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" Alliages frittés trempables "
La fabrication d'articles métalliques par les procédés de la métallurgie des poudres a récemment pris de plus en plus d'importance. Antérieurement, les dits procédés étaient unique- ruent appliqués à la production de métaux ou d'alliages qui ne pouvaient être obtenus que difficilement, ou même ne pouvaient pas être obtenus, en la qualité désirée, par les procédés mé-
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tallurgiques par fusion.
La raison de ce développement des procédés de la mé- tallurgie des poudres est qu'à l'aide de ces procédés, il est possible d'obtenir directement, à partir des poudres métalli- ques, par moulage sous pression et frittage, des articles con- formes à des tolérances prédéterminées. On peut ainsi éviter une part considérable d'usinage tel que tournage,, coupe et per-
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çage, et les procédés de la métallurgie des poudres permettent, par suite, des économies substantielles. Dans la fabrication de petits articles en fer, ces économies peuvent atteindre 70 % du prix de revient initia.l. Il est donc naturel que l'industrie mécanique ait attaché une grande importance à cette nouvelle technique de moulage et soit vivement intéressée à son dévelop- pement.
Toutefois, il a été constaté que la valeur relative- ment réduite de l'allongement jusqu'à présent obtenu pour les articles frittés en fer ou en acier constitue un très sérieux inconvénient pour l'utilisation des dits articles dans l'indus- trie mécanique et réduit considérablement le domaine de leur application, car ces articles ne peuvent être appliqués aux cas où des qualités élevées de résistance sont une des conditions du bon fonctionnement de la pièce envisagée.
Les remarques ci-dessus ressortent de la comparaison entre le fer et l'acier fondus et laminés (ci-après respective- ment désignés sous les simples noms de fer et d'acier) et le fer et l'acier frittés (ainsi désignés dans la suite de la. pré- sente description).
C'est ainsi que, par exemple, le fer pur a une résis- tance à la traction de .25 à 30 kilogrammes par mm2 et un allon- gement de 30 à 40%, le fer fritté présentant une résistance à la traction de 24 kilogrammes par mm2 et un allongement at- teignant au plus 14 à 16%. Ainsi l'allongement du fer fritté est inférieur d'au moins 50% à celui du fer. La comparaison devient encore moins avantageuse si elle porte sur des fers con- tenant du carbone (aciers).
Un acier au carbone, non allié, après laminage, ayant une résistance à la traction de 35 kg/mm2 peut être considéré comme ayant un allongement de 28%, alors qu'un acier fritté de même résistance à la traction n'a. qu'un allongement atteignant au plus 7%, c'es--à-dire, au maximum égal au quart de l'allongement de l'acier. Un acier ayant une résistance à la traction de 50 kg/mm2 présente un allongement
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de 22%= alors que celui d'un acier fritté de même résistance à la traction n'est pas supérieur à 4%.
Pour la détermination de la qualité de l'acier, de l'acier moulé, etc.., il a été récemment introduit un coeffi- cient, dit de qualité, déterminé par la formule suivante :
Qk = R x A
100 dans laquelle R est la résistance à la traction, exprimée en kg./mm2 et A 1'allongement (L = 5 d). Pour le fer et l'acier, on obtient ainsi indépendamment de leur composition, une va- leur comprise entre 9 et 11, pourvu qu'il s'agisse de quali- tés normales. Ainsi, par exemple, pour l'acier ci-dessus men- tionné, présentant une résistance à la traction de 50 kg/mm2 et un allongement de 22%, le coefficient de qualité devient :
Qk = 50 x 22/100 = 11
100
Pour l'acier moulé, la valeur correspondante est com- prise entre 6,5 'et 8.
Le calcul des coefficients de qualité des fers et aciers frittés connus donne les valeurs suivantes :
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<tb> Désignation <SEP> du <SEP> métal <SEP> Qk
<tb>
<tb>
<tb> Fer <SEP> frit <SEP> té <SEP> 3,8
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Acier <SEP> " <SEP> à <SEP> 35 <SEP> kg/mm2 <SEP> 2,4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> " <SEP> " <SEP> à <SEP> 50 <SEP> " <SEP> 2,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> " <SEP> " <SEP> à <SEP> 70 <SEP> " <SEP> 1,4
<tb>
Les coefficients de qualité des fers et aciers frittés sont donc très inférieurs à ceux des fers et aciers ordinaires.
Il est, par suite, impossible d'utiliser les procédés de la métallurgie des poudres pour l'obtention de pièces qui doivent être soumises à des efforts importants.
Une autre particularité notable apparaît en outre, Pour l'acier, le coefficient de qualité, jusqu'au point de
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transformation en perlite, semble être à peu près indépendant de l'augmentation de la teneur en carbone, mais, pour l'acier fritté, le coefficient de qualité diminue considérablement quand la teneur en carbone augmente. Cet effet se manifeste de la façon la plus notable dans les valeurs d'allongement obtenues et il indique que la fragilité de l'acier, dont la cause initiale interne est la teneur en carbone de celui-ci, est considérablement augmentée lorsqu'il s'agit d'acier fritte, ce qui concorde également avec les faibles valeurs de résistan- ce au choc trouvées pour le dit acier.
Le carbone a également une autre propriété qui le rend plus défavorable comme composant d'alliage dans l'acier fritte.
Au cours du processus de frittage, en vertu de lois d'équilibre très compliquées, le carbone réagit avec l'atmosphère du four.
Par suite, il se produit fréquentent, au cours du dit processus de frittage, une carburation ou une décarburation et, finalement, il est difficile, ou même impossible, de maintenir dans des li- mites étroites prédéterminées la teneur en carbone de l'acier fritté.
Dans le but d'éliminer les effets désavantageux du carbone dans la production des alliages frittés contenant, coin- me élément essentiel, du fer, il a été maintes fois essayé de remplacer le carbone, comme véhicule des propriétés de résis- tance et de trempabilité, par d'autres éléments plus appropriés.
En ce qui concerne le cuivre, ces essais ont donné des résultats nouveaux et surprenants. Il est exact qu'ilest depuis long- temps connu que les systèmes métallurgiques fer-carbone et fer- cuivre sont analogues à certains points de vue. Il est égale- ment connu que le cuivre augmente la dureté de l'acier et qu'il peut être utilisé pour la mise en oeuvre de traitements thermi- ques analogues à ceux utilisés pour la trempe ma.rtensitique de l'acier au carbone. Il est également connu que l'accroissement
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de résistance qui se produit pour le fer, quand sa teneur en cuivre augmente, et la diminution de la valeur de l'allonge- ment associée à la dite augmentation, ont la même allure que pour les composés fer-carbone correspondants.
Or, on a découvert ce fait surprenant que, dans l'a- cier fritté, le cuivre se comporte de toute autre manière que le carbone. Le carbone, quand sa teneur augmente, détermine une amélioration des propriétés de résistance, mais, en même temps, une diminution du coefficient de qualité. Or, les al- liages fer-cuivre se comportent de manière toute différente.
Les alliages fer-cuivre à faible teneur en cuivre présentent, dès l'origine, un coefficient de qualité deux fois plus élevé que celui de l'acier au carbone fritté de même résistance à la traction. En outre, quand la teneur en cuivre augmente, on observe une augmentation notable du coefficient de qualité.
Le tableau suivant indique les valeursmoyennes ob- tenues au cours d'une série prolongée d'essais :
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<tb> Teneur <SEP> en <SEP> Cu <SEP> (%) <SEP> R <SEP> kg/mm2 <SEP> A <SEP> % <SEP> Qk
<tb>
<tb>
<tb> 1,5 <SEP> 34,5 <SEP> 15 <SEP> 5,18
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3,0 <SEP> 42,5 <SEP> 12,5 <SEP> 5,31
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4,5 <SEP> 54,0 <SEP> 10 <SEP> 5,4
<tb>
Si l'on compare numériquement les nouveaux alliages frittés et l'acier au carbone fritté de même résistance à la traction, la supériorité des premiers devient tout a fait évidente :
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<tb> Désignation <SEP> Alliages <SEP> au <SEP> carbone <SEP> Alliages <SEP> au <SEP> cuivre.-
<tb>
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Rkg/mm A% Q Rkg/mrn2 Pdo Qk
EMI5.4
<tb> Fer <SEP> fritté <SEP> 24 <SEP> 16 <SEP> 3,84 <SEP> 24 <SEP> 16 <SEP> 3,84
<tb>
<tb> Acier <SEP> " <SEP> 35 <SEP> kg/mm2 <SEP> 35 <SEP> 7 <SEP> 2,45 <SEP> 34, <SEP> 5 <SEP> 15 <SEP> 5,18
<tb>
<tb> " <SEP> " <SEP> 42 <SEP> " <SEP> 42, <SEP> 5 <SEP> 12,5 <SEP> 5, <SEP> 31 <SEP>
<tb>
<tb> " <SEP> 50 <SEP> " <SEP> 50 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 54 <SEP> 10 <SEP> 5,40
<tb>
<tb> " <SEP> " <SEP> 70 <SEP> " <SEP> 70 <SEP> 2 <SEP> 1,4
<tb>
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Il apparaît ainsi que les nouveaux alliages frittes ont un coefficient de qualité au moins double de celui des aciers au carbone jusqu'à présent connus.
Cette révélation ouvre un domaine de mise en oeuvre nouveau et important aux procédés de fabrication de la métallurgie des poudres. La. différence d'effet du carbone et du cuivre semble résulter de ce que, dans la production de l'acier par frittage de poudre l'état métallique du cuivre favorise moins le dévelop- pement de la fragilité interne que le carbone, qui présente un
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caractère semi-métallique.
Les données ci-dessus, relatives aux propriétés de résistance des nouveaux alliages frittés, se rapportent à l'état obtenu par recuit et refroidissement lent. Les procédés ordinaires de traitement thermique, tels que le refroidissement à partir de la région gamma et la trempe par immersion du cui- vre, plus soluble dans la partie supérieure de la région alpha que dans la partie inférieure de celle-ci, peuvent, bien entendu, être utilisés pour l'obtention de variations multiples des pro- priétés de résistance du matériau considéré.
Il n'a été essentiellement question, dans ce qui précè- de, que des systèmes fer-cuivre. Toutefois, l'invention n'est pas limitée aux dits systèmes, mais s'étend au contraire, aux alliages frittés d'ordre ternaire et plus élevés, le cuivre rem- plaçant le carbone comme véhicule des propriétés de résistance et de trempabilité. Il est ainsi possible de préparer avanta- geusernent des alliages ternaires frittés des systèmes fer-nickel- cuivre, fer"manganèse-cuivre et fer-chrome-cuivre, dans le but d'obtenir une résistance à la traction supérieure à 50 kg/mm à l'état recuit.
Avec un alliage contenant 4,5 % de Ni et 3 % de Cu, le reste étant constitué par du fer, il a été obtenu, à l'état recuit, une résistance à la traction de 72 kg/mm2 et un allongement de 7,5%.
On conçoit aisément que d'autres métaux d'alliages u-
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suels, du genre utilisé dans la fabrication de l'acier, peuvent être utilisés conformément à l'invention, pour faire varier les propriétés des nouveaux alliages concrétionnés et de plus amples explications à ce sujet paraissent superflues.
La présente invention est donc caractérisée notamment en ce que'elle envisage tous alliages concrétionnés, dans les- quels le cuivre remplace le charbon comme véhicule des proprié- tés de résistance et d'aptitude à la trempe.
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"Temperable sintered alloys"
Recently, the manufacture of metal articles by powder metallurgy has gained in importance. Previously, said processes were only applied to the production of metals or alloys which could only be obtained with difficulty, or even could not be obtained, in the desired quality, by the conventional processes.
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tallurgical by fusion.
The reason for this development of powder metallurgy processes is that with the aid of these processes it is possible to obtain directly from metal powders, by die-casting and sintering, articles. conforms to predetermined tolerances. It is thus possible to avoid a considerable part of machining such as turning, cutting and
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cement, and the powder metallurgy processes allow, therefore, substantial savings. In the manufacture of small iron articles, these savings can reach 70% of the initial cost price. It is therefore natural that the mechanical industry has attached great importance to this new molding technique and is keenly interested in its development.
However, it has been found that the relatively small value of the elongation so far obtained for sintered articles of iron or steel constitutes a very serious drawback for the use of said articles in the mechanical industry. and considerably reduces the field of their application, since these articles cannot be applied to cases where high qualities of resistance are one of the conditions for the correct functioning of the part envisaged.
The above remarks emerge from the comparison between molten and rolled iron and steel (hereinafter referred to simply as iron and steel) and sintered iron and steel (so designated in the remainder of the present description).
Thus, for example, pure iron has a tensile strength of .25 to 30 kilograms per mm2 and an elongation of 30 to 40%, sintered iron having a tensile strength of 24. kilograms per mm2 and an elongation not exceeding 14 to 16%. Thus the elongation of sintered iron is at least 50% lower than that of iron. The comparison becomes even less advantageous if it relates to irons containing carbon (steels).
A carbon steel, unalloyed, after rolling, having a tensile strength of 35 kg / mm2 can be considered to have an elongation of 28%, whereas a sintered steel of the same tensile strength does not. that an elongation reaching at most 7%, that is to say, at most equal to a quarter of the elongation of steel. A steel with a tensile strength of 50 kg / mm2 exhibits an elongation
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22% = whereas that of a sintered steel with the same tensile strength is not more than 4%.
For the determination of the quality of steel, cast steel, etc., a so-called quality coefficient has recently been introduced, determined by the following formula:
Qk = R x A
100 where R is the tensile strength, expressed in kg./mm2 and A the elongation (L = 5 d). For iron and steel, independently of their composition, a value of between 9 and 11 is thus obtained, provided that these are normal qualities. Thus, for example, for the steel mentioned above, having a tensile strength of 50 kg / mm2 and an elongation of 22%, the quality coefficient becomes:
Qk = 50 x 22/100 = 11
100
For cast steel, the corresponding value is between 6.5 'and 8.
The calculation of the quality coefficients of known irons and sintered steels gives the following values:
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<tb> Designation <SEP> of the <SEP> metal <SEP> Qk
<tb>
<tb>
<tb> Iron <SEP> fried <SEP> tee <SEP> 3.8
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Steel <SEP> "<SEP> to <SEP> 35 <SEP> kg / mm2 <SEP> 2.4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> "<SEP>" <SEP> to <SEP> 50 <SEP> "<SEP> 2.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> "<SEP>" <SEP> to <SEP> 70 <SEP> "<SEP> 1.4
<tb>
The quality coefficients of irons and sintered steels are therefore much lower than those of ordinary irons and steels.
It is therefore impossible to use powder metallurgy processes to obtain parts which must be subjected to significant stresses.
Another notable feature appears in addition, For steel, the quality coefficient, up to the point of
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transformation into perlite, appears to be roughly independent of the increase in carbon content, but, for sintered steel, the quality coefficient decreases considerably with increasing carbon content. This effect is most noticeable in the elongation values obtained and it indicates that the brittleness of the steel, the initial internal cause of which is the carbon content of the latter, is considerably increased when it s This is sintered steel, which is also consistent with the low impact strength values found for said steel.
Carbon also has another property which makes it more unfavorable as an alloying component in sintered steel.
During the sintering process, under very complicated equilibrium laws, carbon reacts with the furnace atmosphere.
Consequently, during the said sintering process, carburization or decarburization occurs frequently and, finally, it is difficult, or even impossible, to keep the carbon content of the steel within predetermined narrow limits. sintered.
With the aim of eliminating the disadvantageous effects of carbon in the production of sintered alloys containing, as the essential element, iron, it has been repeatedly tried to replace carbon as the vehicle for strength and hardenability properties. , by other more appropriate elements.
With regard to copper, these tests have given new and surprising results. It is true that it has long been known that the iron-carbon and iron-copper metallurgical systems are similar in some respects. It is also known that copper increases the hardness of steel and that it can be used for carrying out heat treatments analogous to those used for the tensile quenching of carbon steel. It is also known that the increase
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resistance which occurs for iron, when its copper content increases, and the decrease in the value of the elongation associated with said increase, have the same pattern as for the corresponding iron-carbon compounds.
Now, we have discovered this surprising fact that, in sintered steel, copper behaves quite differently from carbon. Carbon, when its content increases, determines an improvement in strength properties, but, at the same time, a decrease in the quality coefficient. However, the iron-copper alloys behave quite differently.
From the outset, iron-copper alloys with a low copper content have a quality coefficient twice as high as that of sintered carbon steel with the same tensile strength. In addition, as the copper content increases, there is a noticeable increase in the quality coefficient.
The following table shows the average values obtained during a prolonged series of tests:
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<tb> Content <SEP> in <SEP> Cu <SEP> (%) <SEP> R <SEP> kg / mm2 <SEP> A <SEP>% <SEP> Qk
<tb>
<tb>
<tb> 1.5 <SEP> 34.5 <SEP> 15 <SEP> 5.18
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3.0 <SEP> 42.5 <SEP> 12.5 <SEP> 5.31
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4.5 <SEP> 54.0 <SEP> 10 <SEP> 5.4
<tb>
If we compare numerically the new sintered alloys and sintered carbon steel of the same tensile strength, the superiority of the former becomes quite evident:
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<tb> Designation <SEP> Carbon <SEP> <SEP> alloys <SEP> Copper <SEP> <SEP> alloys.-
<tb>
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Rkg / mm A% Q Rkg / mrn2 Pdo Qk
EMI5.4
<tb> Sintered <SEP> iron <SEP> 24 <SEP> 16 <SEP> 3.84 <SEP> 24 <SEP> 16 <SEP> 3.84
<tb>
<tb> Steel <SEP> "<SEP> 35 <SEP> kg / mm2 <SEP> 35 <SEP> 7 <SEP> 2,45 <SEP> 34, <SEP> 5 <SEP> 15 <SEP> 5, 18
<tb>
<tb> "<SEP>" <SEP> 42 <SEP> "<SEP> 42, <SEP> 5 <SEP> 12.5 <SEP> 5, <SEP> 31 <SEP>
<tb>
<tb> "<SEP> 50 <SEP>" <SEP> 50 <SEP> 4 <SEP> 2 <SEP> 54 <SEP> 10 <SEP> 5.40
<tb>
<tb> "<SEP>" <SEP> 70 <SEP> "<SEP> 70 <SEP> 2 <SEP> 1.4
<tb>
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It thus appears that the new sintered alloys have a quality coefficient at least double that of the carbon steels known hitherto.
This revelation opens up a new and important field of application for the manufacturing processes of powder metallurgy. The difference in effect of carbon and copper seems to result from the fact that, in the production of steel by powder sintering, the metallic state of copper is less favorable to the development of internal brittleness than carbon, which exhibits a
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semi-metallic character.
The above data relating to the strength properties of the new sintered alloys refer to the state obtained by annealing and slow cooling. Ordinary heat treatment processes, such as cooling from the gamma region and immersion quenching of the copper, which is more soluble in the upper part of the alpha region than in the lower part thereof, may well. of course, be used to obtain multiple variations of the strength properties of the material considered.
In what precedes, it has been mainly a question of iron-copper systems. However, the invention is not limited to said systems, but on the contrary extends to ternary and higher order sintered alloys, copper replacing carbon as the vehicle for strength and hardenability properties. It is thus possible to prepare advantageously sintered ternary alloys of iron-nickel-copper, iron-manganese-copper and iron-chromium-copper systems, with the aim of obtaining a tensile strength greater than 50 kg / mm. in the annealed condition.
With an alloy containing 4.5% Ni and 3% Cu, the rest consisting of iron, in the annealed state, a tensile strength of 72 kg / mm2 and an elongation of 7 were obtained. , 5%.
It is easy to see that other alloy metals u-
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suels, of the kind used in the manufacture of steel, can be used in accordance with the invention to vary the properties of the new alloys formed and further explanations on this subject seem superfluous.
The present invention is therefore characterized in particular in that it envisages all concreted alloys, in which copper replaces carbon as the vehicle for the properties of resistance and of quenchability.