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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.