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"Alliage à base de fer"
La présente invention se rapporte à des alliages à base de fer destinés particulièrement aux applications exigeant une grande résistance à de très hautes températures.
L'extension continue de dispositifs tels que sur¯ compresseurs, turbines à gaz, appareils de propulsion à réaction et analogues, dépend de la production de métaux et d'alliages usinables résistant aux températures élevées auxquelles fonctionnent ces appareils. Bien qu'on ait proposé divers alliages pour les applications comportant des températures élevées, leur utilisation a été limitée soit parce qu'ils ne sont pas usinables à chaud, soit parce qu'ils deviennent cassants par exposition continue aux.températures élevées.
Une des caractéristiques des métaux ferreux fortement alliés qui complique considéra- blement le problème est qu'à mesure que la solution solide à base de fer est plus fortement chargée en matières d'
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alliage, en vue de l'augmentation de la résistance à hau- te température, la stabilité a haute température tend à diminuer de telle sorte qu'après un chauffage prolongé, la matière devient trop cassante.
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On a par conséquent besoin el 1 Il' uein;.W les â chaud possédant une grande réxistalice ez une grande sta- bilité à température élevée, et le but principal de la
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présente invention est de satisfaire a ce besoin.
La présente invention parvient à ce but du moyen
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d'un allia.ge à. base de fer contenant certaines proportions de nickel, de chrome, de cobalt, de molybdène, de tungs- tène et au moins un métal choisi entre le niobium. le tantale le titane et le vanadium, comme constituant
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Principaux, avec des proportion, reiaiYeme11.t plus petites, bien qu'essentielle., de manganèse, de silicium, de car-
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bone et d'azot.. Les impuretés comrnunéement présentes dans les aciers de bonne qualité peuvent également être présentes dans cet alliage nouveau.
Spécifiquement, .'alliage de la présente invention
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contient en poids 15 â 25 % de chrome, 15 à 26 / de nickel, 10 va 25 1'4" due cobalt, ,.L , a , 3 5 o / de molybdène, 0, 5 I z, ',5 a ,,' de tungstène (habituellement pas plus de 3 %), au total
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de G, 5 à 3 ;ô de un ou plusieurs des éléments niobium, tantale, titan, et vanadium et jusqu'à 2 Yb de manganèse, Jusque 1 jl de silicium, jusque 0 35 1± de carbone et Jusque 0,26 % d'azote, le reste étant sensiblement du fer et des impuretés accidentelles. La, teneur de chacun des éléments du groupe colombium, tantale, titane et va- nadium doit être inférieure à 2 %. La teneur en titane
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ne doit pas dépasser 1,5 Í;.
On peut l'occasion dép35- ser légèrement les limites supérieures assignées pour les
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constituants a-ccondaires. Si par exemple une aptitude au forgeage n1 :st P8,8 essentielle, 1'2. teneur ei-, carbdne
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d'être soumis à des surchauffes ou des surcharges, ou les deux.
Le tableau I indique les résultats obtenus avec un certain nombre d'alliages caractéristiques de l'invention.
Dans cette série d'essais tous les échantillons, sauf le dernier sont à l'état forgé. Le dernier a été forgé, chauffé pendant une demi-heure à 1204 C., trempé à l'eau, recuit pendant quatre heures à 815 C. et refroidi à l'air. Les valeurs indi- quées, qui sont les tractions en kilogrammes par centimètre carré nécessaires pour provoquer la rupture en 1600 heures à la température indiquée, ont été obtenues à partir des courbes établies au moyen des essais de traction de rupture ci-dessus exposés.
Le tableau IA indique les résultats obtenus par es- sai d'autres alliages caractéristiques de l'invention à 815 0 et sous traction de 1520 kg./cm2. Ies temps de rupture dans' ces conditions sont indiquées en heures. Ces résultats ont été obtenus au moyen d'échantillons forgés. Le premier n'a pas été chauffé aprés forgeage, mais le second, après forgeage, a été chauffé pendant 1 heure vers 1226 C, et trempé dans l'eau.
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peut dépasser 0,35%, et atteindre 1% par exemple. Le fer figure dans une proportion supérieure aux 7±portions de chacun des autres éléments et cette proportion est comprise entre 25 et 55 % environ de l'alliage.
Les ailiages dont la composition est comprise entre les limites ci-dessus sont aptes à être forgés, soudés, et usi- nés, et, comme les essais l'ont démontré, possèdent une résis- tance et une stabilité remarquables élevées à haute température par exemple à 6480 C. et au dessus. On peut destiner à fonc- tionner sous de fortes tensions pendant une période prolongée à 815 C. et sous des tensions moins fortes pendant un temps modéré à des températures un peu plus élevées les parties de machines fabriquées au moyen de ces alliages. L'invention comprend des articles coulés ou usinés à chaud et des articles soudés destinés aux emplois à températures élevées et formés de ces alliages.
Un essai trés utile de détermination de la convenance des métaux et alliages aux applications à hautes températures est l'essai dit de rupture à la traction. Dans cet essai- on soumet chacun des échantillons d'une matière donnée à une traction mesurée à une température élevée donnée, et l'on note le temps exigé pour la rupture de l'échantillon dans ces con- ditions de température et de traction. On trace alors une cour- be au moyen de ces données en portant les temps en abscisses et les tractions en ordonnées.La courbe ainsi obtenue pour la matière essayée montre, pour une température déterminée, le temps nécessaire pour provoquer la rupture de ladite matière quand on la soumet à une traction donnée.
Les courbes sont habituellement établies pour différentes températures et l'on peut à l'aide de ces courbes prévoir avec une excellente précision le temps pendant lequel la matière pourra résister à la rupture pour une tension et à une température données.
Ce renseignement est précieux en matière de projets de construction particulièrement si le matériel choisi risque
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TABLEAU
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Composition : 0, 5 )1 si, 1, 5 ji Mn, )1 tulo, Traction de rupture Composition : 05}b 1,5 l!'in, 3 Traction heures 2jSVV.
Le reste en Fe, et - pour 1000 heures 0r Ni %00 ibN'q 5bN autres 648 0 704 0 815 C 15 15 13 1 0 ,1.5 0,10 3580 1750 98S 16 15 13 1 0,33 n n o 3040 1370 1065 21 21 21 1 ,13 0,11 0 3690 2055 ioss 21 19 19 1 0,13 0 a 11 0 ± 1065 21 gg 19 5 O'S 0,14 1% Ta a 1370 21 19 19 0,5 -'"T'Olë 0 , 5 )Ù 1218 ; 21 19 19 1 0,1.5 > 18 1% Ta S± 1292 21 is ig 1 0'15 GalS 21± Ta 9t -* 8.35 21 19 19 1 015 0,15 1% V R 1145 21 19 19 0 0 , 1# 016 21G V -3t 1065 0,5 0,13 0,15 0,5%, V 1065 19 '19 0,15 OxlS 0,5 Ta 9t * 1218 21 21 21 1 0.380,11 0) 5% V * 2090 1255 se Essai non effectue
TABLEAU IA
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' Composition: 0,5 e, si, 1.5 Nuz, 3 Rupture à 81500 2
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<tb> 2% <SEP> W, <SEP> le <SEP> reste <SEP> en <SEP> Fe <SEP> et <SEP> : <SEP> sous <SEP> 1520 <SEP> kg/cm <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Durée <SEP> en <SEP> heures.
<tb>
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% Or CC) Nb j N autres 20 30 20 0 0,15 0,12 lce- i 113 2Q 20 20 0,5 0,15 0,12 0,25 )É 160
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<tb> Ti
<tb>
Les données des tableaux ci-dessus montrent la résis- tance élevée des alliages de la présente invention aux températures élevées. Les alliages précédemment connus utilisés dans l'industrie pour les parties exigeant une grande résistance aux températures élevées sont très loin des effets utiles indiqués par les données précédentes.
Cest ainsi qu'un alliage en vente dans le commerce
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composé de 13,4 % de chrome, 19,1 % de nickel, 2,6 )é de tungstène, 0,7 % de molybdène, 0,5 % de carbone, le reste étant du fer, essayé à 64800, possède une résistance à la rupture de 1595 kg/cm2 pour 1000 heures. Un alliage analogue
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contenant 27,4 % de nickel manifeste une résistance iden- tique à 648 C, de 836 kg/cm2 à 734 C et de 466 kg/cm2 à 815 C.
Une proportion judicieuse des éléments de l'alliage est nécessaire pour obtenir la grande résistance des al- liages de la présente invention, particulièrement pour ce qui concerne les éléments tels que le carbone, l'azote et le colombium, le tantale, le titane et le vanadium.
Si la teneur en carbone est trop élevée et si l'azote est absent, la résistance des alliages sera diminuée.
Les essais de tractions effectués à la température ordinaire démontrent que les alliages de l'invention ré- sistent la température ordinaire aussi 'bien qu'aux tem- pératures élevées. Les résultats de ces essais sont indi- qués dans le tableau II. Les différents échantillons des alliages ont été essayés, les uns à l'état forgé (état 1), les autres après forgeage, chauffage à 1204-1259 C, pen- dant 1 heure, puis trempe à l'eau (état 2). Dans les es- sais effectués sur des éprouvettes standard de 1,2 cm de diamètre la. résistance à la limite d'élasticité est mesurée en kilogrammes par centimètre carré avec tolérance de 0,2 %, la résistance à la traction en kilogrammes par centimètre carré et le pourcentage d'allongement (allon- gement %) sur une longueur de 5 centimètres.
Dans le tableau "%R.S." est le pourcentage de diminution de la surface au point de rupture de l'éprouvette.
TABLEAU II
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<tb> Composition. <SEP> Le <SEP> reste <SEP> en <SEP> Fe, <SEP> et <SEP> 1 <SEP> 5 <SEP> % <SEP> Mn <SEP> et <SEP> 0,5 <SEP> % <SEP> Si.
<tb>
<tb>
Alliage <SEP> %Cr <SEP> %Ni <SEP> %Co <SEP> %Mo <SEP> %V <SEP> %Cb <SEP> %C <SEP> %N
<tb> No
<tb>
<tb> 1 <SEP> 15 <SEP> 16 <SEP> 13 <SEP> 3 <SEP> 2 <SEP> 1 <SEP> 0,15 <SEP> 0,10 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 21 <SEP> 21 <SEP> 21 <SEP> 3,2 <SEP> 2,2 <SEP> 1 <SEP> 0,13 <SEP> 0,11
<tb>
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Résultats des essais de traction
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<tb> Alliage <SEP> Etat <SEP> de <SEP> l'é- <SEP> Résistance <SEP> à <SEP> Résistance <SEP> All.
<SEP> % <SEP> RS
<tb>
<tb>
<tb> No <SEP> chantillon <SEP> la <SEP> limite <SEP> à <SEP> la <SEP> trac- <SEP> )il
<tb>
<tb>
<tb> d'élasticité <SEP> tion
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 1 <SEP> 7750 <SEP> 9500 <SEP> 18 <SEP> 50
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 3270 <SEP> 7810 <SEP> 59 <SEP> 71
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 1 <SEP> 8860 <SEP> 10850 <SEP> 16 <SEP> IL-5
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 4060 <SEP> 8750 <SEP> 58 <SEP> 67
<tb>
Une propriété inhabituelle des alliages de la pré- sente invention est leur résistance à la fois aux milieux corrosifs oxydants et réducteurs. Les alliages résistants à la corrosion dont on a jusqu'ici disposé sont en général spécialement congus pour résister, soit aux milieux corro- sifs réducteurs, soit aux milieux corrosifs oxydants, mais non aux deux à la fois.
C' est ainsi que les aciers inoxy- dables du type à 18 % de chrome et 8 % de nickel, particu- lièrement ceux qui sont modifiés par la présence à la, fois de molybdène et de colombium, possèdent une grande résis- tance aux corrosifs oxydants, mais une résistance relative- ment faible aux corrosifs réducteurs. D'autre part, les alliages à base de nickel contenant des quantités notables de molybdène manifestent une résistance remarquable aux corrosifs réducteurs, mais relativement beaucoup plus faible aux corrosifs oxydants. Ainsi donc les articles conçus pour les emplois dans lesquels les corrosifs sont du type oxydant ne peuvent généralement pas être employés dans les cas où l'on a affaire aux corrosifs réducteurs, et vice versa..
En contraste frappant à ce comportement des alliages classiques résistant à la corrosion, les alliages de la présente invention manifestent une très bonne résis- tance aux milieux corrosifs, qu'ils soient oxydants ou réducteurs.
Le tableau III donne les résultats d'essais caracté-
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ristiques de corrosion obtenus avec différents médiums sur des échantillons d'acier inoxydables du commerce, d'alliage nickel-molybdène du commerce,, et d'un alliage
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de la présente invention. Dans ledit< tableau l'alliage "A" est un acier du commerce â 18 yô de chrome et 8 o de nickel de très bonne qualité contenant du molybdène et du niobium: l'alliage "B" est un alliage caractéristique de l'invention et'contenant environ 21 % de chrome, 21 %
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de nickel, 21 w de cobalt, 3 jv de molybdène, 2 o de tungs- tenue, 1 % de colombium, 0,5 % de silicium, 1, 5 â de man- ganése, 0,1 % d'azote et 0,1 % de carbone, le reste étant du fer:
l'alliage "C" est un alliage du commerce de très bonne qualité à basede nickel contenant environ 15 % de molybdène et 15 % de chrome. Les essais de corrosion don- nent les résultats exprimés dans le tableau en centimètres de pénétration par mois.
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TAB-LEAU--, 111
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<tb> Taux <SEP> de <SEP> corrosion <SEP> dans <SEP> les <SEP> milieux
<tb>
<tb> indiques
<tb>
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3pull. Temps orde 'OcC z0 Gaz 012 Alliage NOH 65 Hoi 10 ô HC1 10 jv Iîol 10fi humide . ####-..¯¯¯¯¯ ¯¯.¯¯..¯ aéré ¯¯¯¯¯
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<tb> A <SEP> 0,0020 <SEP> 0,0052 <SEP> dissous <SEP> dissous <SEP> 0,0225
<tb>
<tb> B <SEP> 0,0035 <SEP> 0,0023 <SEP> 0,187 <SEP> 0,187 <SEP> 0,175
<tb>
<tb> C <SEP> 0,1650 <SEP> 0,0006 <SEP> 0,02 <SEP> 0,0375 <SEP> 0,211
<tb>
Il apparaît des données du tableau III que l'acier inoxydable possède une bonne résistance à la corrosion dans l'acide nitrique, milieu oxydant, mais se dissout dans l'acide chlorhydrique chaud, milieu réducteur. L'alliage au nickel-molybdène a d'autre part une bonne résistance à l'acide chlorhydrique mais;est beaucoup moins résistant à lucide nitrique.
L'alliage de la présente invention possède une résistance assez bonne à la fois aux milieux
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oxydants et aux milieux réducteurs. Pour obtenir la mail- leure résistance à la corrosion, la teneur des alliages en carbone et en azote doit être faible. On peut obtenir une meilleure résistance aux corrosifs du type réducteur par augmentation de la teneur en molybdène, jusqu'à. 6 % environ par exemple, mais une proportion trop élevée de molybdène affecte défavorablement sa faculté d'usinage à chaud.
Les propriétés de résistance à la corrosion des alliages de la présente invention les recommandent dans tous les cas où la résistance à des conditions corrosives oxydantes ou réductrices ou à la. fois à des conditions oxydantes et réductrices, alternativement ou simultané- ment, est nécessaire. Entre dans ces dernières applications par exemple la manipulation de l'anhydride acétique ou de l'acide chlorhydrique contenant des ions ferreux.
Les alliages de l'invention peuvent être forgés ou subir tout autre usinage à chaud sans difficultés entre 1149 et 871 C et sont aisément usinables. Ils possèdent de bonnes propriétés de flexion et de façonnage à fraid, en raison de leur grande ductilité et ils possèdent éga- lement de bonnes propriétés d'emboutissage ainsi que le montrent les valeurs obtenues par l'essai standard d'Erichsen sur des tôles laminées à recuit (refroi- dissement par l'air à partir de 1150 C), soit 11,4.
Les tôles utilisées dans ces essais ont 0,088 cm d'épaisseur et sont composées d'un alliage contenant environ 21 % de chrome, 20 % de nickel, 20 % de cobalt, 3 % de molybdène, 2 % de tungstène, 1 % de niobium, 1,5 % de manganèse, ,5 8É de silicium, 0,13 % d'azote, 0,13 % de carbone et le reste en fer. Dans l'essai d'Erichsen la tôle à essayer est serrée entre deux matrices d'une manière telle que le métal puisse glisser librement, cependant,
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qu'un outil,à extrémité arrondie est appliqué contre l'a- cier au moyen d'un coulisseau mû par une vis micrométrique.
La profondeur de l'impression en millimètres pour obtenir la rupture est dite "Indice d'Erichsen".
Un autre avantage important des alliages de la pré- sente invention est leur aptitude à être soudés au moyen des prodédés ordinaires de soudage tel qu'à l'arc électrique ou au chalumeau à l'oxyacétylène à dépôt';fusion, les procédés par fusion électrique immergés et les procédés par soudage sous pression en phase solide, les soudures ainsi obtenues étant saines, tenaces et ductiles à la fois dans la zone de la soudure elle-même et dans les zones voisines et éloignées de la zone de soudure.
Le tableau IV donne les résultats des essais de traction et de choc. Charpy sur des éprouvettes standard entièrement formées de métal déposé par soudure à l'arc électrique. Le métal contient 22 % de chrome, 19 % de nickel, 20 % de cobalt, 3 % de molybdène, 2 % de tungs- tène, 1 % de niobium, 0,5 % de silicium, 0,5 % de manganèse, 0,12 % d'azote, 0,06 % de carbone, le reste étant dû fer.
Dans le tableau, la traction à 0,2 % de tolérance, la limite d'élasticité (L.E.) et la traction maximum sont donnés en kilogrammes par centimètre carré, l'allongement en pourcentage sur une longueur de 2,5 centimètres, (% All.) la réduction de surface (% R.S.) au point de rupture en pourcentage de la'section primitive et la résistance au choc Charpy en kilogrammètres. La première ligne du tableau indique les résultats obtenus sur un échantillon à l'état soudé, la seconde sur un échantillon soudé chauffé à 1150 C, pendant 15 minutes et refroidi dans l'air immobile.
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TABLEAU IV
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<tb> Traction <SEP> 0,2 <SEP> % <SEP> Tract. <SEP> All. <SEP> %R.S. <SEP> Choc
<tb>
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tolérance¯¯¯ 2.. -Max-- -- .-- 0 ha r -,u 1 g.780 4. 7.3U ?.800 44 45,8 z3,18 2 4,200 4.c3û 7.930 42 34,1 88
Pour obtenir à coup sûr les caractéristiques désira.- bles des alliages de la présente invention, il est capital de s'en tenir aux limites de composition indiquées de manière que les éléments de l'alliage soient présents dans les proportions voulues. Si les proportions de molybdène, de tungstène, de niobium, de tantale, de titane, de vana- dium et de carbone sont plus élevées qu'indique, l'alliage sera moins aisément soudable et usinable à chaud. Les soudures faites avec ces alliages manquent de ténacité et de ductilité.
Les effets nuisibles de proportions trop élevées de ces éléments ne peuvent être compensés d'une manière satisfaisante par l'augmentation des proportions de cobalt et de nickel dans les alliages. Une proportion trop élevée de carbone est trop faible de niobium, de tantale, de titane ou de vanadium, et l'azote exerce une action nuisible sur la résistance des alliages à haute tem- pérature. On doit donc prendre soin d'observer les limites de composition prescrites en 'fabrication.
Si les alliages sont destinés à des emplois dans lesquels ils risquent d'être exposés à des températures ne dépassant pas 734 C environ, on peut employer des compositions voisines des limites inférieures, mais si les alliages doivent être exposes à des températures supérieures à 734 C, il convient d'employer des composi- tions voisines des limites supérieures.
Des types d'articles auxquels conviennent les al- liages de l'invention sont les aubes, les roues et autres
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parties de turbine, Ces articles peuvent être coulés ou forgés.
Bien que l'aptitude dès-alliages de l'invention à être usinés ait été examinée plus particulièrement ainsi que leur utilisation dans les produits forgés, les moulages faits de ces alliages possèdent également des propriétés très utiles à haute température.
REVENDICATIONS 1) Alliage à base de fer contenant 15 à 25 % de chrome,
15 à 25 % de nickel, 10 à 25 % de cobalt, 1 à 3,5 % de molybdène, 0,5 à 7,5 % de tungstène, 0,5 à 3 % au total de niobium, de tantale, de titane ou de vanadium, la teneur de chacun de ces éléments étant inférieure à 2 à de l'alliage, 0,05 à 0,25 % d'azote, le reste étant sensi- blement du fer et des impuretés accidentelles.
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"Iron-based alloy"
The present invention relates to iron-based alloys intended particularly for applications requiring great resistance to very high temperatures.
The continued expansion of devices such as supercompressors, gas turbines, jet propellants and the like, depends on the production of machinable metals and alloys resistant to the high temperatures at which these devices operate. Although various alloys have been proposed for high temperature applications, their use has been limited either because they are not hot-machinable or because they become brittle upon continuous exposure to high temperatures.
One of the characteristics of high alloyed ferrous metals which greatly complicates the problem is that as the solid iron solution becomes more loaded with iron materials.
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Alloy, in view of increasing the high temperature strength, the high temperature stability tends to decrease so that after prolonged heating the material becomes too brittle.
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There is therefore a need, therefore, for the hot parts possessing high resistance and high stability at high temperature, and the main purpose of
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The present invention is to satisfy this need.
The present invention achieves this object by means
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from an ally.ge to. iron base containing certain proportions of nickel, chromium, cobalt, molybdenum, tungstene and at least one metal chosen from niobium. tantalum, titanium and vanadium, as a constituent
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Main, with smaller, although essential, proportions of manganese, silicon, car-
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bone and nitrogen. The impurities commonly present in good quality steels can also be present in this new alloy.
Specifically, the alloy of the present invention
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contains by weight 15 to 25% of chromium, 15 to 26 / of nickel, 10 va 25 1'4 "due cobalt,, .L, a, 3 5% of molybdenum, 0.5 I z, ', 5 a ,, 'of tungsten (usually not more than 3%), in total
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of G, 5 to 3; ô of one or more of the elements niobium, tantalum, titan, and vanadium and up to 2 Yb of manganese, Up to 1 µl of silicon, up to 0 35 1 ± of carbon and Up to 0.26% nitrogen, the remainder being essentially iron and accidental impurities. The content of each of the elements of the colombium, tantalum, titanium and vanadium group must be less than 2%. Titanium content
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must not exceed 1.5 Í ;.
Occasionally, the upper limits assigned for
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a-ccondary constituents. If for example an essential forging ability n1: st P8.8, 1'2. ei-, carbdne content
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from overheating or overloading, or both.
Table I indicates the results obtained with a certain number of characteristic alloys of the invention.
In this series of tests all samples except the last are in forged condition. The last was forged, heated for half an hour at 1204 C., quenched in water, annealed for four hours at 815 C. and cooled in air. The values given, which are the tensile forces in kilograms per square centimeter necessary to cause rupture in 1600 hours at the indicated temperature, were obtained from the curves established by means of the rupture tensile tests set out above.
Table IA indicates the results obtained by testing other characteristic alloys of the invention at 815 0 and under tension of 1520 kg./cm2. Breakthrough times under these conditions are given in hours. These results were obtained using forged samples. The first was not heated after forging, but the second, after forging, was heated for 1 hour at around 1226 C, and quenched in water.
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can exceed 0.35%, and reach 1% for example. The iron appears in a proportion greater than the 7 ± portions of each of the other elements and this proportion is between about 25 and 55% of the alloy.
Wings with a composition within the above limits are suitable for forging, welding, and machining, and, as tests have shown, possess remarkable high strength and stability at high temperatures by example at 6480 C. and above. Machine parts made from these alloys can be designed to operate at high voltages for an extended period at 815 ° C. and at lower voltages for a moderate time at somewhat higher temperatures. The invention includes hot cast or machined articles and welded articles intended for high temperature uses and formed from these alloys.
A very useful test for determining the suitability of metals and alloys for high temperature applications is the so-called tensile failure test. In this test each sample of a given material is subjected to a tensile strength measured at a given elevated temperature, and the time required for the sample to rupture under these temperature and tensile conditions is noted. A curve is then drawn by means of these data, plotting the times on the abscissa and the tension on the ordinate. The curve thus obtained for the material tested shows, for a determined temperature, the time necessary to cause the rupture of said material when it is subjected to a given traction.
The curves are usually established for different temperatures and with the help of these curves it is possible to predict with excellent precision the time during which the material will be able to resist breaking for a given tension and at a given temperature.
This information is invaluable in construction projects, particularly if the material chosen risks
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BOARD
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Composition: 0, 5) 1 si, 1, 5 ji Mn,) 1 tulo, Breaking tension Composition: 05} b 1.5 l! 'In, 3 Traction hours 2jSVV.
The rest in Fe, and - for 1000 hours 0r Ni% 00 ibN'q 5bN others 648 0 704 0 815 C 15 15 13 1 0, 1.5 0.10 3580 1750 98S 16 15 13 1 0.33 nno 3040 1370 1065 21 21 21 1, 13 0.11 0 3690 2055 ioss 21 19 19 1 0.13 0 a 11 0 ± 1065 21 gg 19 5 O'S 0.14 1% Ta a 1370 21 19 19 0.5 - '"T'Olë 0, 5) Ù 1218; 21 19 19 1 0.1.5> 18 1% Ta S ± 1292 21 is ig 1 0'15 GalS 21 ± Ta 9t - * 8.35 21 19 19 1 015 0.15 1% VR 1145 21 19 19 0 0, 1 # 016 21G V -3t 1065 0.5 0.13 0.15 0.5%, V 1065 19 '19 0.15 OxlS 0.5 Ta 9t * 1218 21 21 21 1 0.380.11 0) 5% V * 2090 1255 se Test not performed
TABLE IA
EMI5.2
'Composition: 0.5 e, si, 1.5 Nuz, 3 Break at 81500 2
EMI5.3
<tb> 2% <SEP> W, <SEP> the <SEP> remains <SEP> in <SEP> Fe <SEP> and <SEP>: <SEP> under <SEP> 1520 <SEP> kg / cm <SEP >
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Duration <SEP> in <SEP> hours.
<tb>
EMI5.4
% Gold CC) Nb j N others 20 30 20 0 0.15 0.12 lce- i 113 2Q 20 20 0.5 0.15 0.12 0.25) É 160
EMI5.5
<tb> Ti
<tb>
The data in the tables above show the high resistance of the alloys of the present invention to elevated temperatures. The previously known alloys used in industry for parts requiring high resistance to high temperatures are very far from the useful effects indicated by the preceding data.
This is how an alloy that is commercially available
EMI5.6
composed of 13.4% chromium, 19.1% nickel, 2.6) tungsten, 0.7% molybdenum, 0.5% carbon, the rest being iron, tested at 64800, has a breaking strength of 1595 kg / cm2 for 1000 hours. An analogous alloy
<Desc / Clms Page number 6>
containing 27.4% nickel exhibits identical resistance at 648 C, 836 kg / cm2 at 734 C and 466 kg / cm2 at 815 C.
A judicious proportion of the elements of the alloy is necessary to obtain the high strength of the alloys of the present invention, particularly with regard to the elements such as carbon, nitrogen and columbium, tantalum, titanium and vanadium.
If the carbon content is too high and nitrogen is absent, the strength of the alloys will be reduced.
Tensile tests carried out at room temperature demonstrate that the alloys of the invention withstand room temperature as well as high temperatures. The results of these tests are shown in Table II. The various samples of the alloys were tested, some in the forged state (state 1), the others after forging, heating at 1204-1259 ° C. for 1 hour, then quenching in water (state 2). In the tests carried out on standard test pieces 1.2 cm in diameter la. yield strength is measured in kilograms per square centimeter with a tolerance of 0.2%, tensile strength in kilograms per square centimeter and percent elongation (elongation%) over a length of 5 centimeters .
In the table "% R.S." is the percentage decrease in the area at the point of failure of the specimen.
TABLE II
EMI6.1
<tb> Composition. <SEP> The <SEP> remains <SEP> in <SEP> Fe, <SEP> and <SEP> 1 <SEP> 5 <SEP>% <SEP> Mn <SEP> and <SEP> 0.5 <SEP> % <SEP> Yes.
<tb>
<tb>
Alloy <SEP>% Cr <SEP>% Ni <SEP>% Co <SEP>% Mo <SEP>% V <SEP>% Cb <SEP>% C <SEP>% N
<tb> No
<tb>
<tb> 1 <SEP> 15 <SEP> 16 <SEP> 13 <SEP> 3 <SEP> 2 <SEP> 1 <SEP> 0.15 <SEP> 0.10 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 21 <SEP> 21 <SEP> 21 <SEP> 3.2 <SEP> 2.2 <SEP> 1 <SEP> 0.13 <SEP> 0.11
<tb>
<Desc / Clms Page number 7>
Tensile test results
EMI7.1
<tb> Alloy <SEP> State <SEP> of <SEP> the <SEP> Resistance <SEP> to <SEP> Resistance <SEP> All.
<SEP>% <SEP> RS
<tb>
<tb>
<tb> No <SEP> sample <SEP> the <SEP> limits <SEP> to <SEP> the <SEP> trac- <SEP>) it
<tb>
<tb>
<tb> of elasticity <SEP> tion
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 1 <SEP> 7750 <SEP> 9500 <SEP> 18 <SEP> 50
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 3270 <SEP> 7810 <SEP> 59 <SEP> 71
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 1 <SEP> 8860 <SEP> 10850 <SEP> 16 <SEP> IL-5
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 4060 <SEP> 8750 <SEP> 58 <SEP> 67
<tb>
An unusual property of the alloys of the present invention is their resistance to both oxidizing and reducing corrosive media. The corrosion resistant alloys available heretofore are generally specially designed to resist either reducing corrosive media or oxidizing corrosive media, but not both.
Thus, stainless steels of the type with 18% chromium and 8% nickel, especially those which are modified by the presence of both molybdenum and columbium, have a high resistance to the effects. corrosive oxidants, but relatively low resistance to reducing corrosives. On the other hand, nickel-based alloys containing significant amounts of molybdenum show remarkable resistance to reducing corrosives, but relatively much lower resistance to oxidizing corrosives. Therefore, articles designed for jobs in which the corrosives are of the oxidizing type cannot generally be used in cases where reducing corrosives are involved, and vice versa.
In stark contrast to this behavior of conventional corrosion resistant alloys, the alloys of the present invention exhibit very good resistance to corrosive media, whether oxidizing or reducing.
Table III gives the results of typical tests
<Desc / Clms Page number 8>
corrosion characteristics obtained with different media on samples of commercial stainless steel, commercial nickel-molybdenum alloy, and an alloy
EMI8.1
of the present invention. In said table, the alloy "A" is a commercial steel with 18% chromium and 8% nickel of very good quality containing molybdenum and niobium: alloy "B" is an alloy characteristic of the invention. and 'containing about 21% chromium, 21%
EMI8.2
of nickel, 21 w of cobalt, 3 jv of molybdenum, 2 o of tungsten, 1% of columbium, 0.5% of silicon, 1, 5 â of manganese, 0.1% of nitrogen and 0 , 1% carbon, the rest being iron:
Alloy "C" is a very good quality commercial nickel based alloy containing about 15% molybdenum and 15% chromium. The corrosion tests give the results expressed in the table in centimeters of penetration per month.
EMI8.3
TAB-LEAU--, 111
EMI8.4
<tb> <SEP> rate of <SEP> corrosion <SEP> in <SEP> the <SEP> media
<tb>
<tb> indicates
<tb>
EMI8.5
3pull. Ordinary time 'OcC z0 Gas 012 Alloy NOH 65 Hoi 10 ô HC1 10 jv Iîol 10fi wet. #### - .. ¯¯¯¯¯ ¯¯.¯¯..¯ ventilated ¯¯¯¯¯
EMI8.6
<tb> A <SEP> 0.0020 <SEP> 0.0052 <SEP> dissolved <SEP> dissolved <SEP> 0.0225
<tb>
<tb> B <SEP> 0.0035 <SEP> 0.0023 <SEP> 0.187 <SEP> 0.187 <SEP> 0.175
<tb>
<tb> C <SEP> 0.1650 <SEP> 0.0006 <SEP> 0.02 <SEP> 0.0375 <SEP> 0.211
<tb>
It appears from the data in Table III that stainless steel has good resistance to corrosion in nitric acid, an oxidizing medium, but dissolves in hot hydrochloric acid, a reducing medium. The nickel-molybdenum alloy on the other hand has good resistance to hydrochloric acid but is much less resistant to nitric lucid.
The alloy of the present invention has a fairly good resistance to both media
<Desc / Clms Page number 9>
oxidizers and reducing media. To achieve the high corrosion resistance, the carbon and nitrogen content of the alloys should be low. Better resistance to corrosives of the reducing type can be obtained by increasing the molybdenum content, up to. About 6% for example, but too high a proportion of molybdenum adversely affects its hot-machining capability.
The corrosion resistance properties of the alloys of the present invention recommend them in all cases where resistance to oxidizing or reducing corrosive conditions or to. both under oxidizing and reducing conditions, alternately or simultaneously, is necessary. These latter applications include, for example, the handling of acetic anhydride or hydrochloric acid containing ferrous ions.
The alloys of the invention can be forged or undergo any other hot machining without difficulty between 1149 and 871 C and are easily machinable. They have good bending and cold forming properties, due to their high ductility and they also have good drawing properties as shown by the values obtained by the Erichsen standard test on rolled sheets. annealing (cooling by air from 1150 C), ie 11.4.
The plates used in these tests are 0.088 cm thick and are made of an alloy containing approximately 21% chromium, 20% nickel, 20% cobalt, 3% molybdenum, 2% tungsten, 1% niobium , 1.5% manganese,, 5 8E silicon, 0.13% nitrogen, 0.13% carbon and the rest iron. In Erichsen's test the sheet to be tested is clamped between two dies in such a way that the metal can slide freely, however,
<Desc / Clms Page number 10>
that a tool with a rounded end is applied against the steel by means of a slide driven by a micrometric screw.
The depth of the print in millimeters to obtain the break is called the "Erichsen Index".
Another important advantage of the alloys of the present invention is their ability to be welded by ordinary welding methods such as electric arc or oxyacetylene deposition torch; electric submersible and solid phase pressure welding processes, the welds thus obtained being sound, tough and ductile both in the area of the weld itself and in the areas adjacent and remote from the weld area.
Table IV gives the results of the tensile and impact tests. Charpy on standard specimens formed entirely of metal deposited by electric arc welding. The metal contains 22% chromium, 19% nickel, 20% cobalt, 3% molybdenum, 2% tungsten, 1% niobium, 0.5% silicon, 0.5% manganese, 0 , 12% nitrogen, 0.06% carbon, the rest being iron.
In the table, the tensile strength at 0.2% tolerance, the elastic limit (LE) and the maximum tensile strength are given in kilograms per square centimeter, the elongation as a percentage over a length of 2.5 cm, (% All.) The area reduction (% RS) at the point of failure as a percentage of the pitch section and the Charpy impact strength in kilogrammeters. The first row of the table indicates the results obtained on a sample in the welded state, the second on a welded sample heated to 1150 C, for 15 minutes and cooled in still air.
<Desc / Clms Page number 11>
TABLE IV
EMI11.1
<tb> Traction <SEP> 0.2 <SEP>% <SEP> Tract. <SEP> All. <SEP>% R.S. <SEP> Shock
<tb>
EMI11.2
tolerancē¯¯ 2 .. -Max-- - .-- 0 ha r -, u 1 g. 780 4. 7.3U? .800 44 45.8 z3.18 2 4.200 4.c3û 7.930 42 34.1 88
In order to achieve the desired characteristics of the alloys of the present invention reliably, it is essential to adhere to the stated compositional limits so that the elements of the alloy are present in the desired proportions. If the proportions of molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, titanium, vanadium and carbon are higher than indicated, the alloy will be less easily weldable and hot machinable. Welds made with these alloys lack toughness and ductility.
The harmful effects of too high proportions of these elements cannot be satisfactorily compensated by increasing the proportions of cobalt and nickel in the alloys. Too high a proportion of carbon is too low of niobium, tantalum, titanium or vanadium, and nitrogen has a detrimental effect on the strength of alloys at high temperatures. Care must therefore be taken to observe the composition limits prescribed during manufacture.
If the alloys are intended for uses in which they are likely to be exposed to temperatures not exceeding about 734 C, compositions close to the lower limits may be employed, but the alloys are to be exposed to temperatures above 734 C , it is advisable to use compositions close to the upper limits.
Types of articles for which the alloys of the invention are suitable are vanes, impellers and the like.
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turbine parts, These items can be cast or forged.
Although the suitability of the alloys of the invention to be machined has been examined more particularly as well as their use in forged products, castings made from these alloys also possess very useful properties at high temperatures.
CLAIMS 1) Iron-based alloy containing 15 to 25% chromium,
15 to 25% nickel, 10 to 25% cobalt, 1 to 3.5% molybdenum, 0.5 to 7.5% tungsten, 0.5 to 3% total niobium, tantalum, titanium or vanadium, the content of each of these elements being less than 2% of the alloy, 0.05 to 0.25% nitrogen, the remainder being substantially iron and accidental impurities.