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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.