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Perfectionnements aux aciers alliés.
La présente invention se rapporte à des aciers alliés à résistance à la traction élevée qui sont traités thermiquement . par égalisation thermique au-àessus de la température de transition AC3 et ensuite par trempe (à l'huile ou à l'eau, par exemple) suivie d'un revenu.
Bien que l'on connaisse des aciers alliés qui possèdent une résistance élevée pour des utilisations comme matériaux de con- s.truction à la température ambiante, ces caractéristiques ne subsistent pas aux températures élevées d'utilisation qui sont nécessaires dans diverses conditions d'emploi modernes.
L'invention fournit un acier allié à résistance à la trac- tion élevée qui possède des caractéristiques très appréciées y-
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compris une grande résistance mécanique, une grande dureté et une ' ductilité adéquate, propriétés qui subsistent dans une mesure remarquable lorsque l'acier allié est soumis à un revenu à des températures pouvant atteindre au moins 600 C. Le traitement thermique de ces aciers a pour résultat une libération plus com- plète des tensions thermiques et de transformation avec un rapport d'endurance plus élevé pour une résistance à la traction donnée.
Les températures élevées de revenu qui sont permises ouvrent non seulement la possibilité dutiliser l'acier à des températures éle- vées à l'emploi mais également de le traiter à des températures plus élevées à des fins telles que l'élimination de l'hydrogène, la soudure et le traitement superficiel, comme décrit ci-après.
Suivit la présente invention, un acier allié à résistan- ce à la traction élevée qui peut être soumis au revenu à des tempé- raturesd'au moins 600 C sans adoucissement appréciable est un acier allié à moyen carbone qui comprend 0,15 - 0,5% (de préférence 0,2 - 0,5%) de carbone, 0,25 - 3% de manganèse, 1 - 2,5% de sili- cium, 0,5 - 2% d'aluminium, 0,5 - 3% de molybdène, 1 - 3% de cui- vre et 0,2 - 1% de vanadium, le reste étant essentiellement du fer avec une certaine quantité d'impuretés communes, par exempie du nickel et du chrome et des impuretés non métalliques comme le soufre et le phosphore dans les petites proportions usuelles pour les aciers du commerce.
La teneur en cuivre n'est de préfé- rence pas supérieure à 2 ou 2,5% et la teneur en silicium n'est de préférence pas supérieure à 2%.
Cet acier allié possède des propriétés équivalentes ou su- périeures à de nombreux points de vue à celles d'aciers plus coû- teux- et d'autres alliages coûteux, par exemple les alliages de 'titane. Les propriétés de l'acier allié lorsque le traitement ther- mique comprend le revenu à une température d'au moins environ 500 et même jusqu'à environ 650 C sont particulièrement bonnes.
Par exemple, des aciers alliés suivant l'invention,même avec une teneur en carbone inférieure à 0,3%, lorsqu'ils sont traités thermiquement
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par un revenu à 650 C peuvent avoir une résistance de rupture à la traction et une limite conventionnelle d'élasticité à 0,1% de 90-100 et 80-90 tonnes/pouce carré -(144 à 160 et 128 à 144kg/mm2) et une dureté adéquate (dureté Vickers Diamond V.D.H. presque 500).Des aciers alliés suivant l'invention présentent de bonnes caractéristiques de résistance à la fatigue et une bonne usinabilité par exemple par travail à chaud tel que le forgeage ou le laminage.
Des valeurs très élevées de dureté superficielle, par exemple environ une valeur V.D.H. de 1000 peuvent être produites dans les aciers alliés par nitruration. Cependant, les aciers alliés à nitrur e r utilisés généralement (c'est-à-dire les aciers chrome-molybdène-vanadium et les aciers aluminium-chrome-molybdène) présentent l'inconvénient qu'ils ne conservent pas de bonnes ca- ractéristiques mécaniques aux températures voisines de 500 c, auxquelles la nitruration doit être effectuée de sorte qu'une dureté superficielle élevée est obtenue au prix d'une diminu- tion de la résistance au coeur du métal et on utilise ces aciers le moins possible dans des éléments fortement sollici- tés.
Une propriété remarquable des aciers alliés suivant la pré- sente invention est qu'ils peuvent être nitrurés pour produire une dureté superficielle très élevée sans altérer la résistance mécani. que élevée et d'autres caractéristiques avantageuses au coeur du métal, comme décrit ci-dessus.
Au contraire, bien que la résistant ce élevée subsiste aux températures élevées, la résistance à la fati gue des aciers alliés est encore considérablement augmentée par nitruration; (la limite théorique d'endurance peut passer , d'environ + 50 tonnes/pouce carré (80 kg/mm2) à environ 65 ton- nes/pouce carré (104 kg/mm2), de sorte que les aciers alliés suivant l'invention peuvent avoir, lorsqu'ils sont nitrurés, des ca- ractéristiques très exceptionnelles qui combinent une résistance à la traction élevée avec une résistance à la fatigue élevée, une dureté superficielle très élevée et une bonne usinabilité,
proprié-
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tés qui sont très avantageuses pour des éléments soumis à de fortes tensions, comme les. engrenages qui sont l'objet d'une usure et d'un contact de frottement lors de leur emploi. En outre, ces caracté- ristiques exceptionnellement bonnes sont possédées par un acier allie qui n'est pas aussi coûteux de nature que les aciers spé- ciaux et d'autres alliages et qui peut trouver de nombreuses applications dans le domaine des aciers du commerce plus communs, en particulier par exemple lorsqu'un rapport superieur résistance/ poids est avantageux.
Suivant une caractéristique importante de l'invention, dès lors, un acier allié tel que défini ci-dessus est après un
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traitement thermique quicomprend unrevenu'à une température de plus de 500 C, nitruré à une température inférieure à la température du revenu. La nitruration est avantageusement exécutée à lu, tem- pérature normale d'environ 500 C et la température du revenu est alors choisie pour conférer à l'acier allié des caractéristiques aussi appropriées que possible à l'emploi envisagé. En tout cas,' comme la température de nitruration est inférieure à la température du revenu qul précède, la nitruration ne provoque aucune détériora- tion des caractéristiques mécaniques de l'acier allié.
Sulvant une autre caractéristique de l'invention, un acier allié tel que défini ci-dessus est traité thermiquement par un revenu à environ 550 C ou environ 650 C, suivi d'une nitrura- tion à environ 500 C.
La profondeur de la région superficielle ayant une duroté accrue augmente avec la durée du traitement de nitruration. Une dureté accrue peut être obtenue dans la couche superficielle jus- qu'à une profondeur d'environ 0,01 pouce (0,25 mm) par nitru- ration pendant environ 48 heures et cette profondeur peut être augmentée en augmentant la durée du traitement.
Les caractéristiques remarquables de cet acier allié sont illustrées par les résultats d'essai effectués sur un acier
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allié typique de l'invention, Les teneurs en'pourcentage des éléments d'alliage de cet acier sont les suivante : 0,24 carbone, 0,5 manganèse, 1,77 silicium, 1,02 alumi- . nium, 0,81 molybdène, 1,79 cuivre et 0,35 vanadium; le nickel et le chrome résiduels représentant chacun 0,05,la soufre et le phosphore résiduels représentant chacun 0,01.
Des essais effectués d'une manière classique montrent que la gamme critique pour cet acier est 800 - 1025 C tandis que la phase I de la rupture martensitique est à 140 C et la phase III se situe à 450-500 c. La température élevée d'AC3 de 1025 est considérée comme résultant de la présence de silicium et d'alu-' minium .
Les résultats d'autres essais sur cet acier allié typique sont représentés graphiquement dans les Fig. 1 à 6 des dessins annexés.
Fig. 1 montre l'aptitude au durcissement d'une éprouvette dans des conditions classiques de trempe d'extrémité (S.A.E.Handbook 1947) à différentes profondeurs à partir d'une extrémité qui a été trempée à l'eau après égalisation thermique à 1075 C pendant une heure.
Fig. 2 montre l'effet sur la dureté de l'acier allié trempé d'un traitement thermique classique, c'est-à-dire égalisation ther- mique pendant 1 heure à 1075 c, trempe à l'eau et revenu pendant une heure, lorsque le revenu est exécuté à diverses températures.
Les valeurs de dureté Vickers Diamond V.D.H. avec une charge de 30 Kg données par le graphique montrent clairement la compatibilité remarquable de la valeur de dureté et de la résistance à l'adoucis- sement de l'acier à 0,24% de carbone âpres revenu jusqu'à des températures de 600 C,possédée par ce' nouvel acier allié.
Fig. 3 montre l'effet du traitement thermique classique comprenant le revenu pendant 1 heure à diverses températures sur les caractéristiques de résistance-à la traction de l'acier trempé.
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A nouveau, les bonnes caractéristiques de résistance à la traction du nouvel acier allié sont maintenues jusqu'à des températures d'environ 650 C.
Fig.4 indique les chiffres de résistance au choc de
Charpy obtenus par des essais sur des éprouvettes classiques (10 x 10 x 56 mm avec une entaille à 45 de 2 mm de profondeur) soumisesau traitement thermique classique comprenant le revenu pendant 1 heure à diverses températures. Le graphique indique que des valeurs élevées sont obtenues pour des températures de revenu jusqu'à 450 C, tandis qu'une valeur satisfaisante de 13 pieds/livre (1,8kg/m) est obtenue à 550 C et une valeur encore plus élevée à 650 C.
Fig. 5 indique la dureté de la couche superficielle obtenue en nitrurant des éprouvettes d'acier allié après le traite- ment thermique classique avec revenu à 550 C. La courbe A indique . le résultat de la nitruration à environ 500 C dans une atmosphère d'ammoniac se c , pendant 48 heures et la courbe B pendant 72 heures. La profondeur accrue de la dureté superficielle et l'aug- mentation par rapport à la dureté à coeur obtenu par le procédé le plus long est clairement indiquée.
Fig. 6 indique une courbe de fatigue A pour une série d'éprouvettes qui ont reçu le traitement thermique classique y compris le revenu à 550 C seulement et une courbe de fatigue
N pour une autre série traitée de manière analogue et ensuite nitruréecommedécrit ci-dessus pendant 72 heures. Le graphique montre clairement l'amélioration considérable de la résistance à la fatigue produite par la nitruration, c'est-à-dire une aug- mentation allant d'environ ¯+ 50 tonnes à ¯ 65 tonnes par pouce carré (80 à 104 kg/mm). '
Par le revenu à 550 C, on confère à l'acier de bonnes caractéristiques de résistance à la traction comme l'indique la
Fig. 3 et un chiffre satisfaisant de résistance au choc de Charpy comme l'indique la Fig. 4.
La nitruration peut être exécutée à une température classique, c'est-à-dire environ 500 C et on obtient une bonne dureté superficielle comme l'indique la Fig. 5
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et une bonne résistance à la fatigue comme l'indique la Fig. 6.
En augmentant la teneur en carbone au-dessus de 0,25, on peut obtenir un acier nettement plus dur et plus résistant, par exemple, après revenu à 550 C, l'acier correspondant à 0,35% de carbone a une valeur V.D.H. 30 de 530 (au lieu de 470) et peut être facilement forgé, usiné, traité thermiquement et nitruré,si on le désire.
REVENDICATIONS.
1 - Acier allié à moyen carbone à résistance à la traction élevée, caractérisé en ce qu'il a été traité thermiquement et con- tient environ 1/4 - 3% de manganèse, 1-2,5% de silicium, 0,5 -
2% d'aluminium, 0,5 - 3% de molybdène, 1 - 3% de cuivre et 0,2 -
1% de vanadium, le reste étant essentiellement du fer.
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Improvements in alloy steels.
The present invention relates to high tensile strength alloy steels which are heat treated. by thermal equalization above the transition temperature AC3 and then by quenching (with oil or water, for example) followed by tempering.
Although alloy steels are known which possess high strength for uses as building materials at room temperature, these characteristics do not persist at the high operating temperatures which are required under various conditions of use. modern.
The invention provides a high tensile strength alloy steel which possesses highly desirable characteristics.
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including high mechanical strength, high hardness and adequate ductility, properties which remain to a remarkable extent when the alloy steel is subjected to tempering at temperatures up to at least 600 C. The heat treatment of these steels has for results in a more complete release of thermal and transformation stresses with a higher endurance ratio for a given tensile strength.
The high tempering temperatures which are permitted open up the possibility not only of using the steel at high temperatures in use but also of treating it at higher temperatures for purposes such as the removal of hydrogen, welding and surface treatment, as described below.
Following the present invention, a high tensile strength alloy steel which can be tempered at temperatures of at least 600 ° C without appreciable softening is a medium carbon alloy steel which comprises 0.15-0. 5% (preferably 0.2 - 0.5%) carbon, 0.25 - 3% manganese, 1 - 2.5% silicon, 0.5 - 2% aluminum, 0.5 - 3% of molybdenum, 1 - 3% of copper and 0.2 - 1% of vanadium, the remainder being essentially iron with a certain amount of common impurities, eg nickel and chromium and non-impurities. metallic such as sulfur and phosphorus in the small proportions customary for commercial steels.
The copper content is preferably not more than 2 or 2.5% and the silicon content is preferably not more than 2%.
This alloy steel has properties equivalent or superior in many respects to those of more expensive steels and other expensive alloys, for example titanium alloys. The properties of alloy steel when the heat treatment includes tempering at a temperature of at least about 500 and even up to about 650 ° C are particularly good.
For example, alloy steels according to the invention, even with a carbon content of less than 0.3%, when they are heat treated
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tempered at 650 C can have a tensile strength and 0.1% yield strength of 90-100 and 80-90 tons / square inch - (144 to 160 and 128 to 144kg / mm2 ) and adequate hardness (Vickers Diamond VDH hardness almost 500). Alloy steels according to the invention exhibit good fatigue resistance characteristics and good machinability for example by hot work such as forging or rolling.
Very high values of surface hardness, for example approximately a V.D.H. of 1000 can be produced in alloy steels by nitriding. However, the alloy steels to be nitrided generally used (that is to say the chromium-molybdenum-vanadium steels and the aluminum-chromium-molybdenum steels) have the drawback that they do not retain good mechanical properties. at temperatures in the region of 500 ° C., at which nitriding must be carried out so that a high surface hardness is obtained at the cost of a reduction in the resistance to the core of the metal and these steels are used as little as possible in highly requested.
A remarkable property of alloy steels according to the present invention is that they can be nitrided to produce very high surface hardness without altering the mechanical strength. that high and other advantageous characteristics in the heart of the metal, as described above.
On the contrary, although the high strength remains at high temperatures, the resistance to fatigue of alloy steels is still considerably increased by nitriding; (the theoretical endurance limit can drop, from about + 50 tons / square inch (80 kg / mm2) to about 65 tons / square inch (104 kg / mm2), so that the following alloy steels The invention can have, when nitrided, very exceptional charac- teristics which combine high tensile strength with high fatigue resistance, very high surface hardness and good machinability,
owner-
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tees which are very advantageous for elements subjected to high tensions, such as. gears which are subject to wear and frictional contact during use. Further, these exceptionally good characteristics are possessed by an alloy steel which is not as expensive in nature as special steels and other alloys and which can find many applications in the field of commercial steels. common, especially for example when a higher strength / weight ratio is advantageous.
According to an important characteristic of the invention, therefore, an alloy steel as defined above is after a
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heat treatment which includes a return at a temperature of over 500 C, nitrided at a temperature below the tempering temperature. The nitriding is advantageously carried out at normal temperature of about 500 ° C. and the tempering temperature is then chosen to give the alloy steel characteristics that are as suitable as possible for the intended use. In any event, since the nitriding temperature is lower than the temperature of the foregoing tempering, nitriding does not cause any deterioration in the mechanical characteristics of the alloy steel.
According to another characteristic of the invention, an alloy steel as defined above is heat treated by tempering at about 550 C or about 650 C, followed by nitriding at about 500 C.
The depth of the surface region having increased hardness increases with the duration of the nitriding treatment. Increased hardness can be obtained in the surface layer to a depth of about 0.01 inch (0.25 mm) by nitriding for about 48 hours and this depth can be increased by increasing the time of treatment. .
The remarkable characteristics of this alloy steel are illustrated by the test results carried out on a steel
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typical alloy of the invention. The percentages of the alloying elements of this steel are as follows: 0.24 carbon, 0.5 manganese, 1.77 silicon, 1.02 alumi-. nium, 0.81 molybdenum, 1.79 copper and 0.35 vanadium; the residual nickel and chromium each representing 0.05, the residual sulfur and phosphorus each representing 0.01.
Tests carried out in a conventional manner show that the critical range for this steel is 800 - 1025 C while phase I of martensitic failure is at 140 C and phase III is at 450-500 c. The elevated AC3 temperature of 1025 is believed to result from the presence of silicon and aluminum.
The results of other tests on this typical alloy steel are shown graphically in Figs. 1 to 6 of the accompanying drawings.
Fig. 1 shows the hardenability of a test piece under conventional end quenching conditions (SAEHandbook 1947) at various depths from an end which has been quenched with water after thermal equalization at 1075 C for a period of time. hour.
Fig. 2 shows the effect on the hardness of hardened alloy steel of a conventional heat treatment, that is to say heat equalization for 1 hour at 1075 c, quenching in water and tempering for one hour, when tempering is carried out at various temperatures.
Vickers Diamond V.D.H. with a load of 30 Kg given by the graph clearly show the remarkable compatibility of the hardness value and the softening resistance of 0.24% carbon steel after tempering up to temperatures of 600 C, possessed by this' new alloy steel.
Fig. 3 shows the effect of conventional heat treatment including tempering for 1 hour at various temperatures on the tensile strength characteristics of hardened steel.
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Again, the good tensile strength characteristics of the new alloy steel are maintained up to temperatures of around 650 C.
Fig. 4 shows the impact resistance figures of
Charpy obtained by tests on conventional specimens (10 x 10 x 56 mm with a notch at 45, 2 mm deep) subjected to the conventional heat treatment comprising tempering for 1 hour at various temperatures. The graph indicates that high values are obtained for tempering temperatures up to 450 C, while a satisfactory value of 13 feet / lb (1.8 kg / m) is obtained at 550 C and an even higher value at 650 C.
Fig. 5 indicates the hardness of the surface layer obtained by nitriding alloy steel specimens after the conventional heat treatment with tempering at 550 C. Curve A indicates. the result of the nitriding at about 500 ° C. in an ammonia atmosphere for 48 hours and curve B for 72 hours. The increased depth of surface hardness and the increase over core hardness obtained by the longer process is clearly indicated.
Fig. 6 indicates a fatigue curve A for a series of test specimens which have received the conventional heat treatment including tempering at 550 C only and a fatigue curve
N for another series treated in an analogous manner and then nitrided as described above for 72 hours. The graph clearly shows the considerable improvement in fatigue strength produced by nitriding, i.e. an increase from about ¯ + 50 tonnes to ¯ 65 tonnes per square inch (80 to 104 kg / mm). '
By tempering at 550 C, the steel is given good tensile strength characteristics as indicated by
Fig. 3 and a satisfactory Charpy impact strength figure as shown in Fig. 4.
The nitriding can be carried out at a conventional temperature, i.e. around 500 ° C. and good surface hardness is obtained as shown in FIG. 5
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and good fatigue resistance as shown in Fig. 6.
By increasing the carbon content above 0.25, a significantly harder and stronger steel can be obtained, for example, after tempering to 550 C, the steel corresponding to 0.35% carbon has a V.D.H. 30 of 530 (instead of 470) and can be easily forged, machined, heat treated and nitrided, if desired.
CLAIMS.
1 - High tensile strength medium carbon alloy steel characterized in that it has been heat treated and contains about 1/4 - 3% manganese, 1-2.5% silicon, 0.5 -
2% aluminum, 0.5 - 3% molybdenum, 1 - 3% copper and 0.2 -
1% vanadium, the remainder being mainly iron.