La présente invention a pour objet des alliages austénitiques à faible dilatation et plus particulièrement des alliages austéniti ques de nickel-fer ou de nickel-fer-cobalt sous forme coulée ayant un coefficient de dilatation thermique faible en associatif avec une bonne résistance à la traction à des températures jusqu'à environ 600 C.
Il est bien connu que certains alliages austénitiques de nickel et de fer possèdent des propriétés de dilatation thermique inhabituelle. Par exemple un alliage austénitique de 36Go de nickel et 64% de fer a un coefficient de dilatation thermique voisin de 0 entre les températures de O"C et environ 200 C. De tels alliages de nickel-fer connus. cependant ont une faible résistance entre 20 et 6000C. et il est aussi connu de rendre ces alliages plus résistants pour leur utilisation à l'état travaillé en ajoutant un élément tel que le titane qui forme un précipité qui est un composé intermétallique lorsqu'on soumet l'alliage travaillé à un traitement thermique de vieillissement.
Cependant. comme il est aussi bien connu l'augmentation de la résistance qui résulte de ces additions est obtenue aux dépens du faible coefficient de dilatation thermique qui tend à augmenter désavantageusement lorsque la résistance augmente et on s'attendrait à ce que cet effet désavantageux soit encore plus marqué pour l'alliage sous forme coulée que pour l'alliage sous forme travaillée.
On propose maintenant de rendre plus résistants des alliages austénitiques de nickel-fer (-cobalt) à faible dilatation, pour leur utilisation sous forme coulée, en ajoutant des éléments formateurs de carbure. Normalement on s'attendrait à ce que l'addition dans des alliages de nickel-fer d'éléments formateurs Us UUIs te:sn quc: pat ple le I Caiouuc, ic cnrome, ie molybdène augmenteraient sensiblement le faible coefficient de dilatation thermique au'on neut obtenir dans des a es de nickel-fer.
On a maintenant trouvé avec surprise que si la teneur en nickel, ou lorsque le contait est aussi present la somme aes teneurs en nickel et en cobalt est maintenue dans des limites particulières, des additions de carbone et de vanadium qui forment des carbures avec le carbone et facultativement de chrome et/ou de molybdène qui forment aussi des carbures avec le carbone, peuvent être faits ce qui augmente sensiblement la résistance des pièces coulées à partir d'alliage de nikkel-fer (-cobalt) avec ou sans vieillissement, et en même temps permettent de maintenir en grande partie un faible coefficient de dilatation thermique.
Conformément à la présente invention on fournit une pièce coulée de structure principalement austénitique, faite à partir d'un alliage très résistant à la traction et à faible dilatation contenant en poids de 21 à 55% de nickel. de 0 à 18% de cobalt, de 0,3 à 2,5 6Xc de carbone, de 0 à 3 C c de chrome, de 0,2 à 1,2% de vanadium. de 0 à 3% de molybdène, de 0 à 2% de zirconium, de 0 à 2% de niobium, de 0 à 2% de tungstène, à condition que la somme des teneurs en chrome, molybdène, vanadium, zirconium, niobium et tungstène soit comprise entre 1 et 4% que la somme:
% Ni + 0,75 ((7cCO) = 30.5 à 55.
le solde à part les impuretés. étant le fer le rapport nickel:fer étant égal ou supérieur à 0,4:1 en poids. De préférence, le rapport nickel:fer doit être égal ou supérieur à 0,45:1.
L'alliage de la présente pièce peut en outre contenir au moins un des métaux suivants aux Sto maxima indiqués entre paranthèses: aluminium (0.5), manganèse (2), silicium (0,5), magnésium (0,1), calcium (0,05), total d'un ou plusieurs métaux choisis parmi yttrium, lanthane et lanthanides (0,2).
Dans les présents alliages, la teneur en nickel de préférence ne dépasse pas 43%, la somme: Wo Ni + 0,75 (5toCO) est de 31,5 à 43, la teneur en chrome est de 0,1 à l 1% ou elle est d'au moins 1%, la teneur en carbone ne dépasse pas 1 pro et la teneur en molybdène ne dépasse pas 2%. Des pièces coulées à partir de ces alliages au taux de Cr de 0.1 à 1% ont à l'état
durci par vieillissement une limite conventionelle d'élasticité à 0,2% à 500"C supérieure à 200 N/mm2 (Newtons par millimètre carré) et un coefficient de dilatation thermique dans la gamme de températures comprises entre 20 et 3500C qui n'est pas supérieure à 6,5 X 10-6/oC.
Des pièces coulées obtenues d'alliages dont le taux de Cr est d'au moins 1 % auront après vieillissement une limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% à 5000C supérieure à 200 N/mm2 et un coefficient d'expansion thermique entre 20 et 2500C inférieur à 6,5 x 10-6/oC.
De préférence, les présentes pièces coulées sont faites à partir d'alliages contenant en poids de 26,5 à 28,5% de nickel.
de 13 à 15% de cobalt, de 0,5 à 1 iS de chrome, de 0,45 à 0,55% de carbone, de 0,4 à 0,6% de vanadium, de 0,8 à 1,2% de molybdène, pas plus que 0,3 % de manganèse. moins de 0,3% cy, de silicium jusqu'à 0,25% d'aluminium, le solde étant le fer, et qui satisfont aux conditions précédentes.
Un alliage qui convient particulièrement bien pour l'utilisation pour des pièces coulées selon l'invention contient en poids: 0,5% de carbone, 0,75% de chrome, 0,5% de vanadium, 1% de molybdène, 0,3% de manganèse, moins de 0,3 de silicium, 0,2% d'aluminium, 14% de cobalt, 28% de nickel.
le solde étant le fer.
Un autre alliage qui convient particulièrement pour l'utilisation pour les pièces coulées selon l'invention contient en poids: 0,6% de carbone, 2% de chrome, 0,5% de vanadium, 0,3 ic de silicium, 0,3% de manganèse, 10% de cobalt, 30% de nickel, le solde étant du fer.
Des alliages appropriés pour l'utilisation pour des pièces coulées selon l'invention peuvent aussi contenir des petites quantités de phosphore et de bore en tant qu'impuretés telles oue nas olus oue 1% de nhosnhnre et/ou pas plus que 0,25 % de bore.
Les propriétés à la traction d'une pièce coulée selon l'invention sont fonction aussi bien de la teneur en carbone de l'alliage à partir duquel on a fait la pièce moulée que de la présence et de la quantité dans l'alliage à partir duquel on a fait la pièce coulée des éléments formant des carbures avec le carbone.
Bien que les présentes pièces coulées soient normalement tout à fait résistantes à l'état tel que coulé, donnant par exemple des valeurs de limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% à 5000C supérieures à 150 N/mm2 comparées à des alliages à 42% de nickel-fer ou de nickel-fer-cobalt qui essayées dans des conditions analogues donnent des valeurs de limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% d'environ 50 N/mm2, et ne nécessitent pas un traitement de vieillissement à température élevée, un traitement thermique peut être bénéfique.
Ainsi, le procédé de fabrication de telles pièces consiste en un traitement thermique dans la gamme de températures comprises entre 500 et 900OC et de préférence entre 600 et 850 C pendant un temps compris entre 1 et 24 heures. Ce traitement augmente avantageusement la résistance et diminuer le coefficient de dilatation thermique de l'alliage à partir duquel on a fait la pièce coulée selon l'invention. Un chauffage pendant 2 à 4 heures à 750 C ou pendant 4 heures à 700C est suffisant, mais on préfère chauffer les pièces coulées pendant 8 à 24 heures à 7000C ou pendant 2 à 8 heures à 7500C. Généralement on peut appliquer le durcissement par vieillissement à des alliages tels que coulés mais si on le désire il peut être précédé de chauffage par dissolution.
Des teneurs en nickel au-dessus de 55% ou en-dessous de 21C/c ont un effet négligeable sur les propriétés à la traction des alliages appropriés par ailleurs pour des pièces coulées selon l'invention mais des teneurs en Ni inférieures à 21 % ont un effet nuisible sur la stabilité de la structure austénitique de l'alliage. L'augmentation de la teneur en nickel augmente le coefficient de dilatation thermique comme on peut le voir d'après les résultats de l'exemple 1 suivant.
Exemple I
On a fondu sous vide les alliages 1 à 7 ayant les composi
tions, à part les impuretés, indiquées dans le tableau I suivant
et on les a coulées sous vide en des pièces coulées selon l'in Invention. On a traité thermiquement les pièces coulées pendant
8heures à 700OC et on les a essayées pour la dilatation thermi
que dans la gamme de 20 à 300OC et on a obtenu les résultats
indiqués dans le tableau I.
Tableau I
Composition (% en poids) Coefficient de dilata-
Alliage Cr+Mo+V+ Ni/Fe tion de 205 300 C
Fe Co C Cr Mo V Ni Ni+0,75 Co Zr+Nb+W NiSFe (X10-6/OC)
1 48,81 12,89 0,58 2,11 1,02 0,48 34,1 43,76 3,61 0,70 8,9
2 50,13 13,68 0,52 2,09 0,99 0,45 32,4 42,66 3,53 0,65 8,5
3 50,79 13,76 0,48 2,07 1,06 0,44 31,4 41,72 3,57 0,62 7,8
4 51,36 13,99 0,50 2,06 1,02 0,47 30,6 41,07 3,55 0,60 7,4
5 52,42 13,98 0,50 2,11 1,03 0,46 29,5 39,97 3,60 0,56 6,6
6 53,19 14,07 0,50 2,06 1,03 0,45 28,7 39,23 3,54 0,54 6,0
7 55,18 13,12 0,52 2,04 1,05 0,48 27,6 37,44 3,57 0,50 5,5
On peut voir d'après les résultats du tableau I que la diminution de la teneur en nickel pour des alliages par ailleurs en général similaires a diminué le coefficient de
dilatation. Dans les alliages utilisés pour les présentes pièces coulées la teneur en nickel est comprise entre 21 et 55% en poids. De préférence la teneur en nickel ne dépasse pas 43 % et pour assurer une faible dilatation optimum pour des teneurs en cobalt de 5 à 18%, la teneur en nickel de préférence ne dépasse pas 35%, par exemple elle est de 26,5 à 28,5% ou 30%.
Des teneurs en cobalt supérieures à 18% ont aussi un effet négligeable sur les propriétés de traction à température élevée des alliages appropriés par ailleurs pour les présentes pièces coulées mais si on augmente la teneur en cobalt le coefficient de dilatation diminue comme on peut le voir d'après l'exemple 2.
Exemple 2
On a fondu sous vide les alliages 8 et 9 ayant les compositions indiquées dans le tableau II suivant et on les a coulés sous vide en des pièces coulées selon l'invention. On a traité thermiquement les pièces coulées pendant 8 heures à 700OC et on les a essayées pour la traction à 500OC et pour la dilatation thermique dans la gamme de 20 à 300OC et on a obtenue les résultats indiqués dans le tableau II.
Tableau Il
Coefficient Limite
de dilatation conventionnelle
Alliage Composition (% en poids) de 20 à 300C d'élasticité
Cr+Mo+V+ (X 10-6/ C) a0,2%à5000C
Fe C Cr Mo V Co Ni Ni+0,75 Co Zr+NB+W Ni/Fe (N/mm2)
8 54 0,5 2 1 0,5 14 28 38,5 3,5 0,52 4,9 260
9 55,84 0,45 2,08 1 0,43 0 40,2 40,2 3,51 0,72 6,7 249
On peut voir d'après les résultats du tableau II qu'en augmentant la teneur en cobalt pour des alliages généralement similaires le coefficient de dilatation augmentait sans qu'il y ait beaucoup d'augmentation de la résistance.
En comparant les résultats du tableau II aux résultats du tableau I on peut voir qu'en augmentant la teneur en cobalt de la même quantité qu'on augmente la teneur en nickel ils résultent moins d'augmentation de coefficient de dilatation. Les résultats du tableau II montrent aussi que la présence de jusqu'à 18% de cobalt a pour résultat un coefficient de dilatation plus faible que ce ne serait le cas en l'absence de cobalt. Dans les alliages utilisés pour les pièces coulées selon l'invention la teneur en cobalt est comprise entre 0 et 18% en poids. De préférence, la teneur en cobalt ne dépasse pas 15% ou même 10% et avantageusement elle est comprise entre 13 et 15%, par exemple 14%.
Pour assurer des propriétés optimums de dilatation thermique dans des gammes de températures particulières, il faut que les teneurs en nickel et en cobalt soient rendues optimums et mises en corrélation dans les alliages à partir desquelles on a fait les présentes pièces coulées. Dans ces alliages la somme:
% Ni + 0,75 (% Co) = 30,5 à 55.
Cela se rapporte à une teneur en nickel plus cobalt comprises entre 35 et 55 %. De préférence, la somme % Ni + 0,75 (%Co) est comprise entre 31,5 et 43, ce qui se rapporte à une valeur totale en nickel plus cobalt de 36 à 43%. Pour des propriétés optimums de dilatation thermique à l'état tel que coulé et non traité thermiquement, ou à l'état durci par vieillissement, les alliages utilisés pour les présentes pièces coulées de préférence doivent avoir des teneurs en nickel et en cobalt en corrélation comme indiqué dans le tableau III suivant pour l'utilisation dans les gammes de températures de service spécifiées.
Tableau III
Gamme de températures Optimum %Ni + 0,75 Coefficient de dilatation ( C) (%Co) thermique à l'état coulé et
non vieilli (x10-6/OC) 20-100 34,1-37,1 < 5 20-200 35,4-38,4 < 6,5 20-300 36,6-39,6 < 7,5 20-350 37,0-40,0 < 8,5 20-450 38,0-41,0 < 10
Les coefficients de dilatation indiqués dans le tableau III sont pour les pièces coulées à l'état tel que coulé et non vieilli.
On peut obtenir des coefficients de dilatation même inférieurs dans les mêmes gammes de températures pour les pièces coulées à l'état durci par vieillissement.
On obtient les propriétés de dilatation les plus basses avec les teneurs en cobalt les plus élevées. Cependant, pour maintenir les alliages avec une structure principalement austénitique, et ainsi pour assurer les meilleures propriétés de faible dilatation, à la température ordinaire le rapport nickel: fer doit être supérieur ou égal à 0,4 et de préférence supérieur ou égal à 0,45. On peut réduire encore les coefficients de dilatation donnés dans le tableau III en gardant la teneur en cobalt élevée à condition de satisfaire aux relations précédentes:
%Ni + 0,75 (%Co) et Ni/Fe.
La résistance à la traction à température élevée des alliages à partir desquels on fait les présentes pièces coulées dépend aussi bien de leur teneur en carbone qu'en la teneur du ou des éléments qui forme un carbure (s) avec le carbone. Lorsqu'on augmente la teneur en carbone avec une teneur fixe en chrome et qu'on augmente la teneur en chrome avec une teneur fixe en carbone on obtient les résultats indiqués dans l'exemple 3 suivant.
Exemple 3
On a fondu les alliages 10 et 15 ayant les compositions indiquées dans le tableau IV suivant et on les a coulés à l'air en des pièces coulées selon l'invention. On a traité thermiquement les pièces coulées pendant 24 heures à 7000C, on a fait des essais de traction à 5000C et des essais de dilatation thermique sur diverses gammes de températures et on a obtenu les résultats indiqués dans le tableau IV.
Tableau IV
Composition (No en poids)
Cr+Mo+V+ Ni/Fe
Fe C Cr Co Mo V Al* Si Mn Mg Ca Ni Ni+0,75 Co Zr+NbtW
10 54,14 0,45 2,08 13,9 1,0 0,43 - - - - - 28 38,43 3,51 0,52
11 53,88 0,55 1,93 13,59 1,07 0,44 0,15 0,16 0,32 - 0,01 27,9 38,09 3,44 0,52
12 53,21 0,94 2,10 13,8 1,08 0,43 - 0,14 0,26 0,042 - 28,0 38,4 3,61 0,53
13 52,42 1,30 2,11 13,9 1,03 0,46 - 0,19 0,29 - - 28,3 38,73 3,60 0,54
14 52,62 2,5** 2,1 13,65 1,10 0,53 - 0,29 0,31 - - 26,9 37,14 3,73 0,51
15 55,06 0,545 - 13,79 1,09 0,42 0,15 0,10 0,32 - 0,02 28,5 38,84 1,51 0,52
Addition nominale d'AI **Addition nominale de C
Tableau IV (suite)
Alliage Limite conven- Coefficient de dilatation (X 10-6/ C) tionnelle d'élas- 20-100 C 20-200 C 20-300 C 20-350 C 20-400 C 20-500 C
20-600 C
ticité à 0.2%
(N/mm2)
10 249 N.D. N.D. N.D. 5,9 N.D. N.D. N.D.
11 290 4,45 4,4 4,6 5,4 6,5 8,6 9,5
12 283 N.D. N.D. N.D. 5,7 N.D N.D. N.D.
13 259 N.D. N.D. N.D. 6,1 N.D. N.D. N.D.
14 247 N.D. N.D. N.D. 6,7 N.D. N.D. N.D.
15 271 4,1 3,9 3,9 4,1 5,1 7,2 8,8
N.D. = non déterminé
Tableau V
Traitement Limite conven- Coefficient de diiatation ( x 10-6/ C) thermique tionneiledéjas- 2O1lOC 20-200 C 20-300 C 20-350 C 400 C 20-500 C 20-400 C
ticité à 0,2%
(N/mm2)
tel que coulé 205 5,5 4,9 4,9 5,3 6,3 8,2 9,8
4h/700"C 4,1 4,0 4,1 4,7 5,9 7,9 9,4
8h/700"C 4,1 4,0 4,0 4,7 5,8 7,9 9,4
24h/700"C 262 3,9 3,7 3,8 4,5 5,7 7,8 9,4
2h/750"C 4,6 4,1 4,1 4,7 5,9 7,8 9,4
4h/750"C 250 4,6 4,3 4,3 4,9 6,0 8,0 9,5
8h/750"C 3,5 3,6 3,8 4,5 5,7 7,7 9,3
N/mm2 = Newtons par millimètres carrés h = heures
On peut voir d'après les résultats du tableau IV que lorsqu'on augmentait la teneur en
carbone jusqu'à 0.55% il y avait une augmentation initiale de la limite conventionnelle d'élasticité à 0,2 %. Tandis qu'on augmentait la teneur en carbone jusqu'à 0,55% il y avait une diminution initiale du coefficient de dilatation thermique et tandis qu'on augmentait la teneur en carbone au-dessus de 0,55% il y avait une augmentation du coefficient de dilatation thermique. La quantité de carbone pour des propriétés optimums de limite conventionnelle d'élasticité et de dilatation est généralement associée à la quantité d'éléments formateurs de carbure présents et varie dans une certaine mesure à partir de la valeur de 0,55 % lorsque la quantité d'éléments formateurs de carbure présents varie.
Cependant, les alliages à utiliser pour les présentes pièces coulées ne contiennent pas plus que 2,5% de carbone et avantageusement la teneur en carbone ne doit pas dépasser 1 % par exemple 0,6Sto. De préférence la teneur en carbone est com prise entre 0,45 et 0,55 %, par exemple 0,5%.
On peut aussi voir en comparant les résultats des alliages 11 et 15 dans le tableau IV qu'en augmentant la teneur en chrome avec une teneur fixe en carbone, c'est-à-dire d'approximativement 0,5 % de carbone, la limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% augmentait. Cependant, en augmentant la teneur en chrome on augmente aussi le coefficient de dilatation et ainsi pour obtenir un équilibre la teneur en chrome dans les alliages utilisés pour les présentes pièces coulées ne dépasse pas 3%, par exemple 2%. De préférence la teneur en chrome est d'au moins 0,1 % et avantageusement d'au moins 0,5 %, mais de préférence elle ne dépasse pas 1 % par exemple 0,75%. Pour des exigences moindres en limite conventionnelle d'élasticité et de dilatation thermique faible, on peut omettre le chrome.
Comme on peut le voir en comparant les résultats des alliages 11 et 12 dans le tableau IV, lorsqu'on augmente simultanément les teneurs en carbone et en chrome l'effet peut être d'abaisser la limite conventionnelle d'élasticité à 0,2%. Pour cette raison, lorsque le carbone et le chrome sont présents de préférence la teneur en carbone ne doit pas dépasser 0,55 % et de préférence la teneur en chrome ne doit pas dépasser 1%.
On peut voir l'effet des conditions de traitement thermique sur un alliage analogue à l'alliage 15 du tableau IV d'après les résultats de l'exemple 4 suivant.
Exemple 4
On a fondu à l'air l'alliage 16 approprié pour l'utilisation pour une pièce coulée selon l'invention qui contient 28 % de
nickel, 13,8% de cobalt, 0,55% de carbone, 0,79% de chrome,
1,0% de molybdène, 0,5% de vanadium, 0,22% de silicium, 0,29% de manganèse, 0,15% d'aluminium, 0,02% de calcium,
54,68% de fer, % Ni + 0,75 (% Co) = 38,35,
Cr + Mo + V + Zr + Nb + W = 2,29, Ni/Fe = 0,51 à partir d'une charge de fer suédois en barre, de cobalt électrolytique et de pastille de nickel. On a désoxydé la masse fondue en y immergeant une barre de graphite jusqu'à ce que l'ébullition soit presque terminée, suivi de l'addition de silicium de carbone et de chrome.
Après fusion limpide, on a ajouté le molybdène, le vanadium, du ferro-manganèse et de l'aluminium et finalement on a ajouté 0,05 % de calcium désoxydant dans la masse fondue immédiatement avant la coulée. On a coulé la masse fondue en des barres de 18 mm de diamètre et on en a usiné des échantillons de traction. On a essayé les échantillons à la traction à 500OC et pour la dilatation thermique à l'état tel que coulé et après un traitement thermique pendant plusieurs temps compris entre 2 et 24 heures à des températures comprises entre 700 et 7500C. Les propriétés de dilatation thermique pour différentes gammes de températures et des propriétés de résistance à la traction pour l'alliage 16 après différents traitements thermiques sont indiqués dans le tableau V suivant.
On peut voir d'après les résultats du tableau V que le coefficient de dilatation pour l'alliage 16 a été réduit par un traitement thermique et que la limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% augmentait après un traitement thermique. Malgré cela, même à l'état tel que coulé, l'alliage 16 avait une bonne résistance élevée (205 N/mm2) et des propriétés de faible dilatation comparé à un alliage classique de fonte-42% de nickel qui n'avait qu'une limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% à 500oC d'environ 50 N/mm2 seulement même après un traitement thermique.
Le tableau V montre aussi que les pièces coulées selon l'invention produites à partir de l'alliage 16 avaient après traitement une limite conventionnelle d'élasticité supérieure à 200 N/mm2 et un coefficient de dilatation dans la gamme de 20 à 350OC qui n'était pas supérieur à 5x10-6/oC.
Le molybdène avait un effet analogue sur la dilatation à celui du chrome, mais généralement il augmente la limite conventionnelle d'élasticité de manière plus efficace que le chrome comme on peut le voir d'après le tableau V suivant.
Exemple S
On a fondu sous vide les alliages 17 et 18 ayant les compositions indiquées dans le tableau VI suivant et on les a coulés sous vide en des pièces coulées selon l'invention. On a traité thermiquement les pièces coulées pendant 8 heures à 700OC et on les a essayées pour la dilatation thermique et la traction à 500OC pour la limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% et on a obtenu les résultats indiqués dans le tableau VI suivant.
Tableau Vl
Alliage Composition (% en poids) Ni+0,7SCo Cr+Mo+V+ Ni/Fe
Fa C Cr V Mo Si Mn Co W B Ni Ni+-035 Co Zr+Nh+W
17 56,37 0,57 1,15 0,34 - 0,5 0,34 8,81 1,07 0,15 30,7 37,3 2,56 0,55
18 55,84 0,45 2,08 0,43 1,00 - - - - - 40,2 40,2 3,51 0,72
Tableau VI (suite)
Alliage Limite cOnven- Coefficient de dilatation(X 10-6/"C)
tionneliedélas- 20-200 C 20-300 C 20-350 C 20400 C 20-500 C 20-600 C ticité à 0,2%
(N/mm2)
17 221 5,1 5,2 5,5 6,1 7,3 9,1 10,4
18 249 6,6 6,5 6,7 7,4 8,4 10,0 11,1
Les résultats du tableau VI ont indiqué qu'en augmentant la teneur en molybdène on
augmentait la limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% mais qu'on augmentait aussi le coefficient de dilatation. Ainsi la teneur en molybdène dans les alliages utilisés pour les présentes pièces coulées ne dépasse pas 3 %, et pour des propriétés optimums de limite conventionnelle d'élasti cité et de dilatation de préférence elle ne dépasse pas 2%, et encore mieux doit être comprise entre 0,8 et 1,2% par exemple 1%.
Le vanadium a un effet puissant sur la limite conventionnelle d'élasticité et le coefficient de dilatation des alliages appropriés pour les présentes pièces coulées comme on peut le voir d'après les résulats de l'exemple 6 suivant.
Exemple 6
On a fondu à l'air les alliages 19 et 20 ayant les compositions indiquées dans le tableau VII suivant et on les a coulés à l'air en des pièces coulées selon l'invention en procédant comme dans l'exemple 4, on les a traitées thermiquement pendant 24 heures à 7000C et on les a essayées pour leurs propriétés à la traction à 500 C et pour leurs propriétés de dilatation, et on a obtenu les résultats indiqués dans le tableau
VII suivant qui à titre comparatif répète aussi les résultats de l'alliage 15.
Tableau VII
Alliage Composition (% en poids)
Fe C Cr Co Mo V Ai Si Mn Ca Ni Ni+0,75 Co Cr+Mo+V+
Zr+No+W Ni/Fe
15 55,06 0,545 - 13,79 1,09 0,42 0,15 0,10 0,32 0,02 28,5 38,84 1,51 0,52
19 56,13 0,54 - 13,63 1,12 0,72 0,15 0,20 0,29 0,02 27,2 37,43 1,84 0,49
20 56,59 0,54 - 13,42 1,10 0,98 0,15 0,23 0,28 0,01 26,7 36,75 2,08 0,47 * Addition nominale d'AI
Tableau VII (suite)
Alliage Limite conven- Coefficient de dilatation(x 10-6/ C)
tionnelle délas- 20-200 C 2O2OOC 20-300 C 20-350 C 20-400 C 20-500 C 20-600 C ticité 20-200 C 20-300 C 20-350 C 20-400 C 20-500 C à 0.2%
(N/mm2)
15 271 4,1 3,9 3,9 4,1 5,1 7,2 8,8
19 247 3,4 3,2 3,3 4,2 5,5 7,65 N.D.
20 234 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.
N.D.= non déterminé
En comparant les résultats d'essai des alliages 15, 19 et 20 dans le tableau VII on peut voir qu'une teneur élevée en vanadium diminue la limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% et augmente le coefficient de dilatation. Ainsi, dans les alliages utilisés pour les présentes pièces coulées la teneur en vanadium ne doit pas dépasser 1,2 % et de préférence doit être inférieure à 1 %. Une petite quantité de vanadium augmente la limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% comme on peut le voir en comparant la limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% de 271 N/mm2 de l'alliage 15 à la limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% de 207 N/mm2 obtenue à 5000C pour un alliage de nickel-fer-cobalt exempt de vanadium contenant 35% de nickel,
13,5% de cobalt, 0,58% de carbone, 2,31% de chrome, et 48,61 % de fer après coulage et un traitement thermique pendant 8 heures à 700eC. Pour des propriétés optimums de limite conventionnelle d'élasticité et du coefficient de dilatation la teneur en vanadium doit être comprise entre 0,2 et 0,4 ou 0,6% par exemple de 0,5 Go, notamment pour les alliages ayant 0,5 % de carbone.
Comme on l'a indiqué plus haut, la quantité totale de chrome, molybdène, vanadium. zirconium, niobium et tungstène dans les alliages à partir desquels on fait des pièces coulées selon l'invention ne doit pas être inférieure à 1 % et ne doit pas être supérieure à 4%. L'introduction de zirconium, de niobium et/ou de tungstène peut conduire à une détérioration de certaines propriétés et pour certaines utilisations elle est à exclure. Si la somme Cr + Mo + V + Zr + Nb + W est inférieure à 1 %, les propriétés de limite conventionnelle d'élasticité à 1 % et de dilatation ne montrent pas d'amélioration sensible par rapport aux alliages classiques de nickel-fer, et si la somme de ces éléments est supérieure à 4% le coefficient de dilatation augmente de façon désavantageuse.
On donne maintenant un autre exemple d'une pièce coulée selon l'invention.
Exemple 7
On a fondu sous vide un alliage 21 contenant à part les impuretés 26% de nickel, 14,5% de cobalt, 0,47% de carbone, 1,97% de chrome, 1,01% de molybdène, 0,49% de vanadium, 55,56% de fer, %Ni + 0,75 (%Co) = 36,86, Cr+ Mo + V +
Zr + Nb + W = 3,47, Ni/Fe = 0,47 et on l'a coulé sous vide en une pièce coulée selon l'invention. On a traité thermiquement la pièce coulée pendant 8 heures à 7000C et on a essayé la traction à 500OC et la dilatation thermique pour diverses gammes de températures et on a obtenu les résultats indiqués dans le tableau VIII.
Tableau VIII
Limite Coefficient de dilatation( x 1 0-D/ C) convention- 20-200 C 2O2lOC 20-300 C 20-350 C 20400 C 20-500"C 20-600 C nelle à 0,2%
(N/mm2)
256 4,3 4,1 4,7 5,8 7,0 8,9 10,3
On peut voir d'après les résultats du tableau VIII qu'une pièce coulée selon l'invention à partir de l'alliage 21, qui a été durcie par vieillissement a une limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% à 500OC supérieure à 200 N/mm2 et un coefficient de dilatation thermique dans la gamme de températures de 20 à 3500C qui n'est pas supérieur à 6,5 X 10 6/oC.
On peut faire les pièces coulées selon l'invention à partir d'alliages fondus et coulés à l'air ou à partir d'alliages fondus et coulés sous pression réduite. Dans les conditions de fusion et de coulage à l'air les quantités des agents désoxydants utilisés qui sont le silicium, le calcium, l'aluminium, le manganèse, le zirconium et/ou le magnésium sont importantes.
Le silicium dans les alliages utilisés pour les présentes pièces coulées rend l'alliage plus facilement coulable à l'air.
Une quantité de silicium supérieure à 0,5 % augmente la limite conventionnelle d'élasticité mais augmente fortement le coefficient de dilatation. Ainsi, pour des propriétés optimums de limite conventionnelle d'élasticité et de dilatation la teneur en silicium de doit pas dépasser 0,5% et de préférence doit être maintenue aussi faible que possible par exemple pas plus que 0,3 %.
Le calcium empêche un dégagement gazeux au coulage et dans les alliages utilisés pour les présentes pièces coulées la présence de jusqu'à 0,05% de calcium, par exemple de 0,02 à 0,05% de calcium est bénéfique.
L'aluminium facilite la production de pièces coulées saines par la voie de fusion et de coulage à l'air mais il ne doit pas être présent en des quantités supérieures à 0,5 % sinon il augmente le coefficient de dilatation. De préférence la teneur en aluminium ne doit pas dépasser 0,3%, par exemple 0,25% ou 0,2%, mais si on utilise la fusion et le coulage à l'air elle ne doit pas être inférieure à 0,1 %.
La manganèse facilite aussi la désoxydation, il améliore la cou labilité et améliore la limite conventionnelle d'élasticité mais aux dépens d'une augmentation de la dilatation et pour cette raison la teneur en manganèse ne doit pas dépasser 2% et pour des propriétés optimums de limite conventionnelle d'élasticité e de dilatation et avantageusement ne doit pas dépasser 0,6% et de préférence ne doit pas dépasser 0,3 %.
Le zirconium augmente la limite conventionnelle d'élasticité et empêche le dégagement gazeux lors du coulage sous pression mais augmente aussi le coefficient de dilatation. Pour cette raison dans des alliages utilisés pour les présentes pièces coulées la teneur en zirconium ne dépasse pas 2% et pour des propriétés optimums de résistance et de dilatation de préférence ne doit pas dépasser 0,2%.
Le magnésium est utile pour empêcher le dégagement gazeux lors du coulage à des pressions descendant jusqu'à 2 mm et dans ce but de préférence il doit être présent en des quantités dépassant pas 0,1 %. Cette quantité n'a pas d'effet sur les propriétés de limite conventionnelle d'élasticité et de dilatation. Le magnésium a aussi pour effet de favoriser la sphéroïdisation de graphite pouvant se former dans la pièce coulée pendant la solidification ou le traitement thermique subséquent. Si du graphite de ce genre devait se former en tant que flocon ou film les pièces coulées pourraient être rendues fragiles mais le graphite sphéroïdal ne cause pas une telle fragilité.
Si l'alliage est fondu sous vide les additions sphéroidisantes de magnésium et de calcium peuvent être perdues à cause de leur nature volatile. Ainsi dans des conditions de fusion sous vide, de préférence jusqu'à 0,2% d'un ou plusieurs des éléments suivants: yttrium, lanthane et lanthanides doit être présent de préférence pour favoriser la sphéroïdisation du graphite. Le Mischmetal (60% de cérium, 35% de lanthane,
5% de terre rare) est un additif commode dans ce but.
Les pièces coulées de l'invention sont particulièrement utiles pour des éléments structuraux qui atteignent des températures élevées pendant le service et qui doivent avoir en association une faible dilatation et une résistance élevée aux températures de travail. De tels éléments structuraux comprennent des pièces rotatives et alternatives de machine, par exemple des arbres et des ailettes de turbine, pour lesquels des tolérances dimensionnelles sévères doivent être maintenues dans des conditions de températures variables depuis la température ordinaire jusqu'à 3000C ou même par exemple jusqu'à 500 ou
600 C. Ces exigences se présentent sous une forme particuliè
rement aigües dans des machines à propulsion à rendement
élevé pour l'utilisation sur terre, sur mer et dans l'air.
REVENDICATION I
Pièce coulée profilée ayant une structure principalement austénitique, faite à partir d'un alliage à faible dilatation et à résistance à la traction élevée contenant en poids de 21 à 55% de nickel, de 0 à 18% de cobalt, de 0,3 à 2,5% de carbone, de
0 à 3% de chrome, de 0,2 à 1,2% de vanadium, de 0 à 3% de molybdène, de 0 à 2% de zirconium, de 0 à 2% de niobium, de 0 à 2% de tungstène, à condition que la somme des teneurs en chrome, molybdène, vanadium, zirconium, niobium et tungstène soit comprise entre 1 et 4%, que la somme % Ni +
0,75 (% Co) = 30,5 à 55, le solde à part les impuretés étant
du fer, le rapport nickel:fer étant égal ou supérieur à 0,4:
:1 en poids.
SOUS-REVENDICATIONS
1. Pièce coulée selon la revendication I, dans laquelle l'alliage contient en outre au moins un des métaux suivants aux maxima indiqués entre paranthèses: Al (0,5), Si (0,5), Mn (2),
Mg (0,1), Ca (0,05), total d'un ou plusieurs choisis parmi yttrium, lanthane et lanthanides (0,2).
2. Pièce coulée profilée selon la revendication I, dans laquelle le rapport nickel:fer est égal ou supérieur à 0,45:1.
3. Pièce coulée profilée selon la revendication I ou la sousrevendication 1, dans laquelle la teneur en nickel ne dépasse pas 43%, la somme % Ni + 0,75 (% Co) est de 31,5 à 43, la teneur en chrome est de 0,1 à 1%, la teneur en carbone ne dépasse pas 1 % et la teneur en molybdène ne dépasse pas 2% et ayant une limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% à 500"C supérieure à 200 N/mm2 et un coefficient de dilatation thermique dans la gamme de températures de 20 à 3500C qui n'est pas supérieur à 6,5 X 10-6/oC.
4. Pièce coulée profilée selon la sous-revendication 3, faite à partir d'un alliage contenant en poids de 26,5 à 28,5% de nickel, de 13 à 15% de cobalt, de 0,5 à 1% de chrome, de 0,45 à 55% de carbone, de 0,4 à 0,6% de vanadium, de 0,8 à 1,2% de molybdène, pas plus que 0,3% de manganèse moins que 0,3 % de silicium et jusqu'à 0,25 % d'aluminium.
5. Pièce coulée profilée selon la sous-revendication 4, faite à partir d'un alliage contenant en poids 0,5% de carbone, 0,75 % de chrome, 0,5 % de vanadium, 1 % de molybdène, 0,3 % de manganèse, 0,2% d'aluminium, 14% de cobalt et 28% de nickel.
6. Pièce coulée profilée selon la revendication ou la sousrevendication 2, dans laquelle la teneur en nickel ne dépasse pas 43 % la somme % Ni + 0,75 (% Co) est de 31,5 à 43, la teneur en chrome est d'au moins 1 %, la teneur en carbone ne dépasse 1 % et la teneur en molybdène ne dépasse pas 2% et ayant une limite conventionnelle d'élasticité à 0,2% à 500"C
supérieure à 200 N/mm2 et un coefficient de dilatation thermi
que dans la gamme de températures de 20 à 250OC qui n'est pas supérieur à 6,5 X 10-6/oC.
7. Pièce coulée profilée selon la sous-revendication 6, faite à
partir d'un alliage contenant en poids 0,6% de carbone, 2% de
chrome, 0,5% de vanadium, 0,3 % de silicium, 0,3 % de man
ganèse, 10 % de cobalt et 30% de nickel.
8. Pièce coulée profilée selon la revendication ou la sous
revendication 2, pour être utilisée dans la gamme de tempéra
tures de 20 à 100"C dans laquelle la somme % Ni + 0,75 (% Co) est comprise entre 34,1 et 37,1.
9. Pièce coulée profilée selon la revendication ou la sousrevendication 2, pour l'utilisation dans la gamme de températures de 20 à 200OC dans laquelle la somme % Ni + 0,75 (%
Co) est comprise entre 35,4 et 38,4.
10. Pièce coulée profilée selon la revendication ou la sous
revendication 2, pour l'utilisation dans la gamme de tempéra
tures 20 à 3000C dans laquelle la somme % Ni + 0,75 (% Co)
est comprise entre 36,6 et 39,6.
11. Pièce coulée profilée selon la revendication ou la sous
revendication 2, pour l'utilisation dans la gamme de tempéra
tures de 20 à 350OC dans laquelle la somme % Ni + 0,75 (%
Co) est comprise entre 37 et 40.
12. Pièce coulée profilée selon la revendication ou la sous
revendication 2, pour l'utilisation dans la gamme de tempéra tures de 20 à 4500C dans laquelle la somme % Ni + 0,75 (%
Co) est comprise entre 38 et 41.
REVENDICATION Il
Procédé de fabrication d'une pièce coulée profilée selon la
revendication I ou l'une des sous-revendications 1 à 12, carac
térisé en ce qu'on la traite thermiquement à une température
comprise entre 500 et 9000C pendant un temps compris entre 1
et 24 heures.
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