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" ALLIAGE NON FERREUX DURCI"
L'invention se rapporte à une série perfectionnée d'alliages ayant une grande variété de propriétés qui leur permet de rem- placer l'acier et les alliages ferreux similaires dans de nom- breux emplois où ces derniers avaient jusqu'à présent été seuls utilisés;
L'invention se rapporte plus spécialement à des alliages de manganèse, nickel et ouivre.
Une des principales raisons pour lesquelles le fer et ses alliages, y compris l'acier au carbone et les aciers alliés ont été utilisés si largement en métallurgie, et continuent à l'être en dépit des remarquables inventions qui ont été faites ces der- nières années concernant les alliages non ferreux, est la grande
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diversité de leurs emplois possibles, due à la grande variété de leurs propriétés, telles que dureté, ténacité, allongement,etc.. particulièrement démonstratifs à ce point de vue sont quel- ques alliages non ferreux dont l'usage s'est quelque peu étendu, comme, par exemple, le bronze au glucinium* Cet alliage possède, sur les aciers ordinaires, l'avantage doffrir une grande réels- tance à la corrosion;
de plus, il est susceptible de durcir par traitement thermique.
La gamme des duretés possibles avec le bronze au glucinium, et la gamme des autres propriétés associés, telles que la téna- cité ne sont pas suffisamment étendues pour permettre leur em- ploi dans beaucoup de cas où l'on utilise l'acier.
Il tend à être extrêmement fragile quand la proportion de glucinium atteint 2,5% et plus, et, pour l'alliage commercial comportant la quantité maxima de glucinium utilisable, 2 à 2,25%, la dureté maxima avoisine 36 dans l'échelle C de ROCKWELL.
Un autre inconvénient du bronze au glucinium est son prix,, le glucinium étant un élément extrêmement coûteux; avec les prix actuellement pratiques aux Etats-Unis, le prix du gluc@nium contenu dans un kilog d'alliage n'est pas sensiblement inférieur à 265 Francs.
Un autre alliage que l'on peut prendre en considération est l'alliage cuivre-nickel-silicium. Cet alliage n'offre pas d'in- convénient du point de vue du prix, du fait que la proportion moyenne de nickel est seulement d'environ 2%, et la proportion moyenne de silicium légèrement au-dessus de 1%.
Bien que cet alliage puisse être durci, on ne peut le rendre assez tenace ou assez résistant pour beaucoup d'emplois, sa téna- cité maxima étant voisine de 85 Kgs par millimètre carré.
Les alliages d'argent et de nickel sont très largement utilisés dans certains emplois où l'on désire une certaine résis- tance à la corrosion, mais leur utilisation est limitée du fait qu'on ne connaît aucune méthode pour les durcir.,
On a également utilisé quelque peu le métal MONEL, mais il
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est coûteux à cause de sa forte proportion de nickel, et le métal MONEL ordinaire à 70% de nickel et 30% de cuivre ne peut pas être durci. Récemment, on a trouvé que l'addition d'une quantité relativement petite de certains éléments au métal MONEL permettra la production d'alliages susceptibles d'être durcis par traitement thermique,
Ces alliages cependant ne présentent pas une gamme de pro- priétés adéquate permettant leur utilisation, d'une manière générale,
pour les objets manufacturés,
Le demandeur n'a en aucune manière discuté de tout ce qui concerne les alliages résistant à la corrosion qui ont, tout au moins partiellement, été substitués aux alliages ferreux corrodables, mais ce qui a été dit ci-dessus souligne la néces- sité d'un alliage résistant à la corrosion dans les conditions habituelles d'utilisation de nombreux objets manufacturés, et qui puisse, par traitement thermique, ou par combinaison de travail à froid et de traitement thermique, être obtenu en pré- sehtant une très grande variété de propriétés,
Le demandeur à découvert que certains alliages de ouivre, manganèse et nickel peuvent être produits et traités de telle manière que leur emploi soit rendu possible pour de nombreux usages pour lesquels il n'y a actuellement, aucun produit de remplacement convenable.
Les dits alliages possèdent, pour de nombreux emplois, les propriétés générales des alliages ferreux oorrodables, mais présentent l'avantage d'une haute résistance à la corrosion dans les conditions ordinaires d'emploi.
Ces alliages peuvent avoir une ténacité aussi faible que 28 Kgs (environ) par mm2, et aussi élevée que 175 Kgs, ou plus, par mm2.
Leur dureté dans l'échelle C de ROOKWELL varie d'une valeur aussi basse que -45 à une valeur aussi élevée que 50 dans la même échelle.
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D'autres propriétés telles que l'allongement, la ductilité, la facilité d'usinage,etc. peuvent varier d'une façon correspon- dante, ce qui a pour résultat que tous ces alliages peuvent être facilement travaillés de façon à produire des articles de formes diverses, et être soumis postérieurement à un traitement thermique contrôlé les amenant à posséder exactement la gamme de propriétés désirées pour le produit fini,
Dans le but de rendre olair à l'homme de l'art le caractère inhabituel de ces alliages, le demandeur a montré, dans les dessins annexés quelques-unes des propriétés les plus intéres- santes de ces alliages, et les zônes dans lesquelles ces propri- étés se situent.
Dans les dessins annexée:
La figure I montre la, zône dans laquelle les alliages cuivre-nickel-manganèse objets de l'invention peuvent être durcis et montre la dureté croissante obtenue par traitement thermique d'échantillons écrouis.
La figure 2 est un diagramme semblable à celui de la figure I indiquant la. résistance électrique d'alliages travaillés à froid à l'intérieur de la zone de composition indiquée.
La figure 3 est semblable à la figure 2, qui indique la résistance électrique des alliages une fois durcis par traitement thermique,
La figure 4 est un diagramme semblable montrant la relation entre la composition et le coefficient de température de la résistivité.
La figure 5 est un diagramme semblable indiquant le coeffi- cient de dilatation de quelques uns des alliages à l'intérieur de la zone indiquée,
La. composition des alliages objets de l'invention peut,en général, être considérée comme se plaçant à 1'intérieur de l'aire ombrée de la figure I. La figure I est un diagramme ternaire- du type utilisé habituellement par les métallurgistes pour définir la composition et les propriétés des alliages ternaires;
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exactement au composé hypothétique Mn-Ni.
Il apparaît dono que les alliages objets de il'invention peuvent être oarastérisés comme des alliages pseudo-binaires dont le cuivre est durci par le composé Mn-Ni.
L'aire ponctuée voisine de la ligne Nickel-Manganèse repré- sente des alliages dont l'usinage a été trouvé difficile.
Les alliages correspondant à cette zône sont durs une fois fondus et ne sont pas facilement usinés.
Ils ne possèdent pas la gamme de propriétés des alliages de 1'aire ombrée, mais ils peuvent être employés avantageusement pour quelques usages où ils peuvent être convenablement usinés.
En certains points de l'aire ombrée de la figure I, nous avons indiqué par un chiffre ltaccroissement de dureté que l'on peut obtenir, dans l'alliage correspondant au point où le chiffre apparaît, par le traitement thermique d'un échantillon travaillé à froid ayant été trempé avant le dit travail. ces chiffres ntindiquent pas la dureté, mais expriment l'accroissement de celle-ci dans l'échelle C de Rockwell. Dans chaque cas, l'accroissement de dureté était obtenu par chauffage 450 0 pendant 10 heures.
Le demandeur à fait allusion à la grande variété de propriété que l'on peut obtenir avec les alliages objets de l'invention, et dans le tableau I ci-dessous, on a indiqué l'accroissement de dureté par traitement thermique à diverses températures, conjointement avec l'accroissement de dureté des alliages une fois fondus, trempés et travaillés à froid.
Les trois premières colonnes indiquent la composition des alliages, la colonne suivante la dureté dans ltéchelle C de Rockwell après fusion, suivie de la dureté de ces alliages après trempe et travail à froid, et ensuite une fois amenés au voisinage de la plus grande dureté possible après chauffage aux différentes températures indiquées en haut des colonnes correspondantes,
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On comprendra que c'est seulement grâce à de tels dia- grammes ternaires que l'on peut représenter dans leur intégra- lité des alliages compris dans la zône de forme irrégulière indiquée.
Comme il sera indiqué dans une partie ultérieure de la description, cependant, certaines parties du diagramme et des alliages de certaine composition ont des propriétés extrê- mement souhaitables particulièrement en ce qui concerne l'ob- tention d'une variété maxima ou extrême de propriétés.
Les alliages objets de l'invention montrent leurs proprié- tés extraordinaires à l'état trempé et après avoir subi un trai- tement thermique.
Le demandeur a trouvé que la variété maxima de propriétés peut être obtenue par trempe à partir d'une température de 900 C, ou à partir d'une température comprise entre 900 0 et le point de fusion.
Un travail mécanique intermédiaire paraît affecter les les propriétés des alliages aussi bien que la température de réchauffage ou de vieillissement pour leur donner de la dureté.
Le demandeur a trouvé en outre, cependant, que la dureté finale n'est pas sensiblement affectée par la valeur du travail à froid, et qu'à ce point de vue, elle ne varie sensiblement pas au moins dans la partie centrale de l'aire ombrée, si les pro- portions des différents constituants sont modifiées,,
Ceci sera précisé plus bas:
Le demandeur a observé, cependant, que la dureté finale est affectée par la température de trempe.
Si la température de trempe est égale ou supérieure à 900 C, la dureté finale sera en général constante.
Si, cependant, la température de trempe est plus basse, la phase finale de durcissement ou de vieillissement sera moins efficace.
On notera que la ligne marquée Mn-Ni bisserte sensiblement l'aire ombrée, bien qu'elle se dirige légèrement du côté d'une proportion croissante de nickel. Cette ligne correspond presque
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EMI7.1
<tb> Mn <SEP> Ni <SEP> Ou <SEP> fondu <SEP> trempé <SEP> travaillé <SEP> 3500 <SEP> 4000 <SEP> 4500 <SEP> 5000 <SEP> 5500
<tb> à <SEP> froid
<tb>
<tb> 20 <SEP> 20 <SEP> 60 <SEP> -33 <SEP> -40 <SEP> II <SEP> 23 <SEP> 34 <SEP> 45 <SEP> 33 <SEP> -20
<tb> 15 <SEP> 15 <SEP> 70 <SEP> -42 <SEP> -44 <SEP> 6 <SEP> 10 <SEP> 12 <SEP> 19 <SEP> -8 <SEP> -39
<tb> 35 <SEP> 35 <SEP> 30 <SEP> -13 <SEP> 8 <SEP> 25 <SEP> 29 <SEP> 42 <SEP> 53 <SEP> 41 <SEP> 18
<tb> 35 <SEP> 45 <SEP> 20 <SEP> - <SEP> 7 <SEP> - <SEP> 9 <SEP> 26 <SEP> 28 <SEP> 41 <SEP> 30 <SEP> 38 <SEP> 14
<tb> 35 <SEP> 55 <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 4 <SEP> -
<SEP> 8 <SEP> 27 <SEP> 28 <SEP> 31 <SEP> 37 <SEP> 28 <SEP> 8
<tb> 70 <SEP> 30 <SEP> 0 <SEP> -15 <SEP> -13 <SEP> 15 <SEP> 20 <SEP> 20 <SEP> 21 <SEP> 18 <SEP> 8
<tb>
Dans le tableau II, ci-dessous, le demandeur montre l'effet du traitement thermique sur des alliages trempés n'ayant pas été travaillés à froid.
TABLEAU II
EMI7.2
<tb> Mn <SEP> Ni <SEP> Cu <SEP> trempé <SEP> 3500 <SEP> 4000 <SEP> 4500 <SEP> 5000 <SEP> 550
<tb>
<tb> 20 <SEP> 20 <SEP> 60 <SEP> -40 <SEP> -10 <SEP> 20 <SEP> 45 <SEP> 32 <SEP> -19
<tb> 15 <SEP> 15 <SEP> 70 <SEP> -44 <SEP> -12 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> -9 <SEP> -35
<tb> 35 <SEP> 35 <SEP> 30 <SEP> - <SEP> 8 <SEP> 6 <SEP> 38 <SEP> 52 <SEP> 40 <SEP> 16
<tb> 35 <SEP> 45 <SEP> 20 <SEP> - <SEP> 9 <SEP> 8 <SEP> 39 <SEP> 51 <SEP> 36 <SEP> 10
<tb> 35 <SEP> 55 <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 8 <SEP> 6 <SEP> 27 <SEP> 38 <SEP> 25 <SEP> 7
<tb> 70 <SEP> 30 <SEP> 0 <SEP> -13 <SEP> 9-7 <SEP> 0 <SEP> -5 <SEP> -8
<tb>
On notera en comparant les 2 tableaux qu'il y a très peu de différence dans la dureté finale entre les alliages travaillés à froid ou simplement trempés, exception faite pour l'alliage à 70% de manganèse et 30% de nickel,
inclus dans ces tableaux dans un but démonstratif, la dureté acquise par lui étant en principe due au travail à froid.
Les tableaux, joints au diagramme de la figure I, sont suffisamment démonstratifs de la composition des alliages objets de l'invention, de l'effet des divers traitements auxquels ils sont soumis et des relations entre la composition et le traite- ment, de sorte que ces facteurs n'ont pas besoin d'être discutés en détail pour que l'homme de l'art comprenne parfaitement.
Le demandeur désire signaler, cependant, que la dureté maxima s'acquiert à une température d'environ 450 C, et Environ 10 heures de chauffage suffisent habituellement pour obtenir la dureté maxima à cette température.
Pour de grands échantillons qui nécessitent plus de temps pour atteindre la température voulue, et si l'on désire plus
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qu'un effet superficiel ou de cémentation, il peut être néces- saire de prolonger la durée du phauffage.
A environ 500 0, les alliages commencent à subir un recuit,
Ce phénomène peut être avantageux dans beaucoup de cas qui seront signa.lés plus loin,
Le demandeur a déjà indiqué que les allia.ges objets de l'invention peuvent être considérés comme représentant un sys- tème pseudo-binaire, soit du cuivre durci par le composé Mn-Ni, et, en conséquence, il a trouvé que la zône la plus intéressante, ou l'on peut obtenir la plus grande variété de propriétés, est la partie d.e l'aire ombrée ou les quantités de Nickel et de Manganèse sont sensiblement égales c'est-à-dire le long de la ligne pseudo-binaire, Cu-Mn-Ni.
Conformément à ce qui a été dit ci-dessus, le rapport du manganèse au nickel sera de préférence choisi égal à l'unité bien que, en faisant varier de 0,8 contre 1,2 à 1,2 contre 0,8 le rapport manganèse-nickel on puisse obtenir sensiblement les menus effets.
Les rapports manganèse-nickel qui viennent d'être indiqués sont donc les meilleurs rapports utilisables, quand on emploiera les alliages objets de l'invention.
Du point de vue de la proportion du cuivre, la gamme 50% à 80% de cuivre ofire les plus grandes possibilités de s'assurer des résultats extraordinaires, et pour la fabrication d'articles tels qu'écrous, petites pièces d'outillage, etc, cette gamme est à préférer.
La résistance à la corrosion est alors quelque peu diminuée, mais est encore satisfaisante pour la plupart des usages.
Quand la proportion de cuivre est inférieure à 50%, la résistance la corrosion est accrue, mais, à d'autres points de vue, les propriétés de l'alliage ne sont pas aussi satisfaisantes,
Une des caractéristiques des alliages objets de l'invention comme cele ressort avec évidence des tableaux est que, si le pourcentage de cuivre décroit, particulièrement si il descend
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au dessous de 50%, ils s'écrouissent plus rapidement,
C'est un des avantages pour de .nombreux usages. ependant, pour certains travaux, tels que les opérations dtemboutissage, ltécrouissage est désirable.
Les alliages objets de l'invention offrent à l'homme de l'art une variété de propriétés convenant à la fabrication de sensiblement tous les objets manufacturés requérant une résistan- ce relativement élevée et résistant à la corrosion.
En rapport avec les meilleures proportions des alliages objets de l'invention, le demandeur désire particulièrement attirer l'attention sur les alliages comportant 60% de cuivre, 20% de nickel et 20% de manganèse;
Comme indiqué sur le tableau I, cet alliage présente, après trempe, une dureté de - 40 dans l'échelle C de ROOKWELL, et une dureté de + 46 dans la même échelle après vieillissement à 450 0,
Il est bien entendu qu'il n'est pas habituel d'utiliser les¯valeurs négatives de l'échelle C de ROCKWELL, mais le deman- deur les emploie ici arbitraitement pour montrer directement l'accroissement de dureté possible dans ce type d'alliage.
Comme il sera indiqué plus loin, le demandeur trouve dans les alliages de ce type (comme dans le cas de l'acier) une relation sensiblement directe entre la ténacité et la dureté, Ainsi un alliage comportant 60% de cuivre, 20% de nickel et 20% de manganèse possède, après trempe, une ténacité d'environ
EMI9.1
'32 Kgs/mm2,
Le même alliage oomplètement durci' présente une ténacité voisine de 150 Kgs/mm2.
Ces propriétés sont aussi accompagnées, comme un métallur- giste qualifié le comprendra, par des modifications dans les pro- priétés corrélatives telles que l'allongement, la ductilité, la facilité d'usinage, etc.. de sorte que cet alliage particulier présente des possibilités peu ordinaires pour la fabrication de
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nombreux types différents d'objets où des propriétés variées sont désirables, soit dans le but de faciliter la fabrication, soit dans le but de communiquer des propriétés particulières au produit fini,.
Dans le but d'illustrer les caractéristiques des alliages dont le point représentatif se situe au voisinage de la ligne pseudo-binaire, ou le long de cells-ci, le tableau suivant indi@ que les compositions des alliages, leur dureté une fois fondus, après trempe, après écrouissage et après durcissage à 450 C, après trempe et écrouissage.
On notera qu'avec une teneur de cuivre s'élevant jusqu'à 80%, l'on obtient un accroissement appréciable de dureté pour l'alliage comportant environ 60% cuivre, 20% nickel et 20% man- ganèse.
Lorsque la quantité de cuivre est inférieure à 50% environ l'accroissement de dureté due à l'écrouissage augmente graduel- lement, bien que la dureté finale puisse être sensiblement la même; en outre le tableau montre que quand le rapport entre nickel et manganèse diffère sensiblement de la valeur 1:
1, 1'effet de durcissement diminue de façon appréciable,
TABLEAU III
EMI10.1
<tb> Mn <SEP> Ni <SEP> Cu <SEP> fondu <SEP> trempe <SEP> àoroui <SEP> après <SEP> durcissement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> à <SEP> 450
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 10 <SEP> 80 <SEP> -45 <SEP> -48 <SEP> -1 <SEP> -17
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 12,5 <SEP> 12,
5 <SEP> 75 <SEP> -42 <SEP> -45 <SEP> 0 <SEP> 6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 15 <SEP> 15 <SEP> 70 <SEP> -41 <SEP> -45 <SEP> 21/2 <SEP> 25
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 17 <SEP> 17 <SEP> 66 <SEP> -43 <SEP> -42 <SEP> 6 <SEP> 37
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 20 <SEP> 20 <SEP> 60 <SEP> -32 <SEP> -40 <SEP> 10 <SEP> 46
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 25 <SEP> 25 <SEP> 50 <SEP> -24 <SEP> -28 <SEP> 18 <SEP> 46
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 22 <SEP> 22 <SEP> 56 <SEP> -28 <SEP> -36 <SEP> 13 <SEP> 46
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 30 <SEP> 30 <SEP> 40 <SEP> -18 <SEP> -17 <SEP> 21 <SEP> 50
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 35 <SEP> 55 <SEP> 30 <SEP> -13 <SEP> - <SEP> 8 <SEP> 25 <SEP> 53
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 15 <SEP> 171/2 <SEP> 671/2 <SEP> -45 <SEP> -43 <SEP> 5 <SEP> 21
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 20 <SEP> 121/2 <SEP> 671/2 <SEP> -41 <SEP> -42 <SEP> 6 <SEP> 24
<tb>
Comme on l'a noté précédemment,
la ténacité des alliages objets de l'invention varie de façon sensiblement directe en fonction de la dureté ROCKWELL.
Dans un but de comparaison, nous donnons, dans le tableau' IV les chiffres montrant la relation entre dureté et ténacité
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dans les alliages objets de l'invention.
TABLEAU IV
Dureté ROCKWELL, échelle C ténacité en
Kgs/mm2 (environ)
EMI11.1
- 40-------------------------------------- 32 - 30-------------------------------------- 33 - 20-------------------------------------- 36 10 -------------------------------------- 43 0-------------------------------------- 53 + IO-¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ 65 20 -------------------------------------- 77 30 -------------------------------------- 98 40 -------------------------------------- I27 50 -------------------------------------- I74
Après la trempe, l'allongement de l'alliage objet de l'in- vention dont le point figuratif tombe sur la ligne pseudo-binaire varie entre 25 et 40%.
Apres le travail à froid, l'allongement se situe entre 2% et , tandis que l'allongement des alliages durcis se situe entre environ 2% à 20%, en fonction de la valeur du durcissement, de la composition des alliages et du traitement complet subi par eux.
Comme il est exposé dans la demande de brevet en cours de Reginald S. Dean, déposée le 16 septembre 1938 aux Etats-Unis sous le n 230.209, certains alliages de manganèse, y compris les alliages de manganèse, cuivre et nickel ont le pouvoir d'amor- tir fortement les vibrations dans certains cas, le décrément est 100 fois plus fort que celui de l'acier.
Cependant, les alliages objets de la présente invention ont, lorsque les mesures sont effectuées sous de faibles con- traintes, un décrément d'amortissement des vibrations qui est
EMI11.2
en général de l'ordre de celui- de Itacier, c'est-à-dire voisin de I/IOOOème.
Cependant, quand la proportion de manganèse dépasse 65%, le décrément d'amortissement des vibrations des alliages, âpres vieillissement, est de l'ordre de 1% en plus.
Les alliages objets de l'invention montrent très peu de tendance à un vieillissement exagéré aux températures inférieures
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à 450 C. Certains d'entre eux peuvent être chauffés quelque peu au-dessus de cette température sans vieillissement exagérée, mais en général, il faudrait utiliser une température inférieure ou égale à 450 C pour leur communiquer la dureté finale, la tempé- rature exacte à utiliser dépendant du résultat désiré.
Le degré de dureté communiqué aux alliages par le traitement thermique peut aussi être déterminé, et en fixant la durée du dit traitement à 450 0 entre l et 25 heures, en fonction des dimensions de la pièce à traiter, on obtiendra de bons résultats
Il faut normalement une durée de 6 à 18 heures pour obtenir le maximum de dureté. Lorsque l'on utilise une température supé- rieure à 450 C, il fa.ut conduire Itopération avec soin de façon à obtenir les propriétés spécifiques désirées.
On peut prendre avantage de la réaction inhabituelle des alliages au traitement thermique pour obtenir divers degrés de dureté dans un même objet manufacturé.
Il y a en effet de nombreux cas où il est souhaitable que les diverses parties d'un même objet présentent des degrés de dureté différents,
Un durcissement non uniforme peut être obtenu par vieillisse- ment local d'un alliage trempé, les zones non chauffées de l'al- liage devant être maintenues à une température inférieure à celle du durcissement.
Une autre façon d'obtenir le même résultat consiste à durcir tout l'objet manufacturé et à chauffer alors localement le où les postions de celui-ci que l'on désire avoir dans un état plus doux à une température dépassant suffisamment la température de durcis- sement, de façon à produire un recuit,
Une température de 600 C sera généralement satisfaisante et la chaleur peut être appliquée à l'aide d'un chalumeau ou par tout autre procédé convenable. Le résultat en sera un objet de dureté graduée, la portion plus douce étant généralement plus résistante que la portion durcie.
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La conductibilité calorifique relativement faible de ces alliages, jointe à leurs températures critiques de durcissement et de recuit rend la technique de leur emploi très simple dans une installation ordinaire.
Comme exemple de ce traitement appliqué aux alliages objets de l'invention, le demandeur désire citer un alliage contenant 30% de cuivre, 35% de manganèse et 35% de nickel, Cet alliage a été choisi à dessein parce qu'il contient moins de cuivre que les alliages précédemment signalés qui présentent normalement la variation maxima de propriétés, de sorte que les résultats que l'on peut obtenir sur un alliage de cette composition parti- culière peuvent être obtenus sur une échelle identique ou plus grande avec les alliages contenant plus de cuivre,
Cet alliage trempé à partir d'une température de 900 C, et et écroui sous la forme d'un barreau cylindrique circulaire de 1cm environ de diamètre présentait une dureté de 25 dans l'échelle C de ROOKWELL.
Une éprouvette d'essai longue dtenviron 27cm, fut utilisé et,. après écrouissage, cette éprouvette fut chauffée à 450 0 pendant 10 heures. La dureté du barreau fut uniformément de 51 dans ltéchelle C de ROCKWELL.
Ensuite 10 cm environ du barreau furent chauffés au rouge avec un chalumeau, et laissés refroidir à l'air, aucune précau- tion spéciale ne fut prise pour rafraîohir la partie non chauffée.
Après ce traitement, des mesures de dureté furent faites le long du barreau, à des distances variables de la partie chauf- fée et le tableau ci-dessous indique la dureté à diverses distances de l'extrêmité recuite.
Comme le tableau l'indique clairement, la dureté ROCKWELL dans 1 échelle C varie d'une extrémité à l'autre du barreau de 68 points., indiquant ainsi la variation de propriétés qutil est possible d'obtenir dans le même objet manufacturé.
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TABLEAU V Distance de l'extrémité recuite Degrés C ROCKWELL
EMI14.1
<tb> 2,5 <SEP> cm <SEP> -18
<tb>
<tb> 5,1 <SEP> cm <SEP> -17,5
<tb>
<tb>
<tb> 7,6 <SEP> cm <SEP> -22
<tb>
<tb> 8,9 <SEP> cm <SEP> -21
<tb>
<tb>
<tb> 9,5 <SEP> cm <SEP> -2
<tb>
<tb>
<tb> 10,2 <SEP> cm <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb> 10,5 <SEP> cm <SEP> +31
<tb>
<tb>
<tb> 10,8 <SEP> cm <SEP> +46
<tb>
<tb>
<tb> 11,5 <SEP> cm <SEP> 47 <SEP> 1/2
<tb>
<tb>
<tb> 12,7 <SEP> cm <SEP> 49 <SEP> 1/2
<tb>
<tb>
<tb> 15,2 <SEP> cm <SEP> 49 <SEP> 3/4
<tb>
<tb> 17,8 <SEP> cm <SEP> 50
<tb>
Tous les alliages objets de l'invention résistent à la cor- rosion, ceux comportant autant que 35% de nickel résistant à la corrosion par l'eau salée.
La plupart de ces alliages sont non-magnétiques après trempe ou vieillissement.
Les alliages comportant de 20 à 25% de manganèse et jusque à 10% de cuivre sont ferromagnétiques après vieillissement. Le magnétisme s'accroît lorsque ces alliages, approchent de la com- position correspondant à 75% de nickel et 25% de manganèse.
Les températures de pertes du magnétisme sont abaissées comme le magnétisme est diminué lorsque l'on s'éloigne de cette composition.
Un alliage composé de 25% de manganèse 70% de nickel et 5% de cuivre est intéressant au point de vue propriétés magné- tiques.
Un exemple de ces proprietés magnétiques peu ordinaires est donné par le fait qu'il a une perméabilité magnétique d'en- viron 7 restant sensiblement constante jusque une valeur du champ magnétisant égale à 125 ousteds.
Les alliages objets de l'invention présentent quelques pro- priétés électriques inhabituelles qui s'ajoutent à leurs proprié- tés mécaniques.
La résistivité de ces métaux, lorsqu'ils ont été écrouis
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déterminent une modifàoation correspondante nette des propriétés électriques et la zône particulièrement choisie à laquelle cor- respondent les alliages objets de l'invention peut être caracté. risée en se référant aux propriétés électriques de ces derniers après durcissement.
La résistivité de ces alliages objets de l'invention ne varie pas sensiblement en fonction de la température, autrement dit le coefficient de température de la résistivité est très faible, et sensiblement nul dans certaines régions; le dit coefficient de température ne varie pas sensiolement après durcis- sement de l'alliage, ce qui ne veut pas dire, comme l'homme de l'art le comprendra, que la résistivité ne varie pas à la suite du durcissement.
La figure 4 indique la relation entre la composition et le coefficient de température de la résistivité, les lignes tracées sur cette figure correspondant à une valeur déterminée et cons- tante de ce coefficient qui est exprimé en 10-4 ohms/ohms degré centigrade.
En rapport avec le coefficient de température de la résis- tivité, le demandeur désire signaler oependant que, en général, le dit coefficient subit une légère variation positive après le durcissement.
Un alliage comportant 15% de manganèse, 17.1/2% de nickel et cuivre pour compléter présente cependant une diminution du dit coefficient après durcissement, le coefficient de température de la résistivité de cet alliage particulier étant, après durcis- sement, de l'ordre de -1,4 x 10-4 ohms/ohms± degré C.
Quelques alliages dans le voisinage immédiat du susdit montrent une variation dans le même sens après durcissement.
La figure 5 indique la. relation entre le coefficient de dilatation linéaire et la composition des alliages objets de l'invention, au moyen de lignes correspondant à une valeur déter- minée et constante du dit coefficient pour les alliages dont les
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points figuratifs sont situés sur cette ligne; ce coefficient de dilatation est exprimé en 10-6 cm/cm/degré C., pour l'inter- ,ralle compris entre 25 C et 100 C.
On notera que les alliages à. l'intérieur de faire hachurée (voir figure I) ont des coefficients de dilatation variant dans de larges limites.
Les meilleurs résultats, au point de vue variation de pro- priétés, particulièrement au point de vue de la dureté et de la ténacité, seront obtenus dans les alliages objets de l'invention si ceux-ci comprennent presque entièrement et exclusivement du cuivre, du manganèse et du nickel, autrement dit si ces trois métaux présentent un haut degré de pureté.
Le cuivre et le nickel de qualité commerciale, ont, depuis un temps considérable, été produits électrolytiquement et l'on peut obtenir facilement du cuivre et du nickel très purs. La plus grande partie du manganèse disponible sur le marché, et le seul manganèse disponible jusque à. une époque très récente n'a pas comporté une teneur de méta.l pur supérieure à 95%, les 5% d'impuretés étant du fer, du silicium, de l'aluminium et du carbone,
Dans ces dernières années, on a pu obtenir du manganèse con- tenant relativement peu de carbone, mais on n'a pu réduire appré- ciablement la teneur en autres impuretés.
De plus, les impuretés ont été, dans une certaine propor- tion présentes à l'états d'oxydes, et cela présente des inconvé- nients particuliers au point de vue de la, ductilité.
La présence de silicium et de fer, en proportions apprécia- bles est susceptible de présenter des inconvénients.
Le demandeur a trouvé que le manganèse électrolytique est particulièrement adapté à l'emploi dans les alliages objets de l'invention dans toute la gamrae desdits allia.ges considérés, et le durcissement et les propriétés similaires sont accentués.
De plus, l'extrême variété de propriétés susceptibles d'être obtenue dans les alliages objets de l'invention est obtenue par- ticulièrement dans les alliages les plus utilisés, par remploi
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de manganèse électrolytique.
Cependant pour certains usages et certaines catégories, on peut utiliser du manganèse moins pur pour les alliages, par exemple du manganèse " à la thermite" de bonne qualité.
Tandis que la ductilité et le durcissement des alliages objets de l'invention sont affectés par la présence d'impuretés dans le. manganèse, le demandeur a trouvé que, tout au moins dans une certaine mesure, l'abaissement indésirable de ductilité obtenu quand on emploie une qualité moins pure de manganèse pour certaines catégories dtalliages peut être compensé par une trempe à une température relativement élevée.
Si le demandeur se réfère à l'opportunité d'utiliser seule- ment dans la préparation des alliages objets de l'invention, du cuivre, du nickel et du manganèse purs, il ne veut pas dite que dans certaines circonstances et pour certains usages lton ne peut pas utiliser d'autres éléments en proportions relativement faibles.
Cependant, les éléments que l'on peut utiliser ne doivent pas être les types d'éléments présents, ni être présents sous la forme dans laquelle on les trouve, comme impuretés dans le manganèse " à la thermite" , si l'on désire obtenir les meilleurs résultats,
Les éléments ajoutés ne doivent pas affecter sensiblement les caractéristiques du système pseudo-binaire décrit ci-dessus, o'est-à-dire la capacité d'obtenir la gamme de propriétés qui s'est manifestée dans la technique de durcissement décrite ci- dessus. Lorsque un quatrième élément peut être utilisé pour commu niquer quelques propriétés additionnelles à l'alliage, il peut être ajouté sans stéloigner de l'objet de l'invention.
Le deman- deur a trouvé, par exemple, qu'il peut ajouter jusqu'à 1% d'étain à de nombreux alliages objets de l'invention sans qu'il se pro- duise un effet fâcheux sur leurs propriétés déjà indiquées, tout en améliorant quelque peu, la résistance à la corrosion tant par
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l'atmosphère que par l'eau salée. En ajoutant environ 1,5% chargent à certain des dits alliages, on obtient quelques avantages en ce qui concerne la résistance à la corrosion sans sacrifier aucune des propriétés mécaniques. De petites quantités de Bore et de silicium introduits comme tels, ou de façon telle que l'on évite la possibilité de la présence d'oxydes, peuvent également être utilisées.
Tandis que le bore et le silicium, aux essais, ont paru avoir un effet légèrement défavorable en ce qui concerne la résistance à la corrosion, il semble qu'ils augmentent la facilité d'usinage de quelques-uns des alliages.
Les alliages objets de l'invention sont très faciles à usiner, si l'on considère presque tous les procédés de travail qui peuvent leur être appliqués, mais il peut se/ présenter des occasions ou, dans des buts particuliers, l'on peut désirer quel- que amélioration à cette facilité d'usinage.
La proportion maxima de bore ou de silicium qui peut être ajoutée sans modifier sensiblement l'effet du traitement ther- mique n'a pas été déterminée, mais le demandeur a trouvé que des quantités de bore atteignant jusqu'à I pour mille, et des quan- tités de silicium atteignant jusqu'à 1% peuvent être ajoutées à beaucoup d'alliages objets de l'invention sans affecter défavo- rablement le dit effet.
Lorsque l'on ajoute jusqu'à 1% de glucinium, particulièrement pour les proportions de cuivre élevées, le durcissement se produit à une température quelque peu plus basse qu'en son absence, ce qui peut être avantageux pour certains usages. Les alliages con- tenant de faibles proportions de glucinium réagissent toujours au traitement thermique de la façon décrite. on peut ajouter du chrome et du zinc dans des proportions plus grandes que pour les autres éléments examinés. L'addition de 10% de chrome produit une amélioration considérable de la résistance à la corrosion, principalement de la résistance à la corrosion par'les acides, et la plupart des alliages dans la gamme indiquée réagissent au traitement thermique, lorsqu'ils comprennent le chrome, comme
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constituant.
Le demandeur peut même utiliser, pour certains usages, de très faibles proportions d'éléments tels que le fer et le cobalt, mais en général, l'utilisation de ces éléments, particu- lièrement. de fer, n'est pas recommandée.
Grâce aux combinaisons avantageuses de propriétés de ces alliages, et à l'étendue des variations de celles-ci, l'on peut fabriquer de nombreux types d'objets.manufacturés différents, qui jusqu'ici avaient été fabriqués en alliages non-ferreux et exigeaient un pli de la surface pour retarder la corrosion, ou qui étaient fabriqués en alliages non ferreux si la résistance à la.corrosion était essentielle, mais la construction laissait à désirer, ou qui présentaient d'autres caractères pour tenir compte d'une ténacité, d'une dureté, etc.,insuffisantes, Par exem- ple, de nombreux ressorts, qui, à cause des caractéristiques demandées, devaient être fabriques en acier à ressort, et de- vaient être traités postérieurement de façon à protéger leur surface contre la corrosion,
peuvent maintenant être fabriqués à partir des matières premières objets de l'invention.
Lorsque certaines pièces sont utilisées au contact de l'eau, comme par exemple dans de nombreuses applications aux travaux maritimes, les alliages non ferreux utilisés obligeaient à cons- truire les pièces en question beaucoup plus grandes et lourdes qu'il n'était commode et souhaitable.
Le fait que même des pièces telles que les ressorts, néces- sitant une résistance et une raideur que l'on ne trouvait que dans les alliages ferreux, peuvent être fabriquees facilement à partir des alliages objets de l'invention, alors qu'ils sont à l'état doux, et qu'un durcissement postérieur leur donnera les propriétés définitives souhaitées, constitue un très grand avantage. A titre d'indication des pièces qui peuvent être fabri- quées lorsque divers degrés de dureté sont demandés, l'on peut citer les objets non magnétiques et ne projetant pas d'étincelles ci-dessous:
Outils, diaphragmes, quincaillerie de bâtiment, tubes de
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condenseurs, récipients d'eau chaude, vases de pression, auto- claves, ameublement métallique, paliers, filières, quincaillerie navale, etc.
Dans la production, par exemple, de moules pour matières plastiques, les alliages objets de l'invention peuvent être mis en forme à l'état doux au moyen d'une filière mère et ensuite subir le traitement thermique. Du ruban de clinquant du type utilisé dans les cordons téléphoniques flexibles peut être fabriqué quand l'alliage est à l'état doux, et traité ensuite de façon à obtenir les caracteristiques désirées. On ootient un avantage considérable dans la fabrication des écrous, boulons, vis, vis de machines, du fait qu'une résistance mécanique adéqua.te jointe à la résistance à la corrosion peut être obtenue pour des pièces de petites dimensions, et que l'on peut utiliser des méthodes simples de fabrication.
Par exemple, à l'état doux, un filetage peut être obtenu par laminage comme dans le cas de vis, ou de boulons; Ces alliages peuvent être utilsés pour'la fabrication de pièces d'outillage, et de machines de types variés ou l'utilisation de l'acier présenterait des inconvénients à cause de ses propriétés magnétiques.
Lorsqu'un usinage compliqué est nécessaire, les alliages objets de l'invention peuvent être utilisés avantageusement par ce qu'ils peuvent être usinés à l'état doux, et durcis posterieu- rement avec le minimum de gauchissement et de déformation. La basse température de durcissement, et la faible variation de volume qui accompagne ce dernier sont un avantage dans la fabri- cation de nombreux objets manufacturés. La possibilité de pro- d.uire une dureté non uniforme a aussi une certaine importance du fait que les outils et les pièces de machines peuvent être fabriquées avec un corps tenace, alors que les parties travaillant ou s'usant sont durcies.
L'on peut fabriquer des plaques blindées légères, avec un corps tenace, et une couche extérieure cémentée.
Les alliages présentant un coefficient de dilatation élevée une fois durcis, conviennent à la fabrication .des rubans bi-métal-
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liques destinés aux thermostats,
Dans la région où les proprietés magnétiques existent les alliages objets de l'invention peuvent être utilisés pour des relais thermostatiques, du fait des basses températures auxquelles ils perdent reversiblement leur magnétisme.
Le demandeur a décrit son invention très en .détail, montré ses propriétés et décrit de quelle façon ces propriétés offrent des avantages, en permettant la fabrication de pièces résistant à la corrosion, qui requièrent un même temps des propriétés mécaniques habituellement associes seulement avec l'acier.
REVENDICATIONS
I) Alliage résistant à la corrosion, consistant essentiellement entièrement en cuivre, nickel et manganèse, le point figurai tif de l'alliage tombant, durci par un procédé de trempe et de vieillissement, à l'intérieur de l'aire ombrée de la figure I, par une résistivité sensiblement plus faible à l'état durci qu'à l'état trempé.
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"HARDENED NON-FERROUS ALLOY"
The invention relates to an improved series of alloys having a wide variety of properties which enable them to replace steel and similar ferrous alloys in many uses where the latter had hitherto been the only ones used. ;
The invention relates more especially to alloys of manganese, nickel and pear.
One of the main reasons why iron and its alloys, including carbon steel and alloy steels have been used so widely in metallurgy, and continue to be so despite the remarkable inventions that have been made in recent years years concerning non-ferrous alloys, is the
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diversity of their possible uses, due to the great variety of their properties, such as hardness, toughness, elongation, etc. particularly demonstrative from this point of view are some non-ferrous alloys whose use has spread somewhat , like, for example, bronze with glucinium * This alloy has, over ordinary steels, the advantage of offering a great resistance to corrosion;
moreover, it is liable to harden by heat treatment.
The range of hardnesses possible with glucinium bronze, and the range of other associated properties, such as toughness, are not wide enough to permit their use in many cases where steel is used.
It tends to be extremely brittle when the proportion of glucinium reaches 2.5% and above, and, for the commercial alloy with the maximum amount of usable glucinium, 2 to 2.25%, the maximum hardness is around 36 on the scale. C from ROCKWELL.
Another disadvantage of glucinium bronze is its price, since glucinium is an extremely expensive element; with the prices currently practical in the United States, the price of the gluc @ nium contained in a kilog of alloy is not appreciably lower than 265 Francs.
Another alloy that can be considered is the copper-nickel-silicon alloy. This alloy does not offer any disadvantage from the point of view of price, since the average proportion of nickel is only about 2%, and the average proportion of silicon is slightly above 1%.
Although this alloy can be hardened, it cannot be made tenacious enough or strong enough for many jobs, its maximum tenacity being around 85 kg per square millimeter.
The alloys of silver and nickel are very widely used in certain jobs where a certain resistance to corrosion is desired, but their use is limited because no method is known to harden them.
MONEL metal has also been used somewhat, but it
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is expensive because of its high proportion of nickel, and ordinary MONEL metal with 70% nickel and 30% copper cannot be hardened. Recently, it has been found that the addition of a relatively small amount of certain elements to the MONEL metal will allow the production of alloys capable of being hardened by heat treatment,
These alloys, however, do not exhibit an adequate range of properties allowing their use in general.
for manufactured objects,
The Applicant has in no way discussed everything relating to corrosion-resistant alloys which have, at least partially, been substituted for corrodible ferrous alloys, but what has been said above emphasizes the need for 'an alloy resistant to corrosion under the usual conditions of use of many manufactured articles, and which can, by heat treatment, or by a combination of cold working and heat treatment, be obtained by presenting a very wide variety of properties,
The applicant has discovered that certain alloys of gold, manganese and nickel can be produced and processed in such a way that their use is made possible for many uses for which there is currently no suitable substitute.
Said alloys have, for many uses, the general properties of oorrodable ferrous alloys, but have the advantage of high corrosion resistance under ordinary conditions of use.
These alloys can have a toughness as low as 28 Kgs (approximately) per mm2, and as high as 175 Kgs, or more, per mm2.
Their hardness in the ROOKWELL C scale varies from a value as low as -45 to as high as 50 in the same scale.
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Other properties such as elongation, ductility, ease of machining, etc. can vary in a corresponding way, with the result that all these alloys can be easily worked to produce articles of various shapes, and subsequently subjected to a controlled heat treatment bringing them to possess exactly the range of properties desired for the finished product,
With the aim of making clear to those skilled in the art the unusual character of these alloys, the applicant has shown, in the appended drawings some of the most interesting properties of these alloys, and the areas in which these properties are located.
In the accompanying drawings:
FIG. I shows the zone in which the copper-nickel-manganese alloys which are the subject of the invention can be hardened and shows the increasing hardness obtained by heat treatment of work-hardened samples.
Figure 2 is a diagram similar to that of Figure I indicating the. electrical resistance of cold-worked alloys within the indicated composition zone.
Figure 3 is similar to Figure 2, which shows the electrical resistance of alloys when hardened by heat treatment,
Fig. 4 is a similar diagram showing the relationship between composition and temperature coefficient of resistivity.
Figure 5 is a similar diagram showing the coefficient of expansion of some of the alloys within the area shown,
The composition of the alloys object of the invention can, in general, be considered to fall within the shaded area of Figure I. Figure I is a ternary diagram of the type commonly used by metallurgists for. define the composition and properties of ternary alloys;
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exactly to the hypothetical compound Mn-Ni.
It therefore appears that the alloys which are the subject of the invention can be oarasterized as pseudo-binary alloys, the copper of which is hardened by the Mn-Ni compound.
The dotted area near the Nickel-Manganese line represents alloys which have been found difficult to machine.
The alloys corresponding to this area are hard when melted and are not easily machined.
They do not have the range of properties of the shaded area alloys, but they can be employed to advantage for some uses where they can be suitably machined.
At certain points in the shaded area of figure I, we have indicated by a number the increase in hardness which can be obtained in the alloy corresponding to the point where the number appears, by the heat treatment of a worked sample. cold having been soaked before said work. these figures do not indicate hardness, but express the increase in hardness in the Rockwell C scale. In each case, the increase in hardness was obtained by heating 450 0 for 10 hours.
The applicant has alluded to the wide variety of properties that can be obtained with the alloys which are the subject of the invention, and in Table I below, the increase in hardness by heat treatment at various temperatures has been indicated, along with the increase in hardness of alloys once melted, quenched and cold worked.
The first three columns indicate the composition of the alloys, the next column the hardness in the Rockwell C scale after melting, followed by the hardness of these alloys after quenching and cold working, and then once brought to the vicinity of the greatest possible hardness. after heating to the different temperatures indicated at the top of the corresponding columns,
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It will be understood that it is only by virtue of such ternary diagrams that it is possible to represent in their entirety the alloys included in the zone of irregular shape indicated.
As will be indicated in a later part of the description, however, certain parts of the diagram and alloys of certain composition have extremely desirable properties particularly with regard to obtaining a maximum or extreme variety of properties. .
The alloys which are the subject of the invention show their extraordinary properties in the quenched state and after having undergone a heat treatment.
The applicant has found that the maximum variety of properties can be obtained by quenching from a temperature of 900 ° C., or from a temperature between 900 ° C. and the melting point.
Intermediate mechanical work appears to affect the properties of alloys as well as the heating or aging temperature to give them hardness.
Applicant has further found, however, that the final hardness is not appreciably affected by the value of cold working, and that in this respect it does not vary appreciably at least in the central part of the shaded area, if the proportions of the different constituents are changed ,,
This will be specified below:
Applicant has observed, however, that the final hardness is affected by the quench temperature.
If the quenching temperature is equal to or greater than 900 C, the final hardness will generally be constant.
If, however, the quench temperature is lower, the final hardening or aging phase will be less effective.
Note that the line marked Mn-Ni substantially bisects the shaded area, although it points slightly towards an increasing proportion of nickel. This line almost matches
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EMI7.1
<tb> Mn <SEP> Ni <SEP> Or <SEP> melted <SEP> quenched <SEP> worked <SEP> 3500 <SEP> 4000 <SEP> 4500 <SEP> 5000 <SEP> 5500
<tb> to <SEP> cold
<tb>
<tb> 20 <SEP> 20 <SEP> 60 <SEP> -33 <SEP> -40 <SEP> II <SEP> 23 <SEP> 34 <SEP> 45 <SEP> 33 <SEP> -20
<tb> 15 <SEP> 15 <SEP> 70 <SEP> -42 <SEP> -44 <SEP> 6 <SEP> 10 <SEP> 12 <SEP> 19 <SEP> -8 <SEP> -39
<tb> 35 <SEP> 35 <SEP> 30 <SEP> -13 <SEP> 8 <SEP> 25 <SEP> 29 <SEP> 42 <SEP> 53 <SEP> 41 <SEP> 18
<tb> 35 <SEP> 45 <SEP> 20 <SEP> - <SEP> 7 <SEP> - <SEP> 9 <SEP> 26 <SEP> 28 <SEP> 41 <SEP> 30 <SEP> 38 <SEP > 14
<tb> 35 <SEP> 55 <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 4 <SEP> -
<SEP> 8 <SEP> 27 <SEP> 28 <SEP> 31 <SEP> 37 <SEP> 28 <SEP> 8
<tb> 70 <SEP> 30 <SEP> 0 <SEP> -15 <SEP> -13 <SEP> 15 <SEP> 20 <SEP> 20 <SEP> 21 <SEP> 18 <SEP> 8
<tb>
In Table II, below, the applicant shows the effect of heat treatment on hardened alloys which have not been cold worked.
TABLE II
EMI7.2
<tb> Mn <SEP> Ni <SEP> Cu <SEP> hardened <SEP> 3500 <SEP> 4000 <SEP> 4500 <SEP> 5000 <SEP> 550
<tb>
<tb> 20 <SEP> 20 <SEP> 60 <SEP> -40 <SEP> -10 <SEP> 20 <SEP> 45 <SEP> 32 <SEP> -19
<tb> 15 <SEP> 15 <SEP> 70 <SEP> -44 <SEP> -12 <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> -9 <SEP> -35
<tb> 35 <SEP> 35 <SEP> 30 <SEP> - <SEP> 8 <SEP> 6 <SEP> 38 <SEP> 52 <SEP> 40 <SEP> 16
<tb> 35 <SEP> 45 <SEP> 20 <SEP> - <SEP> 9 <SEP> 8 <SEP> 39 <SEP> 51 <SEP> 36 <SEP> 10
<tb> 35 <SEP> 55 <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 8 <SEP> 6 <SEP> 27 <SEP> 38 <SEP> 25 <SEP> 7
<tb> 70 <SEP> 30 <SEP> 0 <SEP> -13 <SEP> 9-7 <SEP> 0 <SEP> -5 <SEP> -8
<tb>
It will be noted by comparing the 2 tables that there is very little difference in the final hardness between the alloys worked cold or simply hardened, except for the alloy containing 70% manganese and 30% nickel,
included in these tables for illustrative purposes, the hardness acquired by it being in principle due to cold working.
The tables, attached to the diagram of FIG. I, are sufficiently demonstrative of the composition of the alloys which are the subject of the invention, of the effect of the various treatments to which they are subjected and of the relations between the composition and the treatment, so that these factors do not need to be discussed in detail for those skilled in the art to fully understand.
Applicant wishes to point out, however, that the maximum hardness is acquired at a temperature of about 450 ° C., and about 10 hours of heating is usually sufficient to obtain the maximum hardness at this temperature.
For large samples that require more time to reach the desired temperature, and if more is desired
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than a surface effect or cementation, it may be necessary to prolong the duration of the phauffing.
At around 500 0, the alloys begin to undergo annealing,
This phenomenon can be advantageous in many cases which will be mentioned later,
The applicant has already indicated that the alloys which are the subject of the invention can be considered as representing a pseudo-binary system, ie copper hardened by the compound Mn-Ni, and, consequently, he has found that the zone the most interesting, where one can obtain the greatest variety of properties, is the part of the shaded area where the quantities of Nickel and Manganese are approximately equal, that is to say along the pseudo- line binary, Cu-Mn-Ni.
In accordance with what has been said above, the ratio of manganese to nickel will preferably be chosen equal to unity, although by varying from 0.8 against 1.2 to 1.2 against 0.8 the ratio manganese-nickel one can obtain appreciably the small effects.
The manganese-nickel ratios which have just been indicated are therefore the best ratios which can be used, when the alloys which are the subject of the invention will be used.
From the point of view of the proportion of copper, the 50% to 80% copper range offers the greatest possibilities to ensure extraordinary results, and for the manufacture of items such as nuts, small parts of tools, etc., this range is to be preferred.
The corrosion resistance is then somewhat reduced, but is still satisfactory for most uses.
When the proportion of copper is less than 50%, the corrosion resistance is increased, but, from other points of view, the properties of the alloy are not so satisfactory,
One of the characteristics of the alloys which are the subject of the invention, as is evident from the tables, is that, if the percentage of copper decreases, particularly if it falls.
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below 50%, they harden more quickly,
This is one of the advantages for many uses. however, for certain jobs, such as stamping operations, strain hardening is desirable.
The alloys which are the subject of the invention provide those skilled in the art with a variety of properties suitable for the manufacture of substantially any manufactured article requiring relatively high strength and corrosion resistance.
In relation to the best proportions of the alloys which are the subject of the invention, the applicant particularly wishes to draw attention to the alloys comprising 60% copper, 20% nickel and 20% manganese;
As indicated in Table I, this alloy has, after quenching, a hardness of - 40 in the C scale of ROOKWELL, and a hardness of + 46 in the same scale after aging at 450 0,
Of course, it is not usual to use the negative values of the ROCKWELL C scale, but the applicant uses them here arbitrarily to directly show the possible increase in hardness in this type of alloy.
As will be indicated later, the applicant finds in alloys of this type (as in the case of steel) a substantially direct relationship between toughness and hardness, Thus an alloy comprising 60% copper, 20% nickel and 20% manganese has, after quenching, a tenacity of about
EMI9.1
'32 Kgs / mm2,
The same completely hardened alloy exhibits a tenacity of around 150 kg / mm 2.
These properties are also accompanied, as a skilled metallurgist will appreciate, by changes in related properties such as elongation, ductility, ease of machining, etc., so that this particular alloy exhibits properties. unusual possibilities for the manufacture of
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many different types of articles where various properties are desirable, either for the purpose of facilitating manufacture or for the purpose of imparting particular properties to the finished product.
In order to illustrate the characteristics of the alloys whose representative point is located in the vicinity of the pseudo-binary line, or along these lines, the following table shows the compositions of the alloys, their hardness once melted, after quenching, after work hardening and after hardening at 450 C, after quenching and work hardening.
It will be appreciated that with a copper content of up to 80%, an appreciable increase in hardness is obtained for the alloy comprising about 60% copper, 20% nickel and 20% manganese.
When the amount of copper is less than about 50% the increase in hardness due to strain hardening gradually increases, although the final hardness may be substantially the same; moreover the table shows that when the ratio between nickel and manganese differs appreciably from the value 1:
1, the curing effect decreases appreciably,
TABLE III
EMI10.1
<tb> Mn <SEP> Ni <SEP> Cu <SEP> melted <SEP> quenching <SEP> àoroui <SEP> after <SEP> hardening
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> to <SEP> 450
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 10 <SEP> 10 <SEP> 80 <SEP> -45 <SEP> -48 <SEP> -1 <SEP> -17
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 12.5 <SEP> 12,
5 <SEP> 75 <SEP> -42 <SEP> -45 <SEP> 0 <SEP> 6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 15 <SEP> 15 <SEP> 70 <SEP> -41 <SEP> -45 <SEP> 21/2 <SEP> 25
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 17 <SEP> 17 <SEP> 66 <SEP> -43 <SEP> -42 <SEP> 6 <SEP> 37
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 20 <SEP> 20 <SEP> 60 <SEP> -32 <SEP> -40 <SEP> 10 <SEP> 46
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 25 <SEP> 25 <SEP> 50 <SEP> -24 <SEP> -28 <SEP> 18 <SEP> 46
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 22 <SEP> 22 <SEP> 56 <SEP> -28 <SEP> -36 <SEP> 13 <SEP> 46
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 30 <SEP> 30 <SEP> 40 <SEP> -18 <SEP> -17 <SEP> 21 <SEP> 50
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 35 <SEP> 55 <SEP> 30 <SEP> -13 <SEP> - <SEP> 8 <SEP> 25 <SEP> 53
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 15 <SEP> 171/2 <SEP> 671/2 <SEP> -45 <SEP> -43 <SEP> 5 <SEP> 21
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 20 <SEP> 121/2 <SEP> 671/2 <SEP> -41 <SEP> -42 <SEP> 6 <SEP> 24
<tb>
As noted previously,
the tenacity of the alloys which are the subject of the invention varies in a substantially direct manner as a function of the ROCKWELL hardness.
For the sake of comparison, we give in Table IV the figures showing the relationship between hardness and toughness
<Desc / Clms Page number 11>
in the alloys which are the subject of the invention.
TABLE IV
ROCKWELL hardness, C scale toughness in
Kgs / mm2 (approximately)
EMI11.1
- 40 -------------------------------------- 32 - 30 ------- ------------------------------- 33 - 20 ---------------- ---------------------- 36 10 -------------------------- ------------ 43 0 ------------------------------------ - 53 + IO-¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ 65 20 ----- --------------------------------- 77 30 --------------- ----------------------- 98 40 ------------------------- ------------- I27 50 ----------------------------------- --- I74
After quenching, the elongation of the alloy which is the subject of the invention, the figurative point of which falls on the pseudo-binary line, varies between 25 and 40%.
After cold working, the elongation is between 2% and, while the elongation of hardened alloys is between about 2% to 20%, depending on the amount of hardening, the composition of the alloys and the processing. complete suffered by them.
As disclosed in the pending patent application of Reginald S. Dean, filed September 16, 1938 in the United States under No. 230.209, certain alloys of manganese, including the alloys of manganese, copper and nickel have the potency of 'strongly dampen vibrations in some cases, the decrement is 100 times stronger than that of steel.
However, the alloys which are the subject of the present invention have, when the measurements are carried out under low stresses, a vibration damping decrement which is.
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in general of the order of that of Itacier, that is to say close to I / 100Oth.
However, when the proportion of manganese exceeds 65%, the vibration damping decrement of the alloys, after aging, is of the order of 1% more.
The alloys which are the subject of the invention show very little tendency to exaggerate aging at lower temperatures.
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to 450 C. Some of them can be heated somewhat above this temperature without undue aging, but in general a temperature less than or equal to 450 C should be used to communicate the final hardness, the temperature. exact to use depending on the desired result.
The degree of hardness imparted to the alloys by the heat treatment can also be determined, and by setting the duration of said treatment at 450 0 between 1 and 25 hours, depending on the dimensions of the part to be treated, good results will be obtained.
It normally takes 6 to 18 hours to achieve maximum hardness. When using a temperature above 450 ° C, care must be taken to conduct the operation so as to obtain the specific properties desired.
One can take advantage of the unusual reaction of alloys to heat treatment to achieve varying degrees of hardness in a single article of manufacture.
There are indeed many cases where it is desirable for the various parts of the same object to have different degrees of hardness,
Non-uniform hardening can be achieved by local aging of a quenched alloy, the unheated areas of the alloy having to be maintained at a temperature below that of the hardening.
Another way to obtain the same result is to harden the entire manufactured object and then locally heat the where the positions of it that it is desired to have in a softer state to a temperature sufficiently exceeding the hardening temperature. - sizing, so as to produce annealing,
A temperature of 600 C will generally be satisfactory and the heat can be applied using a torch or any other suitable method. The result will be an object of graduated hardness, with the softer portion generally being stronger than the hardened portion.
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The relatively low heat conductivity of these alloys, together with their critical hardening and annealing temperatures make the technique of their use very simple in an ordinary installation.
As an example of this treatment applied to the alloys which are the subject of the invention, the applicant wishes to cite an alloy containing 30% copper, 35% manganese and 35% nickel. This alloy was chosen on purpose because it contains less copper than the alloys previously mentioned which normally exhibit the maximum variation in properties, so that the results which can be obtained on an alloy of this particular composition can be obtained on the same or greater scale with the alloys containing more of copper,
This alloy, quenched from a temperature of 900 ° C., and hardened in the form of a circular cylindrical bar approximately 1 cm in diameter, exhibited a hardness of 25 in the C scale of ROOKWELL.
A test specimen approximately 27cm long was used and ,. after work hardening, this specimen was heated to 450 0 for 10 hours. The bar hardness was uniformly 51 in the ROCKWELL C scale.
Then about 10 cm from the bar was red-hot with a torch, and allowed to cool in air, no special precautions were taken to cool the unheated part.
After this treatment, hardness measurements were made along the bar at varying distances from the heated part and the table below shows the hardness at various distances from the annealed end.
As the table clearly indicates, the ROCKWELL hardness in 1 C scale varies from end to end of the 68 point rung, thus indicating the variation in properties that can be achieved in the same manufactured object.
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TABLE V Distance from annealed end Degrees C ROCKWELL
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<tb> 2.5 <SEP> cm <SEP> -18
<tb>
<tb> 5.1 <SEP> cm <SEP> -17.5
<tb>
<tb>
<tb> 7.6 <SEP> cm <SEP> -22
<tb>
<tb> 8.9 <SEP> cm <SEP> -21
<tb>
<tb>
<tb> 9.5 <SEP> cm <SEP> -2
<tb>
<tb>
<tb> 10.2 <SEP> cm <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb> 10.5 <SEP> cm <SEP> +31
<tb>
<tb>
<tb> 10.8 <SEP> cm <SEP> +46
<tb>
<tb>
<tb> 11.5 <SEP> cm <SEP> 47 <SEP> 1/2
<tb>
<tb>
<tb> 12.7 <SEP> cm <SEP> 49 <SEP> 1/2
<tb>
<tb>
<tb> 15.2 <SEP> cm <SEP> 49 <SEP> 3/4
<tb>
<tb> 17.8 <SEP> cm <SEP> 50
<tb>
All the alloys which are the subject of the invention are resistant to corrosion, those comprising as much as 35% nickel resistant to corrosion by salt water.
Most of these alloys are non-magnetic after quenching or aging.
Alloys with 20 to 25% manganese and up to 10% copper are ferromagnetic after aging. Magnetism increases when these alloys approach the composition corresponding to 75% nickel and 25% manganese.
The magnetism loss temperatures are lowered as the magnetism is decreased when one moves away from this composition.
An alloy composed of 25% manganese, 70% nickel and 5% copper is attractive from the point of view of magnetic properties.
An example of these unusual magnetic properties is given by the fact that it has a magnetic permeability of about 7 remaining substantially constant up to a value of the magnetizing field equal to 125 ousteds.
The alloys which are the subject of the invention exhibit some unusual electrical properties which are added to their mechanical properties.
The resistivity of these metals, when they have been work hardened
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determine a corresponding net modification of the electrical properties and the particularly chosen zone to which the alloys which are the subject of the invention correspond can be characterized. ized with reference to the electrical properties of the latter after hardening.
The resistivity of these alloys which are the subject of the invention does not vary appreciably as a function of the temperature, in other words the temperature coefficient of the resistivity is very low, and appreciably zero in certain regions; said temperature coefficient does not vary significantly after hardening of the alloy, which does not mean, as one skilled in the art will understand, that resistivity does not vary following hardening.
Figure 4 indicates the relationship between the composition and the temperature coefficient of resistivity, the lines drawn in this figure corresponding to a determined and constant value of this coefficient which is expressed in 10-4 ohms / ohms degree centigrade.
In connection with the temperature coefficient of resistivity, Applicant wishes to point out, however, that, in general, said coefficient undergoes a slight positive variation after hardening.
An alloy comprising 15% manganese, 17.1 / 2% nickel and copper to complete, however, exhibits a reduction in said coefficient after hardening, the temperature coefficient of the resistivity of this particular alloy being, after hardening, of the order of. of -1.4 x 10-4 ohms / ohms ± degree C.
Some alloys in the immediate vicinity of the above show variation in the same direction after hardening.
Figure 5 shows the. relation between the coefficient of linear expansion and the composition of the alloys which are the subject of the invention, by means of lines corresponding to a determined and constant value of said coefficient for the alloys whose
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figurative points are located on this line; this coefficient of expansion is expressed in 10-6 cm / cm / degree C., for the interval between 25 C and 100 C.
It will be noted that the alloys at. the inside of hatched make (see figure I) have expansion coefficients varying within wide limits.
The best results, from the point of view of variation in properties, particularly from the point of view of hardness and toughness, will be obtained in the alloys which are the subject of the invention if these comprise almost entirely and exclusively copper, manganese and nickel, in other words if these three metals have a high degree of purity.
Commercial grade copper and nickel have for a considerable time been produced electrolytically and very pure copper and nickel can be readily obtained. Most of the manganese available on the market, and the only manganese available up to. a very recent period did not include a pure meta.l content greater than 95%, the 5% of impurities being iron, silicon, aluminum and carbon,
In recent years, manganese containing relatively little carbon has been obtained, but the content of other impurities has not been significantly reduced.
In addition, impurities have been present to a certain extent in the oxide state, and this presents particular drawbacks from the standpoint of ductility.
The presence of silicon and iron, in appreciable proportions, is liable to present drawbacks.
The applicant has found that electrolytic manganese is particularly suitable for use in the alloys which are the subject of the invention throughout the range of said alloys considered, and the hardening and similar properties are accentuated.
In addition, the extreme variety of properties capable of being obtained in the alloys which are the subject of the invention is obtained particularly in the most widely used alloys, by re-employment.
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of electrolytic manganese.
However, for some uses and grades, less pure manganese can be used for the alloys, for example good quality "thermite" manganese.
While the ductility and the hardening of the alloys objects of the invention are affected by the presence of impurities in the. manganese, Applicant has found that, at least to some extent, the undesirable reduction in ductility obtained when employing a less pure grade of manganese for certain categories of alloys can be compensated for by quenching at a relatively high temperature.
If the applicant refers to the advisability of using only pure copper, nickel and manganese in the preparation of the alloys which are the subject of the invention, he does not wish to say that in certain circumstances and for certain uses lton cannot use other elements in relatively small proportions.
However, the elements which can be used need not be the types of elements present, nor present in the form in which they are found, as impurities in "thermite" manganese, if it is desired to obtain. the best results,
The added elements should not appreciably affect the characteristics of the pseudo-binary system described above, i.e. the ability to achieve the range of properties which is manifested in the curing technique described above. . When a fourth element can be used to impart some additional properties to the alloy, it can be added without departing from the object of the invention.
The applicant has found, for example, that it can add up to 1% tin to numerous alloys which are the subject of the invention without producing a detrimental effect on their properties already indicated. improving somewhat the corrosion resistance both by
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atmosphere than by salt water. By adding about 1.5% filler to some of said alloys, some advantages are obtained with respect to corrosion resistance without sacrificing any of the mechanical properties. Small amounts of boron and silicon introduced as such, or in such a way as to avoid the possibility of the presence of oxides, can also be used.
While boron and silicon, on testing, appeared to have a slightly unfavorable effect with respect to corrosion resistance, they appear to increase the machinability of some of the alloys.
The alloys which are the subject of the invention are very easy to machine, considering almost all the working methods which can be applied to them, but there may be occasions or, for particular purposes, it may be desired. some improvement to this ease of machining.
The maximum proportion of boron or silicon which can be added without appreciably modifying the effect of the heat treatment has not been determined, but the applicant has found that quantities of boron up to 1 per thousand, and Quantities of silicon up to 1% can be added to many alloys which are the subject of the invention without adversely affecting said effect.
When up to 1% glucinium is added, especially for high amounts of copper, hardening occurs at a somewhat lower temperature than without it, which may be beneficial for some uses. Alloys containing small amounts of glucinium always react to heat treatment as described. one can add chromium and zinc in greater proportions than for the other elements examined. The addition of 10% chromium produces a considerable improvement in corrosion resistance, primarily acid corrosion resistance, and most of the alloys in the range shown respond to heat treatment, when they include the. chrome, like
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component.
The applicant can even use, for certain uses, very small proportions of elements such as iron and cobalt, but in general the use of these elements, in particular. iron, is not recommended.
Owing to the advantageous combinations of properties of these alloys, and the range of variations thereof, one can manufacture many different types of manufactured articles, which heretofore had been made of non-ferrous alloys and. required surface crease to retard corrosion, or which were made of non-ferrous alloys if corrosion resistance was essential, but construction was poor, or which exhibited other characteristics to accommodate toughness , of insufficient hardness, etc., For example, many springs, which, because of the required characteristics, had to be made of spring steel, and had to be treated subsequently so as to protect their surface against corrosion,
can now be manufactured from the raw materials which are the subject of the invention.
When certain parts are used in contact with water, such as in many marine applications, for example, the non-ferrous alloys used made the parts in question much larger and heavier than was convenient and desirable.
The fact that even parts such as springs, requiring a strength and a stiffness which were only found in ferrous alloys, can be easily manufactured from the alloys object of the invention, whereas they are in the soft state, and that subsequent hardening will give them the desired final properties, constitutes a very great advantage. As an indication of the parts which can be manufactured when various degrees of hardness are required, the following non-magnetic and non-sparking objects can be mentioned:
Tools, diaphragms, building hardware, tubing
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condensers, hot water vessels, pressure vessels, autoclaves, metal furnishings, bearings, dies, naval hardware, etc.
In the production, for example, of molds for plastics, the alloys which are the subject of the invention can be formed in the soft state by means of a mother die and then undergo the heat treatment. Foil tape of the type used in flexible telephone cords can be made when the alloy is in a soft state, and then processed to obtain the desired characteristics. There is a considerable advantage in the manufacture of nuts, bolts, screws, machine screws, in that an adequate mechanical strength combined with corrosion resistance can be obtained for small parts, and that the simple manufacturing methods can be used.
For example, in the soft state, a thread can be obtained by rolling as in the case of screws or bolts; These alloys can be used for the manufacture of tooling parts, and machines of various types where the use of steel would present drawbacks because of its magnetic properties.
When complicated machining is necessary, the alloys which are the subject of the invention can be used advantageously in that they can be machined in the soft state, and subsequently hardened with the minimum of warping and deformation. The low curing temperature, and the small variation in volume which accompanies the latter, is an advantage in the manufacture of many manufactured articles. The possibility of producing non-uniform hardness is also of some importance since tools and machine parts can be made with a tough body, while the working or wearing parts are hardened.
Lightweight armor plates can be made with a tough body and a hardened outer layer.
Alloys with a high coefficient of expansion when hardened are suitable for the manufacture of bi-metal tapes.
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lics for thermostats,
In the region where the magnetic properties exist, the alloys which are the subject of the invention can be used for thermostatic relays, due to the low temperatures at which they reversibly lose their magnetism.
The applicant has described his invention in great detail, shown its properties and described how these properties offer advantages, allowing the manufacture of corrosion resistant parts, which at the same time require mechanical properties usually associated only with steel.
CLAIMS
I) Corrosion resistant alloy, consisting essentially entirely of copper, nickel and manganese, the figurative point of the alloy falling, hardened by a quenching and aging process, within the shaded area of the figure I, by a significantly lower resistivity in the hardened state than in the quenched state.
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