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33
La présente invention est relative à des aciers de
décolletage présentant des caractéristiques de résilience et
de ductibilité nettement améliorées.
On sait que l'addition de soufre à un acier améliore
son aptitude au décolletage par rapport au même acier ne
contenant pas de soufre.
On désignera donc dans ce qui suit par "acier de
décolletage" soit un acier de construction faiblement allié
contenant un ou plusieurs éléments d'alliage tels que la
manganèse, le silicium, le nickel, le chrome, le molybdène ou -
le vanadium, ainsi que les diverses impuretés habituelles, soit
un acier inoxydable contenant au moins 10 % de chrome et
éventuellement d'autres éléments d'alliage, comme le nickel
ou le molybdène, ces aciers présentant une teneur en soufre
comprise entre 0,04 et 0,5 %, destinée à améliorer leur aptitu-
de à l'usinage par rapport aux aciers de même composition,
, mais ayant une teneur plus faible en soufre.
Dans ces aciers de décolletage, le soufre est présent
sous forme d'inclusions de sulfure de manganèse ou d'autres
éléments d'alliage. Il est connu que si, au cours de l'élabo-
. . .
ration de l'acier, on ne prend pas de précautions particulièresconcernant ces inclusions, on obtient dans le lingot des sul-
fures situés de façon préférentielle dans les espaces inter-
dendritiques et, en outre, ces sulfures sont malléables. Il
en résulte que, dans le produit laminé, ils se présentent de
manière filiforme et sont ségrégés en alignements, ce qui
entraîne une détérioration des caractéristiques mécaniques, en
particulier dans le sens travers, c'est-à-dire perpendiculaire-
ment au sens du laminage.
Il est donc important de contrôler la nature et la
répartition des sulfures pour obtenir, dans le métal corroyé,
des sulfures~globulaires et regulièrernent repartis. Dans ce
''' - 1 - ~ ' '
. I .
L33
cas, la resilience et la ductilité sens -travers s'en trouvent
améliorees.
On a proposé, pour obtenir ce résultat, l'addition
dans l'acier de métalloides de la famille du soufre, comme le
sélenium ou le tellure, ou de métaux des terres rares, comme
le cérium. Ces éléments permettent effectivement d'agir sur
la malléabilité des inclusions sulfureuses qui res-tent globu-
laires après corroyage, mais ils présentent cependant des
inconvénients.
D'une part, pour être efficace, l'addition doit se
faire en quantité relativement importante. On considère qu'il
faut des rapports de teneurs pondérales Se/S de l'ordre de
0,4Te/S de l'ordre de 0,2 ou Ce/S de l'ordre de 2. Ces éléments
etant assez couteux, il en résulte une augmentation sensible
du prix de revient.
D'autre part, ces éléments n'éliminent pas la ségré-
gation dans les espaces interdendritiques et on ne peut éviter,
; à l'état corroyé, la présence de ségrégations en alignement.s
nuisibles aux caractéristiques mécaniques dans le sens travers.
; 20 Il est connu, par ailleurs, que le magnésium et les
métaux alcalinoterreux calcium, strontium, strontium et baryum,
ont une forte réactivité vis-à-vis du soufre et ils sont utili-
sés depuis longtemps comme désulfurants dans l'élaboration
des aciers. Ajoutés en quantité importante, ils entraînent la
séparation des sulfures dans le métal liquide et une décantation
rapide qui conduit à l'élimination du soufre.
La demanderesse a découvert, par contre, que lorsque
ces éléments sont ajoutés en quantité très faible après déso-
xydation du bain, ils ne se comportent plus comme désulfurants,
mais qu'au contraire, ils se maintiennen-t dans les inclusions
sulfureuses et qu'ils permettent d'en modifier la forme et la
répartition, remédiant ainsi aux inconvénients précités.
,
- 2 -
. .
.. , ~ , . . . . . . . .
5~3~
L'invention a donc pour objet des aciers de décolleta-
ge qui, grâce ~ une répartition homogène des sulfures globulai-
res et peu malléables, présentent des caractéristiques mécani-
ques dans le sens travers nettement améliorées. Elle a égale-
ment pour objet les articles, objets ou pièces réalisés à
A partir de ces aciers, ainsi qu'un procédé d'élaboration de ces
mêmes aciers.
Les aciers de décolletage, selon l'invention,ayant
une teneur pondérale en soufre comprise entre 0,04 et 0,5 %
et présentant une ductilité et une résilience dans le sens
travers nettement améliorées, contiennent du magnésium en
quantité au plus égalé à 0,005 % (50 ppm) et au moins égale à
5 millièmes de la teneur en soufre.
En effet, la présence de magnésium, calcium, stron-
~ tium ou baryum, en tr~s petite quantité conduit ~ ce résultat
;~ surprenant que les sulfures ne son-t plus ségrégés dans les
. . .
espaces interdendritiques, mais qu'ils se répartissent de
manière homogène dans l'acier. De plus, ces sulfures sont moins -~
malléables, ce qui évite leur allongement au cours du corroyage.
; ~
Dans le groupe de quatre métaux qui vient d'être
cité, le magnésium est le plus efficace et son emploi est
préférable. Les essais ont montré que, pour être utile, la
teneur en magnésium doit être au moins égale à 5 millièmes de
la teneur en soufre. Par contre, s'il est présent en trop
grande quantité, le magnésium peut former des oxydes globulaires
néfastes aux caractéristiques mécaniques. Il est recommandé
de ne pas dépasser 0,005 % (50 ppm).
Dans l'acier selon l'invention le magnésium est
présent non pas sous la forme d'un oxyde, mais comme élément
constitutif des sulfures. Ceci n'est possible que s'il est
ajouté à un acier pre`alablement désoxydé par addition d'un
désoxydant puissant comme l'aluminium, brassage avec un laitier
` - 3 -
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.
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$33
désoxydant, dégazage sous vide ou tout autre procédé connu de
désoxydation.
La désoxydation est suivie d'une addition de soufre
pour ajuster la teneur de cet élément à la valeur désirée.
Cette addition peut se faire par tout moyen approprié, par
exemple selon le procédé décrit par le brevet français FR.
N 1.597.415.
Après désoxydation l'addition de magnésium se fait
par l'une des méthodes classiques, par exemple: Alliage Ni-Mg
ou Si-Ca-Mg, en four, en poche ou en lingotière.
.. ~ L'acier selon l'invention peut contenir, en plus du
magnésium, l'un au moins des éléments calcium, baryum ou stron-
tium. Ces éléments ont un effet analogue au magnésium, et,
de plus, 1'efficacité de l'addition du magnésium est nettement
améliorée en présence de ces éléments. L'utilisation de l'allia-
.~ ye Si-Ca-Mg qui permet d'introduire à la fols du magnésium et
du calcium est donc particulièrement avantageuse. La teneur
de l'acier en Ca+Ba+Sr doit être comprise entre 0,001 et 0,005 %.
L'acier suivant l'invention peut contenir aussi du
. 20 sélenium et/ou du tellure dont l'effet globulisant des sulfures
est connu, ce qui permet de combiner les avantages des deux
procédés.
Grâce à la présence des éléments magnésium, calcium,
strontium ou baryum, on constate que les additions de sélénium
et de tellure peuvent être réduites.par rapport à ce qu'elles
seraient sans ces éléments, -tout en maintenant leur efficacité
`, pour la globulisation des sulfures. La teneur pondérale au
sélénium est avantageusement au moins égale à 2 dixièmes de la :.
. .
:, teneur en soufre et au plus égale à 0,2 %. La teneur pondérale . :
en tellure est avantageusement au moins égale à 5 centièmes de ~:
la teneur en soufre et au plus égale à 0,04 %. Des teneurs
trop élevées en tellure risquent d'avoir un effet néfaste sur
_ 4 _
.
~05'~
la forgeabilité du métal. L'introduction du sélénium et du
tellure peut se faire par tout moyen connu, en particulier
sous forme de ferro-alliage ou de mangano-alliage.
~ Les aciers de décolle-tage améliorés selon l'invention
-- peuvent ainsi présenter des caractéristlques mécaniques, en
; particulier une ductilité et une résilience en sens travers,
tout à fait comparables à celles d'aciers de même nuance non
resulfurés. D'autre part, on constate que la résilience à
basse température est bien meilleure que celle des aciers
classiques, même à basse teneur en soufre.
L ' invention sera mieux comprise grâce aux exemples
ci-dessous qui ne constituent que des cas particuliers non
limitatifs:
:~ EXEMPLE 1: .
~: ' ' '.' .
Acier de construction, élaboré au four à haute fréquen-
ce, désoxydé à l'aluminium, resul~uré et ayant re~u une addi-
tion de magnésium, dont la composition pondérale (en %) est la
suivante :
C 0,20 Cr 0,46 Mg 0,0035
Si 0,32 Mo 0,24 Fe reste
Mn 1,04 S 0,07
Ni 0,30 Al 0,025
Par comparaison avec le même acier sans magnésium, on
, obtient les résultats 9uivants à l'essai de résilience KCU sur
métal trempé et détendu (R=1300N/mm2). Les aciers sont
, corroyés avec un taux de corroyage de 45.
TABLEAU I
Avec Mg Sans Mg
KCU long 54 J/cm2 53 J/cm
, 30 KCU travers20 J/cm 14 J/cm
rapport long / travers 2,7 3,5
_ 5 _
"' ' .:
1(~5~ 3
Le -tableau I montre la nette amélioration de la résilience en
travers dans l'acier contenant du magnésium,
~ EXEMPLE 2
Acier de construction élaboré au four ~ haute fréquen-
; ce, désoxydé à l'aluminium, resulfuré et ayant re~cu des addi-
tions de magnésium et de calcium dont la composition pondérale
-~ (en %) est la suivante:
; C 0,23 Cr 0,57 Mg0,0030
.~ Si 0,33 Mo 0,25 Ca0,0015
10 Mn 1,48 S 0,06 Fe reste
~ Ni 0,64 Al 0,025
-.~ Par comparaison avec le même acier comportant seule-
ment une addition de magnésium (sans calcium) et avec le même
. acier sans magnésium ni calcium, on obtient les résultats
. suivants ~ l'essai de pliage en travers, et à l'essai de
ré~ilience en traver9, sur metal trempé et revenu (R = 850
~ L'acier est corroyé avec un taux de corroyage de 27.
; ~ABLEAU II
.i 20
. Avec Mg Avec Sans Mg
;.~ + CaMg seul ni Ca
,. Angle de pliage 6555 2 300 .:
.,, Régilience 26 J/cm2 22 J/cm 12 J/cm
Le tableau II montre la nette amélioration de ces deux caracté-
~ ristiques, en présence de magnésium et encore davantage en
- présence de magnésium plus calcium.
EXAMPLE 3 .
Acier de construction élaboré au four à haute fréquen-
ce, désoxydé à l'aluminium, resulfuré et ayant re,cu des addi-
tions de magnésium et de tellure, dont la composition pondérale
;. (en %) est la suivante :
, : - 6 -
~S'~33
:
C 0,31 Cr 0,54 Mg 0,0005
: Si 0,41 Mo 0,24 Te 0,0080
Mn 1,46 S 0,10 Fe reste
Ni 0,68 Al 0,02
Par comparaison avec le meme acier avec addition de
tellure seul et avec le même acier, sans addition de magnésium
ni de tellure, on obtient les résultats suivan-ts, dans les
mêmes conditions que pour l'exemple N 2: ~:
.... . ..
TABLEAU III
.,
: Avec Avec Sans Mg
: Mg + Te Te seul ni Te
Angle de pliage 70~ 46 30 :~
Résilience 32 ~/c~ L 2 ~/~n
Le tableau III montre l'amélioration de ces deux
caractéristiques, en présence de tellure. Cette amélioration
est encore plus importante en présence de tellure plus magnés.ium.
EXAMPLE 4
'( 20 Acier de construction élaboré au four à arc basique, .. :
désoxydé à l'aluminium, resulfuré et ayant recu des additions ~.
: de calcium, magnésium et tellure, dont la composition pondérale
;; (en %) est la suivante~
' C 0,18 Cr 0,51 Ca 0,0005
. Si 0,18 Mo 0,23 Mg 0,0004
I Mn 0,81 S 0,05 Te 0,0050
Ni 0,52 - Al 0,03 Fe reste ~:
.~ Par comparaison avec le même acier sans addition de ~:~
~. . . :.
calcium, ni de magnésium, ni de tellure, on obtient les résultats
suivants à l'essai de résilience KCU létat trempé et détendu,
2 ::
~ R = 1400 N/mm ) ~
:, ';
',
. ~ ~ 7 ~
. ~.
~5;~13'3
TABLEAU IV
Avec Mg Sans Mg
+ Ca + Te Ni Ca ni Te
Résilience en long 56 J/cm 51 J/cm
Résilience en travers20 J/cm 12 J/cm
Rapport long : travers 2,~ 4,3
Le tableau IV montre la ne-tte amélioration de la
r~silience en travers dans l'acier contenant du magnésium, du
calcium et du tellure.
Par ailleurs, l'acier de l'exemple 4 avec addition
de Mg, Ca et Te, ainsi que l'acier témoin sans additions ont
subi deux séries d'essais d'usinabilité. La première série
d'essais a consis-té en un usinage efEectué au tour au moyen
d'un outil en acier rapide nuance AFNOR 18-0-1 contenant en
poids W 18 %,Cr ~% et V 1%.
` Cet outil présentait les caractéristiques suivantes :
- angle de pente d'affutage20
- angle de dépouille 8
- angle d'obliquité d'arête 0
- angle de pointe 70
- angle de direction 90
- chanfrein du bec 0,3 mm
Il a été utilisé pour usiner à sec des cylindres en
acier de l'exemple avec et sans addition parallèlement à la
génératrice avec une profondeur de passe de 2 mm et une avance
de 0,25 mm par tour. ~a méthode d'essai et la méthode de calcul
des résultats sont définies dans le projet de norme AFNOR
référencé BNS 1097. Les résultats de ce premier essai exprimés
en vitesse compatible figurent au tableau V et montrent la
~ meilleur usinabilité au moyen d'un outil en acier rapide, de
; l'acier comportant des additions de Mg + Ca + Te. Une deuxième
.
: . , : , .
serie d'essais a été faite au moyen d'un outil en carbure de
type P 30 avec lequel on a usiné à sec des cylindres en acier
de l'exemple avec et sans addition. L'usinage a été effectué
parallèlement à la génératrice avec une profondeur de passe
de 2 mm et une avance de 0,25 mm par tour. On a mesuré l'usure
de l'outil après 32 mn d'usinage à la vitesse de 160 m/minute.
Les résultats donnés au tableau V montrent une usure plus de
; 3 fois plus faible de l'outil dans le cas de l'acier comportant
des additions de Mg + Ca + Te.
10TABLEAU V
_
Avec Mg Sans Mg
Ca ~ Te ni Ca ni Te
. l
Vitesse compatible 65 m/mn 43,5 m/mn
, Usure d'outil 0,095 mm 0,32 rnm
.1 ' ' .
EXEMPLE 5
Acier de construction élaboré au four à arc basique, ,
désoxydé à l'aluminium, resulfuré et ayan-t reçu des additions
de calcium, magnésium et tellure, dont la composition pondérale
~en %)est la suivante :
C 0,17 Cr 1,00 Ca 0,0007
Si 0,32 Mo 0,02 Mg 0,0005
,~ Mn 1,28 S 0,06 Te 0,0050
Ni 0,27 Al 0,03 Fe reste
-;Par comparaison avec le même acier sans addition de
calcium ni de magnésium, ni de tellure, on obtient les résultats
'3suivants à l'essai de résilience KCU (état trempé et détendu,
R = 1400 N/mm ). Les aciers sont corroyés avec un taux de
corroyage de 20.
~,:
9 _
', ' ~' :' ' ' ~ ' ' '. ' . i '
, , , : ,
15'~133
TAsLEAu VI
¦ Avec Mg ~ans Mg
+ Ca + Te ni Ca ni Te
Résilience en long 48 J/cm 50 J/cm
Résilience en travers 16 J/cm 9 J/cm
Rapport long/travers ~ _ 5,5
Le tableau VI montre la nette amélioration de la
résilience en travers en présence de magnésium plus calcium plus
tellure.
Des échantillons ont été prélevés sur ces aciers avec
et sans addition et des examens micrographiques ont été effec-
tues: les figures 1 et 2 représentent respectivement au gros-
sissement 200 des vues en coupe qui montrent la forme et la
répartition des sulfures. La figure 1 correspond à la nuance
de l'exemple 5 sans addition de Mg, Ca et Te tandis que la
figure 2 correspond à la même nuance avec additions de Mg + -
Ca + Te. On voit clairement sur la figure 2 l'effet globuli-
sant et dispersant des additions suivant l'invention.
Par ailleurs, on a effectué sur ces mêmes aciers des
essais d'usinage dans des conditions semblables ~ celles qui
sont décrites dans l'exemple 4, mais dans le cas de l'usinage
avec l'outil en carbure la vitesse d'usinage a été portée à
250 m/mn pendant un même temps de 32 mn. Les résultats donnés
au tableau VII montrent, selon l'invention, une usinabilité
meilleure de la nuance comportant des additions de Mg + Ca + Te.
TABLEAU VII
,, .
Avec Mg Sans Mg
-~ Ca + Te ni Ca ni Te
:~ Vitesse compatible 73,5 m/mn 66,5 m/mn
I Usure d'outil 0,26 mm 0,31 mm
- , :
-- 1 0
'
.
~5i~:~33
EXEMPLE 6
Acier inoxydable austénitique, resulfuré et ayant
re,cu des additions de magnésium et tellure, dont la composition
pondérale (en %) est la suivante :
C 0,06 Cr 17,8 Te 0,025
Si 0,43 Mo 0,05 Fe reste
Mn 1,4 S 0,25
~ Ni 8,3 Mg 0,0050
Par comparaison avec le même acier sans addition de :
magnésium ni de tellure, on obtient les résultats suivants .
. .
. à l'essai de résilience KCU à 20C : .
,, TABLEAU VIII i
.
.~ . Avec Sans ,
Mg ~ Te Mg ni Te
Résilience en long 190 J/cm 180 J/cm2
Résilience en travers 110 J/cm2 80 J/cm ~ .
i Rapport long/travers 1,7 2,25
. 20 . Le tableau VIII montre l'amélioration de la résilience
.'. en travers en présence de magnésium plus tellure.
' EXEMPLE 7
Acier inoxydable martensitique, resul.furé et ayant
,, rec~u des additions de magnésium et tellure, dont la composi-
tion pondérale (en %) est la suivante :
1 C 0,07 Cr 13,3 Te 0,030
.. Si 0,30 Mo 0,22 Fe reste
Mn 1,1 S 0,31
~ Ni 0,14 Mg 0,0050
j 30 Par comparaison avec le même acier sans addition de
magnésium ni de tellure, on obtient les résultats suivants à
: l'essai de résilience KCU à 20 C.
'
' :
~)S;~3
TABLEAU IX
Avec Sans
Mg + Te Mg ni Te
Résilience en long65 J/cm 60 J/cm
Résilience en travers 18 J/cm 10 J/cm : :
Rapport long/travers 3,6 6
. Le tableau IX montre l'amélioration de la résilience
en travers, en présence de magnésium plus tellure.
Ces exemples montrent que l'invention permet de
réaliser des aciers de tous types ayant à la fois une aptitude
à l'usinage accrue et aussi des caractéristiques mécaniques,
considérablement améliorées en particulier en ce qui concerne
la résilience.
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