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malliage à base de fer-
La présente invention se rapporte à des alliages de fer destinés particulièrement a l'emploi dans les appli- cations exigeant-,une grande résistance à de très hautes températures.
L'extension continue d'appareils tels que surcom- presseurs, turbines à gaz, appareils de propulsion à réac- tion et analogues dépend de la production de métaux et d'alliages usinables qui résistent aux températures élevées auxquelles fonctionnent ces appareils. Bien qu'on ait pro- posé divers alliages pour les applications comportant des températures élevées, leur utilisation a étélimitée soit parce qu'ils ne sont pas susceptibles d'être travaillés ou usinés à chaud, soit parce qu'ils deviennent cassants @ par exposition continue aux températures élevées.
Une /ferreux des caractéristiques des métaux/fortement allies qui com-
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plique considérablement le problème est qu'à mesure que la solution solide à base de fer est plus fortement chargée en matières d'alliage en vue de l'augmentation de la résistance à haute température, la stabilité à haute température tend à diminuer de telle sorte qu'après un chauffage prolongé la matière devient trop cassante.
On a par conséquent besoin d'alliages susceptibles d'être travaillés et usinés à chaud possédant une grande résistance et une grande stabilité aux températures éle- vées et le but principal de la présente invention est de satisfair à ce besoin.
La présente invention parvient à ce but au moyen d'un alliage nouveau à base de fer contenant certaines pro- portions de nickel, de chrome, de cobalt, de tungstène et au moins un métal choisi entre le bore et l'aluminium, comme constituants principaux, avec des proportions rela- tivement plus petites, bien qu'essentielles, de manganèse, de silicium, de carbone et d'azote. Le molybdène et les impuretés généralement présentes dans les aciers de bonne qualité peuvent également e@te présentes dans cet alliage nouveau.
Spécifiquement l'alliaga de l'invention contient en poids 15 à 25 % de chrome, 2 à 25 % de nickel, 10 à 40 % de cobalt, jusqu'à 8 % de Molybdène, 0,5 à 15 % de tungs- tne, un total de 0,01 à 3 % de bore ou d'aluminium, ou des deux, la teneur en bore ne dépassant pas 1 % et la teneur en aluminium n'étant pas inférieure à 0,5 % en l'absence de bore, et jusqu'à 2 % de manganèse, jusqu'à 1 % de silicium, jusque 0,35 % de carbone, jusqu'à 0,25 % d'azote, le reste étant sensiblement tout du fer et des impuretés accidentelles, avec ou sans un total de 0,5 à 3 % de un ou plusieurs éléments tels que le niobium, le tantale, le titane et le vanadium,
la teneur de chacun des
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éléments de ce groupe étant inférieure à 2 % et la teneur /pas en titane ne dépassant/1,5 %. On peut à l'occasion dépas- @ ser légèrement les limites supérieures assignées pour les /excel- constituants secondaires. Si par exemple une/aptitude à lente être forgé n'est pas essentielle, la teneur en carbone peut dépasser 0,35 % et atteindre par exemple 1 %. D'une manière générale, pour obtenir la meilleure aptitude à être usinée à chaud, les alliages de l'invention doivent contenir de 15 à 25 % de nickel environ et de 10 à. 25 % de cobalt, et le fer doit figurer pour une proportion supérieure à la proportion de chacun des autres éléments, la teneur en fer étant comprise entre environ 25 et 55 % de l'alliage.
Il doit y avoir en tout cas au moins 5 % et de préférence au moins 10 % de fer. La teneur en bore ne doit pas dépasser de préférence 0,7 %. En l'absence de molybdène il doit y avoir au moins 7,5 % de tungstène dans l'alliage. Si le molybdène est présent, sa teneur préférée est comprise entre 0,5 et 5 %.
Les alliages dont la composition est comprise entre les limites ci-dessus sont facilement forgeables, souda- bles et usinables et, ainsi que le montrent les essais, ont une résistance et une stabilité à haute température remarquablement élevée, par exemple 648 C et davantage.
On peut destiner au fonctionnement sous de forten tensions pendant une période prolongée à 81500 et sous des tensions moins fortes pendant un temps modéré mais à des tempé- ratures un peu plus élevées les parties de machines fa- briquées au moyen de ces alliages. L'invention comprend des articles coulés ou usinés à chaud et des articles soudés destinés aux emploie aux températures élevées et formés de ces alliages.
Un essai très utile de détermination de la conve- nance des métaux et alliages aux applications à, hautes températures et l'essai dit de rupture à la traction. Dans
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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 conditions de température et de traction. On trace alors une courbe au moyen de ces don- nées en portant les temps en abaisses et les tractions en ordonnées. La courbe ainsi établie 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 habituel- lement établies pour différentes températures et l'on peut à l'aide de ces courbes prévoir avec une excellente pré- cision le temps pendant lequel la matière pourra résister à la rupture pour une traction et une température données Ce renseignement est précieux en matière de projets de construction, particulièrement si la matériel choisi risque d'être soumis à des surchauffes ou des surcharges ou lesdeux.
Le tableau I indique les résultats obtenus avec un certain nombre d'alliages caractéristiques de l'in- vention. Dans cette série dressais tous les échantillons, sauf le douzième qui était forgé étaient obtenus par coulage. Les valeurs indiquées ont été obtenue par essai à 815 C sous des tractions de 1520, 1900 et 2280 kg/cm2 comme indiqua dans le tableau. La durée en heures avant la rupture dans ces conditions est donnée dans le tableau I.
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TABLEAU i
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Composition % - Le reste à peu près uniquement Durée jusqu'à rup- du fer. ture en heures à 815 0
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<tb> aux <SEP> tractions:
<tb> au-
<tb>
EMI5.4
Cr Ni Co }lo W B N C tres 1520 1900 2280 18,5 4 20 4 4 012 0.04 OeO9 0 320 P.A. P.A.
18e5 4 44 0,12 0, 04 0, 27 0 84' P. A. P. A.
20 4 4 0,21 0,04 0,08 0 192 p,A. P.A.
18,5 4 20 4 4 0,23 04 0,08 0 295 p,A. P.A. l8p5 4 20 2 2 0,4 0,04 0,1 0 232 P*AS P.A.
18,5 4 20 4 2 ot4 0,04 0,08 0 216* P.A* P.A.
18" 5 4 20 2, 3 2,3 0,42 0, 04 0, 2'i 1 Al P, A. 18 P. A.
18,5 4 20 4 4 0,4? 0,04 0,12 0 1364 P.A. P.A. l8p5 18 20 4 4 0,5 0,04 0,28 0 1138 p.A. P.A.
18 6 15 20 4 4 0,5 0, 04 0, 30 0 4000* '. A. P. A.
20' 4 20 4 4 0,44 0, 04 0,33-, 0 1332 p.A. P.A.
20 20 3 2 0 0,15 0,15 1 Al 203 ESA. P.A. l8y5 4 36 4 4 0,57 0,04 0,08 0 2133 923 262 18 4 35 7l,53 0,50 N.D. 0,08 0 P.A. 382 P.A 18 4 35 8 8 Oy 5? N'. D. 00,07 0 i.A. 382 126 18 15 20 4 10 0,31 N.D. 0,09 0 P.A. 950 P.A.
18 4 3. 0 10 0, 52 N. Db 0,19 0 P'As 2238 760 20 20 20 0 15 0,41 N. D. 0,08 0 P.A. 1776 .32 20 20 20 0 15 0,60 N.D. 0,12 0 P.A. P.A. 1543 18 20 40 3 10 0,38 N.D. 0,38 0 P.A. P.A. 10441.
18 20 40 0 15 0,39 N.D. 0,14 0 (270 h sous 3040 ktV'cm2) 185 4 20 4 4 0,4 trace 0,09 1 T'b 623 87(a) P,A.
18pe e 20 44 0, 6 trace 0, 09 1 Nb '. A. 268 P.A.
18St5 20 20 44 0,4 0,1 0,14 Nb 18448 324 121 le 20 20 01 ra 0,5 y.]). 0,10 1 Nb PUAI P.A. 64e.,1'I: le 20 20 3 10 0,5 . 0:10 1 lTb P.A. P.A. 243 18 20 35 0 14 jà:5 .D. 0,10 1 Nb P.A. p.A. 800 18 20 35 3 10 0,5 N.D, 0,10 1 T'b p.A. P. A. 692
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<tb> Pas <SEP> de <SEP> rupture
<tb>
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BA : pas d'essai N. -De : non-déterminé (a) traction 1940 kglam2
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Les données du tableau ci-dessus montrent la résistance remafipable àGhaute température des alliages t'er-chrome-lhckel- cobalt contenant des proportions judicieuses de mOlybdène, de fgatne, de nio. et de bore. Les données montrent également l'augmentation de résistance consécUive l'augmentation de la teneur en nickel et en cobalt.
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Outre leur résistance à haute température les allia- ges de l'invention possèdent d'autres propriétés désirables.
Ils sont résistants et ont une bonne ductilité à la tempéraè ture ordinaire. Ils peuvent être travaillés et usinés à chaud, les alliages contenant 10 à 25 % de nickel et 10 à 25 % de cobalt étant particulièrement remarquables de ce point de vue. Ces deux derniers alliages possèdent également une résistance inhabituelle à la corrosion en ce sens qui ils résistent à la fois aux milieux réducteurs et aux mi- lieux oxydants. De plus, les alliages de la présente in- vention sont soudables par tous les procédés classiques;de soudure tels que soudure à l'arc électrique, soudure à l'oxyacétylène, soudure électrique à l'état fondu immerge et soudure sous pression en phase solide.
Pour parvenir à coup sûr à obtenir les caractéris- tiques désirables des alliages de l'invention, il est es- sentiel d'observer les limites de composition établies de telle manière que les éléments de l'alliage soient présents dans les proportions voulues. Si les proportions de molybdène, de tungstène, et de carbone dépassent les limites indiquées, les alliages présentent une aptitude à être travaillés à chaud et à être soudés moindre, les soudures faites au moyen de tels alliages manquant de ténacité et de ductilité.
Les effets nuisibles de proportions trop élevées de ces éléments ne peuvent être compensés d'une manière satisfai- sante par l'augmentation des proportions de cobalt et de nickel dans les alliages. Une teneur trop élevée en car- bone ou de trop faibles proportions de molybdène, de tungs- tène, de bore ou d'aluminium ont des effets nuisibles sur la résistance des alliages aux hautes températures. De même, pour obtenir la meilleure combinaison d'aptitude à usinage et de résistance à haute température, la proportion de chacun des éléments tels que le niobium, le tantale, le titane et le vanadium doit être inférieure à 2 % de 11alliage. On doit
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donc prendre soin de ne pas dépasser les limites de composi- tion indiquées au cours de la fabrication de ces alliages.
Si les alliages sont destines à des emplois ne com- portant pas de températures supérieures à 734 C environ, on peut employer des compositions voisines des limites infé- rieures données, mais s'ils doivent être employés à des températures supérieures à 734 C, on emploiera des composi- tions voisines des limites supérieures données.
On préfère pour la fabrication d'articles forgés destinés à être employés à ces dernières températures un alliage contenant 16 à 25 % de chrome, 15 à 25 % de nickel, 10 à 25 % de cobalt, 0,5 a 5 % de molybdène, 0,5 à 15 % de tungstène, pas plus de 0,35 % de carbone et 0,01 à 0,7 % de bore, avec ou sans addition de 0,6 à moins de 2 % de niobium. le reste étant /du sensiblement tout/tare Les aubes; roues et autres parties de turbines constituent des types d'objets que l'on peut fabriquer à l'aide des alliages de la présente invention.
Ces articles peuvent être coulés ou forgés.
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iron-based malliage
The present invention relates to iron alloys particularly intended for use in applications requiring great resistance to very high temperatures.
The continued expansion of such apparatus as superchargers, gas turbines, jet propulsion apparatus and the like depends on the production of machinable metals and alloys which withstand the high temperatures at which these apparatus operate. Although various alloys have been proposed for high temperature applications, their use has been limited either because they are not susceptible to hot work or machining, or because they become brittle upon exposure. continues at high temperatures.
A / ferrous / highly alloyed metal characteristics which com-
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Significantly the problem is that as the solid iron-based solution is more heavily loaded with alloying materials for increasing strength at high temperature, high temperature stability tends to decrease so that after prolonged heating the material becomes too brittle.
There is therefore a need for hot-workable and hot-machined alloys having high strength and high temperature stability, and the main object of the present invention is to meet this need.
The present invention achieves this aim by means of a novel iron-based alloy containing certain proportions of nickel, chromium, cobalt, tungsten and at least one metal chosen between boron and aluminum, as constituents. major, with relatively smaller, although essential, proportions of manganese, silicon, carbon and nitrogen. Molybdenum and the impurities generally present in good quality steels can also be present in this new alloy.
Specifically the alliaga of the invention contains by weight 15 to 25% chromium, 2 to 25% nickel, 10 to 40% cobalt, up to 8% molybdenum, 0.5 to 15% tungsten. , a total of 0.01 to 3% boron or aluminum, or both, the boron content not exceeding 1% and the aluminum content not being less than 0.5% in the absence of boron, and up to 2% manganese, up to 1% silicon, up to 0.35% carbon, up to 0.25% nitrogen, the rest being essentially all iron and accidental impurities, with or without a total of 0.5 to 3% of one or more elements such as niobium, tantalum, titanium and vanadium,
the content of each of the
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elements of this group being less than 2% and the content / not of titanium not exceeding / 1,5%. Occasionally, the upper limits assigned for secondary / excellent constituents may be slightly exceeded. If, for example, slow forging ability is not essential, the carbon content may exceed 0.35% and reach, for example, 1%. In general, to obtain the best hot-workability, the alloys of the invention should contain from about 15 to 25% nickel and from 10 to. 25% cobalt, and iron must be included in a proportion greater than the proportion of each of the other elements, the iron content being between about 25 and 55% of the alloy.
In any case, there should be at least 5% and preferably at least 10% iron. The boron content should preferably not exceed 0.7%. In the absence of molybdenum there must be at least 7.5% tungsten in the alloy. If molybdenum is present, its preferred content is between 0.5 and 5%.
Alloys whose composition is within the above limits are easily forgeable, weldable and machinable and, as shown in tests, have remarkably high strength and high temperature stability, eg 648 ° C and above.
Machine parts made from these alloys can be used for operation at high voltages for a prolonged period at 81500 and at lower voltages for a moderate time but at somewhat higher temperatures. The invention includes hot cast or machined articles and welded articles intended for use at elevated temperatures and formed from these alloys.
A very useful test for determining the suitability of metals and alloys for high temperature applications and the so called tensile failure test. In
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In this test, each of the samples of a given material is subjected to a tensile strength measured at a given elevated temperature, and the time required for the sample to break under these temperature and tensile conditions is noted. A curve is then drawn by means of these data, plotting the times in decreases and the tension in ordinates. The curve thus established for the material tested shows, for a given temperature, the time necessary to cause the rupture of said material when it is there. subject 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 tensile and temperature. Valuable in construction projects, especially if the material chosen is at risk of overheating or overloading or both.
Table I shows the results obtained with a number of alloys characteristic of the invention. In this series all the samples, except the twelfth which was forged, were obtained by casting. The values indicated were obtained by testing at 815 ° C. under tensile forces of 1520, 1900 and 2280 kg / cm2 as indicated in the table. The time in hours before rupture under these conditions is given in Table I.
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TABLE i
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Composition% - The remainder roughly only Time until breaking of iron. ture in hours at 815 0
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<tb> to <SEP> pulls:
<tb> at-
<tb>
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Cr Ni Co} lo W B N C tres 1520 1900 2280 18.5 4 20 4 4 012 0.04 OeO9 0 320 P.A. P.A.
18e5 4 44 0.12 0, 04 0, 27 0 84 'P. A. P. A.
20 4 4 0.21 0.04 0.08 0 192 p, A. P.A.
18.5 4 20 4 4 0.23 04 0.08 0 295 p, A. P.A. l8p5 4 20 2 2 0.4 0.04 0.1 0 232 P * AS P.A.
18.5 4 20 4 2 ot4 0.04 0.08 0 216 * P.A * P.A.
18 "5 4 20 2, 3 2.3 0.42 0.04 0, 2'i 1 Al P, A. 18 P. A.
18.5 4 20 4 4 0.4? 0.04 0.12 0 1364 P.A. P.A. l8p5 18 20 4 4 0.5 0.04 0.28 0 1138 p.A. P.A.
18 6 15 20 4 4 0.5 0, 04 0, 30 0 4000 * '. A. P. A.
20 '4 20 4 4 0.44 0.04 0.33-, 0 1332 p.A. P.A.
20 20 3 2 0 0.15 0.15 1 Al 203 ESA. P.A. l8y5 4 36 4 4 0.57 0.04 0.08 0 2133 923 262 18 4 35 7l, 53 0.50 N.D. 0.08 0 P.A. 382 P.A 18 4 35 8 8 Oy 5? NOT'. D. 00.07 0 i.A. 382 126 18 15 20 4 10 0.31 N.D. 0.09 0 P.A. 950 P.A.
18 4 3. 0 10 0, 52 N. Db 0.19 0 P'As 2238 760 20 20 20 0 15 0.41 ND 0.08 0 PA 1776 .32 20 20 20 0 15 0.60 ND 0.12 0 PAPA 1543 18 20 40 3 10 0.38 ND 0.38 0 PAPA 10441.
18 20 40 0 15 0.39 N.D. 0.14 0 (270 h at 3040 ktV'cm2) 185 4 20 4 4 0.4 trace 0.09 1 T'b 623 87 (a) P, A.
18pe e 20 44 0, 6 trace 0, 09 1 Nb '. A. 268 P.A.
18St5 20 20 44 0.4 0.1 0.14 Nb 18448 324 121 le 20 20 01 ra 0.5 y.]). 0.10 1 Nb PUAI P.A. 64e., 1'I: 20 20 3 10 0.5. 0:10 1 lTb P.A. P.A. 243 18 20 35 0 14 jà: 5 .D. 0.10 1 Nb P.A. p.A. 800 18 20 35 3 10 0.5 N.D, 0.10 1 T'b p.A. P. A. 692
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<tb> No <SEP> of <SEP> break
<tb>
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BA: no test N. -De: not determined (a) traction 1940 kglam2
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The data in the above table show the remafipable resistance at high temperature of ere-chromium-lhckel-cobalt alloys containing judicious proportions of mOlybdenum, of fgatne, of nio. and boron. The data also show the increase in strength resulting from the increase in nickel and cobalt content.
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In addition to their high temperature resistance the alloys of the invention possess other desirable properties.
They are strong and have good ductility at room temperature. They can be hot worked and machined, alloys containing 10 to 25% nickel and 10 to 25% cobalt being particularly remarkable from this point of view. These latter two alloys also have unusual corrosion resistance in that they are resistant to both reducing and oxidizing media. In addition, the alloys of the present invention are weldable by all conventional methods; welding such as electric arc welding, oxyacetylene welding, submerged electric melt welding and in-phase pressure welding. solid.
In order to successfully achieve the desirable characteristics of the alloys of the invention, it is essential to observe the compositional limits established so that the elements of the alloy are present in the desired proportions. If the proportions of molybdenum, tungsten, and carbon exceed the stated limits, the alloys exhibit less ability to be hot worked and to be welded, welds made with such alloys lacking toughness and ductility.
The deleterious effects of too high proportions of these elements cannot be satisfactorily offset by increasing the proportions of cobalt and nickel in the alloys. Too high a carbon content or too low a proportion of molybdenum, tungsten, boron or aluminum adversely affects the resistance of alloys to high temperatures. Likewise, to obtain the best combination of machinability and high temperature resistance, the proportion of each of the elements such as niobium, tantalum, titanium and vanadium should be less than 2% of the alloy. We have to
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therefore, take care not to exceed the stated compositional limits during the manufacture of these alloys.
If the alloys are intended for uses not involving temperatures above about 734 C, compositions close to the lower limits given may be used, but if they are to be used at temperatures above 734 C, they may be used. will use compositions close to the given upper limits.
An alloy containing 16 to 25% chromium, 15 to 25% nickel, 10 to 25% cobalt, 0.5 to 5% molybdenum, is preferred for the manufacture of forged articles intended for use at these latter temperatures, 0.5 to 15% tungsten, not more than 0.35% carbon and 0.01 to 0.7% boron, with or without the addition of 0.6 to less than 2% niobium. the rest being / substantially all / tare The vanes; Impellers and other parts of turbines are types of articles which can be made using the alloys of the present invention.
These items can be cast or forged.