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" ACIER "
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La présente invention concerne des aciers graphitiques qui, ainsi qu'on l'a reconnu maintenant, constituent un type d'acier spécial. Une caractéristique de ces aciers bien connus est qu'il. contiennent du graphite libre et qu'ils sont capables d'acquérir une grande dureté lorsqu'on leur fait subir un traitement thermi que approprié . Ils possèdent une grande résistance à l'abrasion à l'enlèvement du métal et à l'usure par frottement, et ils sont classés comme étant d'usinage facile.
Ces propriétés,jointes à des propriétés mécaniques désirables, ont eu pour résultat que les aciers graphitiques ont été employés à une très grande échel le pour la fabrication d'un grand nombre de matrices,de poin- çons, de rouleaux de repoussage au tour,de coupe et conformation de broches et d'autres outils utilisés dans les buts indiqués,no- tamment lorsqu'on exige une grande résistance à la fatigue et à l'abrasion.
Deux types d'aciers graphitiques sont beaucoup employés. L'in d'eux contient environ 1,5% de carbone et environ 1% de sili- ciu,tandis que l'autre, de composition analogue, contient aussi une petite quantité de molybdène . Un autre type connu d'acier graphitique qui possède les propriétés communes aux aciers gra- phitiques et certaines propriétés supplémentaires qui ne sbnt pas habituelles, contient 1,5 % environ de carbone, 0,4 % envi- ron de manganèse, 0,5 % environ de molybdène,0,65 % environ de silicium et 2,8 % environ de tungstène.
Les aciers graphitiques déjà connus sont trempés par re- froidissement brusque dans -un liquide,c'est-à-dire dans de l'huile, de l'eau ou une saumure, et aucun de ces aciers graphi- em tiques anciennnt connus ne peut être trempé à l'air. La nécessi té de tremper par refroidissement brusque dans un liquide est indésirable dans certains cas,par exemple lorsqu'il s'agit de pièces dont la section n'est pas uniforme eu dont la longueur est relativement grande et la section relativement petite, à cause de la déformation qui peut résulter des tensions apparais- @
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sant lors du refroidissement brusque . De plus, le refroidis- sement brusque dans un réfrigérant liquide exige un équipement spécial.
Les aciers graphitiques mis au point plus tard ent les propriétés générales caractéristiques des aciers graphiti- ques et la propriété supplémentaire de pouvoir être trempés à l'air. Ils contiennent environ 1 à 2 % de carbone, 0,25 à 1% environ de chrome, 0,75 à 1,5 % environ de manganèse, 0,25 à 1 % environ de molybdène, 1,5 à 2,5 % environ de nickel et 0,75 à 1,25 % environ de silicium.
On a constaté que les aciers graphitiques connus avant la présente invention sont parfaitement satisfaisants dans leurs domaines particuliers et on en a utilisé des milliers de ton- nes . Toutefois, tous ont ceci de particulier que leurs carac- téristiques de trempe sont fixées de manière assez critique dans chaque cas. D'autre part, pour certaines applications, on exige des aciers à trempe profonde,par exemple lorsqu'il s'agit d'un objet soumis à une forte usure et pouvant être meulé un grand nombre de fois, mais qui n'est pas soumis à de grands chocs. Dans d'autres cas,on désire une trempe peu profonde pour obtenir une surface trempée résistant à l'usure et enfermant un noyau plus tendre et ductile .
Du fait que les caractéristiques de trempe des aciers graphitiques connus avant la présente in- vention sont fixées de manière assez critique,ces aciers ne sont pas propres à des applications variées,telles que les types individuels puissent être employés,suivant les besoins,pour donner aussi bien une trempe profonde qu'une trempe peu pro- fonde. En ce qui concerne la pratique de la fabrication et de la vente, ainsi que leur économie, il serait désirable,d'autre part, de pouvoir satisfaire aux conditions d'une trempe peu profonde aussi bien qu'à celles d'une trempe profonde avec une seule et même composition, ce qui simplifierait la production, réduirait l'importance des stocks et assurerait des avantages correspondants.
Le but principal de la présente invention est la réalisa- tion d'aciers graphitiques et d'objets fabriqués avec ces @
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aciers dans lesquels les propriétés caractéristiques des aciers graphitiques soient combinées à une capacité de trempe régla- ble, c'est-à-dire permettant de les tremper profondément ou peu profondément, suivant les besoins,ces aciers étant en outre de composition simple et peu coûteux et n'exigeant pas l'emploi de grandes quantités d'éléments d'alliage, et pouvant aussi être trempés à l'air.
On décrira maintenant l'invention en se référant au dessin ci-joint, qui est un graphique dont les courbes représentent les caractéristiques de trempe de deux aciers obtenus conformément à l'invention.
On a découvert, et c'est sur cette découverte que la pré- sente invention est basée, que l'on obtient des aciers graphiti- ques dont la trempe peut être réglée, en modifiant les composi- tions indiquées plus haut et notamment en réduisant sensible- ment la teneur en nickel, en augmentant la limite supérieure pour le silicium et en abaissant la limite inférieure pour le manganèse . Il est également utile d'abaisser la limite infé- rieure du molybdène .
Suivant la présente invention, des objets en acier graphi- tique sont fits avec des aciers contenant 1 à 2% environ de carbone, 0,25 à 1 % environ de chrome , 0,5 à 1,5 % environ de manganèse, 0,2 à 1% environ de molybdène, 0,25 à 1,4 % en- viron de nickel et 0,75 à 2 % environ de silicium. La teneur en phosphore et en soufre doit être maintenue basse.
Le reste de la composition des aciers est du fer avec des impuretés dont les quantités sont celles que l'on rencontre usuellement dans de tels aciers, mais il est bien entendu qu'il peut y avoir d'au- tres éléments d'alliage, 2 condition qu'ils n'aient pas d'effet nuisible sur les propriétés caractéristiques de la présente in- vention , et c'est pour cette raisohque l'on peut dire que le reste des aciers est effectivement du fer, d'autant plus que ces éléments d'alliage supplémentaires n'altèrent pas la nature essentielle des produits fabriqués conformément à l'invention.
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Ces aciers permettent de faire des objets pouvant être trempés profondément ou peu profondément, suivant la composition particulière choisie entre les limites indiquées et, dans tous les cas, ils possèdent les autres propriétés des aciers graphi- tiques, y compris les propriétés mécaniques,telles que la ré- sistance à la traction,la limite d'élasticité,etc.., qui sont nécessaires et désirables pour les applications auxquelles les aciers graphitiques sont destinés.
Le nickel employé entre les limites indiquées a pour résultat une plus faible teneur en aus- ténite, mais celle-ci est suffisante pour donner des propriétés mécaniques adéquates par son effet de renforcement sur la ferri- te ; elle est également assez grande pour effectuer la graphiti- sation nécessaire pour fournir le carbone graphitique et pour conférer la capacité d'agir de façon adéquate dans la trempe.
Dans la mise en pratique de l'invention, on obtient une trempe profonde en utilisant du manganèse,du chrome,du molybdè- ne, du nickel et du silicium en quantités voisines des limites supérieures indiquées,tandis que l'on obtient une trempe peu profonde en utilisant ces métaux en quantités voisines des limi- tes inférieures indiquées. Les compositions sont aussi naturelle ment équilibrées suivant la pratique connue relative à l'acier graphitique, c'est-à-dire que, pendant le travail à chaud,le carbone sera entièrement ou presque en combinaison et de façon que la graphitisation ait lieu au cours du recuit ultérieur.
La sensibilité maximum à la trempe a lieu lorsque la quantité de carbone combiné varie entre 0,5 et 0,9 %. Lorsque la quanti- té de carbone est très supérieure à l'eutectoïde,comme c'est le cas pour ces aciers, la présence de carbures en excès peut re- tarder la formation d'austénite pendant le traitement thermique, et dans la mise en pratique de la présente invention, il est généralement désirable d'équilibrer la composition de telle ma- nière qu'une quantité suffisante du carbone soit transformée en carbone graphitique, de -façon que la teneur en carbone agra- phitique se rapproche de l'eutectoïde. En général, pour des te-
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neurs données en Cr, Mn, Mo, Ni et Si, une variation du carbone entre les limites indiquées est sans action notable sur les ca- ractéristiques de trempe.
La caractéristique de trempe réglable des aciers et objets conformes à la présente invention peut être représentée à ti- tre d'exemple par les compositions suivantes:
EMI6.1
C Cr Mn Mo Ni Si P S %%%%%% % f0 Acier A 1,45 0,32 1,0 0,26 0,59 1,20 0,015 0,034 Acier B 1,50 0,53 0,g9 0,45 0,99 1,39 0,021 0,035
Les aciers ci-dessus ont été fabriqués dans un four élec- trique à induction et coulés en lingots de 13,608 kg environ, forgés à chaud en barres rondes de 31,75 m qui ont ensuite été soumises aux opérations de recuit suivantes (graphitisation):
Charge à 540 C
Chauffage à 654 C (111 par heure) " " 710 C (55,5 " " " " 743 C (33,3 " " " " 760 C (15,6 " "
EMI6.2
TT " 777 C ( 5,5 " Tr
Maintien à 6 heures
Refroidissement à 593 C (11 par heure)
Déchargement à l'air.
Des barres Jominy de type normal à refroidissement final brusqme ont ensuite été usinées avec la matière recuite, puis on les a chauffées pendant 45 minutes dans urbain de sel neu- tre à 830 C et refroidies brusquement suivant la pratique Jomi- ny prescrite . Les duretés déterminées sur les échantillons obtenus sont indiquées dans le dessin ci-joint.Dans ce dessin,on a indiqué en abscisse la distance, en seizièmesde pouce, à partir de l'extrémité brusquement refroidie de l'échantillon tandis qu'en ordonnée on a indiqué la dureté Rockwell. On re- marquera que l'acier A peut être trempé à une distance -) Jominy de 15,87 mm jusqu'à Rc 60, ce qui indique que c'est un acier à trempe peu profonde .
Par contre, l'acier B, qui contient la même quantité de carbone, mais de plus grandes quantités
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d'éléments d'alliage, présente une capacité de trempe de 3,8098 de distance Jominy jusqu'à Rc 60, ce qui indique que c'est un acier à trempe profonde . Les caractéristiques de trempe nette- ment différentes de ces deux aciers montrent clairement comment on peut obtenir à la fois une trempe profonde et une trempe peu profonde par la mise en pratique de la présente invention* Il est naturellement possible d'obtenir des résultats intermédiai- res. Une composition sembleble à A, mais avec 1,15 de carbone seulement, a montré une courbe'Jominy qui est essentiellement la même que celle de l'acier A, ce qui est généralement vrai pour ces aciers.
Les aciers conformes à la présente invention peuvent être obtenus par des procédés courants dans l'industrie pour la pro- duction d'aciers graphitiques. On les fabrique de préférence dans un four électrique par la pratique normale de l'acier "tué"',les divers éléments d'alliage étant convenablement introduits à l'é- tat de ferro-alliages ou aurement si on le désire . Ils sont cou- lés dans des coquilles pour éviter la formation de graphite dans les lingots.
Les lingots sont traités, avant et pendant le travail à chaud de la façon connue dans l'industrie de l'acier graphitique, c'est-à-dire de façon que le carbone reste sensiblement entière- ment à l'état de carbone combiné pendant le travail. Généralement parlant,les lingots doivent être traités à chaud,par exemple par laminage ou forgeage à une température ne dépassant pas environ
1065 C ou 1093 C pour produire des pièces ayant la forme et les dimensions désirées en vue de leur transformation en produits finis.
Lorsqu'il est nécessaire de forger la matière laminée à chaud pour faire des matrices, filières ou poinçons ou autres outils, les pièces laminées à chaud doivent être chauffées len- tement jusqu'à 1093 C et maintenues à cette température jusqu'à ce qu'elles aient été chauffées dans toute leur masse,après quoi on les forge à la forme voulue en ayant soin que la température ne tombe pas au-dessous de 954 C pendant le travail de forge.
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Lorsque les objets ont la forme voulue, on les graphitise en les soumettant à des traitements de normalisation et de re- cuit. A cet effet, on les normalise en les chauffant au-dessus du point critique, convenablement à environ 92? C pour provo- quer la décomposition et la diffusion des carbures. On les refroidit ensuite suivant la pratique de normalisation ordinai- re, en les retirant du four et en les refroidissant à l'air.
On recuit ensuite les objets en les réchauffant jusqu'au point critique ou au-dessus, par exemple en les chauffant à 788 C et en les maintenant à cette température pendant quatre heures. On refroidit ensuite les objets lentement de 11 C environ par heure, jusqu'au-dessous du point critique, après quoi on les retire du four et on les laisse refroidir à l'air.De cette façon les carbu res sont partiellement décomposés et il se produit du carbone graphitique avec une sphéroidification des carbures résiduels.
Lorsqu'ils sont traités de la manière qui vient d'être dé- crite, les aciers de la composition préférée indiquée ci-des- sus contiennent des pourcentages notables de graphite libre,sui- vant leur composition particulière, le reste du carbone étant à l'état de carbone combiné. Le carbone graphitique donne à la surface des qualités lubrifiantes qui sont utiles pour les ob- jets visés par l'invention, tandis que les carbures assurent, après un traitement thermique approprié, une grande résistance à l'usure et une structure possédant d'autres qualités désirable- qui seront indiquées en détail plus loin. La combinaison du car- bone graphitique et des carbures sphéroidifiés a aussi pour ef- fet que les aciers obtenus dans cet état peuvent être usinés fa- cilement.
Ce qui caractérise les produits obtenus suivant la présente invention, c'est que le carbone graphitique est disper- sé, à l'état de carbone finement divisé, uniformément dans toute la masse et que ces aciers, lorsqu'ils sont trempés,possè- dent des qualités remarquables de non accrochage.
Après avoir été graphitisés, les objets sont usinés ou terminés autrement jusqu'à la forme et jusqu'aux dimensions dé- sirées, après quoi on les soumet à un traitement de trempe au
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cours duquel ils sont chauffés au-dessus du point critique et refroidis à l'air. On peut obtenir ainsi un certain nombre de structures différentes suivant les conditions de la trempe.
On peut produire des structures austénitiques, mais il est actuellement préférable, pour la plupart des applications, d'effectuer ce traitement thermique de trempe de manière à ti produire une structure austénitique-martensique. Il est parti- culièrement désirable d'utiliser à cet effet un procédé de trempe double. Avec des sections ayant jusqu'à environ 5 cm d'épaisseur,il est ordinairement suffisant d'enrober les objets dans une composition appropriée, de les chauffer à 885 C,puis de les refroidir à l'air et de les retremper ensuite à 843 C.
Avec des sections de 5 à 10 cm d'épaisseur,la première chauffe doit être à environ $99 C, tandis que pour des sections de plus de 10 cm, la première chauffe doit être d'environ 912-913 C.
Dans les deux cas,la nouvelle trempe est effectuée à 843 C,tem- pérature à laquelle les objets sont maintenus jusqu'à ce qu'ils soient chauffés dans toute leur masse. Pendant la première trem pe, une proportion notable d'auténite sera conservée. La deu- xième trempe est utile par ce qu'elle assure de plus grandes propriétés de résistance à l'usure dues à la production de mar- tensite par transformation d'une partie de l'austénite. Des duretés de 60 à 65 Rc peuvent être obtenues régulièrement par une trempe effectuée de la manière décrite.
La capacité de trempe réglable des aciers obtenus sui- vant la présente invention et des objets fabriqués avec ces aciers est très avantageuse pour desraisons que tout homme de l'art comprendra facilement. Un autre avantage consiste en ce qu'il est possible d'effectuer la trempe sans déformation des outils de section variable ou de longueur considérable et de petite section ,dont le refroidissement brusque dans l'huile ou dans l'eau est une opération risquée. De plus,ces aciers possèdent la propriétés exceptionnelle de pouvoir également être trempés dans l'huile ou dans l'eau si cela est désirable pour une raison quelconque .
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REVENDICATIONS.
1. Acier allié de qualité de trempe réglable contenant 1 à 2 % de carbone et 0,25 à 1 % environ de chrome, caractérisé en ce qu'il contient aussi 0,5 à 1,5 % environ de manganèse, 0,2 à 1 % environ de molybdène, 0,25 à 1,4 % environ de nickel, 0,75 à 2 % environ de solicium, le reste étant effectivement du fer, ce qui réalise un acier ayant la propriété de pouvoir être travaillé à chaud et de produire,, par un traitement thermique, des structures austénitiques- ti martensques contenant du carbone graphitique et du carbure sphéroï- difié finement dispersé dans toute la structure,
et ayant une grande résistance à l'usure et pouvant être trempé profondément lorsque ses éléments autres que le carbone sont en quantités se rapprochant des limites supérieures indiquées ci-dessus, et trempé peu profon- dément lorsque ses éléments autres que le carbone sont en quantités se rapprochant des limites inférieures indiquées ci-dessus.