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La présente invention concerne l'amélioration des caractéristiques physiques de certains produits métalliques et plus particulièrement l'affinement de la structure du grain des pièces moulées tubulaires en métal ductile, ainsi que les produits, considérablement améliorés, résultant de cet affinement.
A cours de ces dernières années, les pièces moulées tubulaires obte- nues par coulée centrifuge ont trouvé un accueil favorable, qui s'est largement étendu, pour des applications variées tandis qu'en même temps des progrès consi- dérables ont été faits dans les techniques du moulage ainsi que pour ce qui concerne la qualité de la pièce moulée. Toutefois ces grains sont demeurés can- tonnés, dans une large mesure, au cas des pièces moulées en un métal qui subit une recristallisation ou une transformation allotropique de sa forme cristalline, au moyen d'un modification dans la température seulement. C'est principalement pour cette raison que la plupart des ingénieurs ont des appréhensions considé- rables pour ce qui concerne la sécurité offerte par les moulages en métaux et (ou) leur acceptabilité.
Ces appréhensions sont basées dans une large mesure sur le fait que le moulage de tout métal donne un produit ayant une structure cris- talline grossière, soit en colonnes quand il s'agit de moulages obtenus par coulée centrifuge, soit sans caractéristiques définies quand il s'agit de moulages obtenus dans des moules de sable. On estime d'une manière générale qu'une telle structure cristalline grossière est nuisible pour ce qui concerne un nombre important de propriétés et qu'à cause de cette structure cristalline grossière, les pièces moulées ne possèdent pas des résistances à la traction suffisamment élevées pour être compatibles avec les spécifications normale usuelles.
Il y a un nombre considérable de métaux coulés inoxydables qui peuvent être soumis à un traitement thermique destiné à effectuer une recristallisation et à assurer une structure finale en grains fins, ce qui supprime l'objection basée sur les dimensions des grains. Sont compris dans ce groupe et possédant des "points critiques" ou une transformation allotropique de la forme cristalline sous l'action d'un changement de la température, les aciers ferritiques et mar- tensitiques. Pour un grand nombre d'applications et en particulier actuellement, alors qu'il faut de plus en plus de tuyauteries destinées à être utilisées à des températures élevées et sous des pressions élevées, on exige les aciers austéni- tiques en raison de leur ductilité remarquable, de leur résistance à des tempéra- tures élevées et de leur résistance à la corrosion.
Toutefois, les pièces moulées en aciers austénitiques n'ont pas été acceptées dans un grand nombre d'applications en raison des inconvénients men- tionnés ci-dessus et on a utilisé à leur place des pièces forgées en acier austénitique quand les propriétés de ces métaux sont exigées pour les tuyauteries.
Mais les pièces forgées en acier austénitique ne sont pas sans avoir leurs in- convénients parmi lesquels les plus dignes d'attention sont leur prix extrême- ment élevé, en comparaison du prix des pièces moulées et l'effet directionnel ou anisotrope pour les aciers forgés, effet qui n'existe pas dans le cas de l'acier coulé.
L'un des buts principaux de l'invention est par conséquent de pré- voir un procédé au moyen duquel il sera possible d'améliorer les propriétés des pièces moulées tubulaires en métaux ductiles pour vaincre les objections qui sont opposées à leur utilisation.
Un autre but principal de l'invention est de prévoir des formes tubulaires de métaux ductiles n'ayant pas les inconvénients que de telles formes présentaient jusqu'à présent.
D'autres buts de l'invention sont les suivants : - prévoir un procédé pour la fabrication de produits tubulaires, ayant des propriétés physiques considérablement améliorées, à partir de pièces coulées en métaux ductiles ne possédant pas la propriété de recristallisation sous l'action
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d'une modification de la température seulement, -prévoir un procédé pour le traitement de pièces moulées en métaux ductiles ne subissant pas la recristallisation sous l'action d'une modification de la température seulement, traitement à l'aide duquel la structure cristalline grossière sera transformée en une structure cristalline à grains fins, - prévoir un procédé pour transformer la structure cristalline de pièces moulées tubulaires en acier austénitique, obtenues par coulée centrifuge,
c'est-à-dire transformer la structure basaltique à grands cristaux en une structure en cristaux à grains fins, avec une amélioration correspondante des propriétés physiques du métal et du produit tubulaire obtenu.
L'invention, ayant en vue les buts ci-dessus, ainsi que d'autres buts qui seront mis en évidence par la description qui va suivre, est décrite ci-après d'une manière détaillée à l'aide des dessins ci-joints.
La figure 1 donne une vue, avec coupe partielle, d'un appareil qui peut être utilisé dans le procédé suivant l'invention et dans lequel la pièce moulée est en position pour être soumise à la dilatation.
La figure 2 donne une vue analogue à celle de la figure 1, mais après que la pièce moulée ait été dilatée.
La figure 3 donne une vue d'un autre appareil qui est analogue à l'appareil représenté par la figure 1, mais qui comporte une enveloppe règlant la dimension.
La figure 4 est une photographie d'une pièce moulée en acier inoxy- dable, décapée aux 3/4 environ de la grandeur réelle, montrant la macrostructure.
La figure 5 est une photomicrographie de la pièce moulée de la figu- re 4, décapée, à un grossissement de 100 diamètres.
La figure 6 est une photographie de la pièce moulée suivant la figure 4, décapée, après dilatation et recuite suivant l'invention, montrant la macrostructure, à la moitié environ de sa grandeur réelle.
La figure 7 est une photomicrographie de la pièce moulée de la figure 6, dilatée et recuite, décapée, à un grossissement de 100 diamètres.
La figure 8 est une photographie, grandeur réelle, d'un échantillon conique de traction, décapé, montrant la macrostructure, après recuit.
La figure 9 est une photographie, à un grossissement à raison de 6 diamètres, de l'échantillon de la figure 8, montrant la zone au voisinage du raccordement du métal recristallisé avec le métal non modifié.
La figure 10 est une photomicrographie à un grossissement de 1000 diamètres d'une coupe non décapée d'un tube sans soudure, laminé à chaud.
La figure 11 est une photomicrographie à un grossissement de 1000 diamètres d'une coupe d'un tube dilaté à froid et recuit.
La figure 12 est une photographie grandeur réelle montrant l'aspect de la surface d'un tube en acier inoxydable, après dilatation à froid.
La figure 13 donne une vue plus détaillée de la surface représentée sur la figure 12, photographiée à un grossissement de 2 diamètres.
Suivant l'invention, les pièces moulées tubulaires sont soumises à une pression intérieure destinée à les épanouir ou dilater d'une manière appré- ciable et à un degré suffisant pour déformer sensiblement la structure cristalli- ne du moulage, puis elles sont soumises à un recuit, suffisant pour effectuer une recristallisation sensiblement complète. La dilatation des pièces moulées tubulaires est essentiellement conduite dans des conditions telles que leur surface extérieure soit libre et non emprisonnée. De préférence, la dilatation
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est obtenue par l'application d'une pression hydrostatique à l'intérieur de la pièce moulée, les extrémités de cette dernière ayant été fermées au préalable.
Le tube dilaté est finalement chauffé jusqu'à la température de recuit connue pour le métal qui le constitue, puis trempé à l'eau.
Antérieurement à l'invention, il n'y avait aucune base permettant de prévoir que des tubes métalliques pourraient être traités de cette manière en vue de l'obtention de cet affinement énergique du graine Les procédés connus de déformation à froid sont entièrement différents. Par exemple, on applique au cylindre, dans cette invention, des efforts radiaux,alors que dans les procédés antérieurs de travail à froid, on lui appliquait des efforts axiauxo En outre, la surface extérieure du cylindre est libre et non emprisonnée et la pression intérieure soumet chaque partie du cylindre, y compris les zones légèrement dé- fectueuses existantes, à des efforts rigoureux.
Dans les procédés classiques, la matière est emprisonnée entre deux surfaces de travail, au point où s'effec- tue la déformation plastique à froid, par exemple entre deux cylindres dans le laminage à froid, entre un mandrin et une matrice dans l'étirage à froid, et entre une matrice et des marteaux dans l'emboutissage à froid. Ce support fourni. à la matière entre deux surfaces de travail est naturellement beaucoup plus favorable à l'exécution d'un travail à froid sans rupture que ne l'est une dilatation libre. Les procédés antérieurs d'expansion hydraulique ne donnaient aucune certitude sur la possibilité de mise en pratique du procédé suivant 1' invention, en raison de l'importance limitée du travail à froid exécuté à l'aide de ces procédés antérieurs.
On a représenté sur les dessins, figures 1 et 2, un dispositif approprié permettant d'effectuer, suivant l'invention, la dilatation à froid d'un cylindre moulée Ce dispositif comprend une pièce 2 formant noyau qui a été préparée de manière que ses diamètres extérieurs, au voisinage de ses deux extrémités, soient légèrement inférieurs (de 0,0508 à 0,0762 mm) au diamètre intérieur de la pièce moulée cylindrique 3. Le diamètre intérieur du restant de la pièce formant noyau, entre les deux extrémités de cette dernière, est plus petit qu'auxdites extrémités. Il est prévu sur la périphérie de la pièce 2, au voisinage de ses extrémités, des rainures 4 et des joints toriques 3 sont placés dans chacune des deux rainures.
On fait alors glisser la pièce moulée 3 sur le noyau 2. Un tube 6 réunit une source (non représentée) d'eau sous une pres- sion élevée à une ouverture 7 à travers la paroi du noyau 2. L'ouverture 7 est en communication avec 1 espace ¯8 compris entre le noyau et la pièce moulée. De fortes bagues de maintien 9 sont fixées autour de l'extérieur de la pièce moulée faisant face aux rainures 4 et aux joints 5 pour empêcher la dilatation du cylin- dre à ses extrémités.
On applique alors la pression de 1 eau à 1 espace ¯8 pour effectuer la dilatation du cylindre, ainsi que le montre la figure 2. Après que la dila- tation ait donné l'augmentation de diamètre désirée, on fait tomber la pression, on enlève les bagues de maintien 9 et l'on sort la pièce 2 de la pièce moulée dilatée. On soumet alors le cylindre dilaté à un recuit et l'on coupe les extré- mités non dilatées.
Les niveaux de pression nécessaires peuvent être calculés d'une manière assez précise à l'aide de la formule
ST = P x D
2t dans laquelle
ST représente l'effort de dilatation en Kilogrammes par centimère carré
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P représente la pression manométrique en Kilogrammes par centimètre carré
D représente le diamètre extérieur du cylindre t représente l'épaisseur de la paroi.
Etant donné que la dilatation du cylindre n'est pas poussée jusqu'au point de rupture de ce dernier et que l'augmentation de diamètre compense en partie la résistance s'opposant au travail à froid, la pression manométrique effective nécessaire sera un peu inférieure à la pression calculée.
Pour les applications nécessitant une précision élevée, on peut utiliser une matrice 10 du genre de celle qui est représentée sur la figure 3.
Cette matrice est alésée au diamètre intérieur nécessaire, égal au diamètre extérieur que doit présenter la pièce moulée 3 dans son état de dilatation, et elle est placée autour de la pièce moulée. La matrice est destinée seulement à empêcher certaines parties du cylindre de dépasser légèrement le diamètre désiré tandis que d'autres parties ne l'ont pas encore atteint tout à fait. La matrice permet par conséquent que la profondeur de coupe soit moindre dans 1' opération finale d'usinage destinée à l'obtention des dimensions spécifiées.
La matrice ou récipient ne fournit pas une surface de travail mais elle consti- tue seulement une enveloppe règlant les dimensions. Tout le travail utile, en ce qui concerne le conditionnement pour la recristallisation, est terminé avant que le cylindre 3, en cours de dilatation, entre en contact avec la paroi du récipient 10.
Il y a naturellement différentes manières d'assurer l'obturation des cylindres pour leur dilatation à froid, autres que celles qui ont été repré- sentées ici à titre d'exemple. Ces moyens d'obturation, comprenant ceux qui permettent la dilatation de toute la longueur du cylindre, sont bien connus.
L'appareil et les moyens pour l'exécution du traitement thermique des cylindres sont bien connus et ils n'ont pas été représentés. Tout dispositif de traitement thermique, qui permet de chauffer les cylindres moulés jusqu'à la température désirée et de procéder ensuite à une trempe à l'eau, est satisfai- sant. Néanmoins, l'opération de traitement thermique ou de recuit constitue une caractéristique essentielle de l'invention et elle est nécessaire pour remédier aux tensions auxquelles la dilatation à froid a donné naissance et pour effec- tuer la recristallisation.
Les aciers inoxydables austénitiques nécessitent tous, pour avoir une résistance optimum à la corrosion dans tous les cas un recuit de "solution" à température élevée. Après la dilatation à froid suivant la présente invention, les recuits connus et standard accomplissent un travail tout à fait satisfaisant d'élimination des effets de durcissement de la pièce et ils favorisent la re- cristallisation et l'affinement du grain. On trouvera les températures de recuit classiques pour les différents aciers austénitiques dans plusieurs aidemémoire comprenant par exemple "The Making, Shaping and Treating of Steel", 6ième édi- tion, page 1322.
L'invention est applicable à toutes les matières à ductilité élevée qui ne subissent aucun affinement de grain lors d'un traitement thermique seule- ment et qui possèdent la propriété de durcir et d'augmenter de résistance lors de leur déformation à froid. Cette dernière propriété est importante du fait qu' elle élimine les matières qui ne s'écrouissent pas (qui ne deviennent pas plus résistantes quand leur déformation plastique à froid augmente) et qui se ballon- nent dans la zone la plus mince, provoquant la rupture avant qu'une modification importante soit effectuée dans les zones où l'épaisseur de paroi est légèrement plus grande. Avec les matières qui s'écrouissent, la partie la plus mince de la paroi commence par s'épanouir et par augmenter de résistance en arrêtant provi- soirement la dilatation en ce point.
Les zones plus épaisses, se dilatent ensuite
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au-delà de la limite apparente d'élasticité, ce qui a éventuellement pour ré- sultat une dilatation uniforme sur tout le tube.
Il y a lieu de citer comme convenant particulièrement pour l'inven- tion, les aciers inoxydables série AISI 300, le cuivre et les alliages de cuivre (les laitons et les bronzes) et beaucoup d'alliages à base de nickel.
Comme on l'a dit déjà, une des caractéristiques importantes de l'in- vention est la réduction de la dimension des grains des métaux moulés, due à la dilatation à froid et au recuit. La figure 4 montre la structure basaltique à grains très longs qui sont caractéristiques des pièces moulées en moule métalli- que du type auquel se rapporte l'invention. La vue est une photographie aux dimensions réelles montrant la macrostructure d'une pièce moulée en acier inoxy- dable du type 304 obtenu par coulée centrifuge dans un moule métallique. Beaucoup de ces cristaux ou grains individuels passent complètement à travers l'épaisseur de la paroi et, dans les pièces moulées ayant une épaisseur de paroi plus grande, les cristaux sont encore plus longs.
On peut avoir une autre indication au sujet de la dimension des cristaux en se reportant à la figure 5 qui est une photomi- crographie de la pièce moulée de la figure 4, après décapage et avec grossisse- ment à 100 diamètres.
La diminution de la dimension des grains obtenue par le procédé suivant l'invention est montrée par la figure 6 qui est une photographie gran- deur nature de la pièce moulée représentée sur la figure 4 (après décapage) mais après une augmentation du diamètre extérieur de 15,5% environ et après recuit.
On remarquera que les cristaux grossièrement disposés sous forme de structure basaltique, qui Sont très nets sur la figure 4 ont été complètement remplacés par des cristaux beaucoup plus petits équiaxés. Ce fait est illustré encore sur la figure 7 qui est une photomicrographie de la structure de la figure 6, avec grossissement à raison de 100 diamètres. Le degré de réduction des dimensions des cristaux est mis nettement en évidence par une comparaison entre les figures 5 et 7.
Les dimensions des grains sont importantes seulement à cause de leur influence sur les propriétés du métal. Les effets de dimensions de grain grossier se manifestent de plusieurs manières : (1) propriétés mécaniques un peu inférieures, (2) augmentation de la susceptibilité à la corrosion aux limites du grain, (3) caractéristiques inférieures pour ce qui concerne l'usinage et (4) surface rugueuse ou en "pelure d'orange" se développant lors d'une formation sévère à froid ou d'un étirage profond d'un objet terminé d'usinage.
On a choisi pour définir les limites de l'invention en termes de pourcentages l'augmentation de diamètre extérieur nécessaire pour obtenir une grosseur de grain donnée et, en conséquence, une propriété physique donnée. Du fait que l'on utilise le pourcentage d'augmentation du diamètre extérieur comme moyen d'expression du traitement nécessaire, la question se pose de savoir quel est le pourcentage d'augmentation nécessaire pour obtenir des propriétés physi- ques particulières avec une pièce moulée d'un métal donné, après recuit. Les valeurs numériques applicables à l'acier inoxydable AISI type 316 ont été déter- minées expérimentalement. Elles montrent qu'une faible recristallisation seulement est effectuée per une ugmentation jusqu'à 8% environ.
C'est de 8% environ jusqu'à 16% environ que se produit l'allure la plus rapide de modification dans la recristallisation.
La dilatation au delà de 18 ou 20% a pour résultat de petites augmentations de résistance en raison d'une légère diminution de la grosseur du grain recristal- lisé, mais la modification importante associée à la disparition de la forte grosseur du grain se produit pour une augmentation du diamètre extérieur de la pièce moulée comprise entre 8 et 16 %. Ces valeurs indiquent qu'un cylindre en acier inoxydable type 316, dilaté au moins à 16% environ et recuit présentera une grosseur de grain affiné ou recristallisé avec toutes les propriétés appar- tenant aux produits à grain petit.
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Des résultats analogues obtenus avec des aciers inoxydables d'autres compositions indiquent que l'on peut appliquer à ces aciers une dilatation du même ordre que celle qui est valable pour l'acier inoxydable type 316.
Il est évident pour ceux qui sont versés en la matière que l'expres- sion du degré de travail à froid, à effectuer par le procédé suivant l'invention, en fonction du pourcentage d'augmentation du diamètre extérieur, limite nécessai- rement l'application du procédé à des cylindres relativement grands et aux parois plus minces de la gamme des plus petites dimensions. C'est parce que, dans les cylindres plus petits avec parois relativement épaisses, le pourcentage d'augmen- tation du diamètre intérieur est beaucoup plus grand que le pourcentage d'augmen- tation du diamètre extérieur.
Attendu que le degré maximum de déformation à froid convenant pour donner la recristallisation est limité seulement par le point de rupture du cylindre, le procédé peut être appliqué à des cylindres de n'importe quelle dimension, aussi longtemps que la dilatation minimum du diamètre exté- rieur ne soumet pas le diamètre intérieur à une dilatation suffisante pour provoquer la rupture. Toutefois, suivant l'invention, on peut traiter les cylin- dres de petit diamètre et à paroi épaisse en les soumettant à des didatations progressives. Cela signifie qu'on peut dilater le cylindre à un degr intermé- diaire, le recuire et le soumettre ensuite à des opérations supplémentaires de dilatation et de recuit jusqu'à ce que soit obtenu le degré souhaité d'affine- ment du grain.
Une autre caractéristique nouvelle de l'invention est constituée par le fait que le travail à froid s'accomplit sans allongement ou raccourcissement des cylindres moulés et sans qu'il y ait contact avec des matrices ou marteaux non élastiques, soit sur la surface intérieure, soit sur la surface extérieure du cylindre, comme c'est le cas dans l'étirage à froid ou dans l'emboutissage à froid. Les cristaux grossiers se disposent pour s'adapter à l'augmentation de diamètre par des mouvements d'ensemble dans une direction orientée vers l'exté- rieur plutôt que dans une direction longitudinale. Cela se traduit par un effet caractéristique de plissement grossier ou de "pelure d'orange" à la fois sur la surface extérieure et sur la surface intérieure.
D'une manière analogue, la structure cristalline interne répond au nouveau procédé de travail à froid d'une façon caractéristique Quand des produits tubulaires sont travaillés à froid par des procédés classiques (par exemple par étirage à froid ou par emboutissage à froid), les cristaux individuels sont déformés à peu prés dans la même proportion et dans la même direction. Par exemple si un cylindre se trouve allongé, son épaisseur de paroi étant réduite, les cristaux individuels se trouvent pareillement allongés à peu près au même degré.
Etant donné que les effets de cet allongement des cristaux ne sont pas complète- ment supprimés même si l'on a procédé ensuite à un recuit, les avantages résul- tant de ce qu'est évitée une orientation préférentielle des cristaux, inhérente aux cylindres étirés à froid par les procédés classiques, apparaîtront immédia- tement à ceux qui sont familiarisés avec ces principes métallurgiques bien connus.
Dans la pièce moulée dilatée suivant l'invention, ne présentant aucune modifica- tion importante de longueur, les cristaux individuels ne sont pas allongés à un degré sensible, en direction longitudinale.
Une autre caractéristique importante de l'invention est que les cylindres moulés sont transformés en cylindres ayant les propriétés mécaniques souhaitables de produits travaillés mais sans qu'il leur soit communiqué des propriétés directionnelles. Les produits travaillés proviennent ordinairement de grands lingots à partir desquels ils sont obtenus par de grandes diminutions de la surface de section transversale et par des allongements correspondants soit au moyen d'un forgeage à chaud, soit au moyen d'un laminage à chaud et (ou) de passes de finissage à froid.
La solidification sélective s'effectuant dans le grand lingot se traduit par des dendrites primaires constituées par de grandes proportions de l'élément ou phase ayant le point de fusion le plus élevé, le fer
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par exemple, tandis que les constituants à point de fusion moins élevé, tels que les combinaisons de phosphore, de soufre et de carbone, se trouvent concentrées à un certain degré dans les surfaces interdendritiques ou interstitielles.
Quand on lamine les lingots, les inclusions non métalliques et les surfaces mé- talliques interstitielles relativement impures se trouvent allongées, amincies et aplaties dans la même proportion. Quand les inclusions non métalliques sont aplaties, elles occupent un pourcentage plus grand de la surface de section transversale de sorte que la ductilité dans des échantillons, pris perpendicu- lairement à la direction du laminage, est diminuée. La figure 10 donne une illustration de l'effet des inclusions non métalliques sur les opérations de forgeage. Les inclusions non métalliques allongées sont nettement apparentes en plusieurs endroits de la photographie (X 1000) qui représente une coupe non traitée à l'acide d'un tube sans soudure, laminé à chaud, utilisé dans le méca- nisme de recul des chars de l'armée américaine.
La réduction marquée de section transversale et l'allongement survenu depuis le stade lingot jusqu'à un cylindre à paroi relativement mince ont aplati et allongé l'inclusion,,
Ni ces inclusions ni le feuilletage qui leur est fréquemment associé n'influencent guère la ductilité quand il s'agit d'échantillons pris en direo- tion longitudinale, mais les propriétés sont tout à fait différentes pour les échantillons pris perpendiculairement à la direction de laminage ou de forgeage.
Les aciers diffèrent pour ce qui concerne ce feuilletage ou fibrage qui varie avec la propreté et avec la pureté de l'acier ainsi qu'avec le pour- centage de réduction entre le lingot et le produit final. Toutefois, tous les produits travaillés du commerce présentent des propriétés différentes suivant qu' il s'agit d'essais faits parallèlement à la direction suivant laquelle le métal a été travaillé, ou perpendiculairement à cette direction. Autrement dit, ils ne sont pas isotropes. Les inclusions non métalliques sont ordinairement signalées comme étant la cause principale des propriétés directionnelles, mais dans quel- ques cas au moins, une microstructure à deux phases, si elle existe au moment du laminage, produit des dispositions en couches, distinctes, des deux consti- tuants microscopiques.
Dans certains cas, ces constituants structuraux présen- tent des propriétés mécaniques entre lesquelles il y a des différences prononcées de sorte que les caractéristiques directionnelles existent à un degré élevé.
A la différence des matières travaillées, les matières moulées ne présentent pas de propriétés directionnelles, c'est-à-dire sont isotropes, étant donné qu'elles ne subissent pas de travail mécaniqueo Les cylindres dilatés à froid, puis recuits, suivant la présente invention, changent si peu de forme qu'ils sont, eux aussi, isotropes.
La figure 11 est une photographie (X 1000) d'une coupe non traitée à l'acide d'un cylindre en acier inoxydable type 304 après dilatation, suivant l'invention, exécuté d'une manière telle que l'augmentation du diamètre exté- rieur a été de 17,6%, suivi d'un recuit à une température de 1066 C et d'une trempe à l'eau. On se rend compte par une comparaison avec la figure 10, de la différence dramatique dans l'effet sur les inclusions non métalliques.
La dilatation à froid, suivant l'invention, des cylindres moulés possède un autre avantage important, différent de l'affinement du grain et de l'amélioration en rapport des propriétés mécaniques. Cet avantage est le sui- vant. La dilatation à froid aide à vaincre les préventions existant depuis longtemps au sujet de l'utilisation des pièces moulées quand il s'agit de con- ditions de service difficiles. Même avec les meilleurs essais et les meilleurs contrôles de nature non destructrice, on peut toujours craindre qu'il n'existe quelque défaut au-dessous de la surface, par exemple une fissure à chaud ou une soufflure, susceptible de provoquer une rupture soudaine créant un grand risque.
Etant donné que les tubes métalliques ne sont jamais mis en service intention- nellement sous des efforts supérieurs à la limite apparente d'élasticité du métal, ces cylindres dilatés à froid ont été soumis déjà à des efforts bien
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supérieurs à ceux auxquels on peut s'attendre en service. Tout défaut important conduit donc à une rupture pendant la dilatation à froid au cours de la fabri- cation. Le procédé suivant l'invention constitue ainsi par lui-même une épreuve plus rigoureuse que toutes celles qui ont été utilisées jusqu'à présent pour les pièces moulées.
Le procédé suivant l'invention fournit aussi un moyen pour former des tubes ou cylindres, sans soudure, de grand diamètre à partir de pièces mou- lées plus petites. En procédant à une dilatation à froid, à un recuit et en renouvelant plusieurs fois la dilatation à froid et le recuit, on peut obtenir une grande augmentation du diamètre. Des dilatations répétées, avec recuits in- termédiaires donnent des grosseurs de grain un peu plus petites que dans le cas où l'on procède à une dilatation unique. Toutefois, les effets des déformations à froid ne s'ajoutent pas étant donné que le recuit élimine le travail à froid introduit par la dilatation précédente et rétablit la ductilité.
La seconde dilatation et les dilatations suivantes sont appliquées à des cylindres ayant des grosseurs de grain relativement petites et quand on ajoute un degré égal de dilatation à froid, il est équivalent à une réduction à froid un peu plus grande qui aurait été faite sur la pièce moulée à grain grossier. Si aucune autre diminution appréciable de la grosseur du grain ne résulte d'un recuit et d'un renouvellement de la dilatation,l'augmentation de diamètre du cylindre est terminée.
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The present invention relates to the improvement of the physical characteristics of certain metal products and more particularly to the refinement of the grain structure of tubular ductile metal castings, as well as to the considerably improved products resulting from this refinement.
In recent years, tubular castings obtained by centrifugal casting have found a favorable reception, which has spread widely, for various applications while at the same time considerable progress has been made in molding techniques as well as with regard to the quality of the molded part. These grains, however, have remained largely confined to parts cast from a metal which undergoes recrystallization or allotropic transformation of its crystalline form by means of a change in temperature only. It is primarily for this reason that most engineers have considerable misgivings about the safety offered by metal castings and / or their acceptability.
These apprehensions are based to a large extent on the fact that the casting of any metal gives a product having a coarse crystalline structure, either in columns in the case of castings obtained by centrifugal casting, or without defined characteristics when it s. 'acts of castings obtained in sand molds. It is generally believed that such a coarse crystal structure is detrimental with respect to a large number of properties and that because of this coarse crystal structure, the molded parts do not have sufficiently high tensile strengths to achieve this. be compatible with the usual normal specifications.
There are a considerable number of stainless cast metals which can be subjected to heat treatment to effect recrystallization and to ensure a final fine grain structure, which removes the objection based on grain sizes. Included in this group and possessing "critical points" or an allotropic transformation of the crystalline form under the action of a change in temperature are ferritic and martensitic steels. For a large number of applications and in particular today, when more and more piping is required for use at high temperatures and high pressures, austenitic steels are required because of their remarkable ductility. , their resistance to high temperatures and their resistance to corrosion.
However, austenitic steel castings have not been accepted in a large number of applications due to the drawbacks mentioned above and austenitic steel forgings have been used instead when the properties of these metals are required for piping.
But austenitic steel forgings are not without their drawbacks among which the most worthy of attention are their extremely high price, in comparison with the price of castings and the directional or anisotropic effect for forged steels. , an effect that does not exist in the case of cast steel.
One of the main objects of the invention is therefore to provide a method by which it will be possible to improve the properties of tubular castings of ductile metals to overcome the objections which are opposed to their use.
Another main object of the invention is to provide tubular shapes of ductile metals which do not have the drawbacks that such shapes have hitherto had.
Other objects of the invention are as follows: - to provide a process for the manufacture of tubular products, having considerably improved physical properties, from ductile metal castings not having the property of recrystallization under the action.
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a change in temperature only, -provide a process for the treatment of ductile metal castings not undergoing recrystallization by the action of a change in temperature only, whereby treatment with the coarse crystal structure will be transformed into a fine-grained crystal structure, - provide a process for transforming the crystal structure of tubular castings of austenitic steel, obtained by centrifugal casting,
that is, transforming the large-crystal basaltic structure into a fine-grained crystal structure, with a corresponding improvement in the physical properties of the metal and the resulting tubular product.
The invention, having in view the above objects, as well as other objects which will be apparent from the following description, is described below in detail with the aid of the accompanying drawings. .
Figure 1 gives a view, in partial section, of an apparatus which can be used in the method according to the invention and in which the molded part is in position to be subjected to expansion.
Figure 2 gives a view similar to that of Figure 1, but after the molded part has been expanded.
FIG. 3 gives a view of another apparatus which is similar to the apparatus shown in FIG. 1, but which comprises a casing adjusting the dimension.
Figure 4 is a photograph of a stainless steel casting, pickled to about 3/4 of actual size, showing the macrostructure.
Figure 5 is a photomicrograph of the molded part of Figure 4, pickled, at 100 diameter magnification.
FIG. 6 is a photograph of the molded part according to FIG. 4, pickled, after expansion and annealing according to the invention, showing the macrostructure, at about half of its actual size.
Figure 7 is a photomicrograph of the molded part of Figure 6, expanded and annealed, pickled, at 100 diameter magnification.
Figure 8 is a full-size photograph of a pickled conical tensile sample showing the macrostructure after annealing.
Figure 9 is a photograph, at a magnification at 6 diameters, of the sample of Figure 8, showing the area in the vicinity of the connection of the recrystallized metal with the unmodified metal.
Figure 10 is a photomicrograph at a magnification of 1000 diameters of an unbleached section of a hot rolled, seamless tube.
Figure 11 is a photomicrograph at a magnification of 1000 diameters of a section of a cold expanded and annealed tube.
Figure 12 is a full-size photograph showing the appearance of the surface of a stainless steel tube, after cold expansion.
Figure 13 gives a more detailed view of the surface shown in Figure 12, photographed at a magnification of 2 diameters.
According to the invention, the tubular molded parts are subjected to an internal pressure intended to open or expand them appreciably and to a degree sufficient to substantially deform the crystal structure of the molding, and then they are subjected to a annealing, sufficient to effect substantially complete recrystallization. The expansion of tubular molded parts is essentially carried out under conditions such that their outer surface is free and not trapped. Preferably, the dilation
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is obtained by applying hydrostatic pressure inside the molded part, the ends of the latter having been closed beforehand.
The expanded tube is finally heated to the annealing temperature known for the metal which constitutes it, then quenched with water.
Prior to the invention, there was no basis for predicting that metal tubes could be treated in this way in order to achieve this vigorous seed refinement. Known cold deformation methods are entirely different. For example, in this invention, radial forces are applied to the cylinder, whereas in previous cold working methods, axial forces were applied to it. In addition, the outer surface of the cylinder is free and not trapped and the internal pressure subjects every part of the cylinder, including existing slightly defective areas, to rigorous stresses.
In conventional processes, the material is trapped between two working surfaces, at the point where cold plastic deformation takes place, for example between two rolls in cold rolling, between a mandrel and a die in drawing. cold, and between a die and hammers in cold stamping. This support provided. to the material between two work surfaces is naturally much more favorable to the performance of cold work without breaking than is free expansion. The prior methods of hydraulic expansion gave no certainty about the practicality of the method according to the invention, due to the limited importance of the cold work carried out using these prior methods.
There is shown in the drawings, Figures 1 and 2, a suitable device for performing, according to the invention, the cold expansion of a molded cylinder This device comprises a part 2 forming a core which has been prepared so that its outer diameters, in the vicinity of its two ends, are slightly smaller (from 0.0508 to 0.0762 mm) than the inner diameter of the cylindrical molded part 3. The inner diameter of the remainder of the core part, between the two ends of the latter is smaller than at said ends. It is provided on the periphery of the part 2, in the vicinity of its ends, grooves 4 and O-rings 3 are placed in each of the two grooves.
The molded part 3 is then slid over the core 2. A tube 6 connects a source (not shown) of water under high pressure to an opening 7 through the wall of the core 2. The opening 7 is in. communication with 1 space ¯8 between the core and the molded part. Strong retaining rings 9 are fixed around the outside of the molded part facing the grooves 4 and the joints 5 to prevent expansion of the roll at its ends.
The pressure of 1 water is then applied to 1 space ¯8 to effect the expansion of the cylinder, as shown in figure 2. After the expansion has given the desired increase in diameter, the pressure is released, we remove the retaining rings 9 and the part 2 is taken out of the expanded molded part. The expanded cylinder is then annealed and the unexpanded ends cut.
The necessary pressure levels can be calculated quite accurately using the formula
ST = P x D
2t in which
ST represents the expansion effort in Kilograms per square centimeter
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P represents the gauge pressure in Kilograms per square centimeter
D represents the outside diameter of the cylinder t represents the thickness of the wall.
Since cylinder expansion is not pushed to the breaking point of the cylinder and the increase in diameter partly compensates for resistance to cold work, the effective gauge pressure required will be somewhat lower. at the calculated pressure.
For applications requiring high precision, a die 10 of the kind shown in Figure 3 can be used.
This die is bored to the necessary internal diameter, equal to the external diameter which must have the molded part 3 in its state of expansion, and it is placed around the molded part. The die is only intended to prevent some parts of the cylinder from slightly exceeding the desired diameter while other parts have not yet reached quite it. The die therefore allows the depth of cut to be less in the final machining operation to achieve the specified dimensions.
The matrix or container does not provide a working surface but only constitutes an envelope regulating the dimensions. All the useful work, regarding the conditioning for recrystallization, is finished before the cylinder 3, in the process of expansion, comes into contact with the wall of the vessel 10.
There are of course different ways of ensuring the sealing of the cylinders for their cold expansion, other than those which have been shown here by way of example. These closure means, including those which allow the expansion of the entire length of the cylinder, are well known.
The apparatus and the means for carrying out the heat treatment of rolls are well known and have not been shown. Any heat treatment device which allows the molded rolls to be heated to the desired temperature and then to be quenched with water is satisfactory. Nevertheless, the heat treatment or annealing operation constitutes an essential characteristic of the invention and it is necessary to remedy the stresses to which the cold expansion has given rise and to effect recrystallization.
In order to have optimum corrosion resistance in all cases, austenitic stainless steels all require "solution" annealing at high temperature. After the cold expansion according to the present invention, the known and standard anneals do a quite satisfactory job of eliminating the hardening effects of the part and they promote recrystallization and grain refinement. Typical annealing temperatures for the various austenitic steels can be found in several fact sheets including, for example, "The Making, Shaping and Treating of Steel", 6th edition, page 1322.
The invention is applicable to all high ductility materials which do not undergo any grain refinement upon heat treatment alone and which possess the property of hardening and increasing strength upon cold working. This latter property is important because it eliminates materials which do not harden (which do not become stronger as their cold plastic deformation increases) and which balloon in the thinnest area, causing rupture. before a significant change is made in areas where the wall thickness is slightly greater. With hardening materials, the thinnest part of the wall begins to expand and increase in resistance, temporarily stopping expansion at this point.
Thicker areas then expand
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beyond the apparent limit of elasticity, which eventually results in uniform expansion throughout the tube.
Particularly suitable for the invention are the stainless steels of the AISI 300 series, copper and copper alloys (brasses and bronzes) and many nickel-based alloys.
As already stated, one of the important features of the invention is the reduction in grain size of cast metals due to cold expansion and annealing. Figure 4 shows the very long grain basalt structure which is characteristic of metal molded parts of the type to which the invention relates. The view is a full-size photograph showing the macrostructure of a type 304 stainless steel casting obtained by centrifugal casting in a metal mold. Many of these individual crystals or grains pass completely through the wall thickness, and in castings having a greater wall thickness the crystals are even longer.
A further indication of the size of the crystals can be obtained by referring to Figure 5 which is a photomicrograph of the molded part of Figure 4 after pickling and with magnification to 100 diameters.
The reduction in grain size obtained by the process according to the invention is shown in FIG. 6 which is a full-size photograph of the molded part shown in FIG. 4 (after pickling) but after an increase in the external diameter of About 15.5% and after annealing.
Note that the coarsely arranged crystals in the form of a basaltic structure, which are very clear in Figure 4, have been completely replaced by much smaller equiaxed crystals. This fact is further illustrated in Figure 7 which is a photomicrograph of the structure of Figure 6, with magnification to 100 diameters. The degree of reduction in the size of the crystals is clearly demonstrated by a comparison between Figures 5 and 7.
The grain sizes are important only because of their influence on the properties of the metal. The effects of coarse grain sizes manifest themselves in several ways: (1) somewhat inferior mechanical properties, (2) increased susceptibility to corrosion at grain boundaries, (3) inferior machining characteristics, and (4) Rough or "orange peel" surface developing upon severe cold forming or deep drawing of a finished workpiece.
In order to define the limits of the invention in terms of percentages, the increase in external diameter necessary to obtain a given grain size and, consequently, a given physical property, has been chosen. Since the percentage increase in outside diameter is used as a means of expressing the processing required, the question arises as to what percentage increase is required to achieve particular physical properties with a molded part. of a given metal, after annealing. The numerical values applicable to AISI type 316 stainless steel have been determined experimentally. They show that only weak recrystallization is effected by an increase of up to about 8%.
The fastest rate of change in recrystallization occurs from about 8% to about 16%.
Expansion beyond 18 or 20% results in small increases in strength due to a slight decrease in the size of the recrystallized kernel, but the large change associated with the disappearance of the large kernel size occurs for an increase in the outside diameter of the molded part of between 8 and 16%. These values indicate that a Type 316 stainless steel cylinder, expanded to at least about 16% and annealed will exhibit a refined or recrystallized grain size with all of the properties of small grain products.
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Similar results obtained with stainless steels of other compositions indicate that one can apply to these steels an expansion of the same order as that which is valid for stainless steel type 316.
It is obvious to those skilled in the art that the expression of the degree of cold working, to be carried out by the process according to the invention, as a function of the percentage increase in the external diameter, necessarily limits application of the method to relatively large cylinders and thinner walls of the range of smaller sizes. This is because, in smaller cylinders with relatively thick walls, the percentage increase in the inside diameter is much greater than the percentage increase in the outside diameter.
Since the maximum degree of cold strain suitable to give recrystallization is limited only by the breaking point of the cylinder, the process can be applied to cylinders of any size, as long as the minimum expansion of the outside diameter. The rier does not subject the internal diameter to sufficient expansion to cause rupture. However, according to the invention, the small diameter, thick-walled rolls can be treated by subjecting them to gradual training. This means that the cylinder can be expanded to an intermediate degree, annealed, and then subjected to further expansion and annealing operations until the desired degree of grain refinement is achieved.
Another new characteristic of the invention is constituted by the fact that the cold working is accomplished without lengthening or shortening of the molded rolls and without any contact with non-elastic dies or hammers, either on the inner surface, either on the outer surface of the cylinder, as is the case in cold drawing or cold stamping. The coarse crystals arrange themselves to accommodate the increase in diameter by overall movements in an outward direction rather than in a longitudinal direction. This results in a characteristic coarse puckering or "orange peel" effect on both the exterior surface and the interior surface.
Likewise, the internal crystal structure responds to the new cold working process in a characteristic way.When tubular products are cold worked by conventional processes (e.g. by cold drawing or cold stamping), Individual crystals are distorted in roughly the same proportion and in the same direction. For example if a cylinder is elongated with its wall thickness reduced, the individual crystals are similarly elongated to about the same degree.
Since the effects of this crystal elongation are not completely removed even if annealing is subsequently carried out, the advantages resulting from the avoidance of a preferential crystal orientation inherent in stretched cylinders. cold by conventional methods will be immediately apparent to those familiar with these well known metallurgical principles.
In the expanded molded part according to the invention, showing no significant change in length, the individual crystals are not elongated to a substantial degree in the longitudinal direction.
Another important feature of the invention is that the molded rolls are made into rolls having the desirable mechanical properties of worked products but without imparting directional properties to them. The worked products are usually obtained from large ingots from which they are obtained by large decreases in cross-sectional area and corresponding elongations either by means of hot forging or by means of hot rolling and ( or) cold finishing passes.
The selective solidification taking place in the large ingot results in primary dendrites consisting of large proportions of the element or phase with the highest melting point, iron.
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for example, while the lower melting point constituents, such as the combinations of phosphorus, sulfur and carbon, are found concentrated to some degree in interdendritic or interstitial surfaces.
When rolling ingots, non-metallic inclusions and relatively impure interstitial metallic surfaces are found to be elongated, thinned and flattened in the same proportion. When the non-metallic inclusions are flattened, they occupy a greater percentage of the cross-sectional area so that the ductility in samples taken perpendicular to the direction of rolling is decreased. Figure 10 gives an illustration of the effect of non-metallic inclusions on forging operations. The elongated non-metallic inclusions are clearly visible in several places in the photograph (X 1000) which shows an unacidated section of a seamless, hot-rolled tube used in the recoil mechanism of tanks. the American army.
The marked reduction in cross section and elongation from the ingot stage to a relatively thin-walled cylinder flattened and elongated the inclusion.
Neither these inclusions nor the lamination which is frequently associated with them hardly influence the ductility when it comes to samples taken in longitudinal direction, but the properties are quite different for samples taken perpendicular to the direction of rolling. or forging.
Steels differ with regard to this lamination or fiberization which varies with the cleanliness and with the purity of the steel as well as with the percentage reduction between the ingot and the final product. However, all commercially worked products exhibit different properties depending on whether they are tests carried out parallel to the direction in which the metal has been worked, or perpendicular to that direction. In other words, they are not isotropic. Non-metallic inclusions are ordinarily reported to be the primary cause of directional properties, but in at least a few instances a two-phase microstructure, if present at the time of rolling, produces distinct layered arrangements of the two consti - microscopic killers.
In some cases these structural constituents exhibit mechanical properties between which there are marked differences so that the directional characteristics exist to a high degree.
Unlike the worked materials, the molded materials do not have directional properties, that is to say are isotropic, since they do not undergo mechanical work. The rolls are cold expanded, then annealed, according to this invention change so little shape that they too are isotropic.
Figure 11 is a photograph (X 1000) of an unacidated section of a type 304 stainless steel cylinder after expansion, according to the invention, executed in such a manner that increasing the outer diameter - laughing was 17.6%, followed by annealing at a temperature of 1066 C and quenching in water. We can see from a comparison with Figure 10, the dramatic difference in the effect on non-metallic inclusions.
The cold expansion, according to the invention, of the molded rolls has another important advantage, different from the refinement of the grain and the related improvement of the mechanical properties. This advantage is as follows. Cold expansion helps to overcome long-standing misconceptions about the use of castings when it comes to severe service conditions. Even with the best testing and inspection of a non-destructive nature, there is still concern that there is some defect below the surface, for example a hot crack or blowhole, which could cause a sudden rupture creating a great risk.
Since metal tubes are never intentionally put into service under stresses greater than the elastic limit of the metal, these cold-expanded rolls have already been subjected to much stresses.
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better than you would expect in service. Any significant defect therefore leads to rupture during cold expansion during manufacture. The process according to the invention thus constitutes in itself a more rigorous test than all those which have been used hitherto for molded parts.
The method of the invention also provides a means for forming large diameter seamless tubes or cylinders from smaller castings. By carrying out cold expansion, annealing and repeating the cold expansion and annealing several times, a large increase in diameter can be obtained. Repeated expansions, with intermediate annealings, give somewhat smaller grain sizes than in the case of a single expansion. However, the effects of cold deformations do not add up as the annealing eliminates the cold work introduced by the previous expansion and restores ductility.
The second and subsequent expansions are applied to rolls having relatively small grain sizes and when an equal degree of cold expansion is added it is equivalent to a somewhat larger cold reduction that would have been made on the part. coarse-grained molded. If no other appreciable decrease in grain size results from annealing and renewal of expansion, the increase in cylinder diameter is complete.