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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de
BREVET D'INVENTION la Société dite: THE NITRALLOY CORPORATION Aciers graphitiques nouveaux et articles fabriqués à partir de ces aciers. Demande de brevet aux Etats-Unis d'Amérique du 4 Mai 1944.
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Cette invention se rapporte a des alliages ferreux et aux articles dans la fabrication desquels ils entrent. Plus particulièrement, l'invention se rapporte a la manufacture d'articles nitrurés faits d'aciers graphitiques et a des alliages ferreux nouveaux et per- fectionnés spécialement adaptés pour la nitruration.
Les aciers graphitiques ont été développes pendant ces dernières annees pour différents usages, tel que des parties mobiles de soupapes, bielles, matrices et autres usages, partout où la resistance à l'usure et de basses propriétés de frottement sont essentiellement désirées. Des aciers ayant ces caractéristiques se recommandent d'eux - mêmes par leur facilite d'usinage.
Ces aciers présentent, cependant, les mêmes inconvénients que les aciers ordinaires au carbone en ce qui concerne le gauchissement et déformation lorsqu'ils sont soumis à l'endurcissement par traitement thermique, ou cémentation de surface. De plus, un tel endurcissement est perdu et n'est pas récupéré lorsque les pièces cémentées sont surchauffées. Les aciers graphitiques, produits jusqu'à présent et employés commercialement, autant que je sache, n'ont pas été susceptibles de nitruration.
Il y a aussi un autre groupe d'aciers dont on a largement fait usage dans les cas ou des surfaces très dures et résistantes à l'usure étaient désirables. Ceux-ci , sont les aciers a nitrurer dont le plus couramment employé est vendu sous le nom déposé de Nitralloy. Ces aciers sont des alliages d'acier demi-dur au carbone contenant habituellement de l'aluminium, du chrome, du molybdène, Quelquefois du vanadium ou du nickel, et ordinairement
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aussi une quantité de manganèse et silicium dans les proportions courantes d'un acier au carbone ordinaire.
Les aciers nitrures sont caractèrisés par une dureté de surface élevée et retiennent un haut degré de dureté à des températures auxquelles des pièces d'acier, soumises a un traitement thermique, ou endurcies d'une autre manière, (cémentation de la surface et traitement thermi- que) se seraient complètement amollies. Un acier nitruré peut être chauffé à une température élevée et après re- froidissement à la température ambiante, il possédera sa dureté de surface originale.
Un but de l'invention présente est de procurer @ des articles ferreux combinant la facilite d'usinage, le coéfficient réduit de frottement et les propriétés d'auto- graissage des aciers graphitiques avec la dureté élevée de surface et la force coercive de dureté des aciers nitrures et aussi d'obtenir de tels articles sans avoir recours aux traitements thermiques susceptibles de produire un gauchis- sement ou déformation de la pièce traitée surtout quand la forme est compliquée ou une coupe transversale pas uniforme.
Un autre but de la présente invention est de procurer de nouveaux alliages ferreux susceptibles d'en- durcissement par nitruration. D'autres buts et avantages de l'invention seront exposes à mesure que la description sera continuee.
En décrivant les nouveaux alliages ferreux et produits nitrurés de la presente invention, référence sera faite au dessin ci-attaché, dans lequel sont reproduites, Fig. 1 et 2 des photomicrographies montrant, respectivement pour chacune des deux analyses représentant des aciers
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compris dans la presente invention, les micro-structures des sections longitudinales de la couche et du noyau a une magnification de 500 à 1, et d'une section longi- tudinale similaire d'une magnification de couche et noyau de 100 a 1, le tout apres nitruration.
Les figures 3 et 4 sont des photomicrographies d'une magnification de 100 a 1 montrant la distribution du graphite dans les sections transversales du noyau apres traitement thermique des échantillons dont les analyses sont représentées respectivement par les figures 1 et 2.
Contrairement à ce qui peut avoir été prédit apres des expériences antérieures de nitruration d'aciers d'alliages, j'ai trouvé que des résultats tres satis- faisants de nitruration peuvent être obtenus en nitrurant des aciers graphitiques contenant un total d'environ 1 à 2% de carbone et de combinaisons et proportions appropriées d'éléments graphitiques favorisant la nitruration.
En arrivant aux combinaisons et proportions convenables, il est important de choisir et doser les éléments graphiti- ques favorisant la nitruration de façon a ce que le carbone contenu reste essentiellement, ou en grande partie, dans une forme combinée ou en dissolution, suivant la coulée et dans les états successifs de solidification du moulage et pendant les périodes de réchauffement et trempe à tèmpéra- ture de manoeuvre, et, a un certain point au moins, pendant le forgeage ou estampage, mais qu'en même temps il devienne susceptible à une décomposition de carbure pour produire un carbone graphitique quand l'acier forgé est réchauffé et tenu a une température quelconque au-dessus des tempera- tures de transformation, trempé ou refroidi a l'air, puis recuit.
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Les éléments favorisant la nitruration les plus efficaces dans les compositions d'alliages ferreux de la présente invention sont, aluminium, chrome, molybdène, vanadium, zirconium, columbium et titane. L'aluminium joue un rôle particulièrement important parce qu'il agit comme agent favorisant la nitruration et aussi comme agent graphitique.
Le chrome, bien que favorisant la dureté de nitruration, doit être employé modérément en raison de sa tendance à stabiliser le carbone en forme combinée.
Habituellement la proportion de chrome ajouté ne doit pas dépasser ,60%, cependant dans la formation de grandes pièces coulées, ou lingots, le contenu de chrome peut être augmenté jusqu'à environ 1%, pourvu qu'il soit balancé par l'addition d'une quantité appropriée d'alliage favorisant la graphitation.
Le molybdène a été suggéré comme agent graphiteux mais mon expérience indique qu'il n'est que modérément efficace dans ce but. Bien que le molybdène contribue quelque peu al'effet d'endurcissement de nitruration en favorisant 1.1-épaisseur de la couche, son addition améliore principalement les propriétés physiques. Par conséquent le molybdène peut être utilement ajouté dans une grande étendue de proportions sand crainte qu'il dérange le contrôle de rapport combiné de carbone - carbone graphitique désiré dans le produit final. Habituellement, quand on emploie le molybdène, une proportion dans l'étendue de .20 a .45% suffira.
Le vanadium et le columbium sont l'un et l'autre des éléments formant carbure, mais ils peuvent être employés en petites proportions avec de bons resultats dans
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l'amélioration de facilité de nitruration et des propri- étés physiques de l'alliage. Le vanadium, dans des proportions de ,10 à ,30, sert à perfectionner la structure de texture du materiel et les propriétés physiques, et affecte aussi favorablement l'effet de nitruration. De plus grandes proportions ne sont pas, habituellement, désirables a cause de la tendance à former des carbures resistant à un traitement thermique graphiteux. Le columbium peut être ajouté dans une proportion efficace jusqu'à ,30%, Le zirconium sert à provoquer la graphitisation des aciers ferreux de la presente invention quand ceux-ci sont soumis à un traitement thermique graphiteux.
Zirconium ne doit pas être employé dans des proportions dépassant ,50%.
Le silicium devrait être employé modérément en comparaison avec les quantités utilisées normalement pour produire la graphitisation dans la fonte parce qu'il sup- plemènte l'effet de graphitation de l'aluminium et aussi parce que l'augmentation du contenu de silicium a tendance à diminuer la forgeabilité de la composition.
Le nickel agit comme élément de graphitisation et sert à rendre le matériel susceptible d'endurcissement par précipitation. A dire vrai, des alliages contenant 2 a 3,5% de nickel mais, autrement, entrant dans l'etenaue des compositions générales dévoilées çi-apres, sont particulièrement appropriés pour usages lorsqu'il est desirable de communiquer une dureté de noyau à l'aide d'un effet de dureté par précipitation. Une série spéciale de compositions d'alliages d'aciers graphitiques contenant du nickel est l'objet d'une demande séparée.
Titane forme des carbures permanents, mais lorqu'il est present en petite quantité, il agit pour
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provoquer la graphitisation dans les alliages d'acier exposes ici.
Le manganèse peut aussi être présent dans des proportions au-dessus de celles existant ordinairement dans un acier au carbone, ou dans une proportion quel- conque dans les limites d'environ .20 à' 1%. Le manganèse peut être substitué pour une partie du chrome qui pourrait autrement être utilise pour améliorer la dureté de nitruration. Il a l'avantage de provoquer la formation dé carbure contrebalancant dans une certaine mesure l'action de graphitisation de l'aluminium et du silicium, mais n'ayant pas, comme le chrome, tendance a stabiliser les carbures au point d'empêcher la décomposition des carbures pour la production du carbone-sous forme graphitique quand l'alliage est soumis à un traitement thermique de graphitisation.
Les aciers d'alliage du type graphitique montrant des propriétés de nitruration satisfaisantes peuvent être préparés dans la gamme suivante:
EMI7.1
<tb>
<tb> Carbone <SEP> Total <SEP> 1 <SEP> a <SEP> 2%
<tb> Mn <SEP> 0, <SEP> 20 <SEP> a <SEP> 1,005
<tb> Si <SEP> 0, <SEP> 50 <SEP> a <SEP> 1,75%
<tb> Al <SEP> 0, <SEP> 50 <SEP> a <SEP> 2, <SEP> 50% <SEP>
<tb> Cr <SEP> 0 <SEP> a <SEP> 0,60%
<tb> Mo <SEP> 0 <SEP> a <SEP> 0,75%
<tb>
Les compositions données ci dessus contenant jusqu'à environ 1,75% de carbone sont forgeables à chaud.
Celles contenant moins de 1,75% donnent satisfaction lorsque la forgeabilité est sans importance. La proportion de chrome n'est pas absolument limitée par la limite supérieure spécifiée, pourvu que son effet stabilisateur du carbure soit contrebalancé par des ajustements appropriés des proportions d'éléments de graphitisation, par exemple, aluminium et silicium. Habituellement les
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proportions de silicium ne doivent pas dépasser 1,75% et quand les proportions d'aluminium dans la partie élevée de l'étendue sont employées, le silicium devrait être diminue â l'avenant. Autrement il y aurait une tendance pour le carbone libre à se former dans l'alliage brut de fonte et ceci serait un obstacle dans la forgeabilité du produit.
La distribution optimum des proportions d'éléments, de nitrure, favorisant la nitruration, de formation de carbure et de graphitisation, est faite de facon a ce que l'alliage d'acier brut de fonte contienne tres peu, si meme il y en a, de carbone libre et montre peu ou pas de tendance à la formation de carbone graphitique pendant le réchauffage à la température de forgeage et pendant le forgeage. En même temps, le carbone combiné devrait être susceptible à un traitment thermique de graphitisation et rendu capable ae décomposition partielle en carbone graphiteux.
Considérant la conduite des divers éléments spécifies en respect de leur disposition à provoquer la nitruration, de leur possibilité de formation de carbure et de la disposition de leurs carbures à reagir au traite- ment thermique de graphitisation pour former une texture graphitique désirée, il devient relativement facile de déterminer par quelques essais préliminaires comment varier les proportions relatives des éléments dans la gamme spécifiée afin d'obtenir le résultat désirer
Les compositions dans l'entendue suivante possèdent des propriétés tres intéressantes non seulement au point de vue de leur facilité de nitruration et d'usinage a l'état non-nitruré suivant un traitement thermique de graphitisation,
mais aussi parce qu'ils sont aisément forgeables et sont caractérisés par des propriétés de ré- sistance et de limite élastique commerciale élevées.
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EMI9.1
<tb>
<tb>
Total <SEP> du <SEP> Carbone <SEP> 1,25 <SEP> - <SEP> 1,50%
<tb> Mn <SEP> 0,40 <SEP> - <SEP> 0,60%
<tb> Si <SEP> 1,25 <SEP> - <SEP> 1,50%
<tb> Al <SEP> 1,25 <SEP> - <SEP> 1,75%
<tb> Cr <SEP> 0,30 <SEP> - <SEP> 0,40%
<tb> Mo <SEP> 0,20 <SEP> - <SEP> 0,30%
<tb>
Dans le but d'obtenir des exemples spécifiques des coulées ont été faites montrant les proportions suivantes apres traitment thermiques de graphitisation.
T A B L E I
Analyses d'alliages d'acier
EMI9.2
<tb>
<tb> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D <SEP> E <SEP> F
<tb> Carbone <SEP> Total <SEP> 1,50 <SEP> 1,46 <SEP> 1,13 <SEP> 1,31 <SEP> 1,41 <SEP> 1,44
<tb> Carbone <SEP> Graphiteux <SEP> 1,05 <SEP> 0,97 <SEP> 0,60 <SEP> 0,73 <SEP> 0,71 <SEP> 1,11
<tb> Manganèse <SEP> 0, <SEP> 54 <SEP> 0, <SEP> 55 <SEP> 0, <SEP> 58 <SEP> 0, <SEP> 59 <SEP> 0, <SEP> 58 <SEP> 0, <SEP> 54 <SEP>
<tb> Silicium <SEP> 1.37 <SEP> 1,37 <SEP> 1,72 <SEP> 1,61 <SEP> 1,53 <SEP> 1,49
<tb> Aluminum <SEP> 1,59 <SEP> 1,53 <SEP> 1,29 <SEP> 1,09 <SEP> 1,22 <SEP> 1,92
<tb> Chrome <SEP> 0,33 <SEP> 0,34 <SEP> 0,30 <SEP> 0,42 <SEP> 0,55 <SEP> 0,34
<tb> Molydene <SEP> 0,30 <SEP> 0, <SEP> 29 <SEP> 0,35 <SEP> 0,33 <SEP> 0,31 <SEP> 0,28
<tb> Cuivre <SEP> rouge <SEP> 0,
40
<tb>
Dans les dessins figuresl et 2 representent les photomicrographies de sections longitudinales de la couche. et, du- noyau, -.de la couche .seule, 'et'du noyau'seul aux magni-
EMI9.3
fi'cations indiquées,.des échantillons 'ni trurés des'.analyses d' al- liage d'acier désignés par. A .et¯.B dans la Table I.
Les figures 3 et 4 représentent les sections transversales du noyau des analyses A et B apres le traitement thermique de graphitisation décrit particulièrement plus loin.
Les alliages d'acier indiques comme A, B, et E ont montre les propriétés physiques suivantes lorsqu'ils etaient réchauffés a la temperature de forgeage, environ 1010 C forges a cette température,, refroidis à l'air,
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puis réchauffés à 900 c. pendant une heure, trempés à l'air et finalement réchauffés à 760 C, pendant cinq heures.
EMI10.1
<tb>
<tb>
A <SEP> B <SEP> E <SEP>
<tb> Résistance <SEP> a <SEP> , <SEP> la.traction <SEP> en <SEP> Kg <SEP> par <SEP> mm <SEP> 70,50 <SEP> 72,5 <SEP> 81,6
<tb> Limite <SEP> Elastique <SEP> Commerciale <SEP> en <SEP> kg <SEP> par <SEP> mm2 <SEP> 50,0 <SEP> 52,0 <SEP> 53,4
<tb> btriction <SEP> en <SEP> pourcentage <SEP> 41,8 <SEP> 36,9 <SEP> 28,0
<tb> Allongement <SEP> en <SEP> Pourcentage <SEP> 23,5 <SEP> 24,3 <SEP> 15,5
<tb> Dureté <SEP> Rockwell <SEP> C <SEP> 13,5 <SEP> 15,0 <SEP> 20,0
<tb> Dureté <SEP> Brinell <SEP> 187,0 <SEP> 197,0 <SEP> -
<tb>
Les valeurs ci-dessus ont été obtenues de coulées préparées par fusion dans un four chauffé par induction et fondues en lingots pesant approximativement 18 kilogs. et mesurant environ 114 mm x 114 mm x 305 mm.
Les lingots ont été réchauffés et forgés en barres arrondies d'environ 25 mm, puis refroidis à l'air, et ensuite soumis au traite- ment thermique indique plus haut.
Comme il est montré dans les figures 3 et 4, le produit résultant du traitement ci-dessus est caractérise par ane microstructure dans laquelle une partie du carbone, habituellement de 0,20 à 0,80%, dépendant sur la composi- tion, est présente dans la forme combinée avec la balance du carbone bien distribuée en forme de nodules ou de flocons.
Apres que des échantillons de plusieurs des analyses de la Table I ont été forges et traites thermique- ment dans la manière décrite précédemment, ils sont usinés et ensuite soumis à un traitement de nitruration à l'ammoniaque pendant quarante huit heures à 525 C. Les chiffres de la Table suivante représentent les valeurs de duretés de noyau, duretés de la couche et épaisseurs de couche obtenue.
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T A B L E II Dureté
EMI11.1
<tb>
<tb>
<tb> Noyau <SEP> Couche <SEP> Epaisseur
<tb> Alliages <SEP> d'Acier <SEP> Rockwell <SEP> "C' <SEP> Rockwell <SEP> "15N" <SEP> de <SEP> Couche
<tb> A <SEP> 13, <SEP> 5 <SEP> 92,5 <SEP> Omm, <SEP> 38 <SEP>
<tb> B <SEP> 15, <SEP> 0 <SEP> 92,5 <SEP> Omm,38
<tb> C <SEP> 14,0 <SEP> 91,0 <SEP> Omm,38
<tb> D <SEP> 22,5 <SEP> 93,0 <SEP> Omm,30
<tb> E <SEP> 20,0 <SEP> 93,0 <SEP> Omm,38
<tb> F <SEP> 14,0 <SEP> 92,7 <SEP> Omm,33
<tb>
Les coulées des analyses indiquées par C, D, E, et F ont toutes été préparées de manière similaire aux coulées des analyses A et B, par fusion dans un four chauffé par induction ; seule différence étant dans le fait que pour les analyses de C, D, et F, des lingots de 2 kilogs 700 avaient été préparés.
Dans la pratique commerciale il sera généralement avantageux de soumettre le produit forgé, après l'avoir soumis à un traitement thermique de graphitisation, aun usinage grossier suivi d'un réchauffage à une temprature légèrement au-dessus de la température critique. Apres quoi le produit devrait etre trempe et rechauffe a une température de recuit plus basse appropriée pour obtenir les propriétés physiques désirées. Le produit peut alors être soumis au traitement courant de nitruration et finalement meulé et rodé aux dimensions définitives voulues.
Ou bien le produit peut être soumis a un usinage de finissage avant la nitruration, directement après traitement thermique de graphitisation, ou bien après avoir été premièrement grossièrement usine, puis réchauffé, trempe et recuit.
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Il est entendu que les dimensions du lingot et les conditions de fusion de l'alliage affecteront en quelque sorte la capacité de la composition de maintenir le carbone essentiellement dans la forme combinée et en solution apres la coulée et les étapes de solidification de moulage, et pendant les opérations suivantes de réchauffage et forgeage. n général, pour éviter autant que possible la formation de graphite, plus ou moins libre, dans la partie intérieure au lingot pendant ces étapes préliminaires dans la production du produit final, il sera avantageux d'augmenter les proportions d'éléments formant le carbure alors qu'on abaissera ou maintiendra constantes les proportions d'éléments graphiteux.
De façon similaire, le volume du produit final affectera en quelque sorte le degré de graphitisation et les propriétés physiques d'un alliage de composition donnée et là où un produit de section relativement épaisse doit être obtenu, les proportions des additions d'alliages seront convenablement variées dans ce but. Par exemple, afin d'être assuré que les parties du noyau d'un produit de section plus épaisse répondront à un traitement thermique de graphitisation et montreront des propriétés physiques convenables, il sera généralement désirable d'augmenter quelque peu les proportions des éléments stabilisateurs de carbure, tel que chrome, manganèse et vanadium et, en même temps, augmenter également les proportions de agents de graphitisation les plus efficaces.
Le changement de proportions des éléments ayant une influence sur les caractéristiques de graphitisation de l'alliage, a pour but d'assurer que le produit résultant du traitement thermique de graphitisation montrera un carbone . combine final de 0,20 a 0,80% avec la balance de
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carbone bien distribuée en forme nodulaire ou en flocons.
Ceci assure un produit facilement usinable et convenant a la nitruration.
Les analyses d'aciers graphiteux des séries précèdemment exposées sont capables de nombreuses applications utiles autres que dans la formation de produits endurcis par la nitruration, et il est proposé de revendiquer leur usage pour tout autre propos quel qu'il soit. Ces compositions ont de nombreuses applications utiles quand elles sont traitées et nitrurées, en dehors de celles suggérées jusqu'ici pour aciers graphiteux, tel que les chemises de cylindres, corps de cylindres, pièces de pompes injecteur de carburant pour moteurs Diesel, chemises de pompes et coussinets, guides de tiges 'de soupapes, cames, axes de pistons, couronnes de freins, embrayages a plateaux, engrenages, arbres a aleser, etc.
Bien que j'aie indiqué l'étendue préférée des proportions et que j'aie cité plusieurs analyses définitives dans le but de donner un exemple et comme illustration des compositions que j'ai trouvées les plus satisfaisantes pour un usage général, il doit être compris qu'il n'est pas dans mon intention que cette énumeration limite la portée de mon invention, mais que je desire profiter de tout changement dans les limites des revendications accessoires. De même, lorsqu'un traitement thermique, opération et conditions spéciales de traitement sont impliqués, l'invention n'est pas considérée comme étant limitée par les exemples particuliers mentionnés ou autres comme indique par le langage du résumé suivant.