<Desc/Clms Page number 1>
. Perfectionnements au traitement thermique de métaux.
La présente invention se rapporte au traitement de métaux et concerne en particulier l'obtention d'un grain fin de métal.
De nombreux avantages peuvent être obtenus en don- nant un grain fin à des métaux comme, par exemple; les aciers inoxydables et les alliages à base de nickel et ces avantages comprennent une amélioration des caractéristiques d'étirage à froid et de formage, une augmentation de la ductilité et de la résistance à la traction aux températures peu élevées.par exemple jusqu'à en- viron 450 C, et également une augmentation de la ductilité aux températures élevées après irradiation neutronique. On notera que
<Desc/Clms Page number 2>
ce dernier facteur a une importance particulière pour les matériaux' utilisés dans la technique nucléaire, par exemple, comme gaine bêlements combustibles parce que la rupture,des constituants à l'intérieur d'un réacteur peut avoir des conséquences graves.
Jusqu'ici l'obtention d'un grain fin nécessi- tait le travail à froid suivi d'un chauffage jusqu'à la tempéra- ture la plus basse à laquelle la recristallisation du métal se produit. Cette température pour les aciers est d'environ 800 C et ! 'est maintenue pendant plusieurs heures afin que la recristallisà- tion puisse être complète. 'La dimension de grain minimum facilement obtenue par cette technique est de l'ordre de 7 à 8 microns et afin d'améliorer la ductilité du métal, une dimension encore plus petite est désirable. Ce traitement présente aussi l'inconvénient d'interférer avec les traitements thermiques de vieillissement et peut empêcher l'emploi du traitement optimum désiré.
Le but de la présente invention est de fournir un pro- cédé nouveau ou amélioré pour traiter des métaux, procédé qui a pour résultat l'obtention d'une grande finesse de grains.
Suivant la présente invention, un procédé.de traitement d'un acier inoxydable austénitique ou d'un métal analogue, est caractérisé en ce qu'on travaille le métal à froid, on le chauffe rapidement jusqu'à une température de recuit dans la gamme 900- 1200 C, on maintient cette température de recuit pendant une durée suffisante pour provoquer une recristallisation pratiquement com- plète du métal mais insuffisante pour provoquer une croissance du grain significative et on refroidit ensuite rapidement le métal chaud.
L'expression "métal analogue" se rapporte aux alliages à base de;nickel contenant au moins une des additions d'alliage suivantes : cobalt, chrome, fer et molybdène et'éventuellement . aussi des additions de durcissement par précipitation telles que le titane et l'aluminium et comprend la gamme d'alliages
<Desc/Clms Page number 3>
dénommée "Nimonics".
Il y a lieu de noter que le traitement thermique de ' l'invention est nécessairement précédé par un traitement de tra- vail à froid, par exemple une opération de laminage à froid et il apparaît que pour obtenir les résultatssatisfaisantsla quantité de travail à froid doit dépasser un certain minimum de,par exemple, environ 25% de réduction d'épaisseur.
La durée optimum pendant laquelle'le métal est maintenu à la température de recuit dépend de la température et la Demanderesse a découvert qu'une durée de moins de 1 minute et par- fois de l'ordre de quelques secondes a pour résultât une finesse de grain satisfaisante.' Ainsi', la Demanderesse a découvert que des résultats satisfaisants peuvent être obtenus en maintenant une température de recuit dans la gamme de 1000 à 1150 C pendant une durée de 1 - 5 secondes maisqu'à aes températures inférieures, par exemple 900 C, des durées de 10 secondes sont insuffisantes pour produire l'effet désiré et des durées d'environ 30 secondes paraissent être nécessaires à cette température.
On remarquera que si le métal est maintenu à la température de recuit pendant une période de temps excessive, on peut s'attendre à ce que le g r a i n obtenu ne soit pas suffisamment fin car il y aura dans ces conditions une certaine croissance du grain. De plus, si ia température de recuit n'est pas maintenue pendant une durée suffisante, on peut s'attendre à ce qu'une recristallisation complète ne se produise pas et le résultat pourrait être des grains fins dispersés dans une.gangue de métal non recristallisé'.
De tels effets ont été observés dans la pratique.
Le métal peut être chauffé par tout moyen approprié, par exemple, un four préchauffé, un ..chauffage par induction ou au moyen d'un bain de sel fondu. Bien qu'un bain de sel se soit avéré approprié pour être utilisé sur une petite échelle, il est. nécessaire de nettoyer la surface du métal après un tel traite- ment, et dès lors une technique de chauffage par induction est ,
<Desc/Clms Page number 4>
préféréepour une opération à grande échelle. En utilisant la technique de chauffage par induction, une longue barre de métal peut être traitée en la faisant passer au travers du bobinage d'induction à une vitesse telle qu'une zone du métal à l'intérieur du bobinage soit chauffée jusqu'à la température de recuit désirée pendant la période de temps désirée.
D'autres procédés de chauf- fage qui peuvent être appropriés comprennent l'emploi d'un faisceau d'électrons ou.une torche à gaz ou à plasma et l'emploi de ces techniques semble être particulièrement approprié au traitement' d'une éprouvette mince qui est passée rapidement, par exemple en 1/10 de seconde,au travers de la zone de chauffage.
La trempe rapide du métal chaud peut être réalisée de manière pratique en utilisant la trampe @ à l'eau mais dans cer- tains cas, il peut être préférable de ne pas effectuer la trempe à une température aussi basse et en pareils cas, on peut utiliser la trempe dans un bain de sel liquide ou de métal liquide jusqu'à une température de par exemple 750 C.
En appliquant la présente invention à un alliage à base de nickel, contenant du chrome, du fer et du molybdène, avec du titane et de l'aluminium comme addition de durcissement par préci- pitation, il est possible d'utiliser un procédé de vieillissement à une température appropriée pour donner naissance' à un précipité de durcissement (de Ni3TiAL) sous une forme fine. En utilisant une température de recuit d'environ 800 C pendant une longue pério- de de temps sur le même alliage, le précipité de durcissement est formé pendant le recuit sous une forme grossière et ultérieurement le vieillissement a peu d'effet sur la forme de ce précipité qui reste grossier.
Avec un tel alliage,cependant, la présence d'un précipité de durcissement fin a pour résultat un matériau de ré- sistance mécanique pl@s élevée que si le précipité de durcisse- ment a été obtenu sous la forme grossière. Ainsi-, la présente. invention conduit à l'obtention d'une grain fin avec un- précipité de durcissement fin lorsqu'un traitement de vieillisse-
<Desc/Clms Page number 5>
ment approprié est également utilisé.
Le procédé de la présente invention peut êtreprécédé par un traitement thermique en solution pour dissoudre une partie ou la totalité du matériau précipité et suivi par un traitement de vieillissement pour obtenir un précipité approprié. Le traite- ment thermique en solution est généralement effectué à une tempé- rature similaire à celle du traitement de recuit de courte durée, c'est-à-dire dans la gamme 900-12000C.
Afin que la présente invention soit plus facilement comprise, différentes formes de réalisation en seront maintenant décrites à titre d'exemple.
EXEMPLE 1.- .On travaille à froid pour obtenir une réduction d'épais- seur de 65%, un échantillon de l'alliage Nimonic PE 16 ayant la ,composition suivante : carbone, 0,083%; chrome, 17,1%; molybdène, 3,15%. titane, 1,2%; aluminium, 1,3%; silicium, 0,3%; manganèse, < 0,05%, plomb, 4'-' 0,0005%; zirconium, 0,03%; bore, 0,001%, magnésium, < 0,002%; nickel, 42,5%, le reste étant du fer.
L'échantillon travaillé.à froid est alors chauffé jusqu'à 10500C pendant 5 secondes en le plongeant dans un bain de sel fondu ayant une composition de'92% de chlorure de baryum, 5% de borax hydraté, le reste étant de la farine de silice. L'échan- tillon est retiré du bain et trempé en le plongeant dans l'eau.
L'échantillon traité thermiquement est alors soumis à un examen au microscope pour déterminer la finesse des grains.On constate que' leur dimension est de 4,3 microns, ce qui est approximativement la moitié de ce qu'on pouvait obtenir facilement jusqu'ici.
EXEMPLE 2. -
On travaille à froid par laminage pour obtenir une réduction d'épaisseur de 28,5%, un autre échantillon de Nimonic PE 16.
La dimension initiale des grains de l'alliage est de 31 microns. L'al- liage est alors chauffé jusqu'à 11500C pendant 1 seconde, le traitement thermique étant autrement identique à celui décrit dans
<Desc/Clms Page number 6>
l'exemple 1. La dimension des grains du matériau traité the@@i- quement est de 2,9 @icrons.
EXEMPLE 3.-
On travaille à froid par laminage pour obtenir un(? réduction d'épaisseur de 50% un échantillon d'acier inoxydable du type dénommé 20-25Nb et ayant comme composition : carbone, 0,03%, silicium, 0,44%, manganèse, 0,78%; chrome, 20,@%; nickel, 25,3%: niobium, 0,68%; molybdène, < 0,05%; soufre, < 0,02%; phosphore, 0,02%; le reste étant du fer. La dimension initiale des* grains est'de 9 microns mais le traitement thermique par chauffage à 1050 C pendant.2 secondes comme dans l'exemple 1 a pour résultat une dimension finale des grains de 3,1 microns.
EXEMPLE 4. - BXì'lPL2 Un autre échantillon de Nimonic PE 16 contenant, en outre, 0,0024% de bore est soumis au traitement thermique suivant ..
L'alliage est traité en solution par chauffage jusqu'à 10500C pen- dant 1/2 heure, travaillé à froid pour obtenir une réduction d'épais- seur de 80% , recuit par chauffage à 1050 C, cette température étant maintenue pendant 3 secondes, trempé à l'eau, vieilli à 750 C pendant 4 heures et refroidi à l'air. On constate que la di- mension des grains va, de 3,1 à 4,1 microns. Ce traitement donne non seulement un; grain fin mais encore un. précipité de durcissement (de Ni3 (TiAL)) sous une forme fine ce qui donne de; meilleures caractéristiques de résistance mécanique. EXEMPLE 5.-.
Un échantillon de l'alliage de l'exemple 4 est soumis au traitement thermique suivant. L'alliage est traité en solution à 11500C pendant 1 heure, travaillé à froid pour obtenir une ré- duction d'épaisseur de 80%, recuit pendant 3 secondes à 10500C. trempé à l'eau, vieilli à 875 C pendant 15 minutes, re- 'froidi à l'air, vieilli à nouveau à 750 C pendant 4 heures et finalement refroidi à l'air. La dimension.finale des ,grains va' de 3,5 à 4,6 microns.Ce traitement donne à nouveau un grain
<Desc/Clms Page number 7>
fin le durcissement final produit un précipité de durcissement fin.
Le traitement en solution à température élevée dissout le carbure et ceci en même temps que le vieillissement de coulte durée à 875 C a pour résultat une quantité contrôlable de carbure formant un précipité aux limites du.grain. On estime que ce pré- cipité. produit une résistance accrue dans le produit final et diminue la quantité de glissement qui peut se produire aux li- mites du grain.
EXEMPLES 6 à 8.-
D'autres échantillons de PE 16 sont traités comme décrit dans le tableau I.
TABLEAU I
EMI7.1
<tb> Conditions <SEP> de <SEP> recuit <SEP> Dimensions <SEP> des
<tb>
<tb> grains
<tb>
<tb>
<tb> Exemple <SEP> Température <SEP> Durée <SEP> (sec) <SEP> (microns)
<tb>
<tb>
<tb> C
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 950 <SEP> la <SEP> 3,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 1000 <SEP> 5 <SEP> 3,2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 1000 <SEP> 10 <SEP> 3,7
<tb>
Dans tous les exemples, le travail à froid a pour but d'obtenir une réduction d'épaisseur de 65%. On remarquera qu'à
1000 C avec une durée de chauffage de 10 secondes, il semble se - produire une certaine croissance du grain (comparer les exemples
7 et 8). On notera également que des granulométries comparables sont obtenues aux deux températures différentes par l'emploi de durées de chauffage différentes (exemples 6 et 7).
D'autres essais , montrent qu'à 900 C, des durées de plus de 10 secondes sont né- cessaires pour obtenir une recristallisation complète et la
Demanderesse a découvert que le recuit à 900 C pendant 10 secondes produit des grains fins dans une gangue non cristallisée continue, la structure dans son ensemble ayant une dimension apparente des grains de 3,3 microns, déterminée par un comptage des grains en
<Desc/Clms Page number 8>
utilisant le procédé d'intersection.
EXEMPLES 9 à 24.-
D'autres échantillons de Nimonic PE.16 sont soumis à une série de traitements thermiques et leurs caractéristiques de résistance à la traction sont testées dans des conditions dif- férentes avant et après l'irradiation dans un réacteur nucléaire.
Les résultats obtenus sont repris dans le tableau II.
<Desc/Clms Page number 9>
TABLEAU II
EMI9.1
<tb> Traitement <SEP> Dimensions <SEP> Conditions <SEP> de <SEP> l'essai <SEP> Limite <SEP> conven- <SEP> Résistance <SEP> à <SEP> Allongement <SEP> % <SEP>
<tb> des <SEP> grains <SEP> tionnelle <SEP> d'élas <SEP> la <SEP> traction
<tb> Exemple <SEP> Chauf- <SEP> Irradia- <SEP> (microns) <SEP> Temp.
<SEP> Taux <SEP> de <SEP> contrain- <SEP> ticité <SEP> à <SEP> 0,2% <SEP> de <SEP> rupture <SEP>
<tb> fage <SEP> tion <SEP> ( C) <SEP> te <SEP> (sec-1) <SEP> (103 <SEP> p.s.i.) <SEP> (103 <SEP> p.s.i.) <SEP> Total <SEP> Uniforme
<tb> 9 <SEP> A <SEP> U <SEP> 14,5 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 68,5 <SEP> 5,9 <SEP> 20 <SEP> 4,3
<tb> 10 <SEP> A <SEP> 1 <SEP> 14,5 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 62,4 <SEP> 72, <SEP> 6 <SEP> 3,0 <SEP> 2,8
<tb> 11 <SEP> B <SEP> U <SEP> 3,5 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 45,9 <SEP> 65,4 <SEP> 40 <SEP> 3,6
<tb> 12 <SEP> B <SEP> 1 <SEP> 3,5 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 44,2 <SEP> 63,3 <SEP> 7, <SEP> 8 <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 13 <SEP> C <SEP> U <SEP> 4,0-5,0 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 61,2 <SEP> 72,9 <SEP> 50 <SEP> 2,8
<tb> 14 <SEP> C <SEP> 1 <SEP> 4,0-5,
0 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 42,0 <SEP> 63,0 <SEP> 21 <SEP> 5,2
<tb> 15 <SEP> D <SEP> U <SEP> 13,0 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 64,8 <SEP> 71,4 <SEP> 23 <SEP> 4, <SEP> 2 <SEP>
<tb> .16 <SEP> D <SEP> 1 <SEP> 13,0 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 63,3 <SEP> 72,0 <SEP> l,2 <SEP> 1,2
<tb> 17 <SEP> E <SEP> U <SEP> 3,5-4,6 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 43,8 <SEP> .
<SEP> 58,0 <SEP> 55 <SEP> 4,1
<tb> 18 <SEP> E <SEP> 1 <SEP> 3,5-4,6 <SEP> 650 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 44,6 <SEP> 60,0 <SEP> 8,7 <SEP> 4,2
<tb> 19 <SEP> A <SEP> U <SEP> 14,5 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 45,1 <SEP> 55,4 <SEP> 22,6 <SEP> 1,8
<tb> 20 <SEP> A <SEP> 1 <SEP> 14,5 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 46,0 <SEP> 58,8 <SEP> 2,3 <SEP> 1,2
<tb> 21 <SEP> B <SEP> U <SEP> 3,5 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 34,1 <SEP> 36,5 <SEP> 130,0' <SEP> 0,8
<tb> 22 <SEP> B <SEP> 1 <SEP> 3,5 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 37,7 <SEP> 42,9 <SEP> 18,8 <SEP> 1,4
<tb> 23 <SEP> E <SEP> U <SEP> 3,5-4,6 <SEP> 700 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 30,7 <SEP> 35,5 <SEP> 165 <SEP> 2,0
<tb> 24 <SEP> E <SEP> 1 <SEP> 3,5-4,6 <SEP> 7@0 <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> 27,7 <SEP> 35,5 <SEP> 40 <SEP> 3,
2
<tb>
<Desc/Clms Page number 10>
Les traitements thermiques sont les suivants :
Traitement A : un traitement en solution classique et un vieillis- sement comprenant 20 minutes à 1020 C suivi par 4 heures à 7 0 C;
Traitement B: travail à froid pour obtenir une réduction d'é ais- seur de 65%, recuit pendant 3 secondes à 10500C. trempe à 1,, au et vieillissement comme dans le traitement A,
Traitement C:
travall à froid pour obtenir une réduction d' pais- seur de 50%, recuit à 1050 C pendant 5 secondes, trempe à l'Eau, travail à froid pour obtenir une réduction d'épaisseur de 28 5%, -et répétition du recuit de la trempe et du vieillissement com@e dans le traitement A, Traitement D : en solution classique et vieillisseme@t avec un recuit intermédiaire de courte durée comprenant 20 min.
10200C un refroidissement à l'air, 3 secondes à 1050 C, une trempe à l'eau et 4 heures à 750 C, et
Traitement E: traitement en solution 'à 1150 C pendant . j
1 heure, travail à froid pour obtenir une réduction d'épaisseur de 80%, recuit pendant 3 secondes à 10500C, trempe à l'eau, vieillissement à 875 C pendant 15 minutes, refroidissement à l'air, vieillissement à 750 C pendant 4 heures et refroidisse- ment à l'air,
Dans la colonne "traitement d'irradiation" l'alliage' . est soit non irradié (U), soit irradié (I) jusqu'à une dose de
1,5 x 1020 neutrons thermiques/cm2 et 5 x 1019 neutrons de fission/cm2.
On remarquera que le traitement A ne donne pas de petites dimensions des grains et que la ductilité (telle que mesurée-par le pourcentage d'allongement) de ce matériau après ce traitement est faible avant et,plusparticulièrement,après irradiation.
Le traitement D,bien qu'il comprenne le recuit de courte durée ,ne 'comprend pas le travail à froid avant le recuit et on: remarquera que.les résultats obtenus avec ce traitement donnent . des grains de relativement grandes 'dimensions et une faible ductilité,
Les traitements B, C et E,cependant,comprennent tous à
<Desc/Clms Page number 11>
EMI11.1
la fois le travail à froid et un recuitdeoourte durée et onl1!tIBrquera qu'avec ces traitements, de petites dimensions des grains ne dépassant pas 5,0 microns en moyenne sont obtenues et qu'également les ma- tériaux ont une ductilité satisfaisante aussi bien avant qu'après l'irradiation.
On constata donc que le procédé de la présente inven- tion donne un matériau ayant des grains de petites dimensions et que ce matériau présente une ductilité améliorée aux températures élevées après irradiation.
REVENDICATIONS.
1.- Procédé de traitement d'un acier inoxydable austé- n itique ou d'un métal analogue, caractérisé en ce qu'on travaille à froid le métal, on le chauffe ra dement jusqu'à une tempéra- ture de recuit dans la gamme 900-1200 C, on maintient cette tem- pérature de recuit pendant une durée suffisante pour provoquer une recristallisation pratiquement complète du métal mais insuf- fisante pour provoquer une croissance significative du grain et on refroidit ensuite rapidement le métal chaud.