High modulus steels: new requirement of automotive market. How to take up challenge?

Since the last decade, lightening of automotive structure was mainly achieved by gauge reduction using ultrahigh strength steels such as dual phase and transformation induced plasticity grades. However, gauge reduction can significantly reduce the stiffness. Limits are today reached for some applications such as chassis/suspension part. Development of steel with improved specific stiffness becomes more and more relevant to go further in weight reduction. Development of steel matrix composites (SMCs) with ceramic reinforcements is a promising solution. With an appropriate selection of the ceramic, eutectic solidification can be achieved. This natural production route guarantees a good cohesion of the steel/reinforcement interface and the control of the main parameters, which provide final properties of the product (size, shape, clustering of reinforcement). Significant fraction of ceramic can be obtained (10–25 vol.-%). Eutectic SMC can be produced with conventional industrial process such as continuous casting and hot strip mill which guarantees high productivity and low cost.

Depuis la dernière décennie, l’allègement des structures automobiles a été réalisé en grande partie par la réduction des épaisseurs au travers l’utilisation d’aciers à très haute résistance tels que les aciers DP (biphasés) et TRIP (à plasticité induite par transformation). Cependant, cette réduction des épaisseurs peut entraîner une baisse de rigidité. Aujourd’hui, les limites ont été atteintes pour certaines applications telles que les composantes châssis et suspension. Le développement d’acier à rigidité spécifique améliorée devient une voie de développement de plus en plus pertinente pour progresser dans la réduction de poids. Le développement de composites à matrice d’acier et renfort céramique est une solution prometteuse. Au travers d’une sélection appropriée de la céramique, on peut obtenir une solidification eutectique. Cette route naturelle de production des aciers garantit une bonne cohésion de l’interface acier/renfort ainsi que la maîtrise des principaux paramètres qui contrôlent les propriétés finales du produit (taille, forme, agglomération du renfort). Des fractions significatives de renfort céramique peuvent être atteintes (10–25% en volume). Les composites à matrice métallique (CMM) eutectique peuvent être élaborés par des procédés industriels conventionnels tels que la coulée continue ou le laminage à chaud qui garantissent une productivité élevée et un faible coût.     

Ceramic reinforced high modulus steel composites: processing,microstructure and properties

Ceramic reinforced steel matrix composites are materials for automotive, aerospace, wear and cutting applications. Such metal matrix composites (MMCs) combine attractive physical, mechanical and wear properties with ease of fabrication and low cost. The review focuses on the current state of the art of producing these metal matrix composites, ceramics reinforcements, composition of steel matrix, microstructure evolution and parameters influencing the mechanical and wear properties. Processing methods to fabricate ceramic reinforced steel matrix composites are discussed to produce these composites with low number of defects, homogeneous microstructure and high mechanical and wear performance. The influence of chemical nature of ceramic reinforcements and composition of steel matrix on the microstructure, mechanical and wear properties is presented. The strengthening mechanisms and parameters controlling wear performance of steel MMCs are described as a function of the content of ceramic reinforcements, microstructural design and structure of the steel matrix. Keeping in view the stability of ceramics in steels, suitable ceramic reinforcements and steel matrix materials are discussed. Moreover, the importance of microstructure and interface between ceramic reinforcement and steel matrix in controlling the mechanical properties of steel MMCs is highlighted. The review identifies area of research for development to fully appreciate and tailor the properties of these industrially important composites.

Les matériaux composites à matrice d’acier, renforcés de céramique, sont des matériaux pour application dans l’industrie automobile, aérospatiale, de l’usure et du découpage. Les matériaux composites à matrice métallique (MMCs) en acier et céramique combinent des propriétés attrayantes physiques, mécaniques et d’usure, à la facilité de fabrication et au coût faible. Cette revue se concentre sur l’état de la technique courante de production des matériaux composites à matrice d’acier, renforcés de céramique, sur les renforcements en céramique, sur la composition de la matrice d’acier, sur l’évolution de la microstructure, sur les propriétés mécaniques et sur les paramètres importants qui contrôlent les propriétés mécaniques et d’usure. On discute des méthodes de traitement pour la fabrication des matériaux composites à matrice d’acier, renforcés de céramique afin de produire des MMCs avec peu de défauts, une microstructure homogène et un rendement élevé des propriétés mécaniques et d’usure. On décrit l’influence de la nature chimique des renforcements et de la composition de la matrice en acier sur le développement de la microstructure et sur les propriétés mécaniques et d’usure. On décrit les mécanismes de renforcement et les paramètres contrôlant le rendement à l’usure des MMCs en acier en fonction de la teneur en renforcement de céramique, de la conception de la microstructure et de la structure de la matrice en acier. Gardant en vue la stabilité des céramiques dans les aciers, on discute des matériaux appropriés de renforcements céramiques et de matrice d’acier. De plus, on souligne l’importance de la conception de la microstructure et de l’interface dans le contrôle des propriétés mécaniques des MMCs en acier. Cette revue identifie des sujets de recherche à développer afin de comprendre complètement et de créer sur mesure les propriétés de ces matériaux composites d’importance industrielle.     

Texture and anisotropy of zirconium in relation to plastic deformation

Abstract

Possible modes of plastic deformation of tubular materials are analyzed generally. Based on symmetry considerations applied to known textures of zirconium wire and strip, textures of zirconium tubes are predicted as resulting from a wide range of deformation modes. This is made possible by focusing on the main feature of texture, Le., the orientation distribution of basal poles. A relation between texture and the mechanical anisotropy of zirconium is developed, and rules are suggested for softening and hardening caused by texture change. Experimentally, Zircaloy tubes were deformed by various techniques. The resulting textures were determined by X-ray diffraction and the mechanical anisotropy by Knoop-hardness measurement. Each determination is condensed into two representative figures, one describing the type of texture or anisotropy and the other describing the sharpness of texture or the degree of deviation from isotropy.

The experiments verify the predicted relation between type of texture and mechanical anisotropy, and also indicate how degree of anisotropy depends on sharpness of texture. Changes in texture are investigated in relation to plastic deformation, and further refined rules are derived for the direction and rate of these changes. The initially predicted textures are concluded to be stable, i.e., they are reached only after a certain degree of deformation. Zircaloy tubes of three different textures were subjected to tensile testing, closed-end burst testing and open-end burst testing. The observed texture-softening phenomenon corroborates the rules suggested and is considered to commonly occur, as opposed to texture hardening, which requires special combinations of texture and testing method.

Résumé

Les différents modes de déformation plastique possibles dans les tubes ont été analysés d'une façon générale. En se basant sur des considérations de symétrie appliquées aux textures connues pour le zirconium en fil et en bandes, la texture des tubes de zirconium resultant de divers modes de déformation a été prédite. Ceci est possible si l'on tient surtout compte des principes de la texture, c'est à dire, la distribution des orientations des poles de base. Une relation entre la texture et l'anisotropie du zirconium est développée, et des règles sont suggérées pour l'adoucissement et la consolidation dûs à un changement de texture. Dans les expériences, les tubes de zirconium ont été déformés par plusieurs modes. Les textures résultantes ont été déterminées par la diffraction des rayons-X. et l'anisotropie par des mesures de dureté Knoop. Chacune de ces déterminations est représentée dans deux figures, l'une décrivant le genre de texture ou anisotropie, l'autre décrivant la netteté de la texture ou l'écart du caractère isotrope. Les expériences vérifient la relation prévue entre la texture et l'anisotropie. Les changements de texture sont examinés en fonction de la déformation plastique, et d'autres règles plus rigoureuses sont dérivées pour la direction et la vitesse de ces changements. On conc1ut que les textures prévues initialement sont stables, c'est à dire qu'elles ont lieu apres une certaine déformation. Des tubes de Zircalloy de trois textures différentes ont été soumis à des essais detraction, des essais d'éc1atement à extrémités ouvertes ou fermées.

Le phénomène d'adoucissement observé, causé par la texture, est en accord avec les règles suggérées et est généralement présent, ce qui n'est pas le cas du durcissement causé par la texture, durcissement nécessitant des combinaisons spéciales de texture et de méthodes d'essai.     

Effects of ceramic particles and composition on elastic modulus of low density steels for automotive applications

The present work deals with the effects of TiB₂ ceramic particles and selected alloying elements (Al and Mn) on the elastic modulus of steels. Steels and its composite containing varying amounts of Al, Mn and C, and a fixed amount of TiB₂ particles (7·8 wt-% i.e. 13 vol.-%) were made using the bulk route of liquid steel metallurgy. All the materials were processed thermomechanically to sheet form following standard processing routes for automotive sheets. The steels containing only Al exhibited ferritic microstructures whereas addition of Mn and C caused the evolution of ferrite or austenite based duplex microstructures in the material depending on the Mn and C content. On the contrary, large TiB₂ particles formed mainly by eutectic reaction from the liquid state were distributed in the ferritic matrix of the composite. All the investigated materials showed a large density drop in the range of 7·4–12·7%. Al caused a drastic drop in elastic modulus of ferritic steels whereas the elastic modulus was recovered in ferrite based duplex steel by virtue of Mn. On the contrary, Mn did not improve the elastic modulus in austenite based duplex steel. TiB₂ and small amount of TiC particles in the composite were found to increase the elastic modulus by ～19% in as cast condition. However, the elastic modulus of composite showed a dependence on the processing steps with decreases after subsequent hot and cold rolling steps. It was due to the delamination of particle/matrix interface, void formation and fragmentation of reinforcing particles with reduction in thickness of sheet. The elastic modulus of the composite also showed directionality due to specific alignment and various shape of ceramic particles. It was predicted that the performance and weight saving of these materials for automotive applications would be enhanced with a good combination of high strength, low density and high elastic modulus.

Ce travail a pour objet l’effet des particules de céramique de TiB₂ et d’éléments d’alliage choisis (Al et Mn) sur le module d’élasticité des aciers. On a fabriqué des aciers et leurs composites contenant des quantités variables d’Al, de Mn et de C et une quantité fixe de particules de TiB₂ (7·8% en poids, soit 13% en volume) en utilisant la route en vrac de la métallurgie de l’acier brut liquide. On a utilisé le traitement thermomécanique sur tous les matériaux pour former des tôles d’après des routes normales de traitement des tôles d’automobile. Les aciers contenant seulement de l’Al exhibaient des microstructures ferritiques alors que l’addition de Mn et de C résultait en l’évolution de microstructures biphasées à base de ferrite ou d’austénite dans le matériau, dépendant de la teneur en Mn et en C. Au contraire, de grosses particules de TiB₂, formées principalement par réaction eutectique à partir de l’état liquide, étaient distribuées dans la matrice ferritique du composite. Tous les matériaux examinés exhibaient une baisse importante de densité dans la gamme de 7·4 à 12·7%. L’Al avait pour résultat une baisse drastique du module d’élasticité des aciers ferritiques alors que le module d’élasticité était récupéré dans l’acier biphasé à base de ferrite, grâce au Mn. Au contraire, le Mn n’a pas amélioré le module d’élasticité de l’acier biphasé à base d’austénite. On a trouvé que le TiB₂ et une petite quantité de particules de TiC dans le composite augmentaient le module d’élasticité d’environ 19% pour la condition de brut de coulée. Cependant, le module d’élasticité du composite montrait une dépendance sur les étapes de traitement, diminuant avec les étapes subséquentes de laminage à chaud et à froid. Cette baisse résultait du délaminage de l’interface particules et matrice, de la formation de cavité et de la fragmentation des particules de renforcement, avec la réduction de l’épaisseur de la tôle. Le module d’élasticité du composite montrait également une directionnalité résultant de l’alignement des particules de céramique. On a prédit l’amélioration du rendement et de la réduction de poids de ces matériaux pour l’industrie de l’automobile grâce à une bonne combinaison de haute résistance, de faible densité et de module d’élasticité élevé.     

Some tensile and fatigue properties of Zn-ZnO powder composites at various temperatures

Abstract

The tensile and fatigue properties of rods which were extruded from Zn-ZnO powder composites were determined at temperatures between 150°C and ?196°C. Different particle sizes were used in the powders and the amount of 0₂ was varied from 0.12 to 1.71 weight per cent (w/o): The effect of ball-milling the powder prior to compaction was also studied.

In general, the specimens of powder origin were stronger than fine-grained pure zinc and those made from powder containing very small particles (～3 μm) displayed good ductility, particularly at room temperature. However, they possessed poor work-hardening properties so that the UTS was never more than 4000 psi above the 0.2% proof stress. Specimens of ball-milled powder origin were stronger and more brittle than other specimens. The superior tensile strengths of the powder composites over pure zinc were reflected by superior fatigue (push-pull) properties. The improvement at higher temperatures is surprising, in view of the very fine grain size of the composite specimens, so the results are rationalized in terms of oxide pinning of the grain boundaries.

Résumé

Des propriétés mécaniques en traction et en fatigue dans la gamme de temperature de 150°C à ?196°C ont été déterminées pour des tiges du matériau composite Zn-ZnO, extrudées à partir de poudres. Des particules de différents diaméters ont été employees lors de la préparation des poudres, ainsi que diverses proportions d'O₂ variant de 0.12 à 1.71% en poids. L'effet d'un broyage à boulets de la poudre avant compactage a également été étudié.

D'une façon générale, les échantillons préparés à partir de poudres ont montré une plus grande résistance que ceux préparés à partir de zinc pur à grain fin; ceux contenant des particules trés fines ont montré une bonne ductilité, surtout à la température ambiante. Cependant, Ie taux de consolidation des composites demeure faible, ce qui explique que l' écart entre la résistance à la traction et la limite élastique à 0.2% d'allongement ne dépasse pas 4,000 psi Les échantillons dont la poudre a subi un broyage à boulets étaient plus résistants et plus fragiles que les autres échantil1ons. Le fait que la résistance à la traction des composites soit supérieure à celle du zinc pur s'est manifesté par de meilleures propriétés en fatigue (tension-compression). L'amélioration des propriétés mécaniques aux températures plus élevées est étonnante, compte tenu de la grosseur du grain tres faible des échantillons composites. Cette amélioration est expliquee en termes d'un piégeage des joints de grains par des oxydes.     

Electrical Conductivities,Densities and Viscosities of Silver Refining Electrolytes

Abstract

Electrical conductivities, densities and viscosities of silver electrolytes in the composition and temperature ranges employed by industrial silver electrorefineries have been measured and equations describing these properties in terms of electrolyte composition and temperature have been developed. Using the experimental results, a comparison of the electrolyte properties in four major silver refineries has been made and criteria for choosing optimum electrolyte compositions have been developed.

Résumé

On a mesuré la conductivityé électrique, le poids spécifique et la viscosité des électrolytes d'argent utilisés dans les usines d'affinage d'argent électrolytique. Ces mesures ont été prises en fonction de la composition et de la gamme des températures que l'on retrouve dans l'industrie et l'on a ensuite mis au point des équations faisant état de ces propriétés en terme de composition et de température. À partir des résultants des expériences on a pu com parer les propriétés des électrolytes dans quatre importantes affineries d'argent et on a mis au point les critères permettant de trouver la composition électrolytique optimale.     

Kinetic Study of the Chlorination of Galena

Abstract

A study of the kinetics of chlorination of the mineral galena (PbS) was conducted using thermogravimetry (TG), supplemented by X-ray diffraction, optical microscopy of polished sections, and scanning electron microscopy. TG experiments were conducted both isothermally and non-isothermally in an assembly specially designed to handle corrosive atmospheres.

The results of the non-isothermal experiments indicated that, due to the highly exothermic nature of the reaction between galena and chlorine, parameters such as particle size, sample geometry, and heat transfer had a substantial influence on the reaction. The isothermal investigations were conducted from 250 to 400°C with an adequate heat sink in contact with the sample and under conditions chosen so that the rate of reaction was independent of gas flow rate. The results were examined on the basis of different kinetic models and were found to be consistent with the “shrinking core” model in which the reaction rate is controlled by diffusion through the PbCl₂ product layer. This model is supported by the relationship between the rate of chlorination and the particle size of the galena and by photomicrographs showing an increase in thickness of an adherent product layer as the degree of chlorination increased. The rate of reaction, at sufficiently high Cl₂ partial pressure, was independent of Cl₂ partial pressure. The activation energy was found to be 113 kJ/mol. A mechanism for the diffusion process is proposed.

Résumé

Une étude cinétique de la chloration du minéral de galéne (PbS) a été effectuée au moyen de la thermogravimétrie (TG), avec diffraction à rayons X, microscopie optique des sections polies et microscopie électronique à balayage comme méthodes supplémentaires. Des expériences thermogravimétriques ont été effectuées isothermiquement et non-isothermiquement dans un appareil destiné spécialement à des atmosphères corrosives.

Les résultats des expériences non-isothermiques ont démontré que puisque la reaction entre la galène et le chlore est très exothermique, des facteurs tels que la granulométrie, la disposition de l'echantillon et le transfert de chaleur avaient grandement influencé la réaction. Les investigations isothermiques ont été effectuées à des temperatures variant entre 250 et 400°C avec un récepteur de chaleur contigu à l'echantillon et à des conditions choisies afin que la vitesse de la réaction soit indépendante du débit de gaz. On a examiné les résultats par différents modèles cinétiques et on a trouve qu'ils étaient compatibles avec le modéle de “noyau rétrécissant” selon lequel la vitesse de réaction est contrô1ée par diffusion à travers une couche de produit PbCl₂. Ce modèle est appuyé par la relation entre la vitesse de chloration et la granulométrie de la galène et par des photomicrographies indiquant une augmentation de l'épaisseur d'une couche adherente du produit au noyau avec l'augmentation du degré de la chloration. A une pression partielle de Cl₂ suffisament élevée, la vitesse de la réaction était indépendante de la pression partielle de Cl₂. On a démontre qué l'energie d'activation était 113 kJ /mol. On propose un mécanisme de diffusion.     

Mathematical Model of Bubble Formation at the Tuyeres of a Copper Converter

Abstract

Based on earlier observations that gas discharges from the tuyeres of a non-ferrous converter as discrete bubbles, a mathematical model has been developed to describe the dynamics of bubble formation in copper converting. The bubbles have been assumed to be spherical in shape and to grow at the tuyere tip under conditions of constant flow. The model incorporates the effects of heat transfer to the bubble, chemical reaction between the bubble and the bath and co flowing bath circulation. The model has been used to predict the concentrations of O₂ and SO₂, temperature, volume and rise velocity for the bubble as a function of time, while imposition of a detachment condition has permitted the prediction of the bubble frequency. Thus it has been shown that the oxidation reactions have little effect on the bubble formation while convective heat transfer and bath circulation have a large influence. Bath velocity acts to increase the bubble frequency while heat transfer has the opposite effect. Depending on the value of the heat-transfer coefficient employed, the model predicts the velocity of bath circulation in the vicinity of the tuyere to be between 120 and 260 cm/s. For a given bath velocity, the bubble frequency decreases with increasing air input rate. The implications of these predictions for copper converting are discussed, and it is suggested that present converter operation may be “bubble-volume“ limited.

Résumé

En se fondant sur les observations anterieures que le gaz qui s' échappe des tuyères d'un convertisseur de métaux non-ferreux est sous forme de bulles séparées, nous avons développé un modèle mathématique pour décrire la dynamique de formation des bulles dans le convertissage du cuivre. Nous avons supposé que les bulles ont une forme sphérique et qu'elles croissent à l'extrémité de la tuyère dans des conditions d' écoulement constant. Le modèle incorpore les effets du transfert de chaleur à la bulle, de la réaction chimique entre la bulle et le bain, et la circulation du bain. Le modèle a été utilisé pour prédire les concentrations de O₂ et SO₂, la température, le volume et la vitesse de montee des bulles en fonction du temps, alors que l'introduction d'une condition de séparation a permis de prédire la fréquence des bulles. Ainsi nous avons montré que les réactions d'oxydation ont peu d'effet sur la formation des bulles alors que le transfert de chaleur par convection et la circulation du bain ont une grande influence. La vitesse du bain accroît la fréquence des bulles alors que le transfert de chaleur a l'effet opposé. Dépendant de la valeur du coefficient de transfert de chaleur employé le modèle predit que la vitesse de circulation du bain dans le voisinage de la tuyère est comprise entre 120 et 260 cm/s. Pour une vitesse donnée du bain, la fréquence des bulles décroît lorsque l'on augmente le taux d'arrivée d'air. Les implications de ces predictions pour le convertissage du cuivre sont discutées et nous suggérons que l'opération actuelle des convertisseurs pourrait être limitée par le volume des bulles.     

On the origin of oxide inclusions in ingots made by the electroslag process

Abstract

A study of the reactions leading to production of oxide inclusions in electroslag remelted ingots of pure iron. The material was prepared by 60Hz electroslag melting under argon using slags in the system CaF₂ + CaO + Al₂O₃. The possible chemical paths open to the system were calculated using available thermochemical data, but none of these paths could account for the experimental analyses. It is suggested that a small amount of rectification, arising in asymmetric electrochemical reactions, would lead to the observed ingot compositions. Examination of the ingot inclusion compositions suggests that the oxide particles are precipitated within the freezing metal interface. Since both the reaction path and the inclusion precipitation mechanism are inherent in the electroslag method, it is concluded that the small oxide particles are a necessary result of electro slag melting.

Résumé

Les auteurs ont étudié la formation d'inclusions d'oxides dans des lingots de fer pour être refondus sous laitier électroconducteurs. Ces lingots ont été préparés par fusion sous laitier électroconducteur à 60 Hz sous argon et en utilisant des laitiers du système CaF₂ + CaO + Al₂O₃. Les différentes voies chimiques possibles pour Ie système ont été calculées en utilisant les données thermodynamiques disponibles mais aucune ne ref1était les résultats. Il est alors suggéré qu'une faible rectification se produisant par des réactions électrochimiques assymétriques, conduise à la composition observée. La composition des inclusions permet de penser que les oxydes sont précipités à l'interface de solidification. Comme le chemin de la réaction et le mécanisme de précipitation des inclusions sont inhérents a cette méthode de fusion, il appert que les petites particules d'oxyde sont necesairement produites lors de la fusion sous laitier électroconducteur.     

The mechanical properties of directionally solidified aluminum-based eutectic castings

Abstract

The mechanical properties for directionally solidified Al-Al₃Ni, Al-Si, and Al-Al₂Cu eutectic castings have been determined and it is shown that the properties of castings (solidified at approximately 80 cm/hour) compare favourably to those obtained for slowly solidified eutectics (solidified at approximately 2 cm/hour). The strengths of Al-Al₂Cu and Al-Si eutectic castings are higher than those obtained for slowly solidified alloys while the strengths for the Al-Al ₃Ni eutectic castings are somewhat lower than for the slowly solidified alloys. The Al-Al₃Ni and Al-Al₂Cu cast eutectics essentially maintain their yield strength up to 300°C whereas the yield strength of the Al-Si eutectic decreases continuously with increasing temperature. It is concluded that the high strengths reported result from a combination of the fine micro-structure obtained from the relatively rapid solidification rate and by strengthening of the intermetallic phase.

Réesumé

Les auteurs ont déterminé les propriétés mécaniques d'alliages eutectiques Al-Al₃Ni, Al-Si et Al-Al₂;Cu solidifiésdirec-tionnellement. Ils montrent que les propriétés des coulées (solidi-fiées à environ 80 cm/h) se comparent favorablement à celles d'eutectiques solidifiés lentement (à environ 2 cm/h). Les résistances mécaniques des coulées eutectiques de Al-Al ₂Cu et Al-Si sont plus élevées que celles obtenues pour des alliages solidifiés lentement tandis que les résistances mécaniques des coulées eutectiques Al-Al₃Ni sont légèrement plus basses que celles des alliages solidifiés lentement. Les limites d'élasticité des alliages eutectiques coulés d'Al-Al₃Ni et Al-Al₂;Cu demeurent élevées jusqu 'à des tempéraptures de 300°C, tandis que lalimite d'élasticité de l'alliage eutec tique Al-Si diminue continuellement quand la température croft. Les auteurs conc1uent que les bonnes propriété s mécaniques obtenues ré sultent de la combinaison de l'effet de la microstructure fine produite par le taux de solidification relativement élevéet de l'effet de fibres produit par la phase intermétallique.     

The kinetics of the reactions between silica and alumino-silicate refractories and carbon-saturated iron

Abstract

The rates of attack of silica and alumino-silicate refractories in iron-carbon melts were measured. An immersion technique with cylindrical specimens was used under both static and dynamic conditions. The rates of reaction were measured both by specimen weight-loss and by chemical analysis of the melt. Experiments were carried out at 1400, 1500 and 1600°C under an inert atmosphere. The rates were found to be independent of rotation speed up to 400 rpm and for concentrations of carbon (>2.3%) and silicon (<1.0%) in the melt. The results are interpreted in terms of chemical reaction control at the refractory/metal interface and the dissociation of silica is proposed as the controlling step.

Résumé

On a mesuré les vitesses d'attaque des réfractaires de silice et alumino-silicates dans des bains fer-carbone par une technique d'immersion, avec des échantillons cylindriques, dans des conditions statiques et dynamiques. Les vitesses de réaction ont été mesurées à partir de la perte de poids des échantillons et par analyse chimique du bain. Les expériences ont été faites à 1400, 1500 et 1600°C sous atmosphère inerte. Les vitesses se sont averées etre indépendantes de la vitesse de rotation jusqu'à 400 rpm pour des concentrations de carbone (72.3%) et silicium (< 1.0%) dans le bain. Les résultats ont été interprétes en termes de contrôle de la réaction chimique à l'interface réfractaire-métal et on propose que la dissociation de la silice est le facteur contrôlant.     

Mineral Wool Production from Copper Reverberatory Slag

Abstract

Rapidly increasing energy costs and the introduction of government assistance programmes have stimulated consumer demand for home insulation products in Canada; in recent years, Canadian mineral wool production has increased at an average annual rate of about 20 %. Based on a preliminary economic assessment, which indicated that the manufacture of mineral wool insulation from copper reverberatory furnace slag could be viable ifan acceptable product could be produced using a high percentage of the copper slag in the charge, full-scale tests were conducted at the plant of a major mineral wool producer. The tests were carried out on blowing wool lines equipped with cupola melting furnaces, using charges containing variable amounts of copper reverberatory furnace slag from the Noranda Smelter.

The technology of mineral wool production is reviewed, the plant tests are described, and the test results are presented. In all tests, a product fibre with satisfactory physical properties (fibre length, diameter and strength) was obtained. However, the insulating quality of the product, as measured by a standard blowing test with a commercial mineral wool applicator machine, was found to decrease with increasing FeO content in the wool. In practice, this would limit the percentage of copper slag in the charge to under 40%, under which condition the manufacture of mineral wool insulation from copper slag was found to be economically unattractive. The results underline the importance of evaluating mineral wool produced from alternative raw materials against industry quality control standards.

Résumé

L'accroissement rapide des coûts d'énergie, ainsi que la mise en route de divers programmes d'aide gouvernementale, ont stimulé les demandes du consommateur envers les produits d'isolation des maisons, au Canada. Ces derniéres années, la production canadienne de laine mineralé a augmenté son taux annuel d'environ 20%. Une évaluation économique préliminaire indiquait que la fabrication de laine minérale, à partir de scories de cuivre provenant d'un four à réverbère était concevable, à condition que nous puissions produire un matériau acceptable employant un pourcentage élevé de scorie de cuivre dans la charge. Des tests en usine ont été effectués chez un important manufacturier de laine minérale. Les tests de souffiage de fils de laine en utilisant des cubilots de fusion ont été effectués en utilisant différentes quantites de scories de cuivre provenant du four a reverbere de l'usine de smeltage de Noranda. Une revue de la technologie se rapportant à la production de la laine minérale est faite, les tests en usine sont décrits et les résultats des essais sont présentés. Pour chaque test, une fibre possédant des propriétés physiques satisfaisantes (longueur de la fibre, diamètre et résistance) a été obtenue. Toutefois, des tests standards ont indique que la qualité isolante du produit décroît avec l'augmentation de FeO dans la laine. En pratique, ceci limite l'emploi de scorie de cuivre dans la charge, à un pourcentage inférieur à 40%. Sous cette condition, la fabrication de laine minérale s'avère économiquement non attrayante. Les résultats soulignent l'importance d'évaluer les laines minérals produites à partir de differentes matières brutes, en fonction du contrôle de la qualité et des standards industriels.     

Failure of Alloy Steels Used in Pyrolytic Applications

Abstract

The requirement to improve efficiency in pyrolytic furnaces has led to increased operating temperatures (>1000°C), shorter residence times and higher heat fluxes. The greater severity in operating conditions has increased the incidence of failures. There is, therefore, a need to improve our understanding of the behavior of the materials employed, under a new set of operating conditions. The heat resistant alloys of HK-40 and Incoloy 800 type have been used competitively in the past. Most evidence suggests that both types of materials ultimately fail by creep rupture brought about by dual effect of carburization and low cycle thermal fatigue.

The purpose of the present paper is to study the characteristics of failure both in carburized and uncarburized condition for heat resistant alloys, with particular emphasis on HK-40. Stress rupture data, creep ductility and microstructural evidence have been employed in the course of the present study to indicate possible mechanisms of rupture.

It has been established from the analysis of recent literature data that a single fracture mechanism operates, in spite of the wide range of microstructures present. Furthermore, carburization does not influence the processes of damage accumulation, but rather those of crack nucleation

Résumé

La nécessité d'améliorer le rendement des fours de pyrolyse a conduit à des températures de fonctionnement accrues (> 1000°C), des temps de maintien plus courts et des flux thermiques plus grands.

Le plus grande sévérite des conditions de fonctionnement a accru la fréquence des détériorations. C'est pourquoi est apparu le besoin de mieux comprendre le comportement des matériaux employés dans ces conditions nouvelles d'utilisation.

Les alliagues à bonne résistance thermique, du type HK-40 et Incoloy 800, ont été utilisés concurremment, dans le passé. L'expérìence montre que ces deux types de matériaux sont finalement détériorés par la rupture au fluage provoquée par l'effet simultane de la carburation et de la fatigue thermique.

Le but de ce travail est l'étude des caractéristiques de déterioration, d'alliages à bonne resistance thermique, en particulier de l'alliage HK 40, en condition de carburation ou de non-carburation. Des données de rupture sous contrainte, des essais de fluage et ductilité et la micrographie ont été employés au cours de la présente étude pour déterminer les mécanismes possibles de la rupture.

De l'analyse des données récentes de la littérature, il a été déduit que l'on se trouve en présence du mécanisme de propagation d'une seule fissure en dépit la diversité des microstructures presentes. En outre, la carburation n'influence pas les processus d'accumulation des défauts, mais joue sur la nucléation des fissures.     

Mechanical properties and structure of as-received,heat-treated and hydrided Zr-1.5 wt% Cr-0.1 wt% Fe alloy tubing

Abstract

The mechanical properties or both unhydrided and hydrided Zr-Cr-Fe alloy tubing have been evaluated using ring tensile, tube burst and Charpy impact tests over a range of temperatures from room up to 400°C. Aspects of the recovery and recrystallization or two batches or tubing were studied. Stress relieving cold-worked tubing between 450° and 575°C gave stronger, less ductile material compared with recrystallized tubing but the actual tensile values depended critically on the stress-relieving temperature. Beta quenching and ageing thin-walled tubing resulted in poor ductility, variabk strength and structure with some massive grain coarsening. The tensile duct iii ty or Zr-Cr-Fe tubing was lowered by circumferentially aligned hydride although the drop was not serious at least up to 400 ppm hydrogen. Hydride had little effect on tensik stength up to 300 ppm hydrogen but there was an increase in strength at higher hydrogcn levels.

Résumé

Les propriétés mécaniques du Zr-Cr- Fe, hydruré ct non-hydruré, ont été évaluées en utilisant des essais de traction sur anneaux, d'eclatement de tubes et l'essai Charpy dans une gamme de température variant de l'ambiante a 400°C. Des aspects de la restauration ct la recristallisation de deux séries de tubes ont été étudiés. Un recuit entre 450° et 575°C pour éliminer les contraintes résiduelles a donné un matériau plus résistant et moins ductile en comparaison aux tubes recristallisés, mais les valeurs obtenues en traction dépendaient fortement de la température de ce recuit. Dans les tubes à paroi mince, une trempe de la phase β (suivie d'un vieillissement a diminué la ductilité et donné une résistance mécanique variable et une structure contenant des régions à trés gros grains. Des hydrures alignés circumférentiellement ont réduit la ductilité en traction des tubes de Zr-Cr-Fe, mais cette réduction était mineure, du moins jusqu'à 400 ppm d'hydrogène. Jusqu'è 300 ppm d'hydrogène, les hydrures ont peu intluencé la résistance en traction, mais ont causé une augmentation de la résistance mécanique à des teneurs plus élevées.     

Effect of pulp rheology on flotation of nickel sulphide ore with fibrous gangue particles

Abstract

Tests are carried out with suspensions of fibrous chrysotile particles and nickel sulphide ore containing chrysotile as a gangue. They corroborate published results, and indicate a very strong effect of particle shape on slurry rheology. Such suspensions exhibit time dependent properties. The flotation tests revealed that the viscosity of this system strongly affects flotation performance. At a solids concentration of 15–20% (w/w), the concentrate yield increases and the concentrate grade dramatically declines. This deterioration is observed when the Casson yield stress exceeds 1·5–2 Pa. The tests imply that the rheological properties of the investigated system are mainly determined by fibrous components. However, because of the presence of anisotropic mineral particles, the effect of particle–particle interactions cannot be separated from the effect of particle shape in this system.

On effectue des essais avec des suspensions de particules fibreuses de serpentine et de minerai de sulfure de nickel contenant de la serpentine comme gangue. Ces essais confirment les résultats publiés et indiquent un effet très prononcé de la forme des particules sur la rhéologie de la boue. De telles suspensions exhibent des propriétés dépendantes du temps. Les essais de flottation ont révélé que la viscosité de ce système affecte grandement le rendement de la flottation. À une concentration en solides de 15 à 20% (poids/poids), la production de concentré augmente et la qualité du concentré décline dramatiquement. Cette détérioration est observée lorsque la contrainte de Casson excède 1·5 à 2 Pa. Les essais impliquent que les propriétés rhéologiques du système étudié sont déterminées principalement par les composantes fibreuses. Cependant, à cause de la présence de particules minérales anisotropes, on ne peut pas séparer l’effet des interactions particule-particule de l’effet de la forme des particules dans ce système.     

Microstructures and mechanical properties in a turbine disc fabricated from astroloy powder

Abstract

Powder metallurgy processing of nickel-base superalloy turbine discs is described. The discs were prepared from hotisostatically pressed Astroloy powder preforms by a single-stage forging operation, followed by machining. The forgeability, machinability, tensile and stress rupture properties of the powder fabricated material were better than, or equivalent to, those of cast material. The fatigue lifetimes obtained in laboratory push-pull tests and the lifetime obtained in a disc exposed to engine testing and ambient temperature spin-rig testing were also good. However the lifetimes obtained from crack detection to final failure were short, indicating either poor resistance to fatigue crack propagation or poor fracture toughness. This problem is examined in terms of the microstructures and minor phase contents of the discs. The microstructures showed incomplete recrystallization in the bore, carbide laden powder particle boundaries both in the bore and the recrystallized rim, and platelets of a brittle M₂ (SC) phase. Modified processing of powder fabricated discs is suggested to circumvent these deficiencies.

Résumé

Dans cet article, les auteurs décrivent la production, par métallurgie des poudres, de disques de turbine en superalliage au nickel. Les disques sont obtenus en une seule operation par forgeage d'ébauches de poudres d'Astroloy prealablement comprimées à chaud et ils sont ensuite usinés.

La forgeabilité, l'usinabilite et les propriétés mécaniques en traction et en fluage de tels disques sont meilleures que celles des disques obtenus par fonderie. La limite de fatigue déterminée en laboratoire par traction-compression et celle obtenue sur un disq ue soumis aux conditions de service de la turbine et à l'essai «spin-rig» à température ambiante se révèlent etre bonnes. Par contre, les limites de fatigues mesurées a partir de la détection d'une fissure jusqu'à la rupture finale sont faibles, suggérant soit une faible résistance à la propagation des fissures soit une faible résilience.

Ce problème a été etudie par examen de la microstructure et des phases secondaires présentes. Ces études révèlent que la recristallisation est incomplète au centre du disque, que des carbures sont présents aux joints entre les particules de poudres autant au centre du disque que dans l'anneau extérieur recristallisé et que des plaquettes d'une phase fragile M₂ (SC) sont présentes. Des modifications au procédé de fabrication de ces disques sont suggérées afin d'éliminer ces déficiences.     

Reaction-Inhibition During Sintering of SiC with Al2O3 Additions

Abstract

The mechanisms and products of the reactions which occur during the sintering of SiC with Al₂O₃ as a sintering aid were analysed. The effects of two sintering atmospheres, namely pressurised CO and Ar gases, on the reaction thermodynamics and reaction products were investigated. Thermodynamically predicted reaction products were correlated with experimentally determined reaction products. The observed weight losses and the final sintered densities are explained on the basis of the proposed reaction mechanisms. The major finding of the present analysis is that a pressurised CO gas atmosphere greatly enhances the densification characteristics of SiC ceramics.

Résumé

Nous avons analysé les mécanismes et les produits des réactions qui se produisent lors du frittage du SiC avec du Al₂O₃ comme aide de frittage. Nous avons étudié les effets de deux atmospheres de frittage: du CO gazeux pressurisé et du Ar gazeux pressurisé, sur la thermodynamique des réactions et les produits de ces réactions. Les produits des réactions prédits par la thermodynamique ont été mis en corrélation avec les analyses expérimentales de ces produits. Sur les bases des mécanismes de réactions proposées, nous avons expliqué les pertes de poids observées et les densités de frittage finales. La découverte la plus importante de la présente analyse est qu'une atmosphère de CO gazeux pressurisé ameliore beaucoup les caractéristiques de densification des céramiques SiC.     

The investigation of preferred orientation in a plain C-Mn steel rolled at different temperatures

Abstract

The preferred orientation of plain carbon manganese steel plate rolled after soaking at temperatures between 930°C and 680°C has been studied in an effort to correlate the rolling texture with fracture toughness properties.

Inverse pole figures have been obtained using a Li-drifted Si detector in the energy dispersion mode.

Rolling plane normal inverse pole figures show weak {100} and {111} maxima for plate soaked at temperatures above 800°C. Strong {100} and {111} maxima occurred in plates soaked between 800°C and 680°C. The degree of preferred orientation increased markedly with depth. Inverse pole figures of the rolling direction and the transverse axis show that, for soaking temperatures below 800°C, the plate has a strong duplex {100} <110> and {111} <110> texture. Analysis indicates that in the nominal {111} <110> texture the unit cell is rotated about both the rolling direction and the rolling normal by at least 10°.

As {100} is the cleavage plane of α-Fe, the strong {100} <110> texture in plates soaked at and below 800°C can be used to explain partially the through-thickness brittleness in these plates.

Résumé

Pour un acier non allié au carbone-manganèse les auteurs on t étudié les orientations préférentielles de tôles laminées apres prcchauffage à des températures comprises entre 930°C et 680°C, afin de corréler la tex ture de laminage à la résilience.

Les figures de pôles ont été obtenues grâce a un détecteur au silicium-lithium travaillan t par dispersion d' énergie.

Les figures de poles dans le plan de laminage révèlent de faibles maxima pour {100} et {111} quand les tôles ont été préchauffées audessous de 800°C. Par contre, de forts maxima pour {100} et {111} apparaissent quand les tôles ont été prechauffées au-dessous de 800°C. Le degré d'orientation préférentielle croit fortement avec la profondeur. Pour des températures de préchauffages au-dessous de 800°C, les fIgures de pôle dans la direction de laminage et dans la direction perpendiculaire revelent que la tôle a une forte texture duplex {100} <110> et {111}<110>.

L'analyse détaillée indique que le cube unitaire de la texture norma le {111} <110> subit une double rotation autour de la direction de laminage et autour de la norma le au plan de laminage d'au moins 10°.

Comme {100} est le plan de clivage du fer a, la forte texture {100} <110> des tôles préchauffées a et au-dessous de 800°C peut expliquer partiellement la fragilité de ces tôles dans la direction normale à l' épaisseur de la tôle.     

Molybdenum steels for pipelines

Abstract

Stringent property requirements are specified for steels to be used for oil and gas pipelines, especially for application in extremely cold climates. The effect of controlled plate mill processing (including water spray cooling between hot rolling passes), and of simulated strip mill processing on the mechanical properties and microstructure of pipe skelp of varying thickness has been studied in a family of Mn-Mo-Cb steels developed to meet these specifications. By virtue of chemistry and process control, desired minimum levels of yield strength in the range of 60 to 90 ksi (415 to 620 N/mm²) have been achieved, with excellent corresponding toughness values, in strip and plate gauges up to 0.75 in (19 mm). The microstructure of these steels varies, according to chemistry, from ferrite plus pearlite to acicular ferrite.

Résumé

Des propriétés mécaniques particulièrement strictes son t exigées des aciers pour pipe-lines (gaz ou pétrole) situés spécialement dans des régions très froides. Pour une série d'aciers au Mn-Mo-Cb développés pour de telles applications, les auteurs ont étudié la variation des propriétés mécaniques et de la microstructure de tôles a tube d' épaisseur variable en fonction de la procédure de laminage contrôlé des tôles fortes (incluant un refroidissement par aspersion d'eau entre les passes) ou d'une procédure simulée de laminage des feuillards. Du fait de la composition chimique et du contrôlé du laminage, des limites d' élasticité de l'ordre de 60 à 90 ksi (415 à 620 N/mm²) ont été atteintes et sont associées a d'excellen tes valeurs de la résilience des feuillards et des tôles jusqu'à 0.75 in. (19 mm) d' épaisseur. Selon la composition, la microstructure de ces aciers varie de ferritico-perlitique à une ferrite aciculaire.     

Roasting in extractive metallurgy a thermodynamic and kinetic review

Abstract

Selected papers are reviewed in both the ferrous and nonferrous fields of extractive metallurgy, to il1ustrate recent developments in the theory and practice of roasting. Attention is confined primarily to solid-gas and liquid-gas systems, which are considered from both their thermodynamic and kinetic aspects.

The thermodynamics section of this review includes studies of sulphide mineral vapourization, matte oxidation, selective sulphation roasting and the chlorination of sulphides. The use of various thermodynamic diagrams is illustrated. The kinetics section includes rate studies on oxidation, reduction, sulphation and chlorination processes and discussions of some of the proposed mechanisms and rate-controlling steps which are common to many of these processes.

Newer developments in chemical transport, plasmas and computer models are mentioned.

Résumé

Pour souligner les plus récents développements théoriques et pratiques ayant trait aux procédés de grillage, une revue bibliographique a été effectué tant dans le domaine de la métallurgie extractive des ferreux que des non-ferreux. Elle porte d'abord et avant tout sur les aspects concernant la thermodynamique et la cinétique des systémes solide-gaz et liquides-gaz. Dans la partie thermodynamique de cette revue, sont relevées des études ayant trait à la volatilisation de minerais sulfurés, l'oxydation des mattes, le grillage sulfatant selectif et la chlorination des sulfures. L'utilisation de divers diagrammes pour faire la corrélation des données thermodynamiques y est illustrée. Les aspects de la cinétique qui ont été retenus portent sur l'étude du taux des processus d'oxydation, de réduction, de sulfatation et de chlorination et sur la discussion de certains mécanismes et de certaines étapes communes à ces processus et susceptibles d'influehcer le taux global de réaction.