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PERFEOTIONNEMENT AUX ACIERS'ALLIES.
L'invention est relative à des aciers alliés à faible teneur de carbone et son objet est de fournir des aciers pouvant aisément se souder et particulièrement adaptés à recevoir une protection de surface telle qu'un chro- mage, présentant en outre une résistance élevée au fluage à haute température.
Par l'expression chromage! on entend ici'la,diffusion du chrome à travers la surface d'un article métallique par toute méthode dans laquelle le dit article est amené à un contact intime avec le chrome, ou avec un composé de chrome fluide à une température élevée.
Les aciers '. qui':'sont obtenus con- formément à 1-'invention peuvent être aisément manufacturés.sous forme de tubes de surchauffeurs et autres articles analogueso
Jusqu'à présent les alliages à faible teneur de carbone qui ont été employés à haute température, par exemple, pour des tubes de chaudières ou de surchauffeurs,pour des canalisations de transmission de.vapeur ont cessé de donner satisfaction lorsque la température du métal dépasse environ 1050 F (565 C), dans certains cas en raison dune trop faible résistance à l'écailla- ge, dans dautres cas en raison d'une faible force de fluage.
La présente inven- tion fournit un matériau qui, en raison de sa résistance au fluage élevée, peut supporter les efforts pendant'son, emploi pour des températures montant jusqu'à environ 1150 F (675 C) et qui est rendu résistant à l'écaillage par un chroma- ge ou par un autre procédé de protection de sa surface.
L'acier allié produit conformément à la présente invention contient-. de 0,03 à 0,2% de carbone de 0,05 à 0,4% de vanadium de 0,10 à 1% de molybdène de 0,3 à 1% de manganèse de 0,06 à 0,5% de titane, mélangés à des éléments occasionnels et aux impuretés que l'on obtient dans la
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fabrication courante de l'acier;, le complément étant constitué par du fer.
Les éléments occasionnels sont ceux qui, au gré du producteur, peuvent ou ne peuvent pas être introduits dans le procédé de fabrication comme, par ex- emple, le silicium, Les impuretés les plus importantes sont en général cons- tituées par du soufre et du phosphore.
La composition préférée pour l'alliage est la suivante : carbone 0,10à 0,15% vanadium 0,2 à 0,3% molybdène 0,5 à 0,6% manganèse 0,5 à 0,7%
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ne 0.2). ,0 - s ium '0-,' â T95, Le complément étant constitué¯.par du fer et les impuretés habituelles
Il est bon de plus que le rapport du titane au carbone soit compris entre 2 et 3.
En complément à la présente invention, la surface des articles qui sont fabriqués avec l'acier allié à faible teneur de carbone produit par la pré- sente invention, sera traitée par un chromage.
Par exemple, conformément à la présente invention, on produit des tubes de surchauffeur faits avec l'acier à faible teneur de carbone qui sont chro- més à l'intérieur et à l'extérieur, la surface chromée résistant à l'attaque de la vapeur dans l'intérieur des tubes et à l'attaque par l'oxygène et les autres gaz à l'extérieur de ces tubes.
Comme résultat de la présente invention on obtient donc: a) un acier ferritique, se:soudant facilement ayant une résistance élevée au fluage pour les hautes températures et qui convient pour la fabrica- tion de tubes,tuyaux et autres éléments employés à des températures élevées. b) Un acier ferritique à haute résistance à la traction, possédant une execeptionnelle stabilité desses carbures aux températures élevées et qui, par suite, est plus particulièrement apte à subir un chromage pour protéger sa surface contre l'oxydation, le fluage ou la corrosion. c) Des articles fabriqués avec un acier ayant une résistance élevée au fluage et dont la surface est protégée contre l'écaillage et la corrosion par une méthode telle que le chromage.
On donnera ci-après différents exemples d'aciers conformes à la présente invention
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r, d Si .% ML-1 &Oel Li ÎLÎ â-1 L!
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<tb> (1) <SEP> 0,125 <SEP> 0,45 <SEP> 0,47 <SEP> 0,52 <SEP> 0,305 <SEP> 0,195 <SEP> 0,036 <SEP> 0,012
<tb>
<tb> (2) <SEP> 0,14 <SEP> 0,20 <SEP> 0,66 <SEP> 0,53 <SEP> 0,27 <SEP> 0,41 <SEP> 0,031 <SEP> 0,023
<tb> (3) <SEP> 0,185 <SEP> 0,22 <SEP> 0,64 <SEP> 0,53 <SEP> 0,26 <SEP> 0,43 <SEP> 0,029 <SEP> 0,022
<tb>
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(4) 0,13 0,18 0,73 0,59 0,30 0,25 0,037 0,033
Dans chaque cas on considère le silicium comme un élément occasion- nel, le soufre et le phosphore comme des impuretés et le complément est consti- tué par du fer et les impuretés restantes.
Pour donner aux aciers fabriqués conformément à l'invention la meil- leure résistance au fluage il y a lieu de les traiter par la chaleur de la façon suivante :
Ils sont chauffés à une température de 1050 à 1200 C., puis refroi- dis par l'air ou bien trempés à l'huile ou trempés à l'eau suivant l'épaisseur de l'article et la composition de l'acier. On a pu constater que ce traitement à haute température amène de fagon satisfaisante les carbures en solution.
On a également constaté que pour obtenir la précipitation convena-
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ble des carbures en vue d'obtenir la plus grande résistance au fluage possi- ble. il était bon de donner aux aciers un ou plusieurs revenus à des tempéra- tures montant jusqu'à 800 C, puis de les refroidir soit à l'air., soit dans des fourssuivant 1?épaisseur de la section de 1?article et la composition de l'acier. Après le traitement les aciers ont une dureté qui est approxima- tivement de 200 à 300 Brinell.
Les aciers, après avoir subi le traitement thermique précédent,, fournissent un matériau qui possède une résistance à la traction relativement élevée et une bonne ductibilité à la température ordinaire,en même temps qu' une grande résistance au fluage aux températures élevées jusqu'à environ 1150 F, (675 C).
D'une façon plus précise, le traitement thermique est un traitement complexe qui comporte un chauffage jusqu9à 1050 C au minimum, un refroidisse- ment jusqu'à la température atmosphérique que tout d'abord à une allure qui est réglée de façon à précipiter le carbone sous forme de carbure finement divisé puis un réchauffage jusqu'à une température inférieure au point de transition austénitique de façon à produire des carbures complexes contenant du titane;, et un refroidissement jusqu'à la température atmosphérique à une allure qui est réglée de façon qu'une nouvelle précipitation de carbure puisse se pro- duire pendant que le refroidissement s'opéré.
Le point de transition austénitique est normalement inférieur à 8500C environ.
L'allure du premier refroidissement peut être réglée., par exemple, par un refroidissement dans l'air, une trempe dans l'huile ou une trempe dans l'eau. L'allure du refroidissement est influencée par la forme ou les dimensions de 19 article; plus la section de l'article est grande et plus le refroidissement opéré par n'importe laquelle des méthodes précédentes sera lent.
Pour une même dimension des articles,le refroidissement par l'air donne une allure relativement lente,la trempe à 19 huile une allure plus rapi- dela trempe à 19 eau une allure plus rapide encore.Il en résulte que pour ob- tenir la structure cristalline voulue dans le métal,les petits articles peuvent être refroidis à l'air, mais les articles de grande dimension ont souvent besoin d'être trempés à l'huile ou à l'eau.
L'allure du second refroidissement sera réglée par exemple, par un refroidissement à l'air ou dans un four; si l'article a une grande section, le refroidissement par 19air peut donner satisfactions, mais si cet article a une petite section, il est possible de retarder la vitesse du refroidissement par des méthodes telles que le refroidissement au four.
Pour permettre un service de longue durée à des températures dé- passant 1050 F,cçest-à-dire 565 C,il est nécessaire de protéger la surface des articles pour éviter l'é@aillage. Cette protection de surface peut être obtenue en formant sur celle=ci:un revêtement inerte et imperméable.Une métho- de particulière de protection de la surface qui s'applique extrêmement bien à cet- te qualité d'acier, est la formation d'une couche de surface riche en chrome par un procédé de chromage.
On sait qae le phénomène de la migration du carbone est l'un des obs- tacles des plus sérieux à surmonter pour rendre les.aciers aptes à recevoir le chromage. Jusqu9à présent cet obstacle a été surmonte en ajoutant du titane aux aciers, la présence de cet élément augmentant la stabilité thermique des carbu- res mais les aciers contenant du titane produits jusqu'à maintenant présentent une résistance à la traction relativement faible.et également une résistance au fluage relativement peu élevée aux hautes températures.
Les aciers suivant la présente invention sont caractérisés par une stabilité exceptionnelle des carbures due à la présence de carbone, de molybdè- ne, de vanadium et de titane dans des proportions définies et sont par suite ap- tes à recevoir le chromage.Lorsque 19 on a effectué un chromage,le traitement thermique qui a été mentionné plus haut est appliqué aux aciers après le chromage.
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Après le chromage et le traitement thermique mentionnés plus haut, les aciers présentent la même résistance à la traction et la même résistance au fluage que les aciers qui n'ont pas été chromés, mais ils ont en outre 1' avantage que la présence de la couche riche en chrome sur leur surface fait obstacle à l'écaillage et ainsi retarde de façon très importante le développe- ment des fractures intercristallines qui constitue la source principale des défaillances de ce genre d'acier à haute température.
Sans la protection de la surface chromée l'oxydation se produit et une fissu- ration intercristalline de la surface peut se produire relativement tôt. Des expériences de rupture ont été faites pendant l'état de fluage et ont montré que, puisque-le temps nécessaire pour arriver à la rupture est augmenté dans une très grande proportion la @ d'acier chromé est infiniment plus grande que celle l'acier L'invention a ainsi permis de produire un acier qui, après traite- ment thermique, présente des qualités de résistance au fluage nettement supérieu- res à celles des aciers ferritiques existants.
En même temps, à cause de la sur- face chromée, l'écaillage n'est pas progressif pour des températures allant jus- qu'à 850 C; dès que le film extrêmement mince s'est formé sur la surface il ne se produit plus d'écaillage.
Comme l'acier peut être adouci facilement jusqu'à une dureté d'envi- ron 120 F., la fabrication de ce matériau est presque aussi facile que celle de l'acier doux ordinaire.
De plus, étant donné que les aciers peuvent être facilement traités à chaud pour obtenir une résistance à la traction de 40 tonnes par inch carré (63 Kg9 par mm2) le champ d'emploi des articles chromés s'en trouve considéra- blement accru.
Les aciers standard actuellement en usage pour des emplois tels que les tubes de surchauffeur et les tuyauteries contenant la vapeur sont l'acier contenant 0,5% de molybdène et l'acier contenant 1% de chrome et 0,5% de molyb- dène. Ce dernier acier a été proposé pour les tubes de surchauffeur lorsque la température du métal atteint 1.050 F, c'est-à-dire 565 C.
Les propriétés de résistance au fluage qui ont été indiquées dans la littérature publiée à ce jour pour un acier contenant 1% de chrome et 0,5% de molybdène varient considérablement. Basées par une vitesse d'allongement' d'un dix-millionième de millimètre par heure, après une période de 1.000 heures (1% en 100. 000 heures), les valeurs les plus élevées obtenues pour la limite de fluage sont les suivantes :
510 C - 9 kg 56 par mm2
540 C - 6 kg 90 par mm2
565 C - 4 kg 75 par mm2, tandis que les valeurs de la limite de fluage pour l'acier allié à faible te- neur de carbone obtenu conformément à l'invention ont été les suivantes
565 C - 12 kg 6 et même plus
595 C - 9 kg 45
675 C - 6 kg 3.
On voit que l'acier allié à faible teneur de carbone de l'invention, se comporte de façon plus satisfaisante à 675 C que 1?acier au chrome et au molyb- dène à 565 C. En'outre, on doit se rappeler que, tandis qu'un acier au chrome et au molybdène est susceptible de se sphéroidiser et de perdre sa résistance au flua- ge dans un emploi de longue durée, l'acier conforme à la présente invention, ne subit aucune altération due à la température de travail.
Les conditions d'allongement et de résistance à la traction obtenues avec un barreau ayant 25 mm 4 de diamètre et fait avec l'acier allié à faible te- neur de carbone de l'invention sont les suivantes à la température¯ambiante - limite élastique (en kg par mm2)... 29 kg 15
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- 0905% effort dressai- (en kg par mm2)oo" 44 kg 35 - 0 effort d'essai (en kg par mm2)... 48 kg 82 - 0,5% effort dressai (en kg par n1n2)ooo 50 kg 39 - Effort de traction limite 64 kg 28 - Allongement sur une longueur de calibre de 4 fois la racine carrée de la section droite de 1'éprouvette : 34% - réduction de surface : 69%
On donnera ci-après un exemple d'un procédé pratique pour appli- quer l'invention :
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10 - Des pièces d'essai de fluage de tcànl,.0l. de diamètre furent manufacturées avec de l'acier conforme à l'invention présentant à l'analyse
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0 L?5 de carbone 0,45% de silicium, 0,47% de manganèse, 0,52% de molybdène 0,305 de vanadium, 0,195 de titane, le complément comportant du fer et des impuretés.
Ces pièces d'essai durent chromées de la façon suivante g elles furent placées dans une cornue étanche aux gaz et complètement entourées par un mélange de morceaux de ferro-chrome et de sillimanite, un matériau cé- ramique poreux et réfractaire qui avait été au préalable imprégné avec du chlo- rure chromée Toutes les traces d'oxygène ayant été balayées hors de la cornue
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par un courant dhydrogène9 la cornue fût ensuite chauffée dans un four chauf- fé au gaz. Une atmosphère d'hydrogène fût maintenue dans la cornue pendant tout le cycle du chauffage.
Lorsque la température à 1-'intérieur de la cornue eût
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atteint 10030 C un courant de chlorure d'hydrogène gazeux anhydre fût introduit dans celle-ci pendant environ 15 minutes, de façon à produire., par la réaction avec le ferro-chrome, un excédent de chlorure chromé. La cornue fût maintenue à cette température pendant huit heures puis refroidie jusqu'à la température nor- male; les pièces d9essai furent alors sorties.
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Les essais d9écaillage à 1-'air à 5â3 montrèrent qu'il n'y avait pratiquement aucun écaillage,, Après qu'un film très mince d'oxyde se fût formé
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sur la surface il ne s'est plus produit aucun écaillage.
Les pièces d'essai chromées'furent ensuite soumises à un traitement thermique par chauffage à 1150 C pendant une demi-heure., puis refroidies à 1' air. Il peut être nécessaire de prendre des précautions pour éviter l'oxydation du revêtement chromé au cours de ce traitement; 1?article peut, par exemple,être
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revêtu d'une couche d'aluminium ou de peinture d9aluminium. Les pièces d9essai furent ensuite adoucies à 7000 pendant deux heures et refroidies à l'air.
Les conditions d'allongement et de résistance à la traction obtenues furent les suivantes
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<tb> 0,5% <SEP> effort <SEP> d'essai <SEP> en <SEP> kg <SEP> par <SEP> mm2 <SEP> : <SEP> 52 <SEP> kg <SEP> 97
<tb>
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effort de traction limite en kg -par mm2 s 66 kg 96
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<tb> - <SEP> Allongement <SEP> sur <SEP> une <SEP> longueur <SEP> de <SEP> calibre-de
<tb>
<tb> quatre <SEP> fois <SEP> la <SEP> racine <SEP> carrée <SEP> de <SEP> la, <SEP> section
<tb>
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droite de 19éprouvette"ooo"o"""""oo"""o"ooo"" 0 33% - Réduction de surface""""""o"""oo""oo"oo"o,, s 67%
Un essai de fluage sous une tension de 9 kg 449 par mm2 et à une température de 600 C a donné les vitesses de fluage suivantes :
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<tb> durées <SEP> vitesse <SEP> de <SEP> fluage
<tb>
<tb> 500 <SEP> heures <SEP> 2935 <SEP> x <SEP> 10-7 <SEP> de <SEP> mm <SEP> par <SEP> mm <SEP> et <SEP> par <SEP> heure
<tb>
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1000 Il 1925 x 10-7 de mm par mm et par heure
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<tb> 1500 <SEP> " <SEP> 5 <SEP> p8 <SEP> x <SEP> 10-8 <SEP> de <SEP> mm <SEP> par <SEP> mm <SEP> et <SEP> par <SEP> heure
<tb>
2 - Des billettes ayant 101 mm 6 de diamètre furent laminées à chaud à partir d'un lingot de 2.540 Kgs obtenu au four électrique et ayant la composition suivante :
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<tb> -carbone <SEP> 0,13% <SEP> manganèse <SEP> 0,73%
<tb>
<tb> -silicium <SEP> 0,18% <SEP> molybdène <SEP> 0,59%
<tb> -sulfure <SEP> 0,031% <SEP> vanadium <SEP> 0,30%
<tb>
<tb> -phosphore <SEP> 0,033% <SEP> titane <SEP> 0,25%
<tb>
Une billette fut tournée grossièrement jusqu'à avoir un diamètre de 7 cm 3, percée et laminée à chaud dans un laminoir à tubes. Le tube fût ensuite étiré à froid aux dimensions finales qui furent de-4 cm 76 de diamè- tre extérieur pour 3 du palmer standard. Une certaine longueur de ce tube fût chromée ainsi que cela a été décrit plus haut. Le tube chromé fût ensuite soumis à un traitement thermique par chauffage à1120 ou 1140 C pendant une demi-heure et refroidissement à l'air.
Il fût ensuite adouci à 750 C pendant 4 heures et refroidi au four. Dans ces conditions, le matériau présentait une dureté Brinell de 190. Une certaine lon- gueur de ce tube fût ensuite courbée à froid sur un diamètre de 39 cm4. Un exa- men approfondi montra que le tube courbé ne présentait aucun défaut et que le revêtement chromé n'avait pas souffert.