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Le fait est bien connu que les alliages au nickel-chrome contenant le titane avec ou sans aluminium possèdent d'excellentes propriétés anti- fluage qui peuvent être attribuées à la présence d'une phase Ni (Ti, Al) précipitable, c'est-à-dire d'une phase dans laquelle le titane et l'alu- minium peuvent être présents en proportions variables et qui peut même ne pas contenir d'aluminium. Pour former une telle phase, il doit y avoir évidemment une proportion convenable de titane libre et la quantité de ti- tane requise pour lier le carbone présent doit être négligée.
Le nickel est coûteux; la demande de nickel dépasse l'offre; la résistance donnée aux alliages par de fortes proportions de nickel, par exemple 75 %, n'est pas toujours requise. Par exemple, dans les turbines à gaz industrielles, une longue vie et la sécurité à des températures al- lant de 600 à 700 C sont des propriétés plus recherchées que la résistance considérable au fluage aux températures plus élevées et, par exemple, à 750 c.
Pour ces raisons, il est désirable de remplacer par le fer une par- tie du nickel contenu dans l'alliage. On sait toutefois que les alliages au nickel-chrome-fer à haute teneur, par exemple 30 à 60% de fer sont dif- ficiles à forger car ils tendent à se briser. Les pièces de turbine et les autres pièces pour lesquelles il est requis d'employer les alliages en ques- tion doivent toutefois être fabriquées par le forgeage ou un autre procé- dé de travail à chaud.
La présente invention est basée sur la découverte surprenante que les alliages au nickel-chrome à assez forte teneur en fer peuvent être forgés et acquièrent, après traitement thermique, une excellente résistance au fluage aux températures allant jusqu'à 750 C, s'ils contiennent des pro- portions critiques de molybdène et de bore. En outre, les alliages ont une ductilité inattendue pour tout l'intervalle des températures allant de la température ordinaire jusqu'à 750 C.
La présence simultanée du molybdène et du bore dans les alliages au nickel-chrome, même dans ceux de ces alliages qui contiennent jusqu'à 8 à 12% de fer, est connue pour les pièces moulées. On s'attendrait tou- tefois au fait qu'en augmentant la teneur en fer jusqu'à, par exemple, 25 % et davantage, c'est-à-dire en remplaçant une proportion substantielle de nickel par le fer, l'alliage devienne bien plus difficile à travailler à chaud. Il est surprenant qu'on ait trouvé que les alliages selon l'inven- tion peuvent être travaillés à chaud et possèdent en fait une remarquable ductilité.
Les alliages selon l'invention ont la composition suivantes
EMI1.1
<tb> nickel <SEP> 25 <SEP> à <SEP> 50 <SEP> %
<tb>
<tb> chrome <SEP> 8 <SEP> à <SEP> 25 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> carbone <SEP> jusqu'à <SEP> 0,2%
<tb>
<tb> titane <SEP> libre <SEP> 1,5 <SEP> à <SEP> 6 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> molybdène <SEP> 5 <SEP> à <SEP> 7 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> bore <SEP> 0,03 <SEP> à <SEP> 0,15 <SEP> %
<tb>
<tb> zirconium <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 0,2 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> aluminium <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 4 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> manganèse <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 3 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> silicium <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 1 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> cuivre <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 5 <SEP> %
<tb>
<tb> vanadium <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 1 <SEP> %
<tb>
<tb> cobalt <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 5 <SEP> % <SEP>
<tb>
'le restant (sauf les impuretés)
étant du fer et la teneur en fer étant d'au moins 20 %.
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Dans ces alliages, le nickel joue son rôle habituel qui consiste à maintenir la structure austénitique et à donner de bonnes propriétés à haute température, propriétés qui s'améliorent à mesure que la teneur en nickel monte. Eu égard aux diverses considérations exposées plus haut, la teneur en nickel peut être avantageusement de 34 à 35%, soit 40 %. Le chrome est requis pour donner de la résistance à l'oxydation et sa teneur est de préférence de 12 à 16%. La teneur en carbone doit être aussi faible qu'il est pratiquement possible et il doit y avoir assez de titane pour qu'il reste 1,5 % de titane libre après avoir déduit quatre fois la teneur en carbone de la teneur totale en titane, De préférence, la teneur en ti- tane libre va de 2 à 3%.
L'aluminium est souvent introduit, dans les allia- ges contenant du titane, avec le titane, et il est généralement présent en teneurs qui ne dépassent pas 0,75 % dans les alliages selon l'invention.
Si la teneur en titane est faible, la teneur en aluminium peut s'élever à 4%, mais il est indésirable que les teneurs en titane et en aluminium soient élevées simultanément.
Le molybdène est très important. Il augmente la ductilité et em- pêche ainsi la production de craquelures pendant le forgeage. Il augmente aussi la résistance de'l'alliage et augmente ainsi la difficulté du travail de l'alliage. Pour éviter les craquelures et pour donner une bonne résis- tance à haute température en dépit de la teneur relativement faible en nic- kel, il doit y avoir 5% ou plus de molybdène, mais si la teneur en molyb- dène dépasse 7 % l'alliage devient si rigide qu'on ne peut quasi plus l'ou- vrer à l'aide des machines normales de travail à chaud. Les bonnes proprié- tés de résistance au fluage des alliages découlent dans une bonne mesure de la présence combinée du molybdène et du bore et ne sont pas obtenues si la teneur en bore est inférieure à 0,03 %.
Si elle est supérieure à 0,15%, l'alliage devient de nouveau extrêmement difficile à forger.
Le zirconium est un élément désirable pour améliorer les proprié- tés anti-fluage et il est de préférence présent avec des teneurs de 0,01 à 0,1 %. Le manganèse, le silicium et le cuivre peuvent être tolérés jus- qu'aux teneurs susmentionnées, mais ces teneurs sont de préférence limitées comme suit : manganèse : pas plus de 1 % silicium : pas plus de 0,5 % cuivre : pas plus de 3 %.
Le vanadium est un élément indésirable, car il réduit la résistan- ce à l'oxydation.
Le cobalt est souvent introduit en tant qu'impureté du nickel. Il est coûteux et rare et sa présence n'est pas requise dans les alliages; né- anmoins, il peut être présent, non plus simplement comme une impureté, mais avec une teneur allant jusqu'à 5 % aux dépens du nickel.
Le tungstène est sensiblement équivalent au molybdène en ce qu'il donne de bonnes propriétés aux alliages, mais il est rare et coûteux. Tou- tefois, si on le désire, les alliages peuvent être modifiés en remplaçant - une partie ou la totalité du molybdène par une quantité équivalente du tung- stène .
Parmi les impuretés ordinaires, le soufre et le phosphore doivent avoir des teneurs aussi faibles que possible. Le calcium en grande quantité est une impureté indésirable, mais des traces résiduelles peuvent avoir un effet favorable.
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Le traitement thermique appliqué pour développer les bonnes proprié- tés de résistance à chaud peuvent comprendre le chauffage à la solution, suivi d'un traitement de vieillissement à une température inférieure. Pour une grande résistance à l'entaille, le chauffage à la solution peut être effectué entre 1090 et 1175 C et être suivi d'un refroidissement rapide et le vieillissement peut être effectué entre 590 et 815 C. On peut employer le double vieillissement et, par exemple, des chauffages successifs à 700 et 650 C et, si on le désire, un traitement intermédiaire de pré-vieillisse- ment comprenant le chauffage entre 815 et 950 C peut-être employé entre le traitement à la solution à haute température et le traitement de vieillis- sement.
Si, pour l'article à la production duquel l'alliage doit servir, la résistance à température ordinaire est plus importante que la résistance à haute température, l'alliage peut simplement être vieilli par le chauf- fage à ,par exemple, 760 C, après le forgeage et sans chauffage à la solu- tion. Ce traitement peut être appliqué, par exemple, aux tôles ou aux feuillards travaillés à chaud ou à froid avant leur transformation en pro- duit final.
L'importance du bore et du molybdène est montrée par quelques es- sais comparatifs. Ces tests furent faits sur des alliages ayant la compo- sition suivante: Pourcentages en poids
EMI3.1
<tb> Eléments <SEP> Alliage <SEP> 1 <SEP> Alliage <SEP> 2 <SEP> Alliage <SEP> 3 <SEP> Alliage <SEP> 4.
<tb>
<tb>
<tb>
Nickel <SEP> 34,4 <SEP> 31,5 <SEP> 32,5 <SEP> 31,4
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 14,1 <SEP> 16,4 <SEP> 15,4 <SEP> 16
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Titane <SEP> 2,47 <SEP> .2,48 <SEP> ..2,39 <SEP> 2,33
<tb>
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> 5,7 <SEP> 2,8 <SEP> 0 <SEP> 0,33
<tb>
<tb>
<tb> Bore <SEP> > <SEP> 0.07 <SEP> > <SEP> 0,07 <SEP> > <SEP> 0, <SEP> 07 <SEP> Traces
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 0,14 <SEP> 0,21 <SEP> 0,24 <SEP> 0,13
<tb>
<tb>
<tb> Carbone <SEP> 0,05 <SEP> 0, <SEP> 06 <SEP> 0,11 <SEP> 0,05
<tb>
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,5 <SEP> 0,5 <SEP> 0,5 <SEP> 0,1
<tb>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,11 <SEP> 0,13 <SEP> 0,18 <SEP> 0,15
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cuivre <SEP> 0,04 <SEP> 0,04 <SEP> 0,07 <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Soufre <SEP> 0,007 <SEP> 0,008 <SEP> 0, <SEP> 009 <SEP> 0,
007
<tb>
<tb>
<tb> Fer <SEP> Le <SEP> restant
<tb>
Pour produire les alliages n 1 à 3, on ajoute 0,1 de bore.
On voit que l'alliage n 1 est selon l'invention. Pour les allia- ges n 2 à 4, la teneur en molybdène est trop faible et, dans l'alliage n 4, la teneur en bore est aussi trop faible. Des spécimens de ces alliages furent thermiquement traités par le chauffage à 1120 C pendant deux heures, la trempe à l'huile et le vieillissement d'abord à 705 C pendant 20 heures et ensuite à 650 C pendant 20 heures.
Les échantillons furent essayés pour fluage sous une charge de 20 tonnes anglaises par pouce carré à 732 C et donnèrent les résultats suivants :
EMI3.2
<tb> Alliage <SEP> ? <SEP> Vie <SEP> jusqu'à <SEP> la <SEP> rupture <SEP> Allongement
<tb>
<tb> en <SEP> heures <SEP> en <SEP> %
<tb>
<tb> 1 <SEP> 249 <SEP> 19,0
<tb>
<tb> 2 <SEP> 163 <SEP> 14,0
<tb>
<tb> 3.35 <SEP> 10,5
<tb>
<tb> 4 <SEP> 149 <SEP> 9,0
<tb>
<Desc/Clms Page number 4>
Les alliages ont d'excellentes propriétés à température ordinaire, propriétés qui sont illustrées par les chiffras suivants, relatifs à l'al- liage N 1 qui fut soumis au même traitement thermique que les alliages essayés pour fluage.
Limite élastique, livres anglaises par pouce carré 46.000 Limite d'écoulement, livres anglaises par pouce carré 68.000 Point d'écoulement pour un allongement de 0,2 % livres anglaises par pouce carré 117*000 Résistance à la traction, livres anglaises par pouce carré 175.000 Allongement en % 21,4 Striction en % 34,8
L'effet sur les propriétés à haute température du fait que le mo- lybdène est présent dans les limites de 5 à 7 %, mais que le bore est ab- sent, est montré par les tableaux ci-avant qui montrent aussi l'effet du zirconium:
Pourcentages en poids
EMI4.1
<tb> Eléments <SEP> Alliage <SEP> 5 <SEP> Alliage <SEP> 6 <SEP> Alliage <SEP> 7 <SEP> Alliage <SEP> 8 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Nickel <SEP> 42,2 <SEP> 42,0 <SEP> 42,4 <SEP> 42,5
<tb>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 13, <SEP> 2 <SEP> 13,0 <SEP> 13,3 <SEP> 12,7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Titane <SEP> ..2,36 <SEP> .2,41 <SEP> -.2,51 <SEP> -2,47
<tb>
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> 6,1 <SEP> 6,05 <SEP> 6,23 <SEP> 6,23
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Bore <SEP> - <SEP> 0,1 <SEP> - <SEP> 0,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 0,33 <SEP> 0,33 <SEP> 0,41 <SEP> 0,22
<tb>
<tb>
<tb> Carbone <SEP> 0,04 <SEP> 0,05 <SEP> 0,04 <SEP> 0,05
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0,09 <SEP> 0,44 <SEP> 0,09 <SEP> 0,14
<tb>
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0,14 <SEP> 0,15 <SEP> 0,17 <SEP> 0,20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cuivre <SEP> 0,03 <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> 0,03 <SEP> 0,
03
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Soufre <SEP> 0,007 <SEP> 0,007 <SEP> 0,007 <SEP> 0,007
<tb>
<tb>
<tb> Zirconium <SEP> - <SEP> - <SEP> 0,03 <SEP> 0,03
<tb>
<tb>
<tb> Fer <SEP> Le <SEP> restant
<tb>
Des échantillons de ces alliages furent chauffés à la solution à 1120 G pendant deux heures, trempés à l'huile et viellis à 705 C pendant 16 heures. Ils furent alors essayés sous une charge do 35,5 tonnes anglai- ses par pouce carré à 6500C.
Les résultats furent les suivants :
EMI4.2
<tb> Alliage <SEP> Vie <SEP> jusque <SEP> la <SEP> rupture <SEP> Allongement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N <SEP> en <SEP> heures <SEP> en <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 62,5 <SEP> 4,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> 119 <SEP> 4,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> 8,3 <SEP> 9,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> 178,2 <SEP> 4,5
<tb>
On voit que les deux alliages sans bore (lT 5 et 7) ont une vie plus courte que les alliages correspondants contenant du bore et que la présence du zirconium dans l'alliage ? 7 ne compense pas l'absence du bore.
L'amélioration supplémentaire due à la présence simultanée du bore et du zirconium est clairement démontrée par l'alliage ? 8
EMI4.3
REVETDICATIONS.
#####lllWII # # 1. Alliage au nickel-chrome-fer contenant une phase Ni3 (Ti,Al)
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précipitâtes et ayant la composition suivantes
EMI5.1
<tb> Nickel <SEP> 25 <SEP> à <SEP> 50 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Chrome <SEP> 8 <SEP> à <SEP> 25 <SEP> %
<tb>
<tb> Carbone <SEP> jusqu'à <SEP> 0,2%
<tb>
<tb> Titane <SEP> libre <SEP> 1,5 <SEP> à <SEP> 6 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> 5 <SEP> à <SEP> 7 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Bore <SEP> 0,03 <SEP> à <SEP> 0,15 <SEP> %
<tb>
<tb> Ziroonium <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 0,
2 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 4 <SEP> %
<tb>
<tb> Manganèse <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 3 <SEP> %
<tb>
<tb> Silicium <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 1 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Cuivre <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 5 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb> Vanadium <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 1 <SEP> %
<tb>
<tb> Cobalt <SEP> 0 <SEP> à <SEP> 5 <SEP> %
<tb>
le restant (sauf les impuretés) étant du fer, et la teneur en fer étant d'au-moins 20 %.
2. Alliage selon la revendication 1, dans lequel la teneur en nic- kel est de 34 à 45 % et la teneur en chrome de 12 à 16 %.
3. Alliage selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la teneur en titane libre est de 2 à 3 %.
4. Alliage selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la teneur en aluminium ne dépasse pas 0,75 %.
5. Alliage selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le zirconium est présent avec une teneur de 0,01 à 0,1 %.
6. Variante de l'alliage selon une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une partie ou la totalité du molybdène est rem- placée par une quantité égale de tungstène.