Electric Furnace Products Company, Limited, New-York (E: U. d'Am.). Alliage. La présente invention a pour objet un alliage présentant une grande résistance mé canique à température élevée.
lie développement des machines thermi ques, notamment des turbines à gaz et des réacteurs, nécessite de plus en plus la fabri cation d'éléments usinés présentant une grande résistance mécanique à température élevée. Plusieurs alliages ont été déjà proposés à cette fin; leur usage est cependant resté très limité soit parce que leur travail à chaud n'est pas possible, soit du fait qu'ils deviennent fra giles après une exposition prolongée à haute température.
En effet, une particularité des alliages ferreux fortement alliés, qui rend le problème particulièrement difficile à résou dre, est que l'addition de composants aug mentant la résistance mécanique à tempéra ture élevée entraîne une diminution de la stabilité, qui rend lesdits alliages fragiles à la suite d'une exposition prolongée à tempéra ture élevée.
Le besoin d'un alliage pouvant être tra vaillé à chaud, de grande résistance méca nique à température élevée et possédant une bonne stabilité auxdites températures, se fait donc sentir.
La présente invention vise à satisfaire ce besoin et a pour objet un alliage caractérisé en ce qu'il contient, en poids, de 15 à 25% de chrome, de 15 à 25% de nickel, de 10 à 251/o de cobalt, de 1 à 3,51/o de molybdène, de 0,5 à 7,5% de tungstène,
un métal actant une forte affinité pour le carbone en pro- portion n'excédant pas 21/o, ou plusieurs de ces métaux en proportion individuelle n'excé- dant pas 2% et en proportion globale n'excé- dant pas 3 %,
la teneur de l'alliage en le- ou en lesdits métaux étant d'au moins 0,5 0/0, du manganèse, en proportion n'excédant pas 2%, du silicium, en proportion n'excédant pas 1%, du carbone, en proportion n'excédant, pas 10/0, de l'azote,
en proportion n'excédant. pas 0,25 %, et du fer en proportion plus élevée que celle de chacun des autres éléments de l'alliage, pris individuellement.
Des métaux qui ont une forte affinité pour le carbone sont notamment le niobium, le tan tale, le titane et le vanadium. Ils peuvent être présents dans l'alliage soit isolément, soit en mélange de deux ou plus de deux. Lorsque l'alliage contient du titane, la teneur en ce métal sera de préférence inférieure à 1,5%.
Si une excellente forgeabilité est désirée, la teneur de l'alliage en carbone doit rester inférieure à 0,351W. La teneur en fer sera de préférence comprise entre 25 et 551/o. En gé néral, L'alliage selon l'invention contiendra également de faibles quantités d'impuretés inévitables.
En se tenant aux données de composition. indiquées ci-dessus, on peut obtenir des alliages pouvant être aisément forgés, soudés et usinés et dont la résistance mécanique el, la stabilité à haute température (648 C et plus) sont excellentes. Des éléments de ma chines exécutées en de tels alliages peuvent travailler sous de fortes contraintes pendant un temps prolongé à<B>815'</B> C, ou à des tempé ratures un peu plus élevées pendant de courtes périodes et sans contrainte excessive.
Pour déterminer les qualités d'un métal ou d'un alliage à haute température, on procède dans les conditions suivantes à l'essai de rup ture. Plusieurs échantillons du matériel sont soumis chacun à un effort de traction diffé rent déterminé, à une température élevée dé terminée. Le temps nécessaire pour que la rupture ait lieu dans ces conditions est relevé. Les valeurs obtenues sont reportées sur un graphique, le temps de rupture en abscisses et la contrainte appliquée en ordonnée, par exemple. On obtient ainsi pour le matériel essayé une courbe qui, pour une température déterminée, donne le temps nécessaire à la rupture en fonction de la contrainte à la quelle le matériel est soumis.
Ces courbes sont relevées pour plusieurs températures et sont reportées sur un graphique unique qui per met de déterminer de faon précise les con traintes que peut supporter le matériel en question pour une température et un temps donnés quelconques. Ces valeurs sont parti culièrement utiles pour l'établissement de pro- jets; spécialement s'il est à prévoir que le ma tériel choisi sera soumis à des surchauffes et à des surcharges. Le tableau I donne les résultats caractéris tiques d'essais obtenus avec différents alliages conformes à l'invention. Dans cette série d'es- lais, tous les échantillons, à l'exception du dernier, sont à l'état forgé.
Le dernier échan tillon, après avoir été forgé, a été recuit une demi-heure à 12040 C, trempé à l'eau, recuit quatre heures à<B>815'</B> C et refroidi à. l'air. Les valeurs indiquées pour les contraintes (eli kg/cm2) sont celles qui provoquent la rupture de l'échantillon après 1000 heures à la tempé rature indiquée, et sont obtenues à, partir de courbes relevées au cours d'essais de rupture exécutés comme décrit ci-dessus.
Le tableau IA donne les résultats d'essais d'autres alliages conformes à l'invention, essais à<B>815'</B> C sous une contrainte de 1400 kg/cm=. Le temps de rupture est indiqué en heures. Ces résultats ont été obtenus avec des échantillons à l'état forgé, sans traitement subséquent pour le premier, le second étant recuit pendant une heure à environ<B>1226'</B> C" et trempé à l'eau après avoir été forgé.
Tableau <I>I:</I>
EMI0002.0011
Tableau I.1:
EMI0003.0003
Composition: <SEP> 0,5 /" <SEP> Si, <SEP> 1,5% <SEP> Mn, <SEP> 3% <SEP> Mo, <SEP> 2% <SEP> W <SEP> Nombre <SEP> d'heures <SEP> après
<tb> et <SEP> les <SEP> constituants <SEP> indiqués <SEP> ci-dessous, <SEP> le <SEP> solde <SEP> étant <SEP> du <SEP> fer <SEP> lequel <SEP> la <SEP> rupture <SEP> se <SEP> produit
<tb> à <SEP> 815<B>1</B> <SEP> C <SEP> et <SEP> 1400 <SEP> kg/cm2
<tb> Cr <SEP> % <SEP> Ni <SEP> % <SEP> Co <SEP> % <SEP> Nb <SEP> % <SEP> C <SEP> % <SEP> N <SEP> Autres
<tb> 20 <SEP> 20 <SEP> 20 <SEP> - <SEP> 0,15 <SEP> 0,12 <SEP> 1% <SEP> Ti <SEP> 1_12
<tb> 20 <SEP> 20 <SEP> 20 <SEP> 0,5 <SEP> 0,15 <SEP> 0,12 <SEP> 0,
25% <SEP> Ti <SEP> <B>1</B>60 Les valeurs indiquées par ce tableau mon trent la haute résistance mécanique aux tem pératures élevées, que possèdent les alliages définis ci-dessus conformes à l'invention. Les valeurs obtenues pour les alliages à disposi tion sur le marché et employés jusqu'à main tenant pour la construction de pièces travail lant sous des contraintes élevées et à haute température, sont de beaucoup inférieures à ces chiffres.
Par exemple, un alliage se trou vant sur le marché et de composition suivante: chrome 13,4 %, nickel 19,1%, tungstène 2,6%, molpbdène 0,7%, carbone 0,5%, le reste étant du fer, donne pour un essai de 1000 heures à 648" C une contrainte de rupture de 1470 kg/cm'.
Un alliage similaire, contenant cependant 27,4% de nickel, a montré une résistance identique à 648" C, une contrainte (le rupture de 771 kg/cm2 à 7340 C et de -121 kg/cm2 à 8150 C.
De justes proportions des éléments consti tuant les alliages conformes à l'invention sont déterminantes pour obtenir une haute résis tance; spécialement pour les éléments: car bone, azote et pour les métaux présentant une grande affinité pour le carbone: niobium, tantale, titane et vanadium. Si la teneur en carbone était trop élevée ou si l'azote man quait, la résistance de l'alliage serait compro mise.
Le fait que les alliages conformes à l'in vention sont aussi résistants à température normale qu'à haute température est, démontré par des essais à la traction effectués à tem pérature normale.
Le tableau II donne les résultats de ces essais. Différents échantillons d'alliage ont subi les essais à l'état forgé (état 1) et forgé, recuit à 1204-1259 C pendant une heure et trempé à l'eau (état 2).
Dans les essais effectués sur des éprou vettes de traction normalisées de 1,2 cm de diamètre, la, tension provoquant une d6for- mation de 0,2% est indiquée en kg/cm2, la tension de rupture à la traction en kg/cm= et l'allongement en % (% All.),
il est mesuré sur une longueur de 5 ern. Les chiffres portés dans le tableau sous /o Str> indiquent le pourcentage de la réduction de la section de l'éprouvette au point de rupture.
Tableau <I>II:</I>
EMI0003.0050
Composition: <SEP> 1,5% <SEP> Mn, <SEP> 0,5% <SEP> Si <SEP> et <SEP> les <SEP> constituants <SEP> indiqués <SEP> ci-dessous,
<tb> le <SEP> solde <SEP> étant <SEP> du <SEP> fer
<tb> Alliage <SEP> N <SEP> % <SEP> Cr <SEP> % <SEP> Ni <SEP> % <SEP> Co <SEP> % <SEP> Mo <SEP> % <SEP> W <SEP> % <SEP> Nb <SEP> % <SEP> C <SEP> % <SEP> N
<tb> 1 <SEP> 1.5 <SEP> 16 <SEP> 13 <SEP> 3 <SEP> 2 <SEP> 1. <SEP> 0,15 <SEP> 0,10
<tb> 2 <SEP> 21 <SEP> 21 <SEP> 21 <SEP> 3,2 <SEP> 2,2 <SEP> 1 <SEP> 0,13 <SEP> 0,11.
EMI0004.0001
Une propriété particulière des alliages con formes à l'invention est leur résistance élevée à la corrosion, dans un milieu oxydant et dans Lin milieu réducteur.
Les alliages résis tant à la corrosion disponibles jusqu'à ce jour sont en général prévus pour résister soit dans un milieu oxydant, soit dans un milieu réduc teur, mais non pas indifféremment dans les deux milieux. Par exemple, les aciers inoxy- dables connus du type à 18 % de chrome, 8 % de nickel,
spécialement ceux modifiés par la présence de molybdène et de niobium, pos sèdent une grande résistance à la corrosion par oxydation, mais comparativement une beaucoup plus faible résistance à la corrosion dans un milieu réducteur. Au contraire, les alliages à base de nickel contenant du molyb- dène en quantité substantielle montrent fine remarquable résistance à la corrosion dans izri milieu réducteur, mais une résistance relative ment beaucoup plus faible à la corrosion par oxydation.
Ainsi, des objets prévus pour ré sister à une corrosion par oxydation ne peu vent être employés normalement dans le cas de corrosion dans un milieu réducteur, et vice versa. En opposition marquée aux alliages courants résistants à. la corrosion, les alliages conformes à l'invention montrent une très bonne résistance à la corrosion, que le milieu soit oxydant bu réducteur.
Le tableau III donne les résultats d'essais de eorrosion effectués dans plusieurs milieux différents sur des échantillons d'acier inoxy dable connus, d'alliage conforme à. l'invention et d'alliage au niel,:
el-tnolybdène connus. Dans le tableau, l'alliage A est un aeier connu de très bonne qualité contenant 18% de chrome, 8 % de nickel ainsi que dut moly bdène et du niobium;
l'alliage B est du type conforme ;i. l'invention, sa composition est environ: ehronre 21%, nickel 21%, cobalt 21%, molybdène 3111o, tungstène 21/o, niobium l1/0, silicium 0,51/0, manganèse 1.,5%, azote 0,1'%, carbone 0,
1% et, pour le reste, du fer; l'alliage C est un alliage connu de très bonne qualité au nickel, contenant environ 151/o de chacun des com posants molybdène et chrome.
Le résultat des essais de corrosion est donné en centimètre de pénétration par mois. Tableau <I>III:</I>
EMI0004.0072
Degré <SEP> de <SEP> corrosion <SEP> dans <SEP> les <SEP> milieux <SEP> suivants:
<tb> Alliage <SEP> Bouillant <SEP> Temp, <SEP> normale <SEP> 700 <SEP> C <SEP> 700 <SEP> C <SEP> Vapeur <SEP> saturée
<tb> 65% <SEP> HNOs <SEP> 10% <SEP> HCl <SEP> 10% <SEP> HCl <SEP> 10% <SEP> HCI <SEP> aéré <SEP> de <SEP> Cl_
<tb> A <SEP> 0,0020 <SEP> 0,0052 <SEP> dissous <SEP> dissous <SEP> 0,0g25
<tb> B <SEP> 0,0035 <SEP> 0,0023 <SEP> 0,187 <SEP> 0,1.87 <SEP> 0,175
<tb> C <SEP> 0,1650 <SEP> 0,0006 <SEP> 0,02 <SEP> 0,0375 <SEP> 0,211 Le tableau III montre que l'acier inoxy dable A a une bonne résistance à la corrosion par l'acide nitrique (milieu oxydant),
mais qu'il est attaqué par l'acide chlorhydrique chaud (milieu réducteur). L'alliagge au nickel- molybdène C, par contre, a une bonne résis tance à l'acide ehlorhydriqite. mais n'est pas aussi résistant à l'acide nitrique. L'alliage conforme à l'invention B a une bonne résis tance aux deux milieux, oxydant et réducteur. Pour obtenir une résistance élevée à la corro sion, la teneur de l'alliage en carbone et azote doit être faible.
La bonne résistance à la corrosion des alliages conformes à l'invention fait qu'ils sont particulièrement indiqués pour les cas de mandant une résistance élevée à la corrosion soit dans un milieu oxydant, soit dans un milieu réducteur, soit alternativement dans ces deux milieux, ou encore dans des condi tions où le milieu est oxydant et réducteur, comme par exemple lors de la manutention de l'anhydride acétique ou de l'acide chlor hydrique contenant. des ions ferreux.
Les alliages conformes à l'invention peu vent être forgés ou travaillés à chaud sans difficulté dans lin domaine de température de 1149 à<B>871'</B> C, ils se laissent facilement usiner. Ils possèdent de bonnes qualités de pliage et de laminage, à froid et à chaud, du fait de leur ductilité; leur bonne aptitude à être emboutis est montrée par les essais nor malisés Ericlrsen qui donnent pour des feuilles laminées et recuites (refroidies à l'air à 1150"C) un résultat de 11,4.
La feuille essayée avait une épaisseur de 0,088 cm et était formée d'un alliage contenant environ: chrome 21%, nickel 20%, cobalt 20%, molyb- dène 31/o, tungstène 21/o, niobium 10/0, man ganèse 1,511/o, silicium 0,51/o, azote 0,131/o, carbone 0,13%,
le solde étant du fer.
Pour l'essai d'Erichsen, la feuille échan tillon est pincée entre deux matrices, de faon à permettre le glissement du métal. Un poin çon, à l'extrémité arrondie, commandé par un piston contrôlé par une vis micrométrique, est appliqué sur la feuille. La profondeur en millimètres de l'empreinte nécessaire pour pro voquer la rupture de la feuille est appelée < ,,chiffre d'Erichsen .
Un autre avantage important des alliages de l'invention est qu'ils peuvent être soudés par les méthodes ordinaires de soudure compre nant les différents procédés, par l'arc élec trique ou oxyacétylénique, avec métal d'ap port et par contact.
Les soudures obtenues sont saines, résis tantes et ductiles, c'est non seulement le cas pour les soudures elles-mêmes, mais aussi pour les zones voisines de la soudure.
Le tableau IV présente les résultats d'es sais à la traction et au choc (Charpy) exé- entés sur des échantillons normalisés compo sés entièrement de métal déposé par soudure à l'arc électrique.
Le métal contenait: chrome 29_111o, nickel 19 %, cobalt 20 %, rnolybdène 3 %, tungstène 2%, niobium 1%, silicium 0,5%, manganèse 0,5%, azote 0,12%, carbone 0,
06%, pour le solde, du fer. Dans le tableau, la ten- sion provoquant une déformation de 0,2%, la limite élastique et la tension de rupture à la traction sont indiquées en kg/cm', l'allonge- ment en %, mesuré sur une longueur de 2,
5 cm (% All.), la. réduction de la section au point de rupture (% Str.) en pourcentage de la section originale de l'éprouvette; les ré sultats des essais de Charpy (résistance au choc) sont indiqués en kg/m.
La première ligne donne les résultats obtenus pour 'Lin échantillon produit par soudure, brut; la se conde pour un échantillon produit par sou dure, recuit à 11500 C pendant 15 minutes et refroidi à l'air. <I>Tableau IV:</I>
EMI0005.0087
Tension <SEP> Limite
<tb> pour <SEP> déformation <SEP> élastique <SEP> Tension <SEP> de <SEP> % <SEP> A11. <SEP> % <SEP> Str. <SEP> Choc
<tb> 0,2% <SEP> y.
<SEP> p, <SEP> rupture <SEP> Charpy
<tb> 1 <SEP> 3480 <SEP> 3790 <SEP> 7180 <SEP> 44 <SEP> 45,8 <SEP> 3,18
<tb> 2 <SEP> 3860 <SEP> 4260 <SEP> 7290 <SEP> 42 <SEP> 34,1 <SEP> 3,88 Pour obtenir les caractéristiques désirées clé ces alliages conformes à l'invention, il est des plus important que les limites des compo sitions énoncées précédemment soient bien observées et que les différents constituants soient présents clans les proportions exactes. Si la teneur en molybdène, tungstène, nio bium, tantale, titane, vanadium et carbone était plus élevée que les limites indiquées, les propriétés de l'alliage, en ce qui concerne son aptitude à se laisser travailler à chaud et sa soudabilité seraient diminuées; les soudures faites avec un tel alliage manqueraient de ré sistance et de ductilité.
Les effets nuisibles d'une trop haute teneur en ces éléments ne pourraient pas être évités d'une manière satis faisante par une augmentation de la teneur de l'alliage en cobalt et en nickel. Une trop forte teneur en carbone ou des quantités in- suffisantes de métaux ayant une forte affi nité pour le carbone tels que le niobium, l^ tantale, le titane et le vanadium, ou d'azote auraient un résultat dévaforable sur la résis tance mécanique à haute température de l'al liage. Il est donc nécessaire d'observer les limites . indiquées ci-dessus en cours de la fabrication de l'alliage.
Au cas où l'alliage est destiné à des appli cations où l a température ne dépasse pas en-- viron 7340 C, la composition peut être voisine des limites inférieures indiquées; par contre, si les températures prévues dépassent 73-1' C, la composition se rapprochera des limites supé rieures indiquées. Des applications caractéris tiques pour lesquelles l'emploi d'alliages con formes à l'invention est particulièrement indi qué, sont les aubes, disques et autres parties de turbine, ces pièces étant soit cordées, soit forgées.
Malgré que l'on ait insisté plus particu lièrement sur les propriétés de ces alliages au point de vue de leur travail à chaud et de leurs possibilités d'usinage, ils présentent également des propriétés qui les rendent très indiqués pour la fabrication de pièces coulées.