP> : <SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 1 <SEP> h. <SEP> trempe <SEP> huile: <SEP> 9,5 <SEP> 0,86
<tb>
<tb> : <SEP> 7460 <SEP> C <SEP> 5 <SEP> h.
<tb>
EMI12.3
; B3 - il : 10000 C l.h. trempe huile: 8,5 0,91
EMI12.4
<tb> : <SEP> 7469 <SEP> C <SEP> 10 <SEP> h.
<tb>
EMI12.5
: B3 - 12 : 00 C lh. trempe huile: 7,3 1,01
EMI12.6
<tb> 746 <SEP> C <SEP> 15 <SEP> h.
<tb>
<tb>
<tb>
:B3- <SEP> 13 <SEP> :1000 <SEP> C <SEP> 1 <SEP> h, <SEP> trempe <SEP> huile: <SEP> 6,5 <SEP> 1,13
<tb>
<tb> 746 <SEP> C <SEP> 20 <SEP> h.
<tb>
<Desc/Clms Page number 13>
EMI13.1
<tb>
Limite <SEP> : <SEP> Charge <SEP> de
<tb>
<tb> Echantillon <SEP> élastique <SEP> rupture <SEP> Allongement <SEP> : <SEP> Striction
<tb>
EMI13.2
no kg/cm : kg/cm2 mr 50 mn : ###j.## #### ##### ###.## ..####
EMI13.3
<tb> :B3-10 <SEP> 5062 <SEP> 6397 <SEP> 18,8% <SEP> 23,0%
<tb>
EMI13.4
BS - 11 4907 6102 19,3% 26p4 %
EMI13.5
<tb>
<tb>
EMI13.6
BS - 12 4668 5884 18,5% z : : B3 - 13 4738 5863 z 21,5 - ¯¯¯¯J!¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯
Les figures 9 à 16 inclusivement montrent les microstruc- tares de sections longitudinales préparées sur les éprouvettes de traction. On remarquera qu'on a obtenu dans tous les cas une excellente répartition de petites zones de carbone graphitique ou " de revenu ".
On a nitruré pendant 48 heures à la température de 524 C des spécimens préalablement traités thermiquement et graphitisés suivant la technique indiquée pour le spécimen B3- 10. On a obtenu un résultat très satisfaisant ainsi que le révèle la courbe de dureté en fonction de la profondeur que montre la fi- gure 17.
L'aptitude à l'usinage du métal après graphitisation par- tielle pour les diverses périodes indiquées a été excellente, et tous les spécimens présentaient une bonne combinaison de charge de rupture et de ductilité.
On aura une idée plus précise du comportement de diverses proportions des constituants d'alliage précités comprises dans les limites définies par la présente invention en considérant le tableau suivant qui donne les analyses de plusieurs autres coulées ainsi que le degré de graphitisation obtenu :
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Tableau IV Analyses d'aciers alliés.
EMI14.1
<tb> :A <SEP> : <SEP> C: <SEP> D: <SEP> E <SEP> : <SEP> F
<tb>
EMI14.2
:------:---:------:------:--------:
EMI14.3
<tb> Carbone <SEP> total <SEP> 1,50: <SEP> 1,13 <SEP> : <SEP> 1,31 <SEP> : <SEP> 1,41 <SEP> : <SEP> 1,44 <SEP> : <SEP>
<tb>
<tb> : <SEP> Carbone <SEP> graphitique <SEP> : <SEP> 1,05 <SEP> : <SEP> 0,60 <SEP> : <SEP> 0,73: <SEP> 0,71 <SEP> : <SEP> 1,11
<tb>
<tb>
EMI14.4
MAnganèse 0,54 : 0,58 : 0,59 s 0,58 : 0,34 :
EMI14.5
<tb> Silicium <SEP> 1,37 <SEP> :
<SEP> 1,72 <SEP> : <SEP> 1,61 <SEP> : <SEP> 1,53: <SEP> 1,49 <SEP> : <SEP>
<tb>
<tb> : <SEP> : <SEP> : <SEP> : <SEP> : <SEP> : <SEP> :
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> :1,59 <SEP> :1,29 <SEP> : <SEP> 1,09 <SEP> : <SEP> 1,22 <SEP> : <SEP> 1,92 <SEP> : <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 0,33 <SEP> : <SEP> 0,30 <SEP> : <SEP> 0,42 <SEP> : <SEP> 0,55 <SEP> : <SEP> 0,34 <SEP> : <SEP>
<tb>
EMI14.6
Molybdène 0, 30 : 0, 85 : 0,33 0,3 : 0,28 :
Réchauffés à température de forgeage au voisinage de 1010 C puis forgés à cette température, refroidis à l'air, réchauffés ensuiteet maintenuspendant 1 heure à 1000 c, puis refroidis à l'air et finalement réchauffés à 816 C pendant cinq heures, les aciers "A" et "E" du tableau précédent ont présenté les propriétés physiques suivantes :
EMI14.7
A E ;¯¯¯¯¯..¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯;..¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯..;
EMI14.8
<tb> Charge <SEP> de <SEP> rupture <SEP> 7065 <SEP> kg/cm2 <SEP> 8155 <SEP> kg/cm2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Limite <SEP> élastique <SEP> 5048 <SEP> kg/cm2 <SEP> 5343 <SEP> kg/om2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Striction <SEP> 41,8% <SEP> 28,0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Allongement <SEP> 23,5% <SEP> 15,5%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Dureté <SEP> Rockwell <SEP> "C" <SEP> 13,5 <SEP> % <SEP> 20,0 <SEP> % <SEP>
<tb>
EMI14.9
Dureté Brinell 187 -------
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On a obtenu les valeurs ci-dessus sur des coulées préparées par fusion dans un four à induction et coulées en lingots d'en- viron 18 kg. mesurant environ 114 x 114 x 300 mm.
On a réchauffé ces lingots et on les a convertis par forgeage en barres rondes d'environ 25 mm, qu'on a refroidies à l'air et soumises ensuite au traitement thermique précédemment indiqué.
Comme on le voit d'aprèsles figures 20 et 21 le produit résultant de ce traitement est caractérisé par une micro structure dans laquelle une partie du carbone, ordinairement 0,2 à 0,8 % suivant la composition, existe sous forme combinée, le restant du carbone étant bien réparti sous tonne nodulaire ou en pail- lettes.
Après avoir forgé et traité thermiquement comme il a été dit un certain nombre de spécimens répondant aux diverses ana- lyses exposées au Tableau IV, on les a usinés et soumis a un traitement de nitruration par l'ammoniac pendant 48 heures à une température de 5240 C.
Le tableau suivant donne la dureté de coeur, la dureté de couche superficielle et 1' épaisseur de croûte obtenues.
Tableau V
D u r e t é.
EMI15.1
<tb>
: <SEP> Acier: <SEP> :Coeur:Croûte: <SEP> Epaisseur
<tb>
<tb> allié <SEP> Recueil <SEP> " <SEP> C <SEP> " <SEP> : <SEP> Rookwell <SEP> 15 <SEP> N <SEP> : <SEP> de <SEP> croûte
<tb>
EMI15.2
:--------:------------------:-----------------:-------------!
EMI15.3
<tb> A <SEP> 13,5 <SEP> : <SEP> 92,5 <SEP> 0,38 <SEP> mm
<tb>
<tb> : <SEP> : <SEP> : <SEP> : <SEP> :
<tb>
<tb> : <SEP> C <SEP> 14,0 <SEP> : <SEP> 91,0 <SEP> 0,38 <SEP> mm
<tb>
<tb> : <SEP> :
<tb>
<tb>
<tb> D <SEP> 22,5 <SEP> : <SEP> 93,0 <SEP> 0,30 <SEP> mm
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<tb> :
<tb>
<tb>
<tb> : <SEP> E <SEP> 20,0 <SEP> : <SEP> 93,0 <SEP> 0,38 <SEP> mm
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb> F <SEP> 14,0 <SEP> : <SEP> 92,7 <SEP> : <SEP> 0,33 <SEP> mm <SEP> :
<tb>
<tb>
<tb> : <SEP> : <SEP> :
<SEP> :
<tb>
<Desc/Clms Page number 16>
Les figures 18 et 19 montrent la microstructure d'une sec- tion longitudinale d'un spécimen nitruré répondant à l'analyse A
Les coulées répondant aux analyses C,D et F ont toutes été préparées de la même manière que celles répondant aux analyses A et E, par fusion au four à induction, sauf que pour C, D et F on a préparé des lingotsde 3 kgs. environ.
Dans la pratique industrielle il sera généralement dé,si- rable de soumettre le produit laminé ou forgé à chaud au trai- tement themique de graphitisation à l'aciérie même ou avant de le livrer au client. Il est alors prêt pour l'usinage et au- tres opérations finales de façonnage et de finition. Si l'on doit s'en servir sans traitement de durcissement superiiciel final par nitruration il n'en sera pas moins désirable de sou- mettreles pièces usinées à un traitement final de normalisa- tion ou de recuit pour faire disparaître les tensions qu'aura pu faire naître l'opération de façonnage finale.
Si on le désire, ce traitement thermique final peut comprendre un refroidissement accéléré à partir d'une température légèrement supérieure à la zone de transformation, auquel cas les pièces acquerront une plus grande dureté suivant la teneur en carbone combiné et la rapidité du refroidissement.
Si l'acier est destiné à être nitruré on peut le dégrossir à sa sortie du traitement thermique de graphitisation, puis le réchauffer à une température supérieure à la zone de transforma- tion et le tremper. Après réchauffage à une température infé- rieure convenable pour le recuit destiné à créer les propriétés physiques désirées, on pourra ensuite soumettre le produit au traitement de nitruration classique, puis l'amener à la cote finale par rectification ou rodage.
D'autre manière, on peut soumettre le produit à l'usinage
<Desc/Clms Page number 17>
final avant de le nitrurer, soit aussitôt après le traitement thermique de graphitisation soit après que l'ébauche aura été dégrossie, puis réchauffée, trempée et revenue.
Si l'on ne désire pas augmenter la dureté du coeur on peut supprimer les opérations de trempe et de revenu puisque le traitement thermique de graphitisation aura amené les carbures présents à l'état sphéroïdal assurant une nitmration satisfai- sante.
Il va sans dire que les dimensions du lingot et les condi- tions de fusion de l'alliage influeront quelque peu sur l'apti- tude de la composition à conserver le carbone principalement sous forme combinée et en solution à la suite des étapes de cou- lée et de solidification et pendant les opérations ultérieures de réchauffage et de forgeage à chaud. D'une façon générale, pour éviter autant que possible la formation de graphite plus ou moins libre dans la partie intérieure du lingot pendant ces stades préliminaires de la production il sera désirable d'aug- menter la proportion des éléments générateurs de carbure tout en abaissant ou maintenant constantes les proportions des élé- ments graphitisants.
De même, la section du produit final influera quelque peu sur le degré de graphitisation et les propriétés physiques d'une composition d'alliage donnée, et lorsqu'il s'agit d'obtenir un produit de section relativement épaisse il faut en tenir oompte pour modifier convenablement les proportions des cons- tituants de l'alliage. Par exemple, pour assurer que les régions intérieures d'une pièce de section relativement épaisse réagi- ront au traitement thermique de graphitisation et posséderont des propriétés physiques convenables, il sera généralement désirable d'augmenter quelque peu les proportions d'éléments
<Desc/Clms Page number 18>
stabilisateurs du carbure telsque le chrome, le manganèse et la vanadium tout en augmentant de façon correspondante les pro- portions des agents graphitisants plus efficaces.
Les aciers graphitiques répondant aux compositions com- prises dans les limites précédemment spécifiées se prêtent à maintes applications utiles autres que pour servir à former des produits durcis par nitruration, et toutes ces applications entrent dans le cadre de la présente invention. Traités ther- miquement et nitrurés, lesaciers ainsi dosés peuvent trouver de multiples emplois intéressants comprenant, en outre de ceux qu'on a précédemment indiqués pour les aciers graphitiques, la production de fourreaux de cylindre rapportés, de corps de cylindre, de pièces d'injecteur pour moteurs Diesel, de four- reaux et manchons de pompe, de tambours de frein, de disques d'embrayage, de roues dentées, de trépans, etc...
Là où, dans le résumé ci-après, le chrome est indiqué comme l'un des constituants d'alliage, il doit être entendu que lespourcentages de chrome spécifiés peuvent être remplacés en totalité ou en partie par un pourcentage équivalent de vanadium dans les limites de 0,1 à 0,3 % de vanadium., et que le ternie "chrome" devra être interprété en conséquence.
Bien qu'on ait spécifié la gamme préférable des proportions et qu'on ait fait mention de plusieurs analyses particulières à titre d'exemple et pour illustrer quelques compositions ayant donné éminemment satisfaction pour des usages généraux, il doit être entendu que ces citations n'ont aucun caractère limitatif et sont susceptibles de toutes' les modifications qui entrent dans le cadre de l'invention tel qu'il a été précédemment défini. De même, là où l'on a fait état d'un traitement thermi- que, d'un travail ou de conditions spéciales de traitement,
<Desc/Clms Page number 19>
l'invention n'est nullement censéese limiter 1. ces exemples particuliers.
EMI19.1
B 3 V 3N D I G à T 1 0 h S*
1 ) Un acier spécial contenant 1 à 2 % de carbone, 0,5 à 2,5 % d'aluminium, 0,5 à 1,75 % de silicium, 0,2 à 0,6 % de chrome, 0,2 à 0,75 % de molybdène et 0,2 à 1,0 % de manganèse, le restant étant à peu près entièrement du fer, caractérisé par son aptitude à réagir à un traitement thermique de graphi- tisation par la formation de particules graphitiques uniformé- ment réparties dans une masse de ferrite en association avec 0,2 à 0,8 % de carbone combiné, cet acier étant caractérise en ou- tre par son aptitude à acquérir une surface dure lorsqu'on le soumet à un traitement de nitruration.
2 ) Un acier spécial contenant 1,25 à 1,50 % de carbone, 0,4 à 0,6 % de manganèse, 1,25 à 1,50 % de silicium, 1,0 à 1,5% d'aluminium, 0,2 à 0,4 % de chrome, 0,2 à 0,3 % de molybdène et pour le reste à peu près uniquement du fer, caractérisé par son aptitude à être travaillé à chaud sans formation sensible de carbone graphitique pendant son réchauffage à la température de travail à chaud, ainsi que par son aptitude à réagir à un trai- tement de graphitisation par la formation de particules graphi- tiques uniformément réparties dans une masse de ferrite en as- sociation avec 0,2 à 0,8 % de carbone combiné,
cet acier étant caractérisé en outre par son aptitude à acquérir une surface dure lorsqu'on le soumet à un traitement de nitruration.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
<Desc / Clms Page number 1>
"Special graphitic steels".
The present invention relates to ferrous alloys, and more particularly to a new graphite steel as well as to the worked and / or heat-treated products made therefrom.
In recent years graphitic steels have been developed for various uses, such as moving parts of valves, connecting rods, mtrioes and other applia- tions in which high wear resistance is particularly appreciated. and a low coefficient of friction. These steels are also distinguished by their good machining properties.
<Desc / Clms Page number 2>
Previous commercial graphitic steels generally had a carbon content of 1.5% and above and contained about 0.8% silicon and about 0.25% molybdenum. There is also commercially available graphitic steel of otherwise similar composition but containing about 0.5% molybdenum and about 2.8% tungsten for uses requiring a relatively high core strength.
Most of the graphitic steels which have hitherto been commercially available were characterized, in their graphitized form, by the presence of 0.8% or more of carbon in combined form; in other words, they have the carbon content of eutectoid and nypereutectoid steels and exhibit similar physical properties to these steels when subjected to heat treatment. Earlier graphitic steels had the same defects as ordinary carbon steels in distortion and warping when attempted to harden them by treatments involving the use of relatively high temperatures followed by accelerated cooling.
In addition, the hardness which they may have acquired by heat treatment is lost if the parts are overheated in service, and they do not recover this hardness by cooling.
It has been found that by preparing special graphitic steels possessing interesting and useful properties for many applications in addition to those to which graphitic steels have already been assigned by adding judiciously proportioned proportions of aluminum ,,, chromium. and molybdenum to alloy steel compositions containing 1 to 2% carbon and silicon in amounts sufficient to promote partial carbon graphitization in the absence of other complements
<Desc / Clms Page number 3>
alloys specified.
More particularly, it has been found that when chromium and similar carbide stabilizing elements, such as manganese and vanadium, exist in measured proportions as will be explained below, it is possible to control their tendency to prevent the graphitization of the carbon present when the steel is subjected to a suitable heat treatment by adding aluminum for this and suitably controlling the relative amounts and proportions of aluminum and silicon present. This makes it possible to produce special steels with extremely satisfactory physical properties after hot working followed by a heat treatment of graphitization which makes them suitable for many uses with or without additional treatment.
It has further been found that the new special steels thus obtained are capable of acquiring a high degree of nitriding hardness when they are suitably treated and then nitrided according to the technique well known for this purpose.
The invention also provides that said special steels can be converted into nitrided products having the great surface hardness of nitrided steels as well as self-lubricating and wear resistance properties which are even better than those of graphitic steels previously. known.
One of the objects of the present invention is to provide an improved special steel having the desirable physical properties and the aptitudes for improvement by suitable thermal treatment and by nitriding as has just been said.
The invention also aims to produce an improved special steel capable of being worked and shaped while hot and then heat-treated in order to create a structure therein.
<Desc / Clms Page number 4>
physical characterized by the presence of free graphitic carbon distributed in a mass composed mainly of ferrite and containing 0.2 to 0.8% of combined carbon, this steel being capable, in this state, of acquiring a / great surface hardness following a nitriding treatment.
Another object of the invention is to create an improved special graphitizable steel capable of being hot-worked and of reacting to a graphitization heat treatment intended to give it a physical structure characterized by the presence of graphite distributed more or less uniformly. and usually largely in a nodular volume in a mass of ferritic steel, this steel having a good combination of tensile strength, elastic limit and ductility in the graphitized state.
Other advantages and objects will become apparent in the course of the description which follows, in which reference will be made to the appended drawing of which FIGS. 1 and 2 are microphotographs magnified 100 and 500 times respectively and showing, for a typical steel composition within the scope of the present invention and hereinafter referred to as Cast No. 4965-A2, 1a. microstructure of a longitudinal section of a specimen. taken from a hot-rolled bar 25 mm in diameter, previously quenched from a temperature of 900 ° C. and then subjected to a heat treatment of graphitization for a period of 5 hours.
Figures 3 and 4 are similar photomicrographs showing, with a magnification of 100 and 500 times respectively, the microstructure of a longitudinal section of a similar specimen of the same steel composition having undergone an identical heat treatment of 'a duration of 10 hours.
<Desc / Clms Page number 5>
Figures 5 and 6 are similar photomicrographs showing, with a magnification of 100 and 500 times respectively, the microstructure of a longitudinal section of another similar specimen of the same steel composition after having undergone a heat treatment. analogue with a duration of 15 hours.
Figures 7 and 8 are photomicrographs similar to those of Figures 5 and 6 and show yet another identical specimen of the same steel composition after having undergone an identical heat treatment lasting 20 hours.
Figures 9 and 10, 11 and 12, 13 and 14, 15 and 16 are photomicrographs showing, still with magnifications of 100 and 500 times respectively, for another exposure of steel coming within the scope of the present invention and which will be referred to as cast n EX-2054., the microstructure of longitudinal sections of four identical specimens bearing the names Samples BS-10, -11 ,, -12, and -18 and taken from a 25 hot-rolled bar. mm in diameter and subjected to a thermal graphitization treatment lasting 5 hours (B3-10), 10 hours (B3-11), 15 hours (BE-12) and 20 hours (B3-13).
Fig. 17 is a graph showing the hardness-depth curves of the two above-mentioned steel compositions obtained by nitriding the specimens shown in Figs. 1 and 2, 9 and 10 and subjected to a thermal graphitization treatment. a duration of 5 hours.
Figures 18-21 are photomicrographs of another steel composition covered by the invention hereinafter referred to as "Steel A", viewed in longitudinal section; figure 18 shows the microstructure, magnified 100 times, of the surface layer and
<Desc / Clms Page number 6>
of the heart; Figures 19 and 20 show with a magnification of 500 times the microstructure of the surface layer and of the core respectively; Figure 21 shows, magnified 100 times, the distribution of graphite in the cross section of the core, all after heat treatment of graphitization and nitriding.
The alloy compositions according to the present invention have a carbon content of between 1 and 2% and preferably, for most uses, between 1 and 1.5%. They also contain 0.5 to 2.5% aluminum, 0.5 to 1.75% silicon, 0.2 to 0.6% chromium, 0.2 to 0.75% molybdenum and 0.2 to 1% manganese. Optionally vanadium can also be present in amounts of 0.1 to 0.3%. The remainder of the alloy consists of iron, apart from small quantities of sulfur, phosphorus and other elements present as impurities in the proportions normally introduced with the scrap used to prepare the alloy.
In order to arrive at the combinations and proportions of the elements listed above such as to ensure the best results for a given use, it is important to choose and proportion the elements promoting nitriding, stabilizing carburizing and promoting graphitization so as to ensure that the carbon present in the resulting composition remains almost completely or mainly in combined form or as a solid solution as a result of the casting and solidification operations as well as during the subsequent reheating and holding operations at such operating temperature and, at least to a large extent, during hot work,
'but also in such a way as to allow decomposition to the carbide when the steel thus worked hot is brought to a temperature above the trance zone
<Desc / Clms Page number 7>
training and kept there until it has roughly been brought to. the austenitic state, then quenched or cooled in air and then brought to a temperature approaching without reaching the transformation zone, in other words below the Aol point for the composition considered, to maintain it at this temperature for a relatively short period of 5 to 20 hours. Usually, it is preferable to carry out this final thermal graphitization treatment at a temperature between 780 ° C. and point Ac1.
Aluminum plays a particularly important role in the special steel compositions according to the invention because it acts both as a nitration promoter and as a graphitizing agent. Everyone knows that aluminum acts as a graphitizer and that chromium is eminently capable of delaying this action. Particular care has been taken in adjusting the proportions of silicon and aluminum as graphitizing agents relative to chromium and manganese in order to achieve the desired microstructure in the heat treated product.
It is also known that chromium promotes hardness of nitriding and that the most commonly used nitrating steels contain 1 to 2% chromium. However, the addition of such high percentages of chromium to a steel which otherwise has gmphitic properties results in a stabilization of the carbide to such an extent that it cannot be counterbalanced by the addition of aluminum and silicon, graphitizing elements, in proportions which would otherwise ensure a satisfactory microstructure from the point of view of graphitization and give rise in time to a composition which lends itself well to machining and nitration.
It follows that so be careful; in the use of chromium in compositions
<Desc / Clms Page number 8>
according to the present invention and not to exceed a proportion of 0.6%.
Molybdenum has been recommended as a graphitizing agent, but experience indicates that its power in this respect is moderate. Certainly the molybdenum contributes somewhat to effecting the nitriding hardening and increasing the depth of the hardened layer. It contributes to a greater extent to improving the physical properties of the special steels according to the present invention. It follows that one can usefully add molybdenum in a rather wide range of percentages without fear that it will be inconvenient as to the possibility of adjusting at will the ratio between the combined carbon and the graphitic carbon in the final product. thermally treated. Usually, a proportion of molybdenum of between 0.2 and 0.45% will suffice.
Vanadium is a carbide-generating element, but it can be used in low doses with good resiliates to improve the nitriding ability and the physical properties of the alloy. Vanadium in proportions varying between 0.1 and 0.3% serves to improve the grain structure and the physical properties and, moreover; acts favorably on the aptitude for nitriding. Higher percentages are generally not desirable because of the tendency for the formation of refractory carbides to the heat treatment of graphitization. Of course, if both vanadium and chromium are added, the overall percentage should be adjusted so as to reduce as much as possible the tendency to form stable carbides.
Silicon should be used in moderate proportions, both because it complements the graphitizing action of the aluminum and because an increase in the silicon content.
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Cium tends to decrease the forging ability of the composition.
When the proportions of aluminum included in the upper part of the zone indicated are used, the proportion of silicon must be reduced accordingly. Otherwise, free carbon tends to form in the as-cast alloy, and this makes the product less suitable for forging.
Manganese can also exist in proportions greater than. that which is ordinarily found in carbon steel, and more precisely in any proportion between about 0.2 and 1%. Manganese can partially replace chromium which might otherwise be used to improve nitriding curness, and has the advantage of serving as a carbon generator counterbalancing to some extent the graphitizing action of aluminum. and silicon, but it does not tend, like chromium, to stabilize the carbides to a point which prevents the carbides from decomposing to produce carbon in the graphtic state when the alloy is subjected to a graphitization heat treatment .
The proportions of the nitriding, carburizing and graphitizing promoter elements will be established in the optimum manner so that the crude special steel contains at most minute quantities of free carbon and that it has only little if any tendency to form graphitic carbon during reheating to forging temperature and during this operation itself. At the same time, the combined carbon must lend itself to a graphitization heat treatment and easy decomposition with the formation of graphitic carbon, so that the product resulting from this graphitization heat treatment has a combined carbon content of between 0.2 and 0.8%, the surplus being well distributed in the form
<Desc / Clms Page number 10>
noble or glitter.
If one has carefully in mind the reciprocal behavior of the various elements indicated as regards their ability to promote nitriding, to form carbide and as to the ability of these carbides to react to the heat treatment of graphitization tending to form a In the desired graphic structure, it becomes relatively easy to determine by a small number of preliminary trials how to vary the relative proportions of these elements within the above-mentioned limits so as to obtain the desired result.
The compositions included within the limits below have very advantageous properties, not only from the point of view of their aptitude for nitriding and for easy machining in the non-nitrided state following a heat treatment of graphitization, but also because 'they lend themselves well to forging and are characterized by relatively high toughness and elastic limit:
Total carbon 1.25- 1.50%
Mn 0.40 - 0.60%
Si 1.25 - 1.50
A1 1.00-1.50%
Cr 0.20 - 0.40%
Mo 0.20 - 0.30%
Casting No. 4965-
As a specific example, a casting of about 225 kg was melted in an electric furnace. After casting into ingots, the metal was rolled into bars 25 mm in diameter.
From these bars about 15/10 of a mm was removed before heat treating it, in order to avoid hardening cracks.
The casting had the following composition:
<Desc / Clms Page number 11>
Carbon 1.31% Manganese 0.53% Silicon 1.20% Chromium 0.43% Molybdenum 0.26% .aluminum 1.49%
Sections of sufficient length for tensile testing were subjected to oil quenching from a temperature of 1000 ° C. followed by tempering at a temperature of 746 ° C. for varying periods. Graphical carbon was determined on heat treated specimens. Tables I and II give the results obtained.
Table 1
EMI11.1
<tb>: <SEP> Hardness <SEP>: Carbon: <SEP>
<tb>
<tb> Sample <SEP>: <SEP> Heat treatment <SEP> <SEP>: Rockwell: <SEP> graphi-:
<tb>
<tb>: <SEP> n <SEP>: <SEP> "C" <SEP> "tick"
<tb>
EMI11.2
: ------. ¯ ----: ---------------------------: -------- -: --------:
EMI11.3
<tb>: C1-1H <SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 1 <SEP> h. <SEP> quenching <SEP> oil <SEP> 19 <SEP> 0.78 <SEP>: <SEP>
<tb>
<tb> 746 C <SEP> 5 <SEP> h.
<tb>
EMI11.4
:
C1 - 18 10001 0 1 1 h oil quenching: 17 0.84:
EMI11.5
<tb> 746 C <SEP> 10 <SEP> ho
<tb>
<tb>: <SEP>: <SEP>:
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>: C1- <SEP> 14 <SEP>: <SEP> 1000 C <SEP> 1 <SEP> ho <SEP> quenching <SEP> oil <SEP>: <SEP> 15 <SEP> 0.84 < SEP>: <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> 7469 <SEP> C <SEP> 15 <SEP> h.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> ci <SEP> - <SEP> 15 <SEP>: <SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 1 <SEP> h. <SEP> quenching <SEP> oil <SEP>: <SEP> 14 <SEP> 0.87 <SEP>:
<tb>
<tb>
<tb>: <SEP>: <SEP> 746 <SEP> C <SEP> 20 <SEP> h. <SEP>: <SEP>: <SEP>
<tb>
Table II
EMI11.6
<tb> Limit: <SEP> load <SEP> of:
<tb>
<tb> Sample <SEP> elastic <SEP> rupture <SEP>: <SEP> Elongation <SEP>: <SEP> Striction
<tb>
<tb>: <SEP> n <SEP>: <SEP> kg / cm2 <SEP> kg / cm2 <SEP> on <SEP> 50 <SEP> mm <SEP>:
<SEP>
<tb>
EMI11.7
: ---- ¯.¯ -----: --------: -----------: ------ ¯.¯ ----: - ----------:
EMI11.8
<tb> Cl <SEP> - <SEP> 1H <SEP>: <SEP> 5915 <SEP> 7628 <SEP> 17.5% <SEP> 19.4 <SEP>% <SEP>: <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> CI-18 <SEP> 5118 <SEP> 7065 <SEP> 17.0% <SEP> 17.4 <SEP>% <SEP>: <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> c1- <SEP> 14 <SEP> 5026 <SEP> 6855 <SEP>: <SEP> 16.5 <SEP>% <SEP> 18.6 <SEP>% <SEP>: <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> CI <SEP> - <SEP> 16 <SEP> 5019 <SEP> 6749 <SEP>: <SEP> 18.0% <SEP> 21.5%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>: <SEP>: <SEP>: <SEP>; <SEP>: <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<Desc / Clms Page number 12>
Nitriding results.
A specimen was oiled from 10,000 C and tempered at 746 C for 5 hours, then nitrided at 524 C for 48 hours to determine the hardness versus depth curve. The results are shown in Figure 17.
It will be observed that the hardness properties are excellent.
Cast N EX-2054.
Another cast was composed containing slightly lower percentages of carbon and chromium. The obtained product was converted into 25 and 50 mm bars by rolling. The hot was as follows:
Carbon 1.17
Manganese 0.52
Phosphorus 0.016
Sulfur 0.011
Silicon 1.28. Aluminum 1.35
Chromium 0.22
Molybdenum 0.23
Table III.
EMI12.1
: Éohàntilion:: fiuieté: carb3ne n Heat treatment: Ropkwell graphiti-: 8¯¯¯¯¯¯ -------.-------------------- -----. VS . nue w ¯¯īw.¯ ... ¯.¯, .¯¯¯¯¯¯.¯¯..¯..¯¯¯..¯..e ,. w.¯ - ¯ ... ¯¯: ¯ .... ¯ ¯ ..
EMI12.2
<tb>:
<tb>
<tb>: B3- <SEP> 10 <SEP>: <SEP> 1000 <SEP> C <SEP> 1 <SEP> h. <SEP> quenching <SEP> oil: <SEP> 9.5 <SEP> 0.86
<tb>
<tb>: <SEP> 7460 <SEP> C <SEP> 5 <SEP> h.
<tb>
EMI12.3
; B3 - il: 10,000 C l.h. oil quenching: 8.5 0.91
EMI12.4
<tb>: <SEP> 7469 <SEP> C <SEP> 10 <SEP> h.
<tb>
EMI12.5
: B3 - 12: 00 C lh. oil quenching: 7.3 1.01
EMI12.6
<tb> 746 <SEP> C <SEP> 15 <SEP> h.
<tb>
<tb>
<tb>
: B3- <SEP> 13 <SEP>: 1000 <SEP> C <SEP> 1 <SEP> h, <SEP> quenching <SEP> oil: <SEP> 6.5 <SEP> 1.13
<tb>
<tb> 746 <SEP> C <SEP> 20 <SEP> h.
<tb>
<Desc / Clms Page number 13>
EMI13.1
<tb>
Limit <SEP>: <SEP> Load <SEP> of
<tb>
<tb> Sample <SEP> elastic <SEP> rupture <SEP> Elongation <SEP>: <SEP> Striction
<tb>
EMI13.2
no kg / cm: kg / cm2 mr 50 mn: ### j. ## #### ##### ###. ## .. ####
EMI13.3
<tb>: B3-10 <SEP> 5062 <SEP> 6397 <SEP> 18.8% <SEP> 23.0%
<tb>
EMI13.4
BS - 11 4907 6102 19.3% 26p4%
EMI13.5
<tb>
<tb>
EMI13.6
BS - 12 4668 5884 18.5% z:: B3 - 13 4738 5863 z 21.5 - ¯¯¯¯J! ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯
Figures 9 to 16 inclusive show the microstructures of longitudinal sections prepared on the tensile specimens. It will be noted that in all cases an excellent distribution of small areas of graphitic carbon or “tempering” was obtained.
Specimens previously heat-treated and graphitized were nitrided for 48 hours at a temperature of 524 C according to the technique indicated for specimen B3-10. A very satisfactory result was obtained as shown by the curve of hardness as a function of depth. shown in figure 17.
The machinability of the metal after partial graphitization for the various periods indicated was excellent, and all specimens exhibited a good combination of breaking load and ductility.
We will have a more precise idea of the behavior of various proportions of the aforementioned alloy constituents within the limits defined by the present invention by considering the following table which gives the analyzes of several other castings as well as the degree of graphitization obtained:
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Table IV Analyzes of alloy steels.
EMI14.1
<tb>: A <SEP>: <SEP> C: <SEP> D: <SEP> E <SEP>: <SEP> F
<tb>
EMI14.2
: ------: ---: ------: ------: --------:
EMI14.3
<tb> Carbon <SEP> total <SEP> 1.50: <SEP> 1.13 <SEP>: <SEP> 1.31 <SEP>: <SEP> 1.41 <SEP>: <SEP> 1, 44 <SEP>: <SEP>
<tb>
<tb>: <SEP> Carbon <SEP> graphitic <SEP>: <SEP> 1.05 <SEP>: <SEP> 0.60 <SEP>: <SEP> 0.73: <SEP> 0.71 < SEP>: <SEP> 1.11
<tb>
<tb>
EMI14.4
Mnganese 0.54: 0.58: 0.59 s 0.58: 0.34:
EMI14.5
<tb> Silicon <SEP> 1.37 <SEP>:
<SEP> 1.72 <SEP>: <SEP> 1.61 <SEP>: <SEP> 1.53: <SEP> 1.49 <SEP>: <SEP>
<tb>
<tb>: <SEP>: <SEP>: <SEP>: <SEP>: <SEP>: <SEP>:
<tb>
<tb> Aluminum <SEP>: 1.59 <SEP>: 1.29 <SEP>: <SEP> 1.09 <SEP>: <SEP> 1.22 <SEP>: <SEP> 1.92 <SEP >: <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 0.33 <SEP>: <SEP> 0.30 <SEP>: <SEP> 0.42 <SEP>: <SEP> 0.55 <SEP>: <SEP> 0.34 <SEP>: <SEP>
<tb>
EMI14.6
Molybdenum 0.30: 0.85: 0.33 0.3: 0.28:
Heated to a forging temperature in the vicinity of 1010 C then forged at this temperature, cooled in air, then reheated and maintained for 1 hour at 1000 C, then cooled in air and finally reheated at 816 C for five hours, the steels " A "and" E "of the previous table presented the following physical properties:
EMI14.7
A E; ¯¯¯¯¯..¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯; .. ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ ..;
EMI14.8
<tb> Load <SEP> of <SEP> breaking <SEP> 7065 <SEP> kg / cm2 <SEP> 8155 <SEP> kg / cm2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Elastic <SEP> limit <SEP> 5048 <SEP> kg / cm2 <SEP> 5343 <SEP> kg / om2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Striction <SEP> 41.8% <SEP> 28.0%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Elongation <SEP> 23.5% <SEP> 15.5%
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Hardness <SEP> Rockwell <SEP> "C" <SEP> 13.5 <SEP>% <SEP> 20.0 <SEP>% <SEP>
<tb>
EMI14.9
Brinell hardness 187 -------
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The above values were obtained on castings prepared by melting in an induction furnace and cast into ingots of about 18 kg. measuring approximately 114 x 114 x 300 mm.
These ingots were reheated and converted by forging into round bars of about 25 mm, which were air cooled and then subjected to the heat treatment previously indicated.
As can be seen from Figures 20 and 21, the product resulting from this treatment is characterized by a microstructure in which part of the carbon, usually 0.2 to 0.8% depending on the composition, exists in combined form, the remainder carbon being well distributed in nodular tonne or in pallets.
After forging and heat-treating as stated a number of specimens meeting the various analyzes set forth in Table IV, they were machined and subjected to ammonia nitriding treatment for 48 hours at a temperature of 5240. vs.
The following table gives the core hardness, the surface layer hardness and the crust thickness obtained.
Table V
Hardness.
EMI15.1
<tb>
: <SEP> Steel: <SEP>: Core: Crust: <SEP> Thickness
<tb>
<tb> ally <SEP> Collection <SEP> "<SEP> C <SEP>" <SEP>: <SEP> Rookwell <SEP> 15 <SEP> N <SEP>: <SEP> of <SEP> crust
<tb>
EMI15.2
: --------: ------------------: -----------------: --- ----------!
EMI15.3
<tb> A <SEP> 13.5 <SEP>: <SEP> 92.5 <SEP> 0.38 <SEP> mm
<tb>
<tb>: <SEP>: <SEP>: <SEP>: <SEP>:
<tb>
<tb>: <SEP> C <SEP> 14.0 <SEP>: <SEP> 91.0 <SEP> 0.38 <SEP> mm
<tb>
<tb>: <SEP>:
<tb>
<tb>
<tb> D <SEP> 22.5 <SEP>: <SEP> 93.0 <SEP> 0.30 <SEP> mm
<tb>
<tb>:
<tb>
<tb>
<tb>: <SEP> E <SEP> 20.0 <SEP>: <SEP> 93.0 <SEP> 0.38 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> F <SEP> 14.0 <SEP>: <SEP> 92.7 <SEP>: <SEP> 0.33 <SEP> mm <SEP>:
<tb>
<tb>
<tb>: <SEP>: <SEP>:
<SEP>:
<tb>
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Figures 18 and 19 show the microstructure of a longitudinal section of a nitrided specimen responding to analysis A
The castings responding to analyzes C, D and F were all prepared in the same way as those responding to analyzes A and E, by melting in an induction furnace, except that for C, D and F, ingots of 3 kg were prepared. about.
In industrial practice it will generally be desirable to subject the hot rolled or forged product to the thermal graphitization treatment at the steelworks itself or before it is delivered to the customer. It is then ready for machining and other final shaping and finishing operations. If it is to be used without a final surface hardening treatment by nitriding, it will nonetheless be desirable to subject the machined parts to a final normalization or annealing treatment in order to remove the stresses that will arise. was able to create the final shaping operation.
If desired, this final heat treatment can include accelerated cooling from a temperature slightly above the processing zone, in which case the parts will acquire greater hardness depending on the combined carbon content and the speed of the cooling.
If the steel is intended to be nitrided, it can be roughened on leaving the graphitization heat treatment, then reheated to a temperature above the transformation zone and quenched. After reheating to a lower temperature suitable for annealing to create the desired physical properties, the product can then be subjected to the conventional nitriding treatment and then brought to the final grade by grinding or lapping.
Alternatively, the product can be subjected to machining
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final before nitriding it, either immediately after the graphitization heat treatment or after the blank has been roughened, then reheated, quenched and tempered.
If it is not desired to increase the hardness of the core, the quenching and tempering operations can be omitted since the heat treatment of graphitization will have brought the carbides present to the spheroidal state ensuring satisfactory nitration.
It goes without saying that the dimensions of the ingot and the melting conditions of the alloy will somewhat influence the ability of the composition to retain carbon primarily in combined form and in solution following the steps of cou - lean and solidification and during subsequent reheating and hot forging operations. In general, in order to avoid as much as possible the formation of more or less free graphite in the inner part of the ingot during these preliminary stages of production, it will be desirable to increase the proportion of the carbide generating elements while lowering or keeping the proportions of the graphitizing elements constant.
Likewise, the cross section of the final product will have some influence on the degree of graphitization and the physical properties of a given alloy composition, and when it comes to obtaining a product of relatively thick cross section this must be taken into account. to suitably modify the proportions of the constituents of the alloy. For example, to ensure that the interior regions of a relatively thick sectional part will respond to the graphitization heat treatment and possess suitable physical properties, it will generally be desirable to increase the proportions of elements somewhat.
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carbide stabilizers such as chromium, manganese and vanadium while correspondingly increasing the proportions of more effective graphitizing agents.
Graphitic steels meeting the compositions within the limits specified above lend themselves to many useful applications other than to serve to form hardened products by nitriding, and all such applications are within the scope of the present invention. Heat-treated and nitrided, the steels thus dosed can find many interesting uses including, in addition to those previously indicated for graphitic steels, the production of attached cylinder sleeves, cylinder bodies, injector for diesel engines, pump sleeves and sleeves, brake drums, clutch discs, toothed wheels, drill bits, etc ...
Where in the following summary chromium is indicated as one of the alloying constituents, it should be understood that the chromium percentages specified may be replaced in whole or in part by an equivalent percentage of vanadium within the limits. 0.1 to 0.3% vanadium., and that the tarnished "chromium" should be interpreted accordingly.
Although the preferable range of proportions has been specified and several particular analyzes have been mentioned by way of example and to illustrate some compositions which have been eminently satisfactory for general uses, it should be understood that these citations are not are in no way limiting and are susceptible to all the modifications which come within the scope of the invention as defined above. Similarly, where heat treatment, work or special treatment conditions have been reported,
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the invention is in no way intended to limit these particular examples.
EMI19.1
B 3 V 3N D I G to T 1 0 h S *
1) A special steel containing 1 to 2% carbon, 0.5 to 2.5% aluminum, 0.5 to 1.75% silicon, 0.2 to 0.6% chromium, 0.2 0.75% molybdenum and 0.2-1.0% manganese, the remainder being almost entirely iron, characterized by its ability to react to a graphitization heat treatment by forming uniform graphitic particles - even distributed in a mass of ferrite in association with 0.2 to 0.8% of combined carbon, this steel being further characterized by its ability to acquire a hard surface when subjected to a nitriding treatment.
2) A special steel containing 1.25 to 1.50% carbon, 0.4 to 0.6% manganese, 1.25 to 1.50% silicon, 1.0 to 1.5% aluminum , 0.2 to 0.4% chromium, 0.2 to 0.3% molybdenum and for the rest almost only iron, characterized by its ability to be hot-worked without appreciable formation of graphitic carbon during its reheating to hot working temperature, as well as its ability to react to a graphitization process by forming graphitic particles uniformly distributed in a mass of ferrite in association with 0.2 to 0.8 % of combined carbon,
this steel being further characterized by its ability to acquire a hard surface when subjected to a nitriding treatment.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.