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Outils pour travailler le métal à chaud r
La présente invention est relative aux outils pour travailler le métal à chaud et plus particulièrement aux mandrins pour laminage de tubes en acier au carbone et pour divers alliages d'acier; aux guides laminoirs à percer les tubes sans soudure, aux galets ou billes et aux ou- tils pour autres usages analogues.
Les outils pour travailler le métal à chaud et spécialement ceux soumis à des chocs lourds et à des frictions avec le métal rchaud sous une pression élevée, devraient être faits, préférablement, d'un métal qui pos- sède à un haut degré les qualités de dureté et de résis- tance à l'usure à des températures élevées, qui ne se fende pas, ne se brise pas ou ne se crevasse pas à la surface quand la pellicule ou couche qui travaille est portée à une haute température tandis que le corps reste à une température beaucoup plus basse, qui ne raye pas le métal travaillé, qui soit stable et n'éprouve sensi- blement pas de changement dans ses propriétés physiques désirables après un long emploi dans le travail du métal à chaud entraînant des échauffements successifs à des températures élevées.
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Les outils, objets de la présente invention, réu- nissent très pleinement ces conditions requises car ils ont une plus grande résistance à l'usure et au choc que les outils pour travailler le métal à chaud, comme on les a faits jusqu'ici. Ceci a été reconnu particulièrement vrai des mandrins de laminoir selon l'invention.
On a éprouvé beaucoup de difficulté dans l'obten- tion de mandrins pour laminage des tubes à chaud et de guides pour laminoirs à percer les tubes, qui doivent ré- sister d'une manière satisfaisante au service sévère au- quel ces outils sont soumis. Les mandrins et les guides suivant la présente invéntion ont été reconnus bien supé- rieurs aux meilleurs mandrins employés jusqu'ici, donnant un plus long service et un meilleur résultat.
Les mandrins de laminoir et autres outils du type de l'invention sont faits d'un alliage fer-chrome-nickel contenant des quantités de chrome, nickel et carbone en proportions telles que l'alliage soit un alliage austeniti- que stable et contenant une quantité de carbone en excé- dent de celle qui peut être maintenue en solution dans l'austenite, cet excès'de carbone étant sous forme de particules de carbure réparties dansles intervalles entre les grains d'austenite. La composition chimique préférée de l'alliage pour des mandrins de laminoir et des guides de laminoir à percer, ou des sabots, contient de 18 à 35 pour cent de chrome, de 4 à 20 pour cent de nickel et de 0,75 à 1,75 pour cent de carbone, le reste étant principalement du fer ;
pourvu que, cependant, avec la proportion de chrome la plus faible (18 pour cent) la proportion de nickel soit assez supérieure à 4 pour cent pour rendre l'alliage stablement austenitique et avecla proportion de chrome la plus forte (35 pour cent)la pro- portion de nickel soit aussi plus grande que 4 pour cent et suffisante pour empêcher l'allia e d'être cassant.
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De petites quantités d'autres constituants ne sont pas apparemment nuisibles et dans certains cas peuvent être avantageuses. Il a été reconnu que le silicium, jusqu'à 8 1/2 pour cent ne présente pas d'inconvénient et une plus grande proportion pourrait être employée sans modifier sérieusement les propriétés de l'alliage. On peut dire de même du manganèse jusqu'à 1,5 pour cent ou plus. Le vanadium en petites quantités n'est pas nuisible et a l'avantage de réduire la grosseur du grain du métal coulé, et comme nouvel exemple, le tungstène peut être aussi présent en petites quantités sans effet nuisible.
On trouvera habituellement que l'alliage renferme de peti'tes proportions'de soufre et de phosphore. La pré- sence d'aluminium dans l'alliage en quantité quelconque un peu importante la été reconnue comme peu,avantageuse.
Les analyses suivantes sont celles d'alliages se- lon l'invention et que l'on a trouvé particulièrement bons pour des mandrins de laminoirs et des guides.
EMI3.1
<tb>
Chrome <SEP> 23,07 <SEP> . <SEP> 25,87 <SEP> % <SEP> 33,47 <SEP> % <SEP> 25,23 <SEP> %
<tb>
EMI3.2
Nickel lQ,48 fl 9,94 % 10,13 3,99 %
EMI3.3
<tb> Carbone <SEP> 0,90 <SEP> % <SEP> 1,72 <SEP> % <SEP> 1,40 <SEP> % <SEP> 1,07 <SEP> %
<tb>
EMI3.4
Silicium 1,27 % 1,S16 % 1,gz 7.
EMI3.5
<tb> Manganèse <SEP> 0,65 <SEP> % <SEP> 0,94% <SEP> 0,93 <SEP> % <SEP>
<tb>
Les mandrins et guides, faits avec les alliages ci-dessus ont été moulés et ont été habituellement utilisés avec leurs surfaces de travail telles qu'elles viennent de fonderie; mais ces surfaces peuvent être meulées et polies, et l'on a reconnu quelque avantage à polir ainsi les surfaces de travail.
Les outils peuvent être coulés en sable ou en coquille dans des moules métalliques et devraient l'être, préférablement, à una température aussi basse que possible de manière à maintenir la petitesse du grain et à empêcher la ségrégation des particules de carbure.
L'alliage coulé dont sont faits les outils its
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comprend en effet un corps résistant moyennement dur main- tenant les particules très durée de carbure qui y sont réparties. Ces particules de carbure ainsi maintenues dans le corps dur donnent les propriétés de résistance à l'u- sure et, en emprisonnant les grains d'austenite, aident à la résistance ', la déformation.
Plus est grande la quantité de particules de car- bure., plus est grande la résistance à l'usure; mais la quantité avantageuse est limitée par la résistance né- cessaire de l'alliage. Cette résistance nécessaire varie suivant la forme et la grande or de l'outil et suivant le service auquel il est destiné. Une petite section devant être soumise à un effort ou un choc lourd demande une plus faible proportion de particules de carbure, quand bien mâme ce serait auxdépens de la résistance à l'usure.
En outre, plus sera grande'la quantité de nickel, moins il sera besoin de carbone puisque le nickel ne dissout pas le carbone et, par conséquent, une plus grande pro- portion de la quantité tptale de carbone contenue dans l'alliage s'y trouvera sous la forme des particules de carbure avantageuses. Il n'est pas nécessaire, d'ailleurs, que la quantité de carbone varie en proportion de la quantité de nickel contenu dans l'alliage. De quelques expériences étendues il résulte que les proportions de carbone comprises entre 0,75 et 1,75 pour cent ont donné les résultats les plus satisfaisants.
On a trouvé que la température de recristallisa- tion de spécimens caractéristiques de l'alliage est au- dessous de 2320 C. environ. Celle-ci est bien au-dessous de la température à laquelle sont portées des portions de surface des outils lors de léur emploi dans le travail du métal à chaud. Le métal est, par conséquent, bien adapté à l'emploi, avec ce résultat que ses précieuses propriétés sont maintenues au-delà de longues périodes de travail et qu'il ne charge ni ne se détériora par des efforts ou
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distorsions dûs au travail mécanique. Du reste, l'allia- ge se durcira s'il est travaillé à des températures in- férieures à la température de recristallisation.
On n'a @ pas trouvé que l'alliage réponde à un traitement par la chaleur autre que le recuit à sa température de recris- talli sation de façon à supprimer dans ce métal les ef- forts qui peuvent avoir résulté de l'écrouissage à froid. pour faire l'alliage, on a trouvé plus avantageux d'employer un four électrique à induction, en fondant d'abord les proportions convenables de fer et de nickel et en ajoutant ensuite la quantité suffisante de chrome sous forme de ferro-chrome de métal chrome ou de déchets d'alliage. Quand ces ingrédients sont complètement fondus, la température du bain est élevée quelque peu pour obtenir la température convenable de coulée, on ajoute le sili- cium et le manganèse pour assurer la réduction et lé mé- tal est versé et coulé à la manière ordinaire.
L'alliage peut, d'ailleurs, être obtenu par d'autres procédés de fusion donnant une température suffisante pour obtenir la fusion complète, comme dans n'importe quel four appro- prié, four Siemens-Martin, four à creusets, ou four à l'arc électrique. Naturellement, les matières premières employées dépendant du procédé de fusion utilisé varie- ront quelque peu.
En exprimant que l'alliage est un alliage austé- nitique stable, on veut dire que le métal solidifié est naturellement austénitique à toutes températures jusqu'au- dessous de la température ambiante et reste ainsi sous les conditions d'emploi dans le travail du métal à chaud qui entraîne un échauffement répété, même jusqu'à des températures dépassant considérablement 9330 C. environ.
Les outils, objets de l'invention sont, comme il a été dit, caractériss par la ténacité et la'résistance à l'usure à une température élevée. L'alliage est d'une dureté moyenne, mais garde sa dureté jusqu'à une haute
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température en perdant très peu jusqu'à. 760 C, et très peu de plus jusqu'à une température considérablement plus haute. Sa résistance à la traction n'est pas remar- quablement élevée, quoique plus élevée que celle des al- liages démonte qui ont été largement utilisés jusqu'ici pour des mandrins de laminoir.
Il est seulement légère- ment ductile, ne peut être forgé qu'à un faible degré et peut être travaillé, mais seulement avec difficulté, si la proportion de carbone ne dépasse pas 1,5 pour cent.
L'alliage résiste 'à l'oxydation, aucune oxydation sérieu- se ne se produisant jusqu'à des températures pouvant al- ler de 815 C. à 1093 C. environ selon les quantités de chrome et de nickel entrant dans l'alliage. La pelli- cule d'oxydation ne se forme pas, par conséquent, dans les conditions habituelles du travail à chaud. L'alliage résiste grandement au choc et à la déformation et ses propriétés physiques ne changent pas après un long ser- vice dans le travail du métal à chaud.
Le métal dont sont faits les outils objets de l'invention est, à un degré remarquable, à la fois sta- ble dans ses caractéristiques constitutives et dans ses propriétés physiques,.cette stabilité étant due, appa- remment, à sa composition austénitique stable, à sa re- cristallisation à de basses températures et à sa résis- tance à l'oxydation à de hautes températures.
Le fait que la surface des mandrins de laminoir de la présente invention peut être meulée ou bien polie sans nuire aux qualités 'de travail du mandrin ou sans le gêner dans son emploi est d'une importance très consi- dérable, car cela permet de faire les mandrins exactement de la grandeur voulue et dans quelques cas de les rame- ner à une plus petite dimension après usure de la surface.
Les mandrins en acier et en fonte employés jusqu'ici ne peuvent être utilisés si la surface a été meulée ou bien
1 polie.