Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
z~
La présente invention concerne un procédé de
fabrication de blocs ou pièces massives en acier présen-
tant en tout point des caractéristiques mécaniques de
traction elevées, une bonne ténacité et une bonne soudabi-
lité.
L'invention concerne également la définition
d'une famille d'aciers permettant la mise en oeuvre du
procédé et les blocs ou pièces obtenues par le procédé.
L'homme de métier sait que, au ~oins pour les
aciers hypoeutecto~des faiblement ou moyennement alliés,
les meilleures caractéristiques mécaniques sont obtenues
par un traitement thermique de trempe suivie d'un revenu
qui confère au bloc ou à la pièce une structure martensi-
tique. C'est ainsi que sont obtenus tous les blocs ou
pièces à hauta caractéristique mécanique et bonne ténaci-
té.
Cependant, ce procédé présente des limites. En
effet, pour un acier d~terminé, l'homme de metier consi-
dère que la vitesse de refroidissement en tout point du
bloc ou de la pièce au cours de la trempe doit être
supérieure à une vitesse Vl dite vitesse critique martensi-
tique. Or, plus un bloc ou une pièce est massif, plus la
vitesse de refroidissement à coeur est faible, et ceci du
simple fait des lois du transfert de chaleur.
Lorsqu'il doit réaliser des blocs ou pièces très
massifs, l'homme de métier est ainsi amené à augmenter la
trempabilité de l'acier, c'est-à-dire à diminuer la
vitesse critique martensitique et pour cela à augmenter de
fa~on significative les teneurs en carbone et en ~léments
d'alliage. Mais, ce faisant, il détériore d'autant plus la
soudabilité qu'il augmente les teneurs en éléments d'addi-
tion.
L'homme de métier peut certes améliorer la
soudabilité en gardant de bonnes caractéristiques de
traction en agissant sur les conditions de r alisation du
traitement de revenu. Mais alors il se trouve dans l'im-
possibilite d'obtenir de bonnes propriétes de ténacité en
particulier à hasse température.
Toutes ces contradictions induisent des limita-
tions bien connues et nombreuses. A titre d'exemple, l'undes meilleurs aciers connus, destiné à faire des pièces
épaisses et ayant une limite d'élasticité Reo 2 supérieure
ou égale à 900 MPa n'a des propriétés garanties en limite
d'élasticité que pour des épaisseurs inférieures ou égales
à 4" soit 101,6 mm, sa résilience n'est garantie que pour
des températures supérieures ou égales à - 18C et il est
difficilement soudable.
Un autre exemple est celui des aciers cryogéni-
ques, par exemple l'acier à 9 % de nickel. Un tel acier
permet d'obtenir de bonnes résiliences jusqu'a - 196~,
mais sa limite d'élasticité est limitée à environ 600 MPa
et sur des épaisseurs inférieures ou é~ales à 50 mm ; par
contre il est bien soudable.
Le but de la présente invention est donc de
proposer un procédé de fabrication de pièces massives en
acier et de d~termination d'une famille d'aciers qui, en
sortant des limites de la technique actuelle, permette de
réaliser des blocs ou des pièces ayant un compromis limite
d'élasticité, ténacité à basse température, soudabilité
nettement amélioré par rapport à ce que l'on sait faire
aujourd'hui et cela pour des blocs ou des pièces très
massifs.
L'objet de la présente invention est un procédé
de fabrication d'un bloc ou d'une pièce massive en acier
ayant en tout point des caractéristiques mécaniques de
traction élevées et une bonne ténacité et qui soit souda-
ble.
Selon l'invention :
- :
:, - , .
- on definit un traitement de trempe pour atteind~e les
caractéristiques mécaniques voulues dans une partie au
moins du bloc ou de la pièce massive,
- on détermine les vitesses de refroidissement V~p et VRC du
bloc ou de la pièce massive dans sa partie externe ou peau
et dans sa partie centrale ou coeur, pendant la trempe, en
fonction de la géométrie du bloc ou de la pièce.
- on réalise le bloc ou la pièce massive en un acier dont
la composition chimique pondérale a été ajustée de manière
10 que :
. l'écart entre le point Bs et le point Ms soit
inférieur à 100C, Bs étant la température de
début de transformation bainitique de l'acier et
Ms~ la température de début de transformation
martensitique,
. la vitesse critique V3 de début de transforma-
tion en ferrite et perlite de l'acier soit infé-
rieure à la vitesse de refroidissement à coeur
VRC du bloc ou de la pièce massive,
. la vitesse critique V1 de transformation mar-
tensitique soit inférieure à la vitesse de re-
froidissement en peau VRP du ~loc ou de la pièce
massive,
. le carbone équivalent de l'acier soit le plus
faible possible,
- on effectue la trempe prédéterminée sur le bloc ou la
piece massive, de manière à obtenir une structure marten-
sitique à coeur, sous l'effet de déformations induites
dans la pi~ce, par la trempe,
- et on complète cette trempe par un revenu approprié.
L'invention est également relative à une pièce
massive ou bloc en acier ayant une structure entièrement
martensitique après trempe et revenu, bien que la trempe
soit réalisée dans des conditions de mise en oeuvre telles
que la vitesse de refroidissement à coeur de la pièce soit
A r~
inférieure à la vitesse critique de transformation marten-
sitique de l'acier.
De pr~férence, la trempe est une trempe à l'eau.
L'acier permettant de mettre en oeuvre l'invention a une
composition chimique déterminée en résolvant le problème
de programmation mathématique dans lequel on cherche à
minimiser le carbone équivalent :
Ceq = C + Mn + Gr + Mo + V + Cu + Ni
6 5 15
tout en satisfaisant au moins aux trois contraintes
suivantes :
Bg - Ms = 245 ~ 204 C + 155 Si - 57 MN - 20 Ni - 53 Cr
- 62 Mo S ~9 (1)
avec ~ < lOO~C
15 log Vl = 9,81 - 4,62 Ceq - 0,265 Mn - 0,23 Ni + 0,425 Cr
+ 0,265 Mo + 0,925 V 5 log VRP (m) t2)
log V3 = 6,36 - 0,43 Ceq - 0,42 Mn - 0,78 Ni - 0,19 Cr
- 0,3 Mo - 2 ~Mo < log VRC (m~. (3)
m représentant la massivité du bloc ou de la pièce.
A ces contraintes, on peut ajouter soit séparé-
ment soit simultanément deux contraintes supplémentai-
res :
- l'une relative à la dureté :
H~m = 232 + 293 C + 11 Si - 9,5 Mn - 4,8 Ni + 3,8 Cr
+ 80 Mo + 532 V 2 Hvo
- l'autre relative à la température de transition ductile
fragile :
Tc = 162 + 530 c2 - 540 Si - 161 Mn - 48 Ni - 138 ~Mo
+ 10 Hv~ (0,141 Mo + 0,053 Ni + 0,243 Mn + 0,710 Si
- 0,408 C - 0,278) 5 To (5~
Hvo et To sont des valeurs qu~ l'homme de métier
choisit pour définir les caractéristiques mécaniques qu'il
recherche sur la pièce~
Ce problème de programmation mathématique est
complété par des contraintes définissant le domaine de
validité des formules, à savoir :
C c 0,2 %
Si s 0,5 %
Mn s 1 %
4 ~ < Ni S ~ ~
Cr ~ 1 %
Mo ~ 1 %
V < 0,15 %
Cu ~ 0,3 %-
Ces limitations des teneurs en éléments d'al-
liage de l'acier constituent des conditions préférentiel-
les mais il est possible d'envisager l'utilisation d'in-
tervalles de compositions plus larges.
Un tel acier mis en oeuvre par le procédé objet
de l'invention permet d'obtenir une structur~ martensiti-
que à coeur sur des blocs ou pièces dont la massivité m
est telle que la vitesse de refroidissement à coeur VRC (m)
lors de la trempe est inférieure à la vitesse critique
martensitique V1.
Pour améliorer la ténacité d'un tel acier, on
peut, de préférence, ajouter au moins 0,3 % de Mo, au
moins Q,07 % de V, au moins 0,015 % d'Al, et limiter la
teneur en azote à au plus 0,015 %.
De préférence cet acier contient moins de
0,01 % de P et moins de 0,01 % de S.
L'invention, enfin, est relative à tout bloc ou
toute pièce fabriquée en appliquant le procédé selon
l'invention, en utilisant un acier défini dans le cadre de
la mise en oeuvre de ce procédé.
La figure 1 est un schéma représentant la
répartition des vitesses de refroidissement ~ l'int~rieur
de deux plaques refroidies par une trempe.
La figure 2 est un exemple de diagramme TRC
(Transformation en Refroidissement Continu) d'un acier.
La figure 3 represente la variation de dureté
d'un acier en fonction de la vitesse de refroidissement au
cours d'une trempe.
La figure 4 représente la variation de dureté à
l'intérieur de plaques trempees.
La figure 5 est un schéma explicatif du principe
de l'invention.
La description qui va suivre, sans être limita-
tive, va faire mieux comprendre l'invention.
Tout d'abord, il faut définir ce que l'on entend
par massivité et les conséquences de cette massivité sur
le comportement d'un bloc de métal au couxs d'un traite-
ment de trempe.
La massivi~é d'un bloc est une dimension quicaractérise les transferts de chaleur à l'intérieur de ce
bloc. Pour une plaque par e~emple, cette dimension est
l'epaisseur ; pour un cylindre, c'est ]e diamètre ; pour
un bloc de forme quelconque c'est une dimension que
l'homme de métier sait déterminr au vu du dessin du bloc.
Lorsqu'un bloc préalablement chauffé à haute
température est trempé, par exemple à l'eau, d'une part la
vitesse de refroidissement moyenne du bloc est d'autant
plus faible que le bloc est massif, et d'autre part
l'écart de vitesse de refroidissement entre le coeur et la
surface est d'autant plus grand que la massivité est
grande. C'est ce qu'indique la figure 1. En conséquence,
pour des conditions de trempe déterminées, plus le bloc
sera massif, plus la vitesse de refroidissement à coeur
sera faible.
Pour étudier l'effet d'une trempe sur un bloc
d'acier de massivité déterminée, l'homme de métier utilise
un diagramme de Transformation en Refroidissement Continu
ou diagramme TRC tel que représenté à la figure ~.
x~
Un point du bloc d'acier a1 dont la vitesse de
refroidissement VR est supérieure à V1 (domaine 1) aura en
fin de trempe une structure martensitique ; si cette
vitesse est comprise entre V1 et V3, la structure sera
principalement bainitique ; si la vitesse est inférieure
à V3 la structure sera de la ferrite-perlite.
A ce diagramme TRC, on peut faire correspondre
un diagramme représent~ à la figure 3 et représentant une
caractéristique mécanique telle que la dureté en fonction
de la structure : c'est pour la martensite que cette
caractéristique est la plus élevée, elle décroît lorsque
l'on entre dans le domaine bainitique et arrive à un
plateau inférieur pour le domaine ferrite-perlite.
Sur les figures 2 et 3, on a représenté les
diayrammes correspondant à deux aciers : a, ayant une
vitesse critique de trempe V~ et a2, plus trempant que a1,
ayant une vitesse critique de trempe V1* < V1.
En examinant simultanément les figures 1, 2 et
3, on peut voir qu'avec l'acier a1, la plaque d'épaisseur
2e1 sera entièrement martensitique, alors que la plaque
d'épaisseur 2e2 ne le sera, sur chaque face, que sur une
profondeur P2 < e2. Avec l'acier a2 par contre, les deux
plaques seront entièrement martensitiques.
Ceci permet de tracer les courbes de répartition
de caractéristiques mécaniques à l'intérieur des deux
plaques représentées à la figure 4.
Ainsi, lorsqu'il cherche des caractéristiques
mécaniques élevées sur des pièces massives, l'homme de
métier est conduit à utiliser des aciers d'autant plus
trempants que la pièce est massive. Mais ce faisant, il se
heurte aux difficultés décrites dans l'introduction.
Or, le déposant a constaté, de facon surprenan-
te, qu'un acier dont la composition chimique est la
suivante :
C = 0,095 %
~`s`~
Si = 0,2 %
Mn = 0,25 %
Ni = 8 %
Cr = 0,2 ~
Mo = 0,3 %
permet d'obtenir une structure entièrement martensitique
même à coeur sur des blocs ou des plaques de 400 mm
d'épaisseur trempés à l'eau alors que sa vitesse critique
de trempe Vl est d'environ 32000C/h, ce qui correspond à
une profondeur de trempe (ou massivité) de 60 mm. Selon
les principes connus de l'homme de métier pour obtenir une
structure martensitique à coeur d'un bloc de 400 mm d'é-
paisseur trempé à l'eau, il aurait fallu que la vitesse
critique de trempe ait été inf~rieure à 700C/h.
Le document STAH~ UND EISEN, vol 96 n 23 du 18
novembre 1976, pages 1168 à 1176, indique que des
contraintes hydrostatigues importantes modifient le dia-
gramme TRC en retardant les transformations non marten-
sitiques, mais l'effet qui est décrit ne suffit pas à
expliquer le phénomène observé.
En effet, le décalage de vitesse critique de
trempe provoqué par les contraintes hydrostatiques n'est
pas suffisant. De plus, dans une plaque de forte épais-
seur, le système de contraintes engendré par le refroidis-
sement et la transformation martensitique n'est pashydrostatique mais comporte une forte composante de
cisaillement particulièrement dans la zone en cours de
transformation.
On sait que des contraintes de cisaillement
favorisent la transformation martensitique et élèvent le
point M~, température de début de transformation martensi-
tique. Cette élévation peut atteindre 80C ou 100C. On
sait également qu'un début de transformation martensitique
inhibe la transformation bainitique.
.
~r ~
Le diagramme TRC de l'acier pris en exemple
présente une particularité : le point M~ est d'environ 380
et le domaine bainitique du diagramme TRC comporte un
plateau pour le point Bs de début de transformation
bainitique situé à environ 450C. Il n'y a que 70C entre
le point Ms et le point Bs~
Le déposant a fait l'hypoth~se que les contrain-
tes de cisaillement engendrées dans la plaque par le
refroidissement et par la transformation martensitique
10élevaient de 80 à 100C le point Ms si bien que tout le
long du plateau bainitique la transformation martensitique
débute avant la transformation bainitique et inhibe cette
transformation. Ainsi il est possible d'obtenir une
structure martensitique même pour des vitesses de refroi-
dissement beaucoup plus faibles que la vitesse critique de
trempe Vl et pratiquement jusqu'à des vitesse de refroidis-
sement voisines de la vitesse critique V3 de transformation
en ferrite-perlite.
Ce phénomène a l'avantage de permettre d'obtenir
de hautes caracteristiques mécaniques sur des bl~cs
massifs avec des aciers ayant une très bonne soudabilité.
Pour apprécier la soudabilité d'un acier,
l'homme de métier utilise généralement le critère de
carbone équivalent :
25Mn Cr ~ Mo + V Cu + Ni
Ceq = C ~ --+ ~ +
~ 5 15
Plus le carbone équivalent est faible, meilleur
est la soudabilité, mais plus le carbone équivalent est
faible plus la trempabilité est faible, c'est-à-dire plus
la vitesse critique de trempe V1 est grande.
L'acier pris en exemple a un carbone équivalent
Ceq = 0,77 et une vitesse critique de trempe Vl de
32000C/h. Il a permls d'obtenir sur une plaque de 400 mm
d'~paisseur une structure entièrement martensitique
jusqu'à coeur ayant, après un revenu réalisé entre 450C
- -.: : '
X~ 3
et AC1~ une limite d'élasticité d'environ 900 MPa et une
résilience à 60C de 45 Joules.
Si l'acier avait été utilisé selon les principes
connus de l'homme de métier, il aurait fallu qu'il ait une
vitesse critique de trempe inférieure à 700C/h soit un
carbone équivalent supérieur ou égal à 0,94, c'est-à-dire
22 ~ plus élevé que celui de l'acier réellement utilisé et
donc correspondant à une soudabilité considérablement
détériorée par rapport à celle réellement constatée.
L'invention consiste à utiliser le phénomène qui
vient d'etre décrit. On notera que, dans tout ce qui suit,
les diagrammes TRC, les vitesses critiques de trempe, les
températures de début de transformation sont les diagram-
mes et les grandeurs mesurées dans les conditions habi-
tuelles~ c'est-à-dire en l'absence de contraintes.
L'invention est donc un procédé qui consiste :
- à tremper, par exemple à l'eau, un bloc ou une
pièce massifs constitués d'un acier dont :
. l'écart entre le point Bs et le point Ms est
inférieur à une certaine valeur, inférieure à
100 ~ C ,
- . la vitesse critique martensitique Vl est infé-
rieure à une vitesse de refroidissement criti-
que du bloc ou de la pièce, par exemple la
vitesse de refroidissement en peau VRP imposée
par la trempe.
. la vitesse critique de début de transformation
ferrite-perlite V3 est inférieure à la vitesse
de refroidissement à coeur VRC du bloc ou de
la pièce.
- la composition chimique étant ajustéP pour
minimiser le carbone équivalent compte tenu des contrain-
tes précédentes,
- à effectuer, après trempe, un traitement
thermique de revenu, à une température comprise entre
. -
., : ..
~`s~
45noc et AC1 de façon ~ ajuster les caractéristiquesmecaniques de traction et de tenacite.
Les conditions de la trempe sont determinees en
fonction du type d'acier utilisé, des caractéristiques
mécaniques visées, des possibilités techniques de trempe
et de la géométrie de la pièce.
L'ajustement des caractéristiques mécaniques de
traction et de resilience se fait à l'aide d'un traitement
thermique de revenu dont les conditions sont determinees
au cas par cas en appliquant les règles de l'art.
Si on appelle ~ la massivite d'un bloc ou d'une
pièce, V~c la vitesse de refroidissement a coeur et V~p la
vitesse de refroidissement en peau de ce bloc ou de cette
pièce, pour des conditions de trempe donnees, l'homme de
metier sait déterminer V~c (m) et VRP (m), et par la suite,
on considèrera cette grandeur comme connue.
Pour mettre en oeuvre le procédé objet de
l'invention, il faut utiliser une famille d'aciers définie
dans le cadre de l'invention. Cette famille va maintenant
etre décrite.
Tout d'abord, on exprimera la soudabilité par le
critère de carbone équivalent :
Mn Cr + Mo + V Cu + Ni
Ceq = C + --+ ~
6 5 15
A l'aide de la composition pondérale de l'acier,
on peut calculer :
- la vitesse critique de trempe ~artensitique V
log V1 = 9,81 - 4,62 C~q - 0,265 Mn - 0,23 Ni
+ 0,425 Cr + 0,265 Mo ~ 0,925 V
la vitesse critique de transformation en
ferrite-perlite V3
log V3 = 6,36 - 0,43 Ceq - 0,42 Mn - 0,78 N~
- 0,19 Cr - ~,3 Mo - 2 ~Mo
Ces vitesses critiques sont exprimées en C~heu-
re.
., . ' .
'
x~
12
- la valeur du point Ms~ début de transformation
martensitique en l'absence de contraintes :
Ms = 565 - 474 C - 155 Si - 33 Mn - 17 Ni - 17 Cr
- 21 Mo
- la valeur du point B9 correspondant au plateau
de température de début de transformation bainitique :
B8 = ~10 - 270 C - 90 Mn - 37 Ni - 70 Cr - 83 Mo
Des deux formules précédentes on déduit que :
B8 ~ Ms = 245 + 204 C + 155 Si - 57 Mn - 20 Ni
- 53 Cr - 62 Mo.
Les caractéristiques de l'acier peuvent être
également ~valuées à l'aide de formules permettant de
calculer :
~ la dureté de la martensite à l'état trempé
revenu (pour un revenu standard à 600C pendant 1 h) :
Hv~ = 232 + 293 C + 11 Si - 9,5 Mn - 4,8 Ni
+ 3,8 Cr + 80 Mo + 532 V
- la température de transition ductile/fragile
lors d'un essai de résilience (après un revenu identique
à celui défini ci-dessus~ :
Tc = 162 + 530 CZ - 540 Si - 161 Mn - 48 Ni -
- 138 ~Mo + 10 x HVm (0,141 Mo + 0,053 Ni
+ 0,243 Mn + 0,710 Si - 0,408 C - 0,278)
Ces formules sont toutes valables dans le
domaine de composition chimique suivant :
C S 0,2 %
Si s 0,5 %
Mn s 1
4 % 5 Ni S 8
Cr s 1 ~
Mo s 1 %
V s 0/15 %
Cu ~ 0,3 %.
L'acier appartenant à la famille concernée par
l'invention devra donc satisfaire, pour un bloc ou une
pièce de massivité m au système d'équation suivant :
~s - Ms s ~
log V1 < log VRP ( m) (2)
log V3 < log VRC ( m)
et Ceq minimal.
Il s'agit d'un problème classique de programma-
tion mathématique.
De préférence on prendra A~ = 100C.
Ce système d'équation peut être complété pour
tenir compte :
- soit de la dureté visée Hv et on ajoutera une
contrainte supplémentaire :
HVm 2 Hv visée-
- soit de la température de transition souhaitée
pour la résilience To et on ajoutera une contrainte :
TC S TO~
- soit des deux contraintes précédentes.
De pr~ference, le problème de programmation
mathématique que l'on résoud comprendra cinq contrain-
tes :
B3 - M9 S A~ (1)
log V1 < log VRP ( m) (2)
lo~ V3 < log VRC ( m)
Hv~ 2 Hv visée (4)
Tc s To (5)
et l'on minimisera le carbone équivalent, Ceq minimal.
Cette résolution se faisant dans le domaine de
validité des formules tel qu'il est défini plus haut.
De plus, la ténacité peut être affectée par une
coségrégation aux joints des grains de phosphore accompa-
gne de manganèse, chrome, nickel. Mais le phosphore peut
etre piégé à l'intéri~ur des grains par du molybdène pour
-:.
. . , . ~
autant que celui-ci ne réagisse pas avec le carbone, ces
réaction ayant lieu au cours du revenu.
Afin d'améliorer la ténacité de l'acier, on
a;oute simultanément :
- au moins 0,3 % de Mo pour piéger le phosphore,
- au moins 0,070 % de V pour piéger le carbone
par formation de précipités de carbures de vanadium.
- au moins 0,015 ~ d'Al
- au plus 0,015 % d'azote,
de facon, d'une part à former des nitrures d'aluminium
pour contrôler le grain au cours de l'austenitisation,
d'autre part à piéger suffisamment d'azote à l'aide de
l'aluminium pour favoriser la réaction du vanadium avec le
carbone de préférence à une réaction avec l'azote et de ce
fait laisser du molybdène libre pour piéger le phosphore.
Il est également souhaitable de limiter les
teneurs en P et S.
On aura de preférence :
P < 0,01 %
S < 0,01 %
afin d'améliorer la résilience.
On obtient ainsi, par exemple, un acier dont la
composition pondérale est :
C = O, 101 %
Si = 0,198 ~
Mn = 0,273 %
Ni = 5,943 %
Cr = 0,205
Mo = 0,471
V = 0,083
Cu = 0,107
P < O, 010 ~
S < O, 010 ~ . -
Un tel acier a une vitesse critique martensiti-
que Vl de : 71C/s qui correspond à la vitesse de refroi-
2~
dissement à coeur d'une plaque d'épaisseur 25 mm trempéeà l'eau.
Or cet acier permet d'obtenir une structure
martensitique à coeur de plaques d'épaisseur d'au moins
40 mm, ce qui, pour l'homme de métier, aurait exi~é une
vitesse critique de trempe V1 inférieure à 28C/s.
L'acier pris en exemple a un carbona équivalent
de Ceq = 0,702 %.
Si la vitesse critique V~ avait été inférieure à
28C/s le carbone équivalent aurait été de :
Ceq = 0,788 soit 12 % de plus
et la soudabilité aurait été détériorée d'autant.
Après une trempe et un revenu à 620 n C de l'acier
pris en exemple on obtient les caractéristiques mécaniques
suivantes :
ReO2 = 995 MP~, R~ = 1048 MP~,
Xcv = 81 Joules à - 85C.
Ce qui est un résultat excellent.
De plus, pour améliorer les performances de ces
aciers on peut :
- limiter les teneurs en As, Sb, Sn pour amélio-
rer la ténacité,
- ajouter du Ti, Zr, Nb, B, Co, W pour améliorer
les caractéristiques de traction ou augmenter la trempabi-
lité sans modifier le carbone équivalent (c'est notamment
le cas pour le B).
L'invention concerne également tous les blocs ou
pièces réalisées à l'aide du procédé objet de l'invention
en utilisant un acier conforme à l'invention.
Ces blocs ou pièces présentent après trempe et
revenu une structure entièrement martensiti~ue, bien que
la vitesse de refroidissement à coeur VRC de la pièce
pendant la trempe soit infériaure à la vitesse critique de
de transformation martensitique.
.
.
