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'Alliages à base de fer" ,La présente invention se rapporte à des alliages à base de fer destinés aux emplois à haute température et plus particulièrement à des alliages convenant aux appli- cations exigeant une grande résistance aux températures élevées.
L'art de l'ingénieur est actuellement orienté vers l'emploi de hautes températures poùr des opérations nom- breuses et diverses. C'est ainsi que les réactions chimiques sont aujourd'hui effectuées à de très hautes températures et en particulier les opérations de raffinage de pétroles.
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 pro- pulsion à réaction et'analogues qui tous fonctionnent à des températures trés élevées ; Ces progrès exigent des métallurgistes des métaux et alliages résistant à des
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expositions prolongées à des températures très supérieures à 371 C et dans de nombreux cas nettement supérieures à 648 C. Le problème est compliqué du fait que l'on rencontre souvent des efforts mécaniques sévères à ces températures.
Certaines parties des dispositifs tels que surcom- presseurs, turbines à gaz, appareils de propulsion . réac- tion et analogues exigent l'emploi d'alliages susceptibles de résister à des effoTts mécaniques sévères à des tem- pératures élevées. Suivant la conception et l'emploi envi- sage de ces dispositifs, les intervalles de températures dans lesquelles ils fonctionnent peuvent être séparés en deux séries, l'une de 482 à 648 C environ, l'autre au des- sus de 815 C environ. Les appareils et accessoires peuvent avoir à résister à des températures de l'ordre de 371 C environ et au-dessus. Dans les dispositifs fonctionnant aux températures plus faibles, les efforts mécaniques sont généralement beaucoup plus élevés que dans ceux fonction- nant au dessus de 648 C.
Dans de nombreux cas, il est sou- haitable que les alliages dont sont faits ces appareils soient susceptibles d'être travaill@s à chaud et usinés alors que dans d'autres cas ils peuvent être employés sous forme de pièces coulées. En tout cas, ces alliages doivent avoir une grande résistance.
On a proposé de nombreux alliages destines aux em- plois à hautes températures mais leur utilisation a été limitée en raison de ce qu'ils ne sont pas aptes à être travaillés à chaud ou à être usinés, ou parce qu'ils de- viennent trop cassants par exposition prolongée à haute température. Une des caractéristiques des matériaux . base de fer est plus fortement chargée en métaux d'alliage en vue 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 tem- pérature, ils deviennent excessivement cassants.
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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 supérieures à 371 C environ. L'invention se propose également de fournir des alliages susceptibles d'êtte travaillés a chaud et usinés destinés à être employés aux temperatures élevées. Elle se propose encore de fournir des alliages suceptibles de résister à des efforts mécaniques sévères à des températures élevées supérieures à 371 C environ. Un but plus particulier de l'invention est de fournir des alliages et des articles forgés ou coulés susceptibles de résister à des efforts mécaniques sévères à des températures élevées supérieures à 371 C environ, jusque vers 81500.
L'invention permettant d'atteindre ces buts est fondée sur la découverte que l'addition de faibles proportions judicieuses de tungstène, de bore ou d'aluminium, ou de ces deux derniers métaux, avec ou sans un ou plusieurs éléments tels que le niobium, le tantale et le titane, à des alliages fer-chrome-cobalt provoque une augmentation remarquable dans la résistance à haute température de ces alliages sans en affecter d'une manière nuisible leur stabilité à haute température.
L'invention comprend des alliages contenant 10 à 30 % de chrome, 10 à 45 % de cobalt, 0,5 à 15 % de tungstène, 0,01 à 3 % au total de bore ou d'aluminium, la teneur maximum en bore étant de 1,5 et de préférence de 0,7 % et @ la teneur minimum en alumine étant, en l'absence de bore, de 0,5 %, avec ou sans un total de 0,5 à 7 % de un ou de Plusieurs éléments tels que le niobium, le tantale et le titane, le reste de l'alliage étant uniquement du fer et des impuretés accidentelles ainsi que de petites quantités des éléments habituellement présents dans les aciers de bonne qualité. La teneur en fer doit toujours étre supé-
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rieure à 5 %. Le titane ne doit pas figurer pour plus de 2 % dans l'allie,ge.
Le molybdène peut figurer jusqu'à 7,5 dans l'alliage, la teneur préférée en cet élément étant comprise entre 0,5 et 5 %. En l'absence de molybdène la teneur en tungstène doit être d'au moins 7,5 %. Si le molybdène et le tungstène sont tous deux présents, la teneur en tungstène ne dépassera pas, de préférence, 10 % de l'alliage.
Il y a toujours du carbone dans les alliages de l'in- vention, mais sa teneur,doit êre inférieure à 1 % et, si l'on désire qu'ils soient usinables à chaud, elle ne doit pas dépasser 0,35 . L'azote exerce une action favorable importante et sa proportion peut de préférence aller jus- qu'à 0,25 %. Le silicium et le manganèse peuvent être présents, la teneur en silicium ne dépassant pas de préfé- rence 1 % et la teneur en manganèse ne dépassant pas 2 %, si la on veut que l'alliage soit apte à être usiné.à chaud.
Un essai très utile de détermination de la convenance des matériaux destinés à être employés aux températures élevées est l'essai dt de rupture à la traction. Dans cet essai, on soumet un certain nombre d'échantillons de l'alliage à essayer, maintenus à une température donnée une traction mesurée différente pour chacun d'eux. 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 trac- tions, 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 déter- mination de la charge que la matièrespeut supporter. Il indique également s'il devient cassant ou non par expo-
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sition prolongée à la température de l'essai. Une matire 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 températures atteignant 815 C et que, même à cette haute température, ils possèdent une bonne ductilité.
Le tableau I ci-dessous donne des exemples carac- téristiques de l'amélioration de la résistance à haute température conférée aux aciers au chrome-cobalt par l'addition de molybdène, de tungstène, de niobium et de bore ou d'aluminium en diverses combinaisons. Le tableau indique les résultats des essais de rupture à la traction sous des tractions de 1900, 2280, 2780 et 8040 kg/cm2 exercées sur des échantillons coulés des aciers à essayer, à $une température de 815 C. Il indiqule le temps en heures exigé pour la rupture de l'échantillon dans les conditions extrêmement sévères indiquées sur le tableau.
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TABLEAU I
EMI6.1
<tb> Composition <SEP> - <SEP> Le <SEP> reste <SEP> étant <SEP> sensiblement <SEP> Heures <SEP> avant <SEP> rup-
<tb>
EMI6.2
tout du fer ture à 815 C sous les pressions de : %Cr îGo >ÎMo 7; W %Cb fiB ;A 1 %c k 9/ kg k6 - - - - - - - - cm2 cm L
EMI6.3
<tb> 18,5 <SEP> 35 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 0 <SEP> 0,51 <SEP> 1 <SEP> 0,08 <SEP> 164 <SEP> @@
<tb>
<tb> 20 <SEP> 35 <SEP> 2 <SEP> 10 <SEP> 0 <SEP> 0,57 <SEP> 0 <SEP> 0,11 <SEP> 1483 <SEP> 787 <SEP> @@
<tb> 18,5 <SEP> 35 <SEP> 3 <SEP> 10 <SEP> 0 <SEP> 0,55 <SEP> 0 <SEP> 0,07 <SEP> 825 <SEP> @@
<tb>
EMI6.4
18,5 35 0 10 0 0,61 0 0,09 1933% 556 18 40 0 15 0 0,55 0 0,07 158 460(a) 148
EMI6.5
<tb> 18 <SEP> 40 <SEP> 0 <SEP> 15 <SEP> 0 <SEP> 0,52 <SEP> 0 <SEP> 0,84 <SEP> 285
<tb>
<tb> 18 <SEP> 40 <SEP> 0 <SEP> 15 <SEP> 0 <SEP> 0,63 <SEP> 0 <SEP> 0,12 <SEP> 285(a)
<tb>
<tb> 18 <SEP> 40 <SEP> 0 <SEP> 15 <SEP> 0 <SEP> 0,62 <SEP> 0 <SEP> 0,07 <SEP> 2184 <SEP> 399(a) <SEP> 169
<tb>
<tb> 18 <SEP> 40 <SEP> 0 <SEP> 15 <SEP> 0 <SEP> 1,3 <SEP> 0 <SEP> 0,05 <SEP> 2160 <SEP> 235
<tb>
<tb> 18,5 <SEP> 35 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 1 <SEP> 0,51 <SEP> 0 <SEP> 0,10 <SEP> 917 <SEP> 195 <SEP>
<tb>
<tb> 18,5 <SEP> 35 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0,11 <SEP> 113 <SEP> 14 <SEP> ss
<tb> 18 <SEP> 40 <SEP> 3 <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 0,5 <SEP> 0 <SEP> 0,10 <SEP> se <SEP> 451
<tb>
<tb> 18 <SEP> 40 <SEP> 0 <SEP> 15 <SEP> 1 <SEP> 0,5 <SEP> 0 <SEP> 0,10 <SEP> 443
<tb>
EMI6.6
M : pas de rupture; gg: pas dressai; (a) essai sous trac-
EMI6.7
<tb> tion <SEP> de <SEP> 2780 <SEP> kg/cm2.
<tb>
Les données du tableau ci-dessus montrent clairement 1aptitude des alliages de l'invention à résister à de fortes tractions à températures élevées pendant un temps prolongé 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 influence nuisible sur les propriétés désirées. C'est ainsi que si les alliages doivent être employés à l'état
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de pièces coulées, la teneur en carbone peut dépasser
0,35 % mais doit rester inférieure à 1 %; mais si l'on désire qu'ils soient aptes à être travaillés à chaud, la teneur en carbone doit être au maximum de 0,35 % et ne doit pas dépasser de préférence 0,2 %.
De même, les,proportions de molybdène, de tungstène, de niobium, de tantale, de titane, d'aluminium et de bore présentes dans les alliages exercent une influence sur leur aptitude à être usinés à chaud et à être soudés. Pour ce qui concerne le niobium et le tantale, la limite supé- rieure préférée est de 5 %. Une proportion trop élevée de lun quelconque de ces éléments exerce une influence nuisible sur leur aptitude à être usinés à chaud et à être soudés, particulièrement cette dernière propriété.
Les alliages entrant dans les limites de composition ci- dessus définies peuvent être facilement soudés par l'un quelconque des procédés courants de soudure, par exemple l'arc électrique, le chalumeau 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 matai de soudure en soit rendu cassant et qui conservent leur ténacité à température élevée. Nais si l'un quelconque de ces éléments figure dans l'alliage dans une proportion trop élevée, les soudures produites perdront leur ténacité à température élevée.
De même, la proportion de cobalt est importante et elle doit être suffisante pour donner naissance à un al- liage austénitique stable.
-La présence d'azote dans les alliages de Invention entre les limites de composition indiquées est importante, azote exerçant une action favorable sur leur stabilité à haute température.
Etant aptes à être travaillés à chaud, usinés, soudés
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et coulés, et possédant une résistance remarquable à des températures élevées jusqu'à 815 C environ, les alliages de l'invention conviennent particulièrement bien à leur emploi dans la fabrication d'articles tels que des pièces de surcompresseurs, de turbines à gaz d'appareils de pro- pulsion à réaction et analogues qui exigent une résistance élevée aux efforts mécaniques sévères, à des températures élevées. Leur absence de fragilité après exposition pro- longée à de hautes températures les rend recommandables dans les cas où la sûreté de fonctionnement est essentielle.
REVENDICATIONS
1) Alliage contenant 10 à 30 % de chrome, 10 à 45 % decobalt, 0 à 7,5 % de molybdène, 0, 5 à 15 % de tungstène, un total de 0,01 à, 3 % de bore ou d'aluminium, ou des deux, la teneur en bore ne dépassant pas 1,5 % et la teneur minimum en aluminium étant en l'absence de bore de 0,5 % jusqu'à 0,25 % d'azote, du carbone dans une pro- portion inférieure à 1 %, le reste étant en substance uniquement du fer et des impuretés accidentelles, la te- neur en fer étant supérieure à 5 %.
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The present invention relates to iron-based alloys for high temperature applications and more particularly to alloys suitable for applications requiring high resistance to high temperatures.
The art of engineering is now oriented towards the use of high temperatures for many and various operations. This is how chemical reactions are now carried out at very high temperatures and in particular oil refining operations.
In addition, the search for improved sources of energy has led to the study and development of such devices as superchargers, gas turbines, jet propellants and the like which all operate at very high temperatures; These advances require metallurgists of metals and alloys resistant to
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prolonged exposures to temperatures much above 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.
Parts of devices such as superchargers, gas turbines, propulsion devices. The reaction and the like require the use of alloys capable of withstanding severe mechanical effects at elevated temperatures. Depending on the design and intended use of these devices, the temperature intervals in which they operate may be separated into two series, one from approximately 482 to 648 C, the other above approximately 815 C. . Devices and accessories may have to withstand temperatures in the range of approximately 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 devices are made should be capable of being hot worked and machined while in other cases they can be used as castings. In any case, these alloys must have a high resistance.
Numerous alloys have been proposed for use at high temperatures, but their use has been limited because they are not suitable for hot working or machining, or because they become too hot. brittle by prolonged exposure to high temperature. One of the characteristics of the materials. iron base is more heavily loaded with alloying metals for increasing strength at high temperature, their stability at high temperatures tends to decrease so that after prolonged heating at high temperature they become excessively brittle.
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The main object of the invention is to provide iron-based alloys suitable for applications in which temperatures above approximately 371 ° C. are normally encountered. The invention also proposes to provide alloys capable of being hot worked and machined intended for use at high temperatures. It also proposes to provide alloys capable of withstanding severe mechanical stresses at high temperatures above approximately 371 C. A more particular aim of the invention is to provide alloys and forged or cast articles capable of withstanding severe mechanical stresses at high temperatures above approximately 371 ° C., up to around 81500.
The invention making it possible to achieve these objects is based on the discovery that the addition of small judicious proportions of tungsten, boron or aluminum, or of the latter two metals, with or without one or more elements such as niobium , tantalum and titanium, to iron-chromium-cobalt alloys causes a remarkable increase in the high temperature resistance of these alloys without adversely affecting their high temperature stability.
The invention includes alloys containing 10 to 30% chromium, 10 to 45% cobalt, 0.5 to 15% tungsten, 0.01 to 3% in total boron or aluminum, the maximum boron content being 1.5 and preferably 0.7% and @ the minimum alumina content being, in the absence of boron, 0.5%, with or without a total of 0.5 to 7% of one or Several elements such as niobium, tantalum and titanium, the rest of the alloy being only iron and accidental impurities as well as small amounts of the elements usually present in good quality steels. The iron content should always be higher.
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greater than 5%. Titanium must not appear for more than 2% in the alloy.
Molybdenum can be present up to 7.5 in the alloy, the preferred content of this element being between 0.5 and 5%. In the absence of molybdenum, the tungsten content must be at least 7.5%. If both molybdenum and tungsten are present, the tungsten content will preferably not exceed 10% of the alloy.
There is always carbon in the alloys of the invention, but its content should be less than 1% and, if it is desired to be hot-machinable, it should not exceed 0.35. The 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 desired to be hot-workable.
A very useful test for determining the suitability of materials for use at elevated temperatures is the tensile fracture test. In this test, a certain number of samples of the alloy to be tested are subjected, maintained at a given temperature, a different measured traction for each of them. 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 time and tensile. 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 the load that the material can support. It also indicates whether it becomes brittle or not by exposure.
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prolonged sition at the test temperature. A brittle material will break without elongation while a ductile material will elongate before rupture.
The tensile fracture tests carried out in the manner just described indicate that the alloys of the invention retain high strength at temperatures up to 815 ° C. and that, even at this high temperature, they have good ductility.
Table I below gives typical examples of the improvement in high temperature resistance imparted to chromium-cobalt steels by the addition of molybdenum, tungsten, niobium and boron or aluminum in various forms. combinations. The table shows the results of tensile failure tests under tensile strength of 1900, 2280, 2780 and 8040 kg / cm2 exerted on cast samples of the steels to be tested, at a temperature of 815 C. It indicates the time in hours required for sample failure under the extremely severe conditions shown in the table.
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TABLE I
EMI6.1
<tb> Composition <SEP> - <SEP> The <SEP> remains <SEP> being <SEP> substantially <SEP> Hours <SEP> before <SEP> rup-
<tb>
EMI6.2
all closed at 815 C under pressures of:% Cr îGo> ÎMo 7; W% Cb fiB; A 1% c k 9 / kg k6 - - - - - - - - cm2 cm L
EMI6.3
<tb> 18.5 <SEP> 35 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 0 <SEP> 0.51 <SEP> 1 <SEP> 0.08 <SEP> 164 <SEP> @@
<tb>
<tb> 20 <SEP> 35 <SEP> 2 <SEP> 10 <SEP> 0 <SEP> 0.57 <SEP> 0 <SEP> 0.11 <SEP> 1483 <SEP> 787 <SEP> @@
<tb> 18.5 <SEP> 35 <SEP> 3 <SEP> 10 <SEP> 0 <SEP> 0.55 <SEP> 0 <SEP> 0.07 <SEP> 825 <SEP> @@
<tb>
EMI6.4
18.5 35 0 10 0 0.61 0 0.09 1933% 556 18 40 0 15 0 0.55 0 0.07 158 460 (a) 148
EMI6.5
<tb> 18 <SEP> 40 <SEP> 0 <SEP> 15 <SEP> 0 <SEP> 0.52 <SEP> 0 <SEP> 0.84 <SEP> 285
<tb>
<tb> 18 <SEP> 40 <SEP> 0 <SEP> 15 <SEP> 0 <SEP> 0.63 <SEP> 0 <SEP> 0.12 <SEP> 285 (a)
<tb>
<tb> 18 <SEP> 40 <SEP> 0 <SEP> 15 <SEP> 0 <SEP> 0.62 <SEP> 0 <SEP> 0.07 <SEP> 2184 <SEP> 399 (a) <SEP> 169
<tb>
<tb> 18 <SEP> 40 <SEP> 0 <SEP> 15 <SEP> 0 <SEP> 1.3 <SEP> 0 <SEP> 0.05 <SEP> 2160 <SEP> 235
<tb>
<tb> 18.5 <SEP> 35 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 1 <SEP> 0.51 <SEP> 0 <SEP> 0.10 <SEP> 917 <SEP> 195 <SEP>
<tb>
<tb> 18.5 <SEP> 35 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0.11 <SEP> 113 <SEP> 14 <SEP> ss
<tb> 18 <SEP> 40 <SEP> 3 <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 0.5 <SEP> 0 <SEP> 0.10 <SEP> se <SEP> 451
<tb>
<tb> 18 <SEP> 40 <SEP> 0 <SEP> 15 <SEP> 1 <SEP> 0.5 <SEP> 0 <SEP> 0.10 <SEP> 443
<tb>
EMI6.6
M: no break; gg: not trained; (a) trac-
EMI6.7
<tb> tion <SEP> of <SEP> 2780 <SEP> kg / cm2.
<tb>
The data in the above table clearly shows the ability of the alloys of the invention to withstand high tensile forces at elevated temperatures for an extended 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. Thus, if the alloys are to be used in the state
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of castings, the carbon content may exceed
0.35% but must remain below 1%; but if it is desired that they be suitable for hot work, the carbon content should be at most 0.35% and should preferably not exceed 0.2%.
Likewise, the proportions of molybdenum, tungsten, niobium, tantalum, titanium, aluminum and boron present in the alloys exert an influence on their ability to be hot-worked and to be welded. For niobium and tantalum, the preferred upper limit is 5%. Too high a proportion of any of these elements has a deleterious influence on their ability to be hot-worked and welded, particularly the latter property.
The alloys falling within the composition limits defined above can be easily welded by any of the common welding methods, for example electric arc, oxyacetylene torch ,. electric submerged fusion welding or solid phase pressure welding and give sound, tough and strong welds without the base metal or the welding matai being made brittle and which retain their toughness at elevated temperature. But if any of these elements are in the alloy in too high a proportion, the welds produced will lose their toughness at elevated temperatures.
Likewise, the proportion of cobalt is high and it must be sufficient to give rise to a stable austenitic alloy.
-The presence of nitrogen in the alloys of the invention between the composition limits indicated is important, nitrogen exerting a favorable action on their stability at high temperature.
Being suitable for hot working, machining, welding
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and cast, and possessing remarkable resistance to elevated temperatures up to about 815 C, the alloys of the invention are particularly suitable for their use in the manufacture of articles such as parts of superchargers, gas turbines of. reaction propellants and the like which require high resistance to 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.
CLAIMS
1) Alloy containing 10 to 30% chromium, 10 to 45% decobalt, 0 to 7.5% molybdenum, 0.5 to 15% tungsten, a total of 0.01 to. 3% boron or aluminum, or both, the boron content not exceeding 1.5% and the minimum aluminum content in the absence of boron from 0.5% up to 0.25% nitrogen, carbon in a proportion less than 1%, the remainder being essentially only iron and accidental impurities, the iron content being greater than 5%.