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2~~.~I~5
~1
La présente invewtion concerne un acier
inoxydable aust2nitique resuLfuré ~ usinabilité
améLior2e.
Un tel acier austénitique est connu dans Le
JP-A-~ibD785. Ge brevet traite d'un acier usinable et
défoy~mabLe ~ froid et ayant, en composition pondérale,
notamment, une teneur en soufre inférieure ~3 O,D30%,
des teneurs en calcium et oxygène respectivement
comprises dans Les intervalles 10-300 ppm et 30-300
'10 ppm, de 0,8 ~ 5% de cuivre et de O,D~i ~ 0,~5'!. de
plomb.
Crans cet acier inoxydable austénitique, on
introduit de L'oxygène et du calcium, ce qui permet de
transformer des inclusions dures en inclusions ~ base
'15 d''oxyde de calcium. L''amèLioration de L'usinabilité
est générée par L'introductions dans La composition,
d''une quantitè variable de plomb.
IL est bien connu que Les aciers inoxydables
aust2nitiques sont difficiles ~ usiner, en grande par
'~O tie ~ cause de leur faible conductibilité thermique,
d''oû un mauvais ècouLement de La chaleur produite ~ la
pointe d''un outil de coupe et une dëtèrioration rapide
de L'outil et de Leur forte écrouissabiLit2 induisant
Localement des zones de dureté èLevÉe.
Un moyen d'améliorer L''usinabiLitè est
l''intrvduction de L''éLèment plomb notamment dans une
proportion de D,0~1 ~ 0,~5%. Get èLèment ~ les incon-
vénients d''ètr~e difficile à dissoudre de fanon
homogène en bain fondu, et, en raison de sa densité
30 élevée, d''avoir tendance ~ s''accumuLer dans le fond
des rècipients métallurgiques. De plus iL forme des
phases è bas point de fusion détériorant La
déformabiLit2 ~ chaud.
Crans le FR--A-~.54~.76~1 qui décrit un procédé
zo~~~o~
de fabrication d'acier ~ haute usinabilité, iL est
prpcis~ qu''une autre cause de La difficulté d'usiner
Les aciers inoxydables est Le fait qu'ils contiennent
des inclusions d''oxydes durs comme par exemple de
L'alumine au de La chromite qui détéy~iarent les outils
de coupe.
~-1n mayen de n~éduire la nocivité des incLu-
lions d'oxydes durs est d'introduire dans l'acier un
au pLu,ieura compasés aLcaLinoterreux, afin de
'10 remplacer dans une bonne proportion Les inclusions
dus~es par des incLusians d''axydes ~ base de calcium,
par e~empLe. IL est précisé d'une part, qu''une
certaine quantité de soufre combiné ~ des incLusians
dures en réduit La nocivité, La teneur en soufre étant
'15 généralement inférieure ~ C~,S ~i0~~~~ i, et d'autre part,
qu''un autre mayen de réduire !_..~ nocivité des incLu-
sions est de réduire leur quantité gr~ce ~ une bonne
désoxydation et une banne décG~ntation du bain fondu
Lars de La réalisation de L''acier.
'~:O Uans les documents mentionnés ci~-dessus,
L''améLiaration de L'usinabilité de L'acier est
réalisée .
- par introduction de plomb en tant que
Lubri f Tant,
':~5 -~ par introductian d' oxygéna au de calcium
pour réduire les incLuslons dures en inclusions ~3 base
de composés aLcaLinatey~reux.
~- en réduisant Le nombre d''incLusions dures
par désoscydation du bain fondu, Lors de L'élaboration.
30 La présente invention a pour objet un acier
austénitique resuLfuré d unisabiLité améLiarée conte-
nant d''une part, du soufre pour La création d'un
sulfure de manganèse et chrome ayant des propriétés
Lubrifiantes et, d'autre part, une proportion déter-
,....
2019145
3
minée d'oxygène et de calcium introduite sous forme de
silicoaluminate de chaux, afin de créer, en nombre, des
inclusions spécifiques améliorant l'usinabilité.
L'acier inoxydable austénitique se caractérise par
la composition suivante exprimée en pourcentages pondéraux:
- Carbone inférieur ou égal à 0,15
- Silicium inférieur ou égal à 2~
- Manganèse inférieur ou égal à 2%
- Molybdène inférieur ou égal à 3ô
- Nickel compris entre 7 et 12~
- Chrome compris entre 15 et 25ô
- Soufre compris entre 0,10 et 0,40ô
- Calcium supérieur ou égal à 30x10-4%
Oxygène supérieur ou égal à 70x10-4%
- Le rapport de la teneur en calcium et en oxygène
Ca/0 étant compris entre 0,2 et 0,6.
L'acier est aussi caractêrisé en ce qu'il contient
des inclusions de silicoaluminate de chaux de type
anorthite et/ou pseudowollastonite.
Le calcium est introduit, lors de l'élaboration,
dans le bain fondu, par addition de silico-calcium sous
contrôle des teneurs en oxygène.
Dans une composition préférentielle de l'inven-
tion, l'acier austénitique comprend du soufre dans une
proportion comprise entre 0,15 et 0,35. Le soufre forme
avec le manganèse et dans une plus faible proportion, avec
le chrome, un sulfure de manganèse et chrome (Mn, Cr) S qui
génère sous forme d'inclusions une lubrification à chaud de
l'outil de coupe lors de l'usinage de l'acier.
°:;
... .. ;.~~~
2019105
3a
Dans une autre forme de l'invention, la valeur du
rapport des teneurs en éléments calcium et oxygène est
comprise entre 0,3 et 0,5.
L'intervalle des valeurs du rapport Ca/0 est
déterminé par des mesures d'usinabilité des différents
aciers ayant la composition de base de l'acier selon
..~ ..~.
4
L''invention et dont on fait varier les teneurs en
calcium et o><yg~ne.
Pa7~t i cul i Virement I_es i ncLus i ons de suL fui~e
de mangan2se et chrome saut enrobées d'une phase de
siLicoaLuminate de r_haux de type anorthite etlou
pseudawoLLastonite pour former des inclusions
associées. La création de ce type d''incLusion est
rendue pa:â'.~li7Le ~ Y':~CC-' ~ L' lnti~D
duction de composés: de
t-aLClutT, ijan:o Le b~.31n Ljquide ;:,OI1~;~ n~7ntl~~'3Le de teneul~~_
'10 détercr~in~es en axyg~ne.
De plus, les inclusions associées ont un
facteur de forme compris entre 3 et 6. Le facteur de
far~me est déterminé par Le rapport de La longueur sur
La Largeur de L'inclusion, La valeur du facteur de
-15 forme étant un critére de mesure de La qualité de
L'usinabilité de L''aciev~.
Les essais décrits ci--dessous et Les figures
annexpes feront mieux comprendre L''inventian.
La figure '1 représente Le diagramme de com~
'D position ternaire Caçi~-AI yci3.-Djc_y situant La composi~
tian pondérale de L''anorthite de La pseudowoLLastonite
et de gehlenite.
La figure _ reprâsente une image en coupe
d''une inclusion associée.
'~5 La figure 3 est un diagramme représentant
Les valeurs du crit~re d''usinabiLité V230/D,3 en
fonction de La variation de concentration d''axyg~ne.
La Figure 4 est un diagramme ~~eprésentant
Les valeurs du c~~it~re d''usinabiLité VÉ3D/t~,3 en
30 fonction de La variation de concentration de soufre.
La figure 5 reprèsente, dans un exemple
d'acier donné ~ titi~e de comparaison c:acier selon
L'invention sans soufre>, un diagramme représentant
Les valeurs V230/0,3 en fonction du rapport des
teneurs Ca/i~.
241~14~
La présente invention concerne un alliage
d'acier inoxydable austénitique resuLfuré dont
L''usinabiLité est améliorée par La création d''incLu-
sions associées, siLicoaLuminate de chaux/suLfure de
5 manganése et chrome.
L' aL L iage comprend, en po ids
-- Carbone inférieur ou égal ~ 0,~i5
- OiLicium infé~~ieur ou égal é ~%
- t~langanése inférieur ou égal é '~::,
'i0 ~- hloL ybdéne inférieur ou égal d 3%
- MickeL compris entre ? et ~i'~%
- Chrome compris entre ~15 et ~5%
- soufre compris entre O,-10 et 0,40%
-- oxygéne supérieur ou égal ~ ?0 ppm
'15 - Calcium supérieur ou égal ~ 30 ppm.
Le rdLe bénéfique du saufs~e sur L''usinabiLi~
té est bien connu. Le soufre engendre dans L''acier des
inclusions de sulfure de manganésc contenant également
~O du chrome.
L'addition de soufre, ou encore par exemple
du sélénium, permet d''améLiorer L''usinabiLité des
aciers inoxydables austénitiques mais au détriment
d'autres propriétés comme par exemple une diminution
~5 de La résistance ~ La corrosion et de La déformabiLité
chaud et ~ froid.
hlaLgré L''effet défavorable d''une réduction
de La résistance é La corrosion engendré par Le
soufre, Les essais sur L''usinabiLité des aciers
30 austénitiques se sont orientés vers L''introduction,
dans un aciey~ resuLfuré, d''oxydes siLicoaLuminates de
chaux. Ces oxydes ne détériorent pas La résistance
la corrosion.
. '~ Z0291(~~
6
Les oxydes siLico-aluminates de chaux sont
Créés Lors de L'élaboration de l'acier gr~ce
L'int~~oduction de calcium, pr~fprentieLLement sous
forme de fil fourré de siLicocaLcium, dans Le bain
fondu sous r_ontrBLe des teneurs en oxygéne.
Selon l'invention, Les oxydes sont en grande
majorité Liés aux sulfures et forment avec Les incLu-
sian de sufLures, des inclusions assoc ies, Le sulfure
se pLarant ~ L'intW~ieur des inclusions d''oxyde. Ces
'10 sulfures sont des sulfures de manganése contenant
toutefois également du chrome.
Les oxydes siLicoaluminates de chaux dans
leur composition chimique sont préférentiellement de
L'anorthite ou de La pseudowoLLastonite, Cdont la
'15 composition chimique est représentée sur Le diagramme
ternaire de La figure ~i:~, La mc:~jorité desdits oxydes
étant de L'ano~~thite. Ces oxydes peuvent de plus
contenir un peu de hlnc_~.
Les oxydes siLicaaLuminates de chaux formës
'?0 autour des sulfures sont des oxydes malléables, ~ bas
point de fusion qui peuvent se déformer facilement
lors du Laminage. Pendant L'usinage de L'acier, du
Fait des températures de coupe élevées, ces inclusions
jouent un rBLe Lubrifiant ,~ L''interface-acier ~ usi
'?5 nec~--out i L de coupe, conduisant a i nsi ~, une usure
réduite des outils de coupe et ~ un meilleur aspect de
surface des pi2ces usinées.
Les recherches réalisées ont permis de con--
Buire à La définition d''une composition d''acier de
30 haute usinabilité ~ partir d'une base dont La camposi-°
tian a été donnée ci-dessus et ayant essentiellement .
une teneur en souf re de 0,'15 ~ 0, 35% .
-- une teneur en calcium supérieure ou égale
30 ppm sur produit fini,
7
- une teneur en oxygéne supérieure ou égale
70 ppm sur produit fini,
-- un rapport des teneurs en élément Ca/G
compris entre 0,3 et 0,5.
IL en découle .
La présence d'inclusions oxydes de siLico-
aluminates de chau>< préférentiellement d''anorthite
'10 ~:majoritairei ou de pseudowolLastonite Cminoritaire7
enrobant généralement des sulfures de mangan2se et
chrome.
La figure '~ est une image en coupe d'un
'15 acier selon l'invention contenant une inclusion 2 as-
saciée de forme Lenticulaire composée de siLicoaLumi-
nate de chaux 3 enrobant des inclusions de sulfure 4
de mangancse et chrome.
Cie man i 2re nette, i L n''y a pas foy~mat i on de
~0 sulfure de calcium, sulfure reconnu comme nocif, pour
L'usinabilité des aciers et La 7~ésistance ~ La
corrosion.
Les essais suivants illustrent de façon
comparative les qualités d'usinabilité de L'acier
'~5 selon l''invention.
Ges essais de tournage avec outil en carbure
ode référence PRO IS«:~ ont été f~éaLisés. Pour une
profondeur de passe de ~1,5 mm, une avance de O,iS
mm/tour, plusieurs vitesses de coupe sont fixées. Pour
30 chaque vitesse de coupe, L'outit est démonté toutes
les 4 mn pour mesure de L'usure en dépouille. Ainsi,
pour plusieurs vitesses V'1, Vi, V3..., une courbe
donnant L'usure en dépouille de L'outil en fonction du
temps de L'usinage est tracée. La vitesse de coupe,
~. 201v~~~
8
conduisant ~ une usure en dépouille de 0,3 mm en 30
mn, peut ainsi Vitre déterminée pour ct-,aque ~Laba°-
r~ation, et ~t~~e prise en réf2rence sous Le crit~re
V230/0,3.
Le tableau ~1 ci-dessous donne quelques
rC~suLtats obtenus sur des aciers dont La composition
de base est . C . 0,05%, Si . 0,5%, t~tn . ~1,8%, Ni
8,6%, Cr . ~17%, h1o . 0,'%, S . 0,3%, mais dont Les
teneurs en calcium et oxyg2ne varient. 6e plus, pour
'10 chaque 2Laboratian, La surface moyenne et Le facteur
de forme moyen c:Longueur/largeur:~ des inclusions de
sulfure et des inclusions assoc ies oxyde/suLfure sont
donnés.
'15 TAGLEAU I
I I I I (SURFACE (FACTEURDEISURFACEIFACTEUR
I
ACIERI I ICaIO ~'U 3II~CLUSIO~S) (SULFURE(
CA 0 I 3U/0, FORHE DE I
N I I ( Vl/fil)1.1SSUCIFyESI INCLUSIlI,ISI I PORPIE
( (ppm) ~ I
ppm) I
I
I I I I I (~)' IASSUCIEES ISULFUI2ES1
I I I i I I(mm)- I i
I I
I I I i I I I I I
v0 I I I I o,051'--t5 I ~,.~ I I,s I 39,3 I 3,t
5 94 I
I I I I I I I I I
I I I o.07~;0 I ~,1 I =, I .;t I 3,'-'
5 70 1 I 1 .1 I
I I I I I I I I
3 I I I ~,3~I~UU i ':..~,~)I 4,s I 31,4 I 3.1
45 I1~ i I I
I I I I
4 I I I o,4li~z9S I I I I ',g
43 105 I I I 41,9 I S I zt,7 I
I I I I I I I
'~5 S I I I a,a~l~~3 I 39,~ I 5,.1 I 31 I 3. t
4o 9~ I I I I ,4 I
I I I I I
I I I o,.t~I30o I 39,2 I 4,S I =7,4 I 3.4
47 lo~ I I I I I I
I I I I
7 I I I o,431303 I 45,5 I 5,u I 35.3 I 3. I
35 73 f I I I I I I
I I
30 L_es aciers N" ~1 et N" ~ constituent des
r~2f2rences et ne contiennent pas de siLicoatuminate de
chaux.
Les inclusions associées sont tris peu
nombreuses, tr2s petites et peu déformpes.
24I910~
9
Les aciers N'' 3 ~ 7 correspondent ~ une
composition selon l'invention. Les valeurs de
VL,3DID,3, sont plus élevées d'environ ?D%. La surface
moyenne et Le facteur de forme moyen des inclusions de
sulfure des aciers N'' ~1 et N'' ~ d' une pas~t et des
aciers N" 3 à N'' 7 ne différent pas significativement.
Par contre, les inclusions assoc ies des
aciers selon L' invention thl' 3 ~ 7:~ ont une surface
beaucoup plus gi~ande et sont beaucoup plus déformées
'10 donc beaucoup plus défo~~mabLes.
Ainsi, ces inclusion assoc ies de siLico-
aLuminates de chaux enrobant Les inclusions de sulfure
de mangan~se et de chrome sont ~ L'origine de L'élé
vation impo~~tante de La valeur du crit~re
~15 d'usinabiLit~ VB 3D/D,3.
Cie m~?me, des esses is cle tournage avec out i L
en carbure r~ev~tu TiN ont ~tt r2aLisés. Ges outils
sont de plus en plus utilisés par les usineurs. Pour
une avance de O,'~5 mm/tour, une passe de '1,5 mm et une
~~O vitesse de 34D m/mn, iL a ~t~ mesu ré L'usure en
d~pouiLLe de L'outil en fonction du temps. Le tableau
II ci-dessous donne quelques valeurs obtenues sur Les
aciers N'' ~1, 4, 5 et b du tableau pr~c~dent.
TABLEAU II
I ~a ~ 0 I Temps pour Usureau
SCIER I (ppm) I (ppm) Ca;u I bout
I
usure 0,1s ~e rnn
I I mrnl ,,u ,ic
I I (mrl) I coupeImrnl
i
I
I I I I I
I s I oa o,us i s I ~~ _;
I
30 I I I .
I
I a~ I lus u,~l I I ~' , Ic'
i I " I
I I
I
s I au I qb u,az I u .lh
I I p '~.t I
I I
I I
I a~ I 1u'~ ~,.~o I va I u , m
I I I I I
I
~v~~~~~
'10
Gons ces essais, Les crit~res retenues pour
comparer les aciers sont d'une part Le temps
conduisant ~ une usure en d~pouiLLe de 0,'15 mm dans
les conditions de coupe données ci--dessus et d"autre
pay~t la mesu~~e de L' usure en dépoui lLe apr~s 30 mn de
coupe.
Ainsi, par 7~apport ~ l''acier de r~f2rence N''
'i ne correspondant pas ~ une composition selon L'iw-
vention, les essais réalises sur Les aciers N'' 4, 5 et
'10 b montrent que Le temps de coupe avant usure de O,-15
mm est multiplie d'un facteur 4 et que L'usure,
mesure sur l ' out i l apr2s 30 mn de coupe, est rédui te
de b0% environ.
Cette am2lioration est Liée aux inclusions
'15 associ2es décrites, et introduites dans l'acier selon
l''invention.
La figure 3 pr~sentc un diagramme donnant
Les variations du critpre d'u~sinabiLit~ VB30/0,3 en
fonction de La concentration en oxyg~ne dans une strie
de mesures correspondant d'une part ~ l'élaboration
des acie7~s selon L'invention et, d'autre part,
l''2Laboration de l''acier sans calcium.
La Figure 4 représente un diagramme donnant
Les variations du cy~it~y~e d''usinabiLit~ VB30/0,3 en
:-'S fonction de la concentration en soufre dans une strie
de mesu~~es coi~respondant d ' une pai~t ~ l'' ~Laborat i on
selon l'invention et, d'autre part, ~ L'~Labov~ation de
l''acier sans calcium.
Les figures 3 et 4 montrent tout d'abord que
30 l'évolution de nuances d'aciers inoxydables austéni~
tiques resuLfurés vers des teneurs en oxyg~ne 2Lev~es
ou des teneurs en soufre 2Lev~es ne permet pas
d'améliorer~ l'usinabilit2 de fanon significative
~:crit~re VE'. 30/0,3: . Par contre, Les aciers selon
201~1~.~
~i ~i
L'invention constituent une population 3 part, sur Les
diagrammes des figures 3 et 4, avec des critéres
d'usinabilité élevés.
A titre de comparaison, iL a été réalisé Les
mémes essais d'usinabilité en utilisant Le critére
d'usinabilité VE'. 30/0,3 sur des aciers austénitiques
dont La composition de base est La suivante .
G . O,Ob%, Si . 0,45%, ~'1n . O,b%, Ni . $,b%, Cr . '1$%,
f1o . O, ~%, S . O, D'~%.
Ces acier~s ne contiennent pas au trés peu de
soufre comparativement ~ L'acier selon L'invention.
Les essais ont porté sur La variation du
calcium et de L'oxygéne, en utilisant Le mime mode
opératoire d'introduction du siLicoaLuminate de chaux
que dans l'élaboration des acier~~ selon L'invention.
Le tableau III ci-dessous donne Les valeurs
de VB 30/0,3 de plusieurs aciers en fonction de La
'~D teneur en calcium et o><ygéne et de la valeur du
rapport des concent~~ations en élément.
TABLEAU III
I I I
y5 ACIER I Ca I 0 I Calo I VB 3010,3
I ~PPm) I ~ppm)
I I I
I I
I I I I
s I 2 I s7 I o,oa
I
9 I ~ i t23 I a,o5 I tho
30 I I I I
lU I 3z I 7~) I ~,~t I '~UU
I I
I I
11 I a3 i ils I 0,36 I zoo
I
I I I
12 I 26 I 47 I o,55 I iss
I I I I
13 I 17 I 117 I 0,15 I 172
I I
14 I 32 I 129 I x,25 I 180
-12
Les aciers N'' 8 et N'' 9 ne comportent pas ou
tris peu de calcium et sont les aciers de références.
pour ces mesures. Les inclusions d'oxydes sont du type
silicate poLyphas2 et chromite.
L'évolution vers des teneurs en oxygtne
pLevpes seules n''entf~aine pas d'amélioration de
L'usinabilité (comparaison des valeurs de VB 30/D,3
ente~e Les acier~s N'' 8 et ~:~.
Les aciers n'' 'iD et N'' -1~1 ayant
'1 O
-- une teneur en calcium supérieure ~ 30 ppm sur
produit fini,
- une teneur en oxyg2ne supérieure ~ 70 ppm sur
produit fini,
'15 - un rapport des teneurs en éL~ment Ga/G compris entre
0,30 et 0,50 ont seulement des inclusions d'oxydes de
type anorthite. CW remarque, ~ L'usinage, une augmen-
tation des valeurs du crit2re d'usinabilité V2. 30/0,3
comme représentée en exemple sur La figure 5.
~O L'acier N" ~i~: a des teneurs en calcium et
oxyg~ne faibles et un ~~apport Ga/L'~ tris Levé. L' u--
sinabiLité reste médiocre. Les inclusions analysées
chimiquement sont de type gehlenite (Figure -i).
L'acier N'' '13 a une teneur en oxyg~ne
correspondant ~ celle de La composition de L'acier
selon l'invention sans soufre mais une teneur en
calcium et un 7~apport Ga/C~ plus faible. L'usinabilitc
n'est pas am2Lior~e significativement.
L'acier N" ~14 a des teneurs coi~respondant
30 celles de La composition de l'acier selon l'invention
sans soufre, mais un rapport Ga/4 en dessous de 0,3D.
L'améLio7~ation de L'usinabilité est sensible mais
reste tris en--dessous de celle des aciers N-' ~iD et Nw
'i 'i .
~ 4 ~: ~ 14'~
'13
La comparaison des valeurs VB 30/0,3 des
tableaux I et III montre L'importance de L'effet des
inclusions d'anorthite seules et de l''effet des
inclusions contenues dans L''acier n~esuL.Fu~~é selon
L''invention.
La prtsente invention a pour objet un acier
inoxydable aust~nitiquc resuLfu~~t~ dont L'usinabiLit~
est améL i orge gr~,ce ~ La créat i on d' i ncLusi ons asso-
cipes oxydes de type siLico-aluminate de chaux/suLfure
'10 c:hln, Cr:~S.
Les caract2ristiques permettant d'obtenir
une uniÇabiLit~ ampLior~e sont .
- une teneur en soufre comprise entre 0,10
et 0,40% et de prpfW ~ence entre 0,'15 et 0,35'/.
'i5 .- une teneur en calcium sup2y~ieure ou égale
30 ppm,
.- une teneur en oxyg~ne supérieure ou égale
~0 PPmy
un rapport de La teneur en calcium et en
~O oxyg~ne Ga/~~ comp~~is entre 0,' et 0,6 et
p~~~.F2~~entieLLement entre 0,3 et 0,5.
Ces r~suLtats entraRnent La présence
d''incLusions associées et d2formées d''oxydes enrobant
des inclusions de sulfure. L_es oxydes sont des siLico-
~'S aluminates de chaux, p~~~f~rentieLlement de type
anorthite et pseudowoLLastonite dont Les compositions
chimiques sont d~te~~minèes dans Le diagramme ternaire
Caf ~-S i 0'~-
AL'.~03 de La f i gui~e '1 . Ces i ncLus i ons assoc i ées ont une
30 surface et un facteur de forme (Longueur/Largeur> im
portants. La dé.FormabiLit~ Levée des inclusions et
Leur effet Lubrifiant ~ L''interface outil de coupe/
copeau permettent une amélioration de L''usinabiLité.
