<Desc/Clms Page number 1>
Alliages à base de fer"
La présente invention se rapporte à des alliages à. base de fer destinés aux emplois à hautes températures et plus particulièrement à des alliages convenant aux appli- cations nécessitant une grande résistance aux températures élevées.
L'art de l'ingénieur est actuellement orienta vers l'emploi de hautes températures pour des opérations nom- breuses et diverses!; 0'est ainsi que les réactions chimiques sont aujourd'hui effectuées à de très hautes températures et en particulier les opérations de raffinage du pétrole.
De plus, la recherche de sources perfectionnées d'énergie a amené à étudier et mettre au point des dispositifs tels que surcompresseurs, turbines à gaz, appareils de propul- sion à réaction et analogues qui tous fonctionnent à des températures très élevées. Ces progrès exigent des métal-
<Desc/Clms Page number 2>
lurgistes des métaux et alliages résistant à des exposi- tions prolongées à des températures très supérieures à
371 C environ et dans de nombreux cas nettement supérieures à 648 C. Le problème est compliqué du fait que l'on ren- contre souvent des efforts mécaniques sévères à ces tempé- ratures.
Certaines parties des dispositifs tels que les sur- compresseurs, les turbines à gaz, les appareils de propul- sion à réaction et analogues exigent l'emploi d'alliages susceptibles de résister à des efforts mécaniques sévères à des températures élevées. Suivant la conception et l'em- ploi envisagé de ces dispositifs, les intervalles de températures dans lesquels ils fonctionnent peuvent être sépares en deux séries, l'une de 482 à 648 C environ, l'autre au dessus de 648 C. Les appareils et accessoires peuvent avoir à résister à des températures de l'ordre de 371 C et au-dessus. Dans les dispositifs fonctionnant aux températures plus faibles, les efforts mécaniques sont généralement beaucoup plus estes que dans ceux fonctionnant au dessus de 648 C.
Dans de nombreux cas, il est souhaitable que les alliages dont sont faits ces appareils soient sus- ceptibles d'être travaillés à chaud et usines ..lors que dans d'autres ils doivent être employés sous forme de piè- ces coulées. En tout cas, ces alliages doivent avoir une grande résistance.
On a proposé de nombreux alliages destinés aux emplois à hautes températures mais leur utilité a été li- mitée en raison de ce qu'ils ne sont pas aptes à être travaillés à chaud ou usinés ou parce qu'ils deviennent cassants par exposition prolongée à haute température. Une des caractéristiques des matériaux a. base de fer fortement alliés est qu'à mesure que la solution solide à base de fer est plus fortement chargée en métaux d'alliage en vue
<Desc/Clms Page number 3>
de l'augmentation de la résistance à haute température, leur stabilité aux températures élevées tend à diminuer de telle sorte qu'après un chauffage prolongé à haute température, ils deviennent excessivement cassants.
Le but principal de l'invention est de fournir des alliages à base de fer convenant aux applications dans lesquelles on rencontre normalement des températures supé- rieures à 371 C environ. L'invention se propose également de fournir des alliages susceptibles d'être travaillés à chaud et ueinâs destinés aux emplois à ces températures élevées. Elle se propose encore de fournir des alliages à base de fer susceptibles de résister à des efforts méca- niques sévères aux températures élevées supérieures à 371 C environ. Un but plus particulier de l'invention est de fournir des alliages et articles forgés ou coulés suscep- tibles de résister à des efforts mécaniques sévères à des températures élevées supérieures à 327 C environ jusque 648 0 environ.
L'invention permettant d'atteindre ces buts est fon- dée sur la découverte que l'addition de faibles proportions judicieuses de molybdène, de tungstène et d'au moins un le tilane des éléments tels que le niohium, le tantale et le vanadium aux alliages fer-chrome-cobalt, avec ou sans nickel, provoque une augmentation remarquable de leur résistance aux températures élevées sans exercer d'action nuisible sur leur stabilité à haute température.
L'invention se rapporte à des alliages contenant 10 à 30 % de chrome, 10 à, 40 % de cobalt, jusque 7,5 % de molybdène, 0,5 à 16 % de tungstène et un total de 0,5 à 7 % d'au moins un métal tel que le niobium, le tantale, le titane et le vanadium, le reste de l'alliage étant du fer à l'exception des impuretés accidentelles et des petites quantités des éléments habituellement présents dans les
<Desc/Clms Page number 4>
aciers de bonne qualité, avec ou sans nickel dans une pro- portion inférieure à 15 %. La teneur en fer doit être d'au moins 10 % de l'alliage. La teneur en tungstène ne doit pas être inférieure à 7,5 % en l'absence de molybdène.
En présence de molybdène, la proportion généralement pré- férée de cet élément est comprise entre 0,5 et 5 %. Le total des éléments du groupe du niohium n'a pas besoin de dépasser 3 quand l'alliage contient du nickel. Il ne doit pas y avoir en tout cas plus de 2 % de chacun des composante titane et vanadium dans l'alliage.
Il y a toujours du carbone dans les alliages de l'invention. De préférence, il n'excède pas 1 % environ, et si l'on désire qu'ils soient aptes à être travaillés chaud, la teneur maximum en carbone doit être de 0,35 %.
L'azote exerce une action favorable importante et sa pro- portion peut de préférence aller jusqu'. 0,25 %. Le sili- cium et le manganèse peuvent être présents, la teneur en silicium ne dépassant pas de préférence 1 et la teneur en manganèse ne dépassant pas 2 % si l'on veut que l'al- liage soit usinable à chaud.
Un essai très utile de détermination de la convenance des matériaux destinés à l'emploi aux températures élevées est l'essai dit de rupture à la traction. Dans cet essai, on soumet un certain nombre d'échantillons de l'alliage à essayer à une température donnée, chaque échantillon étant soumis à des tractions mesurées différentes. Le temps nécessaire pour provoquer la rupture de l'échantillon dans ces conditions de température et de traction est déterminé, et l'on trace, au moyen des temps et des tractions, la courbe de la matière essayée. On peut déterminer à l'aide de cette courbe les efforts que ladite matière supportera pendant un temps donné, 1000 heures par exemple, à la température particulière pour laquelle la courbe a été tracée.
Cet essai fournit un moyen commode de détermination
<Desc/Clms Page number 5>
de la charge que le matériel peut supporter. Il indique également s'il devient cassant ou non par exposition pro- longée à la température de l'essai. Une matière cassante se brisera sans s'allonger tandis qu'une matière ductile s'allongera avant rupture.
Les essais de rupture à la traction effectués de la manière qu'on vient de décrire indiquent que les alliages de l'invention conservent une grande résistance à des tem- pératures atteignant 648 C et que, même à cette haute température, ils possèdent une bonne ductilité.
Le tableau I ci-dessus donne des exemples caracté- ristiques de l'amélioration de la résistance à haute tem- pérature des aciers au chrome-cobalt, avec ou sans nickel, conférée par l'addition de molybdène, de tungstène et de niobium en diverses combinaisons. Le tableau indique les résultats des essais de rupture à la traction au moyen d'une traction de 1520 kg/cm exercée sur des échantillons coulés de l'acier à essayer maintenus à la température de 648 C. Il indique également le temps en heures exigé pour la rupture de l'échantillon dans les conditions extrê- mement sévères indiquées dans le tableau. Le tableau donne également les résultats dressais similaires effectués à 815 C sous une traction de 1520 kg/cm2 sur des échantillons forgés.
Certains des échantillons ont été essayes à l'état forgé (état 1), d'autres à l'état forgé, puis chauffé pendant 1 heure à 1250 C et trempé à l'eau (état 2).
<Desc/Clms Page number 6>
TABLEAU ..!
EMI6.1
<tb> Echantillons <SEP> coulés. <SEP> Essai <SEP> à <SEP> 648 C <SEP> sous <SEP> 1520 <SEP> kg/cm2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Composition. <SEP> Le <SEP> reste <SEP> étant <SEP> sensiblement <SEP> tout <SEP> du <SEP> Heures
<tb>
EMI6.2
fer. avant fsr. ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ rupture or 'o Ito ÍlL tf.Nb f' 0 N
EMI6.3
<tb> 13 <SEP> 10 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 3,5 <SEP> 0,32 <SEP> 0,03 <SEP> 380
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 20 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 3,5 <SEP> 0,40 <SEP> 0,03 <SEP> 710
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 35 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 3,5 <SEP> 0,32 <SEP> 0,03 <SEP> 1278
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 20 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 6 <SEP> 0,53 <SEP> 0,03 <SEP> 360
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Echantillons <SEP> forgea.
<SEP> Essai <SEP> à <SEP> 815 C <SEP> sous <SEP> 1520 <SEP> kg/cm2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Composition. <SEP> Le <SEP> reste <SEP> étant <SEP> sensiblement <SEP> tout <SEP> Heures <SEP> avant
<tb>
EMI6.4
du fer. ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯. rupture- ######.#. Etat Q %Ni $00 %Mo tl t'Nb" 0 $ N Etat
EMI6.5
<tb> 18 <SEP> 10 <SEP> 30 <SEP> 3 <SEP> 2 <SEP> 1 <SEP> 0,15 <SEP> 0,12 <SEP> 117 <SEP> 143
<tb>
<tb> 18 <SEP> 10 <SEP> 30 <SEP> 3 <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 0,15 <SEP> 0,12 <SEP> 48 <SEP> 182
<tb>
EMI6.6
18 10 30 Ù,5 15 1 0,15 tà 7. 34 251
Les données du tableau ci-dessus montrent clairement Inaptitude des alliages de l'invention à résister à de fortes tractions à des températures élevées pendant des périodes prolongées sans se rompre.
Dans la fabrication des alliages de l'invention, on doit prendre soin de s'en tenir strictement aux limites de composition eu égard à l'usage auquel l'alliage est destiné, en raison de ce que des variations notables dans les proportions des divers ingrédients exercent une in- fluence nuisible sur les propriétés désirées. C'est ainsi que si les alliages doivent être coulés, la teneur en car- bone peut atteindre 1 %, mais si. l'on désire qu'ils soient aptes à être travaillés à chaud, elle doit être au maximum de 0,35 % environ, et de préférence ne pas dépasser 0,2 %.
De même, les proportions de molybdène, de tungstène, de niobium, de tantale, de titane et de vanadium présentes dans les alliages exercent une influence sur leur aptitude à être usinés à chaud et à être soudés. La limite supérieure préférée pour le niobium et le tantale est de 5 %. Des pro-
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
portions trop fortes de ces éléments exercent une action nuisible sur la susceptibilité des alliages d'être usinés à chaud et d'être soudés, particulièrement sur cette der- nière propriété.
Les alliages dont la composition est com- prise entre les limites ci-dessus définies peuvent être soudés facilement par l'un quelconque des procédés cou- rants de soudure, par exemple l'arc électrique, le chalu- meau oxyacétylénique, la soudure électrique par fusion immergée ou la soudure sous pression en phase solide, et donnent des soudures saines, tenaces et solides, sans que le métal de base ou le métal de soudure en soit rendu cas- sant, et qui conservent leur ténacité à température éle- vée. Mais si l'un quelconque de ces éléments figure dans l'alliage dans une proportion trop élevée, les soudures produites perdent généralement leur ténacité à température élevée.
La présence d'azote dans les alliages de l'invention entrant dans les limites de composition indiquées est importante, l'azote ayant un effet favorable sur la sta- bilité desdits alliages à haute température.
Les alliages de l'invention, particulièrement ceux contenant du nickel, sont de préférence travaillés entre 1149 et 871 0. on peut dans certains cas poursuivre leur façonnage a une température légèrement inférieure à la température de recristallisation (environ 648 C>. Les al- liages ainsi fagonnés sont dits à létat .chaud-froid..
Ils peuvent être utilisés dans ces conditions dans les applications dans lesquelles on ne rencontre pas de tem- pératures supérieures à 648 0. Si les alliages sont des- tinés à être utilisés à des températures très supérieures à 648 C, ils doivent après forgeage 3tre recuits vers 1204 0-1270 0 avant emploi.
Etant susceptiblea d'tre trava311éa à chaud, usinés, soudés et coulés et possédant une résistance remarquable
<Desc/Clms Page number 8>
à des températures élevées allant jusqu'à environ 648 C, les alliages de l'invention sont particulièrement appro- priés à la fabrication d'articles tels que pièces de surcompresseurs, de turbines à gaz, d'appareils de propulsion à réaction et analogues qui doivent résister à des efforts mécaniques sévères à températures élevées.
Leur absence de fragilité après exposition prolongée à hautes températures les rend recommandables dans les cas où la sûreté de fonctionnement est essentielle.
<Desc / Clms Page number 1>
Iron-based alloys "
The present invention relates to alloys. iron base intended for use at high temperatures and more particularly for alloys suitable for applications requiring high resistance to high temperatures.
The art of the engineer is currently oriented towards the use of high temperatures for many and various operations !; This is how chemical reactions are carried out today at very high temperatures and in particular petroleum refining operations.
In addition, the search for improved sources of energy has led to the study and development of devices such as superchargers, gas turbines, jet propulsion devices and the like which all operate at very high temperatures. These advances require metal-
<Desc / Clms Page number 2>
lurgists of metals and alloys resistant to prolonged exposure to temperatures well above
About 371 C and in many cases well above 648 C. The problem is complicated by the fact that severe mechanical stresses are often encountered at these temperatures.
Certain parts of the devices such as supercompressors, gas turbines, jet propellers and the like require the use of alloys capable of withstanding severe mechanical stresses at elevated temperatures. Depending on the design and intended use of these devices, the temperature ranges in which they operate can be separated into two series, one from approximately 482 to 648 C, the other above 648 C. The devices and accessories may have to withstand temperatures in the range of 371 C and above. In devices operating at lower temperatures, the mechanical stresses are generally much greater than in those operating above 648 C.
In many cases it is desirable that the alloys from which these apparatuses are made should be capable of being hot worked and milled, while in others they are to be employed in the form of castings. In any case, these alloys must have a high resistance.
Many alloys have been proposed for use in high temperature applications but their utility has been limited due to their inability to be hot worked or machined or because they become brittle on prolonged exposure to high temperatures. temperature. One of the characteristics of the materials a. highly alloyed iron base is that as the solid iron solution is more heavily loaded with alloying metals in view
<Desc / Clms Page number 3>
due to the increase in strength at high temperature, their stability at high temperatures tends to decrease so that after prolonged heating at high temperature, they become excessively brittle.
The main object of the invention is to provide iron-based alloys suitable for applications in which temperatures above about 371 ° C. are normally encountered. The invention also proposes to provide alloys capable of being hot worked and ueinâs intended for use at these high temperatures. It also proposes to supply iron-based alloys capable of withstanding severe mechanical stresses at high temperatures above approximately 371 ° C.. A more particular object of the invention is to provide alloys and forged or cast articles capable of withstanding severe mechanical stresses at high temperatures above approximately 327 ° C. up to approximately 648 ° C..
The invention for achieving these objects is based on the discovery that the addition of judicious small proportions of molybdenum, tungsten and at least one of the tilane of elements such as niohium, tantalum and vanadium to Iron-chromium-cobalt alloys, with or without nickel, cause a remarkable increase in their resistance to high temperatures without adversely affecting their stability at high temperature.
The invention relates to alloys containing 10 to 30% chromium, 10 to 40% cobalt, up to 7.5% molybdenum, 0.5 to 16% tungsten and a total of 0.5 to 7%. of at least one metal such as niobium, tantalum, titanium and vanadium, the rest of the alloy being iron except for accidental impurities and small amounts of the elements usually present in
<Desc / Clms Page number 4>
good quality steels, with or without nickel in a proportion of less than 15%. The iron content should be at least 10% of the alloy. The tungsten content should not be less than 7.5% in the absence of molybdenum.
In the presence of molybdenum, the generally preferred proportion of this element is between 0.5 and 5%. The total of the elements of the niohium group need not exceed 3 when the alloy contains nickel. In any case, there should not be more than 2% of each of the titanium and vanadium components in the alloy.
There is always carbon in the alloys of the invention. Preferably, it does not exceed about 1%, and if it is desired that they be suitable for hot work, the maximum carbon content should be 0.35%.
Nitrogen exerts an important favorable action and its proportion can preferably be up to. 0.25%. Silicon and manganese may be present, the silicon content preferably not exceeding 1 and the manganese content not exceeding 2% if the alloy is to be hot machinable.
A very useful test for determining the suitability of materials intended for use at elevated temperatures is the so-called tensile failure test. In this test, a number of samples of the alloy to be tested are subjected to a given temperature, each sample being subjected to different measured tensile forces. The time required to cause the sample to rupture under these temperature and tensile conditions is determined, and the curve of the material being tested is plotted by means of the times and the tensile forces. It is possible to determine with the aid of this curve the stresses that said material will withstand for a given time, 1000 hours for example, at the particular temperature for which the curve was drawn.
This test provides a convenient means of determining
<Desc / Clms Page number 5>
the load that the material can support. It also indicates whether or not it becomes brittle upon prolonged exposure to the test temperature. A brittle material will break without elongation while a ductile material will elongate before failure.
The tensile fracture tests carried out in the manner just described indicate that the alloys of the invention retain a high resistance to temperatures up to 648 ° C. and that, even at this high temperature, they have good resistance. ductility.
Table I above gives typical examples of the improvement in the high temperature resistance of chromium-cobalt steels, with or without nickel, conferred by the addition of molybdenum, tungsten and niobium in various combinations. The table shows the results of the tensile failure tests by means of a tension of 1520 kg / cm exerted on cast samples of the steel to be tested maintained at a temperature of 648 C. It also indicates the time in hours required. for breaking the sample under the extremely severe conditions indicated in the table. The table also gives similar results carried out at 815 C under a tension of 1520 kg / cm2 on forged samples.
Some of the samples were tested in the forged state (state 1), others in the forged state, then heated for 1 hour at 1250 C and quenched in water (state 2).
<Desc / Clms Page number 6>
BOARD ..!
EMI6.1
<tb> Cast <SEP> samples. <SEP> Test <SEP> at <SEP> 648 C <SEP> under <SEP> 1520 <SEP> kg / cm2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Composition. <SEP> The <SEP> remains <SEP> being <SEP> substantially <SEP> all <SEP> of the <SEP> Hours
<tb>
EMI6.2
iron. before fsr. ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ break or 'o Ito ÍlL tf.Nb f' 0 N
EMI6.3
<tb> 13 <SEP> 10 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 3.5 <SEP> 0.32 <SEP> 0.03 <SEP> 380
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 20 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 3.5 <SEP> 0.40 <SEP> 0.03 <SEP> 710
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 35 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 3.5 <SEP> 0.32 <SEP> 0.03 <SEP> 1278
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 13 <SEP> 20 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 6 <SEP> 0.53 <SEP> 0.03 <SEP> 360
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Samples <SEP> forgea.
<SEP> Test <SEP> at <SEP> 815 C <SEP> under <SEP> 1520 <SEP> kg / cm2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Composition. <SEP> The <SEP> remains <SEP> being <SEP> substantially <SEP> all <SEP> Hours <SEP> before
<tb>
EMI6.4
iron. ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯. break- ######. #. State Q% Ni $ 00% Mo tl t'Nb "0 $ N State
EMI6.5
<tb> 18 <SEP> 10 <SEP> 30 <SEP> 3 <SEP> 2 <SEP> 1 <SEP> 0.15 <SEP> 0.12 <SEP> 117 <SEP> 143
<tb>
<tb> 18 <SEP> 10 <SEP> 30 <SEP> 3 <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 0.15 <SEP> 0.12 <SEP> 48 <SEP> 182
<tb>
EMI6.6
18 10 30 Ù, 5 15 1 0.15 t at 7. 34 251
The data in the above table clearly show the inability of the alloys of the invention to withstand high tensile forces at elevated temperatures for prolonged periods of time without breaking.
In the manufacture of the alloys of the invention, care must be taken to adhere strictly to the limits of composition having regard to the use for which the alloy is intended, owing to the fact that notable variations in the proportions of the various ingredients exert a detrimental influence on the desired properties. So if the alloys are to be cast, the carbon content can reach 1%, but it does. it is desired that they be capable of being hot-worked, it should be at most about 0.35%, and preferably not to exceed 0.2%.
Likewise, the proportions of molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, titanium and vanadium present in the alloys exert an influence on their ability to be hot-worked and to be welded. The preferred upper limit for niobium and tantalum is 5%. Pro
<Desc / Clms Page number 7>
EMI7.1
Too large portions of these elements exert a detrimental effect on the susceptibility of the alloys to be hot machined and to be welded, particularly on this latter property.
Alloys whose composition is within the limits defined above can be welded easily by any of the common welding methods, for example electric arc, oxyacetylene heat, electric welding by submerged fusion or solid phase pressure welding, and give sound, tough and strong welds without breaking the base metal or weld metal, and which retain their toughness at elevated temperatures. But if any of these elements are in the alloy in too high a proportion, the welds produced usually lose their toughness at elevated temperatures.
The presence of nitrogen in the alloys of the invention falling within the composition limits indicated is important, the nitrogen having a favorable effect on the stability of said alloys at high temperature.
The alloys of the invention, particularly those containing nickel, are preferably worked between 1149 and 871 0. In certain cases, their shaping can be continued at a temperature slightly below the recrystallization temperature (about 648 C>. bindings thus formed are said to be in the hot-cold state.
They can be used under these conditions in applications in which temperatures above 648 0 are not encountered. If the alloys are intended to be used at temperatures much above 648 C, after forging they must be annealed. around 1204 0-1270 0 before use.
Being susceptible to being hot worked, machined, welded and cast and possessing remarkable resistance
<Desc / Clms Page number 8>
at elevated temperatures of up to about 648 ° C, the alloys of the invention are particularly suitable for the manufacture of articles such as parts of superchargers, gas turbines, jet propellants and the like which must withstand severe mechanical stress at high temperatures.
Their lack of brittleness after prolonged exposure to high temperatures makes them advisable in cases where operational safety is essential.