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.
Austenitic chromium-nickel steel. The present invention relates to an austenitic chromium-nickel steel.
The most well-known austenitic chromium-nickel stainless steels containing about 10 to 25% chromium, 7 to 15% or more of nickel, with respect to their total weight, and the remainder being practically iron, are used in the process. production of a host of corrosion resistant and poorly heat resistant products.
These alloy steels, in particular those containing 18% chromium, 8% nickel, the rest being iron, are intended for a certain number of uses for the interior and exterior; they are used to manufacture fittings and fixings for which a decorative, attractive metal is desired, resistant to the corrosive effect of atmospheric conditions. In addition, these steels are suitable for a number of diverse uses in restaurants, dairies, kitchens and hospitals, for example as cooking and serving utensils, containers and many other applications where a metal of high quality is required. lasting shine.
However, it is recognized that the austenitic chromium-nickel stainless steels in question are not satisfactory for use at very high temperatures, in particular under high mechanical stress for example. However, they have a structural network more favorable to cohesion under high voltage at temperatures above about 638 C than ferrous stainless steels with chromium alone. In addition, chromium-only steels have greater strength compared to austenitic steels at lower temperatures.
However, the fact is that many austenitic steels do not perform well with regard to stress fracture and tensile strength and do not meet the demands of the high temperature technique in forms such as bolts and nuts, valves for internal combustion engines, blades for steam and gas turbines, rotors, pistons, nozzles and a host of other products and articles subjected to high mechanical stress at high temperatures.
The known alloys, resistant to elongation and resistant to breaking under stress, among those which can be employed at high temperatures, are on the other hand known to be difficult to machine and, therefore, to produce. articles and products machined from such alloys is a serious problem.
It has been found that a steel containing in an appropriate ratio the following metals: chromium, nickel, molybdenum, copper, manganese, colombium (or niobium) and titanium (and of which the carbon content is low, in order to maintain a structure. completely austenitic), exhibits satisfactory properties at elevated temperatures.
More precisely, the steel according to the invention contains, relative to its total weight, <B> 0.01 </B> to 0.15% of carbon, 12 to 22% of chromium. , 10 to <B> 22170 </B> nickel, 0.1 to 2% manganese, 2 to 4% molybdenum, 2 to 4% copper, 0.15 to <B> 0.75% / < / B> titanium, 0.2 to <B> 1.1% </B> of colombium, the remainder being substantially iron.
This steel is easily machined into products for use at high temperatures, such as, for example, bolts and nuts, rivets, apparatus and parts of apparatus for the chemical industry which must withstand high temperatures, valves for heat engines and in particular outlet valves for internal combustion engines, tubes such as seamless tubes formed by drawing, blades for steam and gas turbines, rotors, pistons, nozzles and a host of other steel products to be used under mechanical stress and / or under corrosive attack conditions either intermittently or continuously and at elevated temperatures.
At high temperatures, such as in the presence of hot corrosive gases and subjected to prolonged mechanical stress, the products or articles manufactured are strong, strong and durable.
The steels according to the present invention are of a completely austenitic structure. Ferrite, when present, only exists in traces. This is essential in order to obtain the required tensile strength properties. When appreciable amounts of ferrite are present, the breaking strength values decrease, as do the working qualities of the metal.
The given compositional limits are considered to be in all respects critical, since it has been found that when one deviates from these limits one or more of the required qualities decreases. For example, with a higher carbon or manganese content, the machinability would be decreased. With any appreciable reduction in molybdenum and copper contents, the ability of steels to withstand high temperature load would decrease, while with appreciable increase ease of machining would disappear.
Titanium and columbium, in the amounts indicated, increase the tensile strength and elongation properties and improve the ability to carry a load at high temperature, as they give rise, upon loading. an appropriate heat treatment of the steel, the precipitation of columbium and titanium carbides and intermetallic compounds of these elements, in amounts depending to a certain extent on the temperatures of the heat treatment. In the presence of greater amounts of titanium and columbium, however, it would occur. a decrease in the ability to carry a load of the steel.
In its preferred embodiment, the steel according to the invention contains a maximum of 0.10% carbon, 17% chromium, 13% nickel, from 1.0 to <B> 1.5% </B> of manganese , <B> 3.0% </B> molyb dene, 3% copper, <B> 0.25% </B> titanium, 0.40% columbium and the remainder being iron only.
The heat treatment which may be employed to increase the ability of the steel to bear a load has the character of an annealing and a precipitation treatment. For example, steel is heated to temperature limits of about 1121 to 1232 C, temperatures at which almost all of the titanium goes into solution, as well as some of the columbium. The solubility of columbium increases at the upper limit of heating. The titanium and part of the columbium being in solution, the steel is quenched in air, in oil or in water, preferably at room temperature.
In a reheating of the hardened metal, which is carried out for example at about 649 to 816 C, preferred temperature limits, the titanium, the colombium and the copper precipitate in the matrix, in a finely divided form in the metal network along the sliding surfaces.
The precipitate formed is composed of intermetallic compounds, in particular of titanium and columbium, and possibly also of titanium, columbium, nickel and copper, and carbides of titanium and columbium, which increase in quantity at the upper temperature limit of the precipitation treatment indicated above. The steel is quenched once it has undergone this precipitation treatment.
The hardened metal has a fine grained structure and is further characterized by precipitates existing as finely divided dispersions between the slip planes in the die; these precipitates remain uncoalescent and exert a favorable action with respect to the elongation and stress fracture of steels for extremely long periods of time during the use of the steel at elevated temperature.
The steel according to the invention can be used in the form of ingots. These ingots are heated and formed into bars by hot rolling or forging from a temperature of around 1232 C. The bars are then coarsely forged into the shape of gas turbine shafts, bolts, dies. wheel, piston and other nuts. Machining to final dimension is completed as desired. It is possible, if desired, to carry out the manufacture of certain parts by welding with an oxyacetylene torch or with an electric arc, using sealing bars having, preferably, approximately the same composition as the part to be welded.
Preferably, after coarse forging and machining of the turbine parts, they are heated to a temperature of about 649 ° C for about 6 hours. These are then quenched, for example by cooling in air, and then subjected to pickling.
The resulting turbine gear is corrosion and heat resistant. In addition, it is able to withstand harsh conditions of use at elevated temperatures, up to about 616 C or higher, for long periods of continuous use, without grain development, fatigue or breakage. elongation, or rupture under tension. In use, the turbine parts show a marked resistance to tension, compression and torsion. They resist warping and resist harmful encrustation and corrosive attack by oxidation and reduction gases at elevated temperatures.
As an example of such properties, a sample of forged and aged metal was taken (forged from 1232 C and aged at 849 C, for a period of about 8 hours followed by cooling in air) from parts of turbines and whose composition is. the analysis was approximately 0.09% carbon, 16.93%, chromium, <B> 13.10% </B> niekel, 1.21 manganese, 2.98% copper, < B> 2.95% </B> molybdenum, 0.21% titanium, 0.43% columbium and the remainder being iron only; at the end of a 1000 hour stress test at 2460 kg / cm 2 at 659 C, the sample, 5.08 cm in original length, exhibited a total elongation of 0.60%.
This represents an elongation rate of 0.000218% per hour. It can therefore be seen from the present example that the properties at elevated temperatures of the steel according to the present invention, and of the products and articles made from said steel, are remarkable from the point of view of the tensile strength under pressure. tension and lengthening.
Further steel samples of the above composition were subjected to stress failure tests at 649 C, and these were found to withstand a stress of 3445 kg / cm 3 for 10 hours, 3023 kg / cm 'for 100 hours and 2707 kg / cm = for 1000 hours.
Still other samples, these having as composition 0.09% carbon, 17.53% chromium, <B> 13.18% </B> nickel, <B> 2.99% </ B > molybdenum, 2.99% copper, 0.42% columbium, 0.29% titanium, 1.21% manganese, the remainder being iron, were prepared and tested with the following results: <I> Table I: </I> Tensile rupture test at 649 C. Sample. A, annealed at 1221 C for hour and quenched in water, then aged at 649 C for 6 hours and quenched in water.
EMI0003.0015
Tension <SEP> in <SEP> kg / cm '<SEP> Time <SEP> for <SEP> the <SEP> break
<tb> in <SEP> hours
<tb> 3374 <SEP> 10
<tb> 2830 <SEP> 100
<tb> 2425 <SEP> 1000 Sample È, annealed at 1232 C for i / 2 hour and quenched in water, then aged at 649 C for 5 hours and quenched in water.
EMI0004.0006
Tension <SEP> in <SEP> kg / cm2 <SEP> Time <SEP> for <SEP> the <SEP> break
<tb> in <SEP> hours
<tb> 4218 <SEP> 10
<tb> 3374 <SEP> 100
<tb> 2707 <SEP> 1000
EMI0004.0007
<I> Table <SEP> II: </I>
<tb> Elongation test <SEP>.
<tb> Elongation <SEP> between <SEP> the
<tb> Sample <SEP> Temperature <SEP> Load <SEP> in <SEP> Elongation <SEP> Elongation <SEP> 900m, <SEP> and <SEP> the <SEP> 1800m8 <SEP> hour
<tb> of <SEP> the test <SEP> kg / cma <SEP> initial <SEP> after <SEP> 500 <SEP> h.
<SEP> in <SEP>% <SEP> of <SEP> elongation
<tb> in <SEP> 100 <SEP> 000 <SEP> hours.
<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 Thus, it can be seen that the invention makes it possible to ob hold austenitic chromium-nickel stainless alloy steel to form products in which the various practical advantages mentioned above are combined.
The products obtained are strong, strong and durable, resist corrosion and heat, and are well suited to withstand continuous work at elevated temperatures for long periods of time and under the various varying conditions to which they are subjected in practice. .
Naturally, the invention is not limited to the embodiments described above which have been given only by way of example.