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" Objets à résistance thermique élevée et leur mode de production ".
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La présenta invention est relative à des objets, tels que pièces de moteurs et d'appareillages, fa- briqués au départ d'acier perlitique, qui, malgré une teneur relativement faible en substances autres que le fer, possède une grande résistance aux sollicita- tions mécaniques aux températures élevées, c'est-à-dire une forte résistance thermique, et à un procédé parti- culier d'obtention de tels objets.
Comme le concept de la "résistance thermique" est assez complexe, ainsi que l'ont révélé les essais pratiques pendant ces dernières années , on donnera ci-après une courte description de ce que le demandeur entend par "résistance thermique" . Les valeurs de résistance, obtenues lorsqu'on essaie des aciers à température ordinaire, ne peuvent être utilisées lors du calcul de constructions fonctionnant à des températu- res élevées* Les propriétés de résistance ou de solidité des aciers changent en effet considérablement à mesure que croît la température .
La différence essentielle en- tre les propriétés des aciers à température ambiante et à température plus élevée réside dans le fait que,dans ce dernier cas, (généralement à une température supérieu= re à 300'0*environ pour les aciers âu carbone et supé- rieure à 400 C environ pour les aciers alliés) une tension engendre, en plus d'une déformation élastique, un allongement permanent (plastique), qui augmente avec le temps . On exprime ce phénomène en disant que l'acier "flue" . Le fluage progresse d'abord à une vitesse de plus en plus petite,mais après un certain temps (dans certains cas 500 heures), il progresse à vitesse constan-
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te .
La tension, qui, pendant cette période où le fluage se développe à vitesse constante, engendre une vitesse de fluage d'une valeur déterminée, est habituelle ment appelée la limite de fluage .Après un certain temps, la vitesse de fluage augmente à nouveau et finalement il se produit une rupture .La tension qui produit une telle rupture (rupture au fluage), après un temps défini est ordinairement appelée la limite de rupture au fluage .Au lieu de la limite de fluage définie ci- dessus, on utilise, dans certains cas, une limite de fluage, qui est considérée comme la tension donnant lieu à une extension totale définie pendant une certaine pé- riode, c'est-à-dire que, dans ce cas, on tient compte de l'allongement aussi bien pendant son premier stade, où elle est variable, que pendant son second stade, où elle est constante .
La limite de fluage de même que la limite de ruptu- re au fluage dépendent, en ce qui concerne leur valeur, des conditions en présence, en ce qui concerne la vi- tesse de fluage permise et la vie que l'on désire voir conférer à la pièce sollicitée 'Ainsi, cette vitesse de fluage pourrait être de 0,00001 % par heure ou bien la limite de rupture pourrait correspondre à une vie de
10.000 heures. Ces conditions sont, dans chaque cas particulier, dépendantes des conditions de la construc- tion réalisée .
Une forte résistance thermique implique donc des valeurs élevées de la limite de fluage (définie selon l'une ou l'autre des deux manières susindiquées) de même que de la limite de rupture au fluage ' Suivant le type de construction en présence, on attache une plus grande importance à l'une desdites valeurs plutôt qu'à l'autre .
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Les aciers à forte résistance thermique sont né- cessaires pour les sonstructions ou objets exposés, en service, à des températures élevées, en particulier pour les objets qui sont soumis'. à des sollicitations à des températures élevées* Comme exemples de tels objets on peut mentionner les aubes, les palettes ou aubes fixes de guidage et les chambres de combustion pour turbines à gaz (y compris les turbines pour moteurs à réaction d'avions), de même que les pièces de fours et certains équipements utilisés dans la technique de la vapeur et dans l'industrie chimique A ces effets,
on utilise les aciers perlitiques faiblement alliés de même que les aciers austénitiques fortement alliés* Les aciers perlitiques se caractérisent par le -fait qu'ils ne possèdent une bonne résistance thermique qu'à des températures assez basses et par le fait que cette résistance diminue rapidement à mesure que croît la tem- pérature. En général, la résistance thermique des aciers perlitiques n'est bonne qu'à des températures inférieu- res à 500 C environ* Au-dessus de cette température, on doit, en règle générale, avoir recours aux aciers, austénitiques , qui, à cause de leurs haute teneur en éléments d'alliage souvent assez coûteux, sont considéra- blement plus coûteux que les aciers perlitiques.
Pour obtenir une bonne résistance thermique à température ambiante, onutilise ordinairement des aciers perlitiques , qui ont été soumis à un traitement de trempage . Ce trempage, signifie que.par un refroidisse-. trempage. Ce trempage, signille que, par un refroidisse- ment assez rapide de la température de l'austénite jus- qu'à la température ambiante, -traitement de trempage normal - on obtient une structure, consistant en marten- site, contenant souvent de la troostite, après quoi l'acier est recuit à une température relativement éle-
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vé. La structure de martensite-troostite recuite ainsiobtenue est relativement instable et s'est avérée d'une résistance thermique relativement faible.
Diverses méthodes ont été essayées, dans le passé, pour augmenter la résistance thermique d'aciers perli- tiques faiblement alliés. Certaines combinaisons d'al- liages ont été essayées, à savoir chrome-molybdène, chrome-molybdène-vanadium, etc.. , la quantité d'élé- ments d'alliage ayant en général, été limitée à 5-6 De plus, on a tenté d'obtenir une meilleure résistance thermique en apportant des modifications au traitement thermique.
Parmi les recherches les plus importantes, on peut citer celles de Holtmannet Scholz effectuées en 1941 (Mittelungen Kohle- und Eisenforschung - Vol.3 - section 1). Holtmann et Scholz ont essayé un certain nombre de combinaisons différentes d'alliages et ont ensuite présenté une formule pour calculer la combinai- son d'alliage la plus favorable . Ils ont constamment appliqué un procédé, donnant lieu à l'obtention d'une structure de martensite, exempte de ferrite . Les matières préparées par Holtemann et Scholz peuvent, toutefois, être utilisées jusqu'à 550 C au plus .
De plus, Bennek et Bandel (Stahl und Eisen 1943 - pages 653 - 659, 673-634 et 695-700) ont montré que dans certains types d'aciers perlitiques faiblement alliés, une structure bainitique donne une résistance thermique considérablement meilleure qu'une structure martensitique ou perlitique .
Grâce aux recherches antérieures, on est arrivé à produire des aciers à propriétés relativement bonnes jusqu% 500-550 C au plus.A des températures supérieu- res à ces valeurs, la résistance thermique décroît cependant très rapidement pour les aciers en question.
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Suivant la présente invention, il est apparu que des objets en acier perlitique faiblement allié possédant la composition indiquée ci-dessous, révèlent. après avoir été soumis à un traitement thermique spécial, une résistance thermique très élevée, même à des températures supérieures à 550 C, par exemple à 600-650 C et, dans certains cas, à des températures-considérablement plus élevées. Dans ce cas, on part d'un acier perlitique, contenant outre le fer avec ses impuretés habituelles, 0,6% au plus de carbone , 0'? ci au moins de silicium et au moins un autre élément d'alliage .
Cet élément doit être capable de former des plia sas avec une plus grande solubilité, à l'état solide dans la masse de base, à des températures supérieures aux températures de travail en question, et doit être ajouté en quantité plus grande que celle qui correspond à la solubilité à l'état solide à la tempéra- ture de travail. De plus, la teneur en silicium doit toujours être considérablement supérieure à la teneur en carbone et doit, lorsque cette teneur en carbone est augmentée, être elle-même augmentée dans une mesure supé- en rieure à l'augmentation de la teneur/carbone.
L'alliage doit, en outre, avoir été chauffé jusqu'à la température de formation d'austénite, soit jusqu'à 900 C au moins, et avoir été soumis à un refroidissement subséquent,de façon que l'austénite soit complètement ou tout au moins en partie transformée dans un intervalle de températures se trouvant au-dessus de la gamme de températures de gamme de formation de martensite, mais inférieure à la/températures de formation de perlite.
Il importe grandement que la teneur en silicium soit considérablement supérieure à la teneur en carbone et qu'une augmentation de la teneur en carbone s'accompa-
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gne d'une augmentât ion proportionnellement plus forte de la teneur en silicium . Ainsi, les aciers contenant entre 0,06 et 0,25 de carbone doivent, de préférence, posséder une teneur en silicium de 1 à 3 %. A la teneur la plus élevée en carbone suivant l'invention, soit à 0,6%, la teneur en silicium doit être d'au moins 3% clo 5%.
Comme éléments additionnels dans le sens de l'inven- tion, un ou plusieurs des éléments d'alliage, tels que le chrome, le molybdène, le vanadium, le tungstène, le titane, le tantale et le colombium, sont utilisés.
Parmi ces éléments, le chrome , le molybdène et le vanadium doivent être considérés comme éléments d'allia- ge principaux, tandis qu'un ou plusieurs des autres élé- ments, à savoir le tungstène, le titane, le tantale et le colombium peuvent être employas comme.'.produits d'addi- tion préférentiels, pour un acier contenant déjà un ou plusieurs des éléments d'alliage principaux. Les élé- ments additionnels sont employés à des teneurs comprises entre les limites suivantes : chrome : jusqu'à 6 %; molybdène : plus de 0,1 %; vana- dium : jusqu'à 3 %; tungstène : jusqu'à 3 %; titane : de 8 à 30 fois la teneur en carbone, et colombium et/ou tantale : jusqu'à 15 fois la teneur en carbone.
La présence d'aluminium dans l'acier, à des teneurs allant jusqu'à 0,7% ne s'est pas avérée préjudiciable.
Des teneurs en aluminium allant jusqu'à 0,5% ont même - apparu , dans certains cas en combinaison avec les autres substances, exercer une influence favorable . L'aluminium peut être introduit non intentionnellement dans l'acier, étant donné que cet élément se rencontre parfois avec les autres éléments d'alliage . Ainsi, le ferro-titane en particulier contient des quantités considérables d'aluminium.
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De plus, les propriétés de résistance à la chaleur peuvent être améliorées, par l'addition d'autres éléments limitée à solubilité/et variable à l'état solide, tels que le béryllium, le bore et le zirconium.
En ce qui concerne les éléments d'alliage mar- quant une tendance accentuée à l'obtention de ferrite, à savoir le silicium et le molybdène, on n'a pas indiqué de limites supérieures, étant donné que, pour des teneurs trop élevées en ces éléments, l'acier perd son/caractère perlitique . Les éléments d'alliage rendant l'acier
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austénibique, à savoir le manganèse, le nickel et le cobali exercent une action défavorable, lorsqu'ils sont em- ployés à des teneurs élevées .
Toutefois, on peut ajou- ter du manganèse , pour des raisons d'élaboration de l'acier, mais la teneur de celui-ci en manganèse doit être maintenue faible, de préférence inférieure à 0,8 %.
On donnera ci-après quelques exemples d'alliages partir desquels les objets suivant l'invention sont obtenus :
Exemple
C = 0,06 - 0,25 %
Si = 1 - 3
Cr = 0,2 - 2
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Mo = 0 , 7¯ - 1 "
V = 0,15 - 0,5 " Exemple' 2 .
C = 0,25 %
Si = 1 "
Mn =0,6 "
Cr = 1,2 Mo = 0,5 "
V=0,3 "
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Exemple 3.
= 0,06 - 0,25%
Si = 1 - 3 "
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Cr = 0,2 - bzz 99 Mo = 0,1 - 0,3 " V = 0,05 - 0,1 y
Nb et/ou Ta = 15 fois la teneur en C.
Exemple 4.
C = 0,06 - 0,25 %
Si = 1 - 3 "
Cr = 3 - 5 " Mo = 2 - 3 " V = 1- 3 " et éventuellement un ou plusieurs des éléments sui- vants :
Nb et/ou Ta 15 fois la teneur en C
Ti : entre 8-10 fois la teneur en C.
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W : jusqu'à '1,0 %
Comme on l'a déjà signalé l'alliage doit être soumis à un traitement thermique, comprenant un chauffage jusqu'à une température supérieure à 900 C et un re- froidissement subséquent, qui doit être effectué de façon que l'austénite soit complètement ou partielle- ment transformée dans l'intervalle de températures se trouvant au-dessus de l'intervalle de formation de martensité, mais en dessous de l'intervalle de forma- tion de.perlite . Le plus souvent, ce chauffage est poussé jusqu'à des températures , comprises entre 1000 et 1300 C. Ordinairement, après le chauffage et le refroidissement, susmentionnés,
l'alliage est réchauffé à une température égale ou supérieure à la température à laquelle il doit être utilisé. Ce ré- chauffage est, de préférence, poussé jusqu'à des tem-
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pératures comprises entre 600 et 750 C, tandis que la période de traitement peut être choisie entre 1/2 et 10 heures, selon la température, la composition et les dimensions de la matière.
Toutefois, le procéda peut être modifié de façon qu'après le premier chauffage, on effectue un refroi- dissement en plusieurs stades successifs, par exemple, de 1000-1100 C à 600-700 C dans un four à bain de sel, / puis de l'intervalle de températures mentionné en dernier lieu à la température ambiante dans de l'air, de l'eau ou de l'huile Toutefois, le réchauffage est, dans ce cas, effectué de la manière indiquée ci-dessus.
Ce traitement modifié convient particulièrement pour l'é- laboration de petites pièces, dont le travail est sen- siblement terminé, en sorte que la pièce traitée ne doit plus être soumise qu'à un traitement de finissage.
Quelques méthodes appropriées de traitement ther- mique d'aciers tels que spécifiés dans les exemples
1 à 4 sont données ci-après : Exemple Exemple 5.
Un acier de composition indiquée dans l'exemple 1 est chauffé entre 1020 et 1150 C, selon la composition et les dimensions de l'alliage. Après ce chauffage,l'a- cier est refroidi, dans l'eau, l'air ou l'huile jusqu'à température ambiante ou, au bain de sel, jus- qu'à 180-200 C. Enfin, cet acier est réchauffé jusqu'à
600-700 C pendant 1/2 à 10 heures.
Exemple 6.
Un acier de composition indiquée dans l'exemple
2, se présentant sous forme d'un bloc d'environ 30 mm de diamètre est chauffé jusqu'à 1080 C, refroidi à l'air, réchauffé à 650 C pendant 5 heures et finalement refroidi à l'air.
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Exemple 7.
Des aciers de composition indiquée dans l'exemple 3 peuvent être traités de la manière suivante . Après chauffage jusqu'à une température comprise entre 1250 et 1300 C pendant 20 minutes, on refroidit dans l'huile jusqu'à température ambiante et on réchauffe jusqu'à 630-680 C
Exemple 8.
Des aciers à teneurs en carbone, silicium, chrome, molybdène et vanadium indiquées dans l'exemple 4 sont chauffés jusqu'à 1150-1150 C pendant 20 minutes et re- froidis jusquà 750-400 C et de préférence jusquà 700 C, la période de traitement à 750-400 C étant de préférence de 4 à 8 heures* Puis, on refroidit lesdits aciers, dans l'huile, jusqu'à 20 C. Dans ce cas, aucun réchauffage particulier ne doit être exécuté.
Si, toutefois, l'alliage contient du colombium et/ou du tantale à raison d'au maximum 15 fois sa teneur en carbone et si la teneur en silicium de cet alliage est inférieure ou égale à 1,5 %, le traitement est, de préférence , exécuté de la manière suivante . On chauffe jusqu'à 1250-1300 C pendant 20 minutes On refroidit jusqu'à 1000-1100 C en maintenant cette température pen- dant 20 minutes . On refroidit ensuite, de la manière décrite, jusqu'à température ambiante. Finalement,on réchauffe jusqu'à 630-680 C. Lorsque l'alliage contient plus de 1,5 % de silicium, le traitement peut être modi- fié, en ce sens qu'un premier chauffage jusqu'à 1000- 1100 C suffit.
Des aciers, contenant tous les éléments d'alliages. indiqués dans l'exemple 4, sont chauffés jusqu'à 1080- 1300 C, puis refroidis d'abord jusqu'à 980-1150 C, jusqu'à ensuite 700-850 C (ce stade de refroidissement peut
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éventuellementêtre omis) et finalement jusqu'à tempé- rature ambiante, dans l'air, l'eau ou l'huile, ré- chauffés jusqu'à 700-780 C et finalement refroidis à l'air.
Comme dans tous les modes de traitement thermique, les périodes de chauffage et le mode de refroidisse- ment devront être adaptés aux objets à traiter selon les dimensions diverses de leurs parties, de façon à ob- tenir une structure dont les diverses parties présen- tent la résistance thermique la plus élevée.
Dans les tableaux suivants, on a indiqué des exemples d'améliorations obtenues grâce à la présente invention. Dans le tableau.2, on a indiqué la limite de rupture au fluage, après 300 heuresde maintien à 600 C d'un acier A, traité selon la présente invention, ainsi que de trois aciers B, C et D à faibles teneurs en éléments d'alliage . Les aciers B, C et D ont été traités selon la méthode courante, c'est-à-dire qu'on les a soumis, après traitement thermique à un recuit à une température inférieure à la température de con- version (A1) et, en tout cas, considérablement infé- rieure à 900 C. es aciers B, C et D constituent des exemples d'aciers utilisés à présent dans une grande mesure pour les pièces chauffées en service.
Tableau 1
Composition des aciers
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<tb> Acier <SEP> C <SEP> Si <SEP> Cr <SEP> Mo <SEP> V
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> A <SEP> 0,18 <SEP> 1 <SEP> 1,4 <SEP> 0,8 <SEP> 0,5 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> B <SEP> 0,15 <SEP> 0,2 <SEP> 1 <SEP> 0,35 <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,10 <SEP> 0,5 <SEP> 0,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> D <SEP> 0,08 <SEP> 1,5 <SEP> 5 <SEP> 0,5 <SEP> "
<tb>
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Tableau 2 Limite de rupture au fluage - 300 heures
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<tb> Acier <SEP> 600 C
<tb>
<tb>
<tb> A <SEP> 29 <SEP> kg/mm2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> B <SEP> 10 <SEP> - <SEP> "
<tb>
<tb>
<tb> C <SEP> 10 <SEP> - <SEP> "-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> D <SEP> 8- <SEP> "-
<tb>
Pour les mêmes aciers, une limite de fluage corres- pondant à un fluage total de 0,5 % en 300 heures à 600 C a été déterminée .
Les valeurs de cette limite sont consignées dans le tableau 3.
Tableau 3
Limite de fluage pour allongement total de 0,5 % en 300 heures.
Acier 600 C
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<tb> A <SEP> 27 <SEP> kg/mm <SEP> 2
<tb>
<tb> B <SEP> 7,0 <SEP> - <SEP> "C <SEP> 5,5 <SEP> - <SEP> "-
<tb>
<tb> D <SEP> 4,0 <SEP> - <SEP> "-
<tb>
Ces trois tableaux montrent clairement combien sont améliorées les propriétés de résistance thermique caractérisant les objets fabriqués à partir d'aciers, dont la composition et le traitement thermiques ont été combinés selon la présente invention.
L'acier A a également été essayé à 600 C, après avoir été soumis à un trempage normal, par refroidisse- a ment dans de l'huile à partir de 300 C, et un/recuit subséquent à 680 C. Cet acier a révélé, dans ce cas, une résistance thermique considérablement moindre que celle constatée après traitement selon l'invention. Ainsi, la limite de rupture pour un allongement de 0,5 % en 300
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heures de cet acier A n'était que de 11 kg/mm2, après traitement tel que spécifié ci-avant.
Pour faire ressortir l'inportance de la beneur en silicium de l'acier, en vue d'obtenir la haute résistan- ce thermique que confère le procédé suivant l'invention, on peut signaler qu'un acier contenant 0,15 % de C, 0,40 % de Si, 0,20 % de Mn, 2,0 % de Cr, 1,1 % de Mo et 0,0 % de V, a été soumis à un traitement thermique selon l'invention, de même qu'à un trempage ordinaire,
donnant lieu à l'obtention d'une structure martensitique pure* Des essaisde fluage à 600 C ont montré que le traitement mentionné en premier lieu n'a pas donné lieu à l'obtention d'une résistance thermique plus élevée que celle conférée par le traitement mentionné en der- nier lieu et que ces traitements donnent des valeurs considérablement inférieures à celles obtenues avec un acier à teneur en silicium plus élevée et à composition correspondant, par ailleurs, à celle indiquée par les limites analytiques de l'invention.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux exemples ci-dessus et que diverses modifications peu- vent être apportées aux détails de ces exemples, sans sortir du cadre de l'invention- Ainsi, il n'est pas nécessaire d'effectuer un recuit jusqu'à la température, à laquelle les objets résistants à la chaleur doivent travailler, immédiatement après le refroidissement qui suit le premier chauffage jusqu'à une température supé- rieure à 900 C. En effet, ce recuit peut aussi bien s'effectuer plus tard, sans que soient influencées défavorablement les propriétés de résistance à la chaleur de l'alliage traité.
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