CA2444175C - Acier a outils a tenacite renforcee, procede de fabrication de pieces dans cet acier et pieces obtenues - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un acier à outils dont la composition comprend, les pourcentages étant exprimés en % en poids: 0,8 <= C <= 1,5; 5,0 <= Cr <= 14; 0,2 <= Mn <= 3; Ni <= 5; V <= 1; Nb <= 0,1; Si+Al <= 2; Cu <= 1; S <= 0,3; Ca <= 0,1; Se <= 0,1; Te <= 0,1; 1,0 <= Mo+W/2 <= 4; 0,06 <= Ti+Zr/2 <= 0,15; 0,004 <= N <= 0,02 le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration, étant en outre entendu que: 2,5.10-4 %2 <= (Ti + Zr/2) x N, un procédé de fabrication de pièces dans cet atelier et les pièces obtenues.

Description

Acier à ~utils à ténacité renf~rcée9 procédé de fabricati~n de pièces dans cet acier et pièces ~btenues.
s La présente invention concerne une composition d'acier à outils présentant une ténacité renforcée par rapport aux nuances de l'art antérieur, un procédé d'élaboration de cette composition ainsi que les pièces pouvant étre ainsi obtenues.
Les aciers à outils sont très largement utilisés dans de nombreuses io applications impliquant notamment des déplacements relatifs entre pièces métalliques en contact, où ~fune des pièces doit conserver sôn , intégrité
géométrique le plus longtemps possible. On peut citer à titre d'exemples de réalisation, tes outils d'usinage et de coupe ainsi que les équipements métrologiques.
ts La conservation de l'intégrité géométrique de ces pièces demande une bonne résistancé à l'usure, une bonne résistance à la déformation et à la rupture sous sollicitations statiques ou dynamiques, ce qui implique que l'acier utilisé présente une ténacitë et une dureté élevées.
Par ailleurs, la nuance doit présenter une bonne trempabilité, afin que la 2o structure soit le plus homogène possible sur de grandes épaisseurs après la trempe.
~r ces différentes exigences se révèlent bien souvent contradictoires.
Ainsi, on connaït une nuance d'acier à outils pour travail à froid dénommée AI.SI
D2 et largement répandue, contenant 1,5% en poids de carbone et 12% de 2s chrome avec quelques additions complémentaires d'éléments carburigènes durcissants tels que Mo ou V. Les fortes teneurs en carbone et en chrome mènent à une importante précipitation' de carbures eutectiques de type M7C3 qui sont formés à haute température en fin de solidification et sont dès lors grossiers et répartis de façon hétérogène dans la matrice métallique.
3o Si la présence d'une fraction volumique ïmportante de carbures durs dans l'acier est favorable au renforcement de la tenue à l'usure, Leur mauvaise répartition nuit quant à elle à la ténacité.

2 Pour pallier ce problème, il a alors été proposé de réduire les teneurs en carbone et chrome de çe type de nuances à des teneurs respectives d'environ 1 et 8% avec en compensation une teneur plus élevée en molybdène, de l'ordre de 2,5% (EP 0 930 374). La réduction de la teneur en carbone permet de s réduire la fraction volumique des carbures eutectiques ce qui est favorable pour la ténacité. L'enrichissement de ces carbures en molybdène qui accroîfi leur dureté, permet à son tour de maintenir la dureté de l'acier et sa tenue à
I°usure.
Toutefois, il resterait nécessaire d'affiner encore la distribution de ces carbures pour accroître la ténacité sans réduire les caracfiéristiques de dureté et io de tenue à l'usure de l'acier.
Les inventeurs ont constaté qu'une nouvelle amélioration du compromis ténacité - tenue ri~éc~r~ique et à l'usure résulte .de manière iriattendue , d'une. , teneur suffisante en azote accompagne d'une teneur minimale en titane et/ou zirconium, elle-mëme fonction de la teneur en azote.
1s Plus précisément, il a été observé un affinement des carbures de chrome, de molybdène efi de tungstène, et un renforcement conjoint de la ténacité, lorsque - d'une part N >_ 0,004%, de préférence >_ 0,006%, - d'autre part (Ti + Zr/2) x N >_ 2,5.10 %~ , 20 les teneurs en Ti, Zr et N étant exprimés en % pondéral.
Cette exigence conjointe en azote et titane ou zirconium suggère que le facteur actif est la 'présence de nitrures de titane et ou zirconium, supposés jouer le rôle d'affineur de la taille des carbures de chrome, de moiybdène et de fiungstène. La taille moyenne des gros carbures de chrome, de molybdène et. de 2s fiungstène passe ainsi d'une valeur typique d'environ 10 pm selon l'art antérieur, à une valeur d'environ 4 iam, selon la présente invention.
Un premier objet de l'invention est ainsi constitué par un acïer dont la composition comprend, les pourcentages étant exprimés en % en poids 0,8 <_ C <_ 1,5 30 5,0 <_ Cr <_ 14 O,Z 5 Nin <_ 3 Ni <_ 5

3 <_0,1 Si+AI <_2 Cu <_1 S <_0,3 s Ca < 0,1 Se <_0,1 Te <_0,1 1,0 <_ Mo+W/2 <_ 4 0, 06 _< Ti+Zr/2 _<0,15 0,004 <_ N <_0,02 le reste de la.. composition constitu de fer et d'impurets tant rsultant de hlaboration, tant en outre entendu que : 2,5.10-4 / ~ <_ (Ti + Zrl2) x N.

is ~ans un mode de réalisation préféré de l'invention, la composition d'acier comprend, les pourcentages étant exprimés en % en poids 0,8 <_ C <_ 1,2 7,0 <_ Cr _< 9 0,2 _< Mn _< 1,5 2o Ni _< 1 0,1 <_ V _< 0,6 Nb <_ 0,1 Si+AI s 1,2 Cu <_ 1 2s S S 0,3 Ca <_ 0,1 Se <_ 0,1 Te <_ 0,1 2,4 <_ lUlo+W/2 <_ 3 30 0,06 <_ Ti+Zr/2 _< 0,15 0,004 <_ N <_ 0,02 le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant

4 de félaborafiion, étant en outre entendu que : 2,5.10-4 °/ 2 <_ (Ti + Zrl2) x N .
La teneur en titane et/ou en zirconium de l'acier selon l'invention doit être comprise entre 0, 06 et 0,15% en poids. En effet, au-delà de 0,15% en poids, la s précipitation de nitrures de titane etlou de zirconium tend à coalescer et à
perdre de son efficacité. Par contre, si la teneur est inférieure à 0,06% en poids, la quantité de titane et/ou de zirconium présent est insuffisante pour former suffisamment de nitrures de titane et/ou de zirconium pour obtenir l'amélioration recherchée en ténacité et en résistance à l'usure. On notera pue le zirconium io peut être substitué en tout ou partie au titane dans la proportion de deux parts de zirconium pour une part de titane.
La tenéur en azôte~de l'acier selon l'invention doif. être. comprise. entre-0,004 et 0,02% en poids, de préférence entre 0,006 et 0,02% en poids. On limite sa teneur à 0,02% en poids car au=delà, la ténacité tend à décroître.
1s La teneur en carbone de l'acier selon l'invention doit être comprise entre 0,8 et 1,5% en poids, de préférence entre 0,8 et 1,2% en poids. Le carbone doit être présent en une quantité suffisante pour former des carbures et atteindre le niveàu de dureté que l'on souhaite obtenir pour la nuance.
Dans un autre mode de réalisation préféré, la teneur en carbone de 20 l'acier selon l'invention est comprise entre 0,9% et 1,5% en poids, afin d'assurer une dureté améliorée, à traitement thermique inchangé, et de renforcer la tenue à l'usure en augmentant la fraction volumique de carbures durs.
La teneur en chrome de l'acier selon l'invention doit être comprise entre et 14% en poids, de préférence entre 7 et 9% en poids. Cet élément permet 2s d'une part d'augmenter la trempabilité de la nuance et, d'autre part, de former des carbures durcissants.
La teneur en manganèse de l'acier selon l'invention doit être comprise entre 0,2 et 3% en poids, de préférence entre 0,2 et 1,5% en poids. On l'ajoute dans la nuance selon l'invention car c'est un élément trempant, mais on limite 3o sa teneur pour limiter la ségrégation qui entraînerait une mauvaise forgeabilité
et une ténacité trop faible.
L'acier peut contenir jusqu'à 5% en poids de nickel. De préférence, la teneur en cet élément doit rester inférieure à 1 % en poids. On peut l'ajouter dans la nuance selon l'invention car c'est un élément trempant et qui ne pose pas de problème de ségrégafiion. On limite cependanfi sa fieneur car c'est un élément gammagène favorable à la formation d'austénite résiduelle.
Pour renforcer la résistance à ('adoucissement dans le cas frëquent où
s l'acier est soumis à revenu avanfi utilisafiion, il est utile d'ajoufier à
fa composition des éléments carburigènes forts formant au revenu de fins carbures de types IVIC.
Parmi eux le vanadium est préféré, et on l'utilise alors en des teneurs d'au moins 0,1 % mais ne dépassant pas 1 %, préférenfiiellemenfi inférieures à
0,6%.
Le niobium, qui tend à précipiter à plus haute température et qui, de ce fait, nuit fortèment 'à la forgeabilité de l'aciér est à éviter et~ ne dépassera ~pa's en tous cas 0,1 %, et sera de préférence inférieur à 0,02% en poids.
La teneur en silicium et/ou en aluminium de l'acier selon l'invention doifi Is ëtre inférieure à 2% en poids. Outre leur rôle de désoxydafiion de la nuance, ces déments permettent de ralentir la coalescence des carbures en température et réduisent de ce faifi la cinétique d'adoucissemenfi au revenu. On limite leur teneur car au-delà de 2% en poids, ils fragilisent la nuance.
La teneur en molybdène et/ou en tungsfiène de l'acier selon l'invention 2o doit êfire comprise entre 1 et 4% en poids, de préférence entre 2,4 efi 3%
en poids. On nofiera que le tungstène peut être subsfiitué en tout ou partie au molybdène dans !a proportion de deux parts de tungstène pour une part de molybdène. Ces deux éléments permettenfi d'améliorer, la trempabilifié de la nuance et de former des carbures durcissants. Leur teneur est limitée car.,ils 2s sont à l'origine de sëgrégafiions.
Le cuivre peut être présent dans l'acier en teneur néanmoins inférieure à
1 % pour ne pas nuire à la forgeabilité de la nuance.
Par ailleurs, afin d'améliorer l'üsinabilitè de l'acier, du soufre, en une teneur ne dépassant pas 0,3% peufi ëfire ajouté, éventuellement accompagné
3o de calcium, sélénium, tellure en teneurs chacune inférieure à 0,1 %.
L'ëlaboration de la nuance d'acier selon l'invention, y compris le mode d'addifiion du titane et/ou du zirconium, peut se faire par tout procédé
classique, mais peut ëtre effectuée de façon avanfiageuse par le procédé selon l'invention qui constitue un deuxième objet de l'invention.
Ce procédë de fabrication de pièces comprend une première étape consistant à élaborer un acier liquide par fusion de l'ensemble des éléments de la nuance selon l'invention, à l'excepfiion du titane et/ou du zirconium, puis à
s ajouter au bain d'acier fondu le titane et/ou le zirconium en évitant à tout instant les surconcentrations locales en titane et/ou en zirconium dans le bain d'acier fondu.
En effet, les présents inventeurs ont constaté que les procédés d'addition classiques, selon l'art antérieur, du titane et du zirconium sous forme Io d'éléments massifs de ferro-alliage ou métallique, généraient des nitrures de titane et/ou de zirconium grossiers et conséquemment moins nombreux, d'autant plus .qu'àlors iane partie d'entre eux peuvent rnêr~e décanter., ~étte situation semble être à relier au fait que ces procédés d'addition provoquent de forfies surconcentrations locales de titane et/ou de zirconium dans le liquide au 1s voisinage des éléments additionnés.
Un des modes de réalisation de cette première ëtape du procédë selon l'invention consiste à ajouter le titane et/ou le zirconium dans le laitier couvrant le bain d'acier liquide de façon continue, le titane et/ou le zirconium se répandant ensuite de façon progressive dans le bain d'acier.
2o Un autre mode de réalisation de cette première étape du procédé selon l'invention consiste à ajouter le titane et/ou le zirconium en introduisant de façon continue un ~I composé de ce ou ces éléments dans le bain d'acier fondu, tout en agitant le bain par bullage ou par tout autre procédé adapté.
Un autre mode de réalisation de cette première étape du procédé selon 2s l'invention consiste à ajouter le titane et/ou le zirconium en soufflant une poudre contenant ce ou ces éléments dans le bain d'acier fondu, tout en agitant le bain par bullage ou par tout autre procédé adapté.
~ans le cadre de la prësente invention, on préfère utiliser les différents modes de réalisation qui viennent d'être décrits, mais il est bien entendu que 3o tout procédé permettant d'éviter une surconcentration locale en titane et/ou en zirconium pourra être mis en ouvre.
L'élaboration est généralement efFectuée dans un four à arc, ou dans un four à induction.

A l'issue de cette élaboration, l'acier liquide est coulé en lingots ou en brames. Afin d'affiner sa structure, on pourra effectuer un brassage dans la lingotiére ou bien encore utiliser le procédé de refusion sous laitier avec électrode consommable.
s Ces lingots ou ces brames sont ensuite transformés au moyen de traitements de mise en forme par déformation plastique à chaud adaptés tel que le forgeage ou le laminage, par exemple.
L°acier peut ensuite être soumis à un traitement thermique selon les voies classiques pour les aciers d'outillage. Un tel traitement thermique peut 1o comporter éventuellement un recuit pour faciliter la découpe et l'usinage, puis une austénitisation suivie d'un refroidissement, selon un mode adapté , à
l'épa'issea~r, tel :qû'.uri. refroidissement à l'air ~ou à, .I'~uile, événtuellem~nt~ suivi de.
revenus selon le niveau de dureté que l'on souhaite atteindre.
Un troisième objet de !'invention est constitué par une pièce d'acier de is composition conforme à l'invention ou obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention et dont la taille moyenne des précipités de carbures de chrome, de moiybdène ou de tungstène issus de la solidification est comprise entre 2,5 et 6 pm, de préférence entre 3 et 4,5 p~m.
La présente invention est illustrée à partir des observations et des 2o exemples suivants, le tableau 1 donnant la composition chimique des aciers testés, parmi lesquels la coulée 1 est conforme à la présente invention, tandis que la coulée 2 est donnée à titre de comparaison.
Composition Coule 1 Coule 2 . , (% en poids) C 0, 98 0, 96 Cr 8,40 8,20 Mn 0,79 0,83 Ni 0,35 0,31 Cu 0,26 0,22 V 0, 37 0,40 Nb 0,01 0,09 Si 0,97 0,94 AI 0,03 0,03 Mo 2,60 2,50 _ _ Ti 0,11 0, 004 Zr - -N 0,011 0,009 Abréviations employées Pv : perte volumique, exprimée en mm3, KV : énergie de rupture, exprimée en J/cm~, s T : ténacité, exprimée en J/cm2.
Exemple 1 - Ténacité
On fabrique deux pièces à partir de la coulée 1 conforme. à l'invention et de la coulée 2 comparative, en laminant à chaud à 1150°C des lingots élaborés Io dans ces compositions. Les échantillons sont ensuite austénitisés à
1050°C
pendant une heure, trempés à l'huile puis soumis à un double revenu de 525°C
pendant une heure pour obtenir une dureté de 60 Hrc.
On procède ensuite à deux séries d'essai utilisant des mëthodes différentes pour mesurer la ténacité
is - un essai de flexion par choc sur éprouvette Charpy prenant la forme d'un barreau entaillé en V selon la norme NF EN 10045-2, qui fournit l'énergie de rupture KV et - un essai de flexion par choc sur barreau non entaillé (barreau de 10mm sur 10mm), qui fournit la ténacité T.
Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau suivant KV T

(J/cm2) (J/cm2) Coule 1 14,0 59 Coule 2 10,5 47 On voit que, quelle que soit la méthode employée, la coulée 1 selon 2s l'invention présente une ténacité améliorée par rapport à la coulée 2 comparative.
(Exemple 2 - Résistance à l'usure On fabrique deux pièces d'une manière analogue à celle utilisée dans s l'exemple 1, et on procède à une mesure de la résistance à l'usure en suivant la norme AS~IVI G52 qui permet de déterminer la perte volumique subie par les échantillons testés. Cet essai consiste à mesurer la perte de poids de l'échantillon soumis à l'usure abrasive d'un filet de sable quartzique à
granulométrie calibrée introduit entre une roue caoutchoutée et l'échantillon 1o fixe.
Les résultats obtenus sont rassemblés dans le tableau suivant (mm3) Coulée 1 ~ 17, ulée 2 I 18,5 1s On constate que la coulée 1 selon l'invention présente une résistance à
l'usure légèrement améliorée par rappori à la coulée 2 comparative.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Acier à outils dont la composition comprend, les pourcentages étant exprimés en % en poids :

0,8 <= C <= 1,5 5,0 <= Cr <= 14 0,2 <= Mn <= 3 Ni <= 5 V <= 1 Nb <= 0,1 Si+Al <= 2 Cu ltoreq. 1 S <= 0,3 Ca <= 0,1 Se <= 0,1 Te <= 0,1 1.0 <= MO+W/2 <= 4 0,06 <= Ti+Zr/2 <= 0,15 0,004 <= N <= 0,02 le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration, étant en outre entendu que : 2,5.10 -4 %2 <= (Ti + Zr/2) × N.

2. Acier selon la revendication 1,caractérisé en outre en ce que la composition comprend, les pourcentages étant exprimés en % en poids :
0,8 <= C <= 1,2 7,0 <= Cr <= 9 0,2 <= Mn <= 1,5 Ni <= 1 0,1 <= V <= 0,6 Nb <= 0,1 Si+Al <= 1,2 Cu <= 1.

S <= 0,3 Ca <= 0,1 Se <= 0,1 Te <= 0,1 2,4 <= Mo+W/2 <= 3 0,06 <= Ti+Zr/2 <= 0,15 0,004 <= N <= 0,02 le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration, étant en outre entendu que: 2,5.10 -4%2<=(Ti + Zr/2)xN.

3. Acier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en outre en ce que la teneur en niobium est inférieure ou égale à 0,02% en poids.

4. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en outre en ce que la teneur en azote est comprise entre 0,006 et 0,02% en poids.

5. Procédé de fabrication d'une pièce en acier de composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que - on élabore un acier liquide par fusion de l'ensemble des éléments de ladite composition, à l'exception du titane et/ou du zirconium, puis on ajoute au bain d'acier fondu le titane et/ou le zirconium en évitant à tout instant les surconcentrations locales en titane et/ou en zirconium dans le bain d'acier fondu, - on coule ledit acier liquide pour obtenir un lingot ou une brame, - on soumet ledit lingot ou ladite brame à un traitement de mise en forme par déformation plastique à chaud, puis éventuellement à un traitement thermique pour obtenir ladite pièce.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ajout du titane et/ou du zirconium est effectué en continu dans un laitier couvrant le bain d'acier liquide, le titane et/ou le zirconium se répandant ensuite de façon progressive dans ledit bain d'acier.

7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ajout du titane et/ou du zirconium est effectué par introduction continue d'un fil composé de titane et/ou de zirconium dans le bain d'acier, tout en agitant ledit bain.

8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ajout du titane et/ou du zirconium est effectué par soufflage d'une poudre contenant du titane et/ou du zirconium, dans le bain d'acier fondu, tout en agitant le bain.

9. Pièce d'acier de composition conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4 ou obtenue par la mise en ouvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que la taille moyenne des précipités de carbures de chrome, de molybdène ou de tungstène issus de la solidification est comprise entre 2,5 et 6 µm.

10. Pièce d'acier selon la revendication 9, caractérisée en outre en ce que la taille moyenne des précipités de carbures de chrome, de molybdène ou de tungstène issus de la solidification est comprise entre 3 et 4,5 µm.