Acier austénitique au chrome-nickel. La présente invention se rapporte à un acier austénitique au chrome-nickel.
Les aciers inoxydables austénitiques au chrome-nickel les plus connus contenant envi ron, par rapport à leur poids total, 10 à 25 % de chrome, 7 à 15, ou plus de nickel et le reste étant pratiquement du fer, sont em ployés dans la production d'une foule de pro duits résistant à la corrosion et résistant fai blement à la chaleur.
Ces aciers alliés, en par ticulier ceux contenant 18 % de chrome, 8 % de nickel, le reste étant du fer, sont destinés à un certain nombre d'emplois pour l'inté rieur et l'extérieur; ils servent à fabriquer des garnitures et des fixations pour lesquelles on désire un métal décoratif, plaisant, résistant à l'effet corrosif des conditions atmosphériques. De plus, ces aciers conviennent à un certain nombre d'usages divers pour restaurants, lai teries, cuisines et hôpitaux, par exemple comme ustensiles de cuisine et de service, récipients et nombreuses autres applications où l'on de mande un métal d'un brillant durable.
Cependant, il est reconnu que les aciers inoxydables austénitiques au chrome-nickel en question ne sont pas satisfaisants pour l'em ploi aux températures très élevées, en parti culier sous une tension mécanique élevée par exemple. Ils ont néanmoins un réseau de struc ture plus favorable à la cohésion sous une ten sion élevée aux températures supérieures à en viron 638 C que les aciers inoxydables ferri- tiques au chrome seul. De plus, les aciers au chrome seul ont une résistance plus grande par comparaison avec les aciers austénitiques aux températures plus basses.
Cependant, le fait est que beaucoup des aciers austénitiques ne donnent pas satisfaction en ce qui concerne la rupture sous tension et la résistance à l'allongement et ne répondent pas aux exi gences de la technique à température élevée sous des formes telles que les boulons et les écrous, les soupapes pour moteurs à combus tion interne, les pales pour turbines à vapeur et à gaz, les rotors, les pistons, les tuyères et une foule d'autres produits et articles soumis à une tension mécanique élevée à haute tem pérature.
Les alliages connus, résistant à l'allonge ment et résistant à la rupture sous tension, parmi ceux que l'on peut employer aux tem pératures élevées, sont d'autre part connus pour être difficiles à usiner et, par consé quent, la production d'articles et de produits usinés à partir de tels alliages représente un problème sérieux.
On a trouvé qu'un acier contenant dans un rapport approprié les métaux suivants: chrome, nickel, molybdène, cuivre, manganèse, colombium (ou niobium) et titane (et dont la. teneur en carbone est basse, afin de main tenir une structure complètement austéniti- que), présente des propriétés satisfaisantes aux températures élevées.
D'une fagon plus pré cise, l'acier selon l'invention contient par rap port à son poids total,<B>0,01</B> à 0,15 % de car- boue, 12 à 22 % de chrome, 10 à<B>22170</B> de nickel, 0,1 à 2 % de manganèse, 2 à 4 % de molybdène, 2 à 4 % de cuivre, 0,15 à<B>0,75%/</B> de titane, 0,2 à<B>1,1%</B> de colombium, le reste étant sensiblement du fer.
Cet acier est facile ment usiné en produits pour emploi aux tem pératures élevées, tels que, par exemple, des boulons et des écrous, des rivets, des appareils et parties d'appareils pour l'industrie chimi que devant supporter des températures éle vées, des soupapes pour moteur thermique et en particulier des soupapes de sortie pour mo teurs à combustion interne, des tubes tels que les tubes sans soudure formés par étirage, des pales pour turbines à vapeur et à gaz, des rotors, des pistons, des tuyères et une foule d'autres produits en acier devant être utilisé en supportant des efforts mécaniques et/ou dans des conditions d'attaque corrosive d'une façon soit intermittente, soit continue et à des températures élevées.
Aux températures éle vées, comme en présence de gaz corrosifs chauds et soumis à des efforts mécaniques prolongés, les produits ou articles fabriqués sont résistants, solides et durables.
Les aciers conformes à la présente inven tion sont d'une structure complètement austé- nitique. La ferrite, lorsqu'elle est présente, n'existe qu'à l'état de traces. Ceci est essentiel pour obtenir les propriétés exigées de résis tance à la tension. Lorsque des quantités appréciables de ferrite sont présentes, les va leurs de résistance à la rupture diminuent, de même que les qualités de travail du métal.
Les limites de composition données sont considérées comme étant à tous points de vue critiques, car on a trouvé que, lorsqu'on s'écarte de ces limites, une ou plusieurs des qualités requises diminuent. Par exemple, avec une teneur en carbone ou en manganèse plus élevée, l'aptitude à l'usinage serait diminuée. Avec tout abaissement appréciable des teneurs en molybdène et en cuivre, l'aptitude des aciers à supporter une charge à température élevée diminuerait, tandis que, avec une aug mentation appréciable, la facilité d'usinage disparaîtrait.
Le titane et le colombium, dans les quantités indiquées, augmentent la résis- tance à la rupture et les propriétés d'allonge ment et améliorent l'aptitude à porter une charge à haute température, du fait qu'ils donnent lieu, lors d'un traitement thermique approprié de l'acier, à la précipitation de car bures de colombium et de titane et de composés intermétalliques de ces éléments, en des quan tités dépendant jusqu'à un certain point des températures du traitement thermique. En présence de plus grandes quantités de titane et de colombium, il se produirait cependant. une diminution de l'aptitude à porter une charge de l'acier.
Dans sa réalisation préférée, l'acier selon l'invention renferme 0,10 % de carbone au maximum, 17 % de chrome, 13 % de nickel, de 1,0 à<B>1,5%</B> de manganèse,<B>3,0%</B> de molyb dène, 3 % de cuivre,<B>0,25%</B> de titane, 0,40% de colombium et le reste étant uniquement du fer.
Le traitement thermique que l'on peut em ployer pour augmenter l'aptitude de l'acier à porter une charge présente le caractère d'un recuit et d'un traitement de précipitation. Par exemple, on chauffe l'acier dans des limites de températures d'environ 1121 à 1232 C, températures auxquelles à peu près tout le titane passe en solution, ainsi qu'une partie du colombium. La solubilité du colombium augmente à la limite supérieure du chauffage. Le titane et une partie du colombium étant en solution, on trempe l'acier dans l'air, dans l'huile ou dans l'eau, de préférence à la tem pérature ambiante.
Dans un réchauffage du métal trempé, que l'on effectue par exemple d'environ 649 à 816 C, limites de températures préférées, le titane, le colombium et le cuivre se précipitent dans la matrice, sous une forme finement divisée dans le réseau métallique le long des surfaces de glissement.
Le précipité formé se compose de composés intermétalli- ques, en particulier de titane et de colom- bium, et peut-être aussi de titane, de colom- bium, de nickel et de cuivre, et de carbures de titane et de colombium, qui augmentent en quantité à la limite supérieure de tempéra ture du traitement de précipitation indiqué ci-dessus. On trempe l'acier une fois qu'il a subi ce traitement de précipitation.
Le métal trempé possède une structure à grain fin et est de plus caractérisé par des précipités exis tant à l'état de dispersions finement divisées entre les plans de glissement dans la matrice; ces précipités restent sans coalescence et exer cent une action favorable en ce qui concerne l'allongement et la rupture par tension des aciers, pour des périodes de temps extrême ment longues pendant l'emploi de l'acier à température éle-#ée.
L'acier selon l'invention peut être mis en aeuvre sous forme de lingots. Ces lingots sont chauffés et formés en barres par laminage à chaud ou forgeage à partir d'une température d'environ 1232 C. Les barres sont ensuite for gées grossièrement en leur donnant la forme d'axes pour turbines à gaz, de boulons, d'écrous de roues, de pistons et autres. L'usi nage jusqu'à la dimension finale est terminé comme désiré. On peut, si l'on veut, effectuer la fabrication de certaines parties par soudure au chalumeau oxyacétylénique ou à l'arc élec trique en employant des barres de soudure ayant, de préférence, à peu près la même composition que la partie à souder.
De préférence, après le forgeage grossier et l'usinage des parties de turbine, on chauffe celles-ci à une température d'environ 649 C pendant environ 6 heures. On trempe ensuite celles-ci, par exemple par refroidissement à l'air, et on les soumet ensuite au décapage.
L'appareillage pour turbine ainsi obtenu résiste à la corrosion et à la chaleur. De plus, il est capable de résister à de dures condi tions d'emploi aux températures élevées, jus qu'à environ 616 C ou plus, pendant de lon gues périodes d'emploi continu, sans dévelop pement de grain, fatigue ou rupture par allon gement, ou rupture sous tension. A l'emploi, les parties de turbine montrent une résistance nette à la tension, à la compression et à la torsion. Elles résistent à la déformation et elles résistent aux incrustations nuisibles et à l'attaque corrosive par les gaz d'oxydation et de réduction aux températures élevées.
A titre d'exemple de telles propriétés, on a pris un échantillon de métal forgé et vieilli (forgé à partir de 1232 C et vieilli à 849 C, pendant une période d'environ 8 heures suivi d'un refroidissement à l'air) provenant des parties de turbines et dont la composition à. l'analyse était d'environ 0,09 % de carbone, 16,93%, de chrome,<B>13,10%</B> de niekel, 1,21 de manganèse, 2,98 % de cuivre,<B>2,95%</B> de molybdène, 0,21 % de titane, 0,43 % de colom- bium et le reste étant uniquement du fer; à la fin d'un essai de tension de 1000 heures à, 2460 kg/cm' à 659 C, l'échantillon, de 5,08 cm de longueur initiale, présentait un allonge ment total de 0,60 %.
Ceci représente une vi tesse d'allongement de 0,000218 % par heure. On peut donc voir d'après le présent exemple que les propriétés aux températures élevées de l'acier selon la présente invention, et des pro duits et articles fabriqués avec ledit acier, sont remarquables du point de vue de la résis tance à la rupture sous tension et de l'allon gement.
On a soumis d'autres échantillons d'acier de la composition indiquée ci-dessus à des essais de rupture sous tension à 649 C, et on a trouvé que ceux-ci supportaient une tension de 3445 kg/cm' pendant 10 heures, 3023 kg/cm' pendant 100 heures et 2707 kg/cm= pendant 1000 heures.
D'autres échantillons encore, ceux-ci ayant comme composition 0,09 % de carbone, 17,53 % de chrome,<B>13,18%</B> de nickel,<B>2,99%</B> de molybdène, 2,99 % de cuivre, 0,42 % de colom- bium, 0,29 % de titane, 1,21 % de manganèse, le reste étant du fer, ont été préparés et sou mis à l'essai avec les résultats suivants: <I>Tableau I:</I> Essai de rupture sous tension à 649 C. Echantillon. A, recuit à 1221 C pendant heure et trempé à l'eau, puis vieilli à 649 C pendant 6 heures et trempé à l'eau.
EMI0003.0015
Tension <SEP> en <SEP> kg/cm' <SEP> Temps <SEP> pour <SEP> la <SEP> rupture
<tb> en <SEP> heures
<tb> 3374 <SEP> 10
<tb> 2830 <SEP> 100
<tb> 2425 <SEP> 1000 Ëchantillon È, recuit à 1232 C pendant i/2 heure et trempé à l'eau, puis vieilli à 649 C pendant 5 heures et trempé à l'eau.
EMI0004.0006
Tension <SEP> en <SEP> kg/cm2 <SEP> Temps <SEP> pour <SEP> la <SEP> rupture
<tb> en <SEP> heures
<tb> 4218 <SEP> 10
<tb> 3374 <SEP> 100
<tb> 2707 <SEP> 1000
EMI0004.0007
<I>Tableau <SEP> II:</I>
<tb> Essai <SEP> d'allongement.
<tb> Allongement <SEP> entre <SEP> la
<tb> Echantillon <SEP> Température <SEP> Charge <SEP> en <SEP> Allongement <SEP> Allongement <SEP> 900m, <SEP> et <SEP> la <SEP> 1800m8 <SEP> heure
<tb> de <SEP> l'essai <SEP> kg/cma <SEP> initial <SEP> après <SEP> 500 <SEP> h.
<SEP> en <SEP> % <SEP> de <SEP> l'allongement
<tb> en <SEP> 100 <SEP> 000 <SEP> heures.
<tb> A <SEP> 6490 <SEP> C <SEP> 1265 <SEP> 0,105 <SEP> 0,140 <SEP> 1,10
<tb> B <SEP> 6490 <SEP> C <SEP> 1406 <SEP> 0,145 <SEP> 0,180 <SEP> 0,88
<tb> B <SEP> 732<B>0</B> <SEP> C <SEP> 703 <SEP> 0,055 <SEP> 0,140 <SEP> 1,07 Ainsi, on voit que l'invention permet d'ob tenir de l'acier allié inoxydable austénitique au chrome-nickel permettant de former des produits dans lesquels sont réunis les avan tages pratiques divers mentionnés ci-dessus.
Les produits obtenus sont solides, résistants et durables, résistent à la corrosion et à la chaleur, et sont bien adaptés pour supporter un travail continu aux températures élevées pendant de longues durées et dans les condi tions variables diverses auxquelles ils sont sou mis dans la pratique.
Naturellement, l'invention n'est pas limi tée aux modes d'exécution ci-dessus décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple.