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COMPOSITIO~S D'ACIERS A OUTILS
La présente inventlon concerne une fam$11e d'~clers
dits ~ 3-5% en polds de chrome ~ui sont utllisés pour la
fabrlcatlon d'out~llages réslst~nt ~ la chaleur et sous
fortes contraintes, tels ~ue les m~trlces d'estampage et
de forge~ge et les matrices de coulée sous p~ession ou
de coulée statl~ue d'alltages dlvers comme les alliages
d'nluminium ou de tltane.
De tels aclers conttennent en général de 3 ~ 5% en
polds de chrome, blen que des teneurs de 2 à 6% puissent
~tre observées. Plus préclsément, ils c~nent
essentiellement trols fam$11es de c~itions ~ul, blen
~ue dlff~rant légèrement les unes des autres, confèrent
des proprlétés physlques proches, de sorte ~ue ces
composltlo~s d'aclers sont mlses en oeu~re pour les
m~mes applicat$ons. Il s'aglt de co~itions
.en~nt, exprimes en polds, de l'ordre de
5% de Cr, 1,3% de ~o, 0,5 à 1,3% de V, ou d'autre
part,
3% de Cr, 3~ de Mo, 0,5% de V, ou enfln,
5% de Cr, 3% de ~o, 0,8% de Y.
Depuis plusleurs décennles, l'utlllsation de ces
aclers est généralisée dans les forges, pour la
réalisatlon de pièces forgees ou m trlcées sur ~e.~es
et sur pllons. et dans les fonderies d'alllages l~gers,
par exemple pour la réalisatlon des matrlces pour plèces
moulées en aclers ou alliages légers destln~es
l'auto bile, telles ~ue carters de botes de vltesses,
d'em~rayage ou de moteur.
FElJILLE DE REMPL~CEMENT
W094/09170 PCT/FR93/009 ~
214~6~ 2
Certains de ces aciers sont deslgn~s dans la
nomenclature des Etats-Unis d'Amerique AISI par les
dénominatlons H 11, H 12, H 13,-dans la nomenclature DIN
p~r les dénominations W-1.2343, W-1.2606 et W-1.2344. La
norme française ~FA 35590 définit également des
compositlons analogues.
Une teneur en sillcium, élément durcissant, ~oistne
de 1% en polds confère aux pièces mécaniques des
r~sistances élevées, de 1'ordre de 1800 MPa, ou plu5.
Cette résistance n'est pas recherchée dans les emplols
envlsagés de forge, sauf pour des pièces très plates, et
~amais dans les matr~ces sous pression d'aluminium, pour
lesquelles une dureté Rockwell C ~H~C) lnférieure ou
égale ~ 48 est suff~sante.
Il est connu, en particulier pour les aciers dits
3-5% de chrome, qu'un traitement thermique de recult
réussl impllque de fa~on lnéluctable un traitement
thermlque de quallté réussi. Ainsi, la finesse et
l'homogénéité de la microstructure du produit fini
traité pour emp~oi dérivent de celles observées apres
recutt. C'est pourquoi les professionnels utillsent
coura~m~nt une charte de microphotographies de
structures à l'état recuit, définissant les
mlcrostructures conformes et les mlcrostructures non
conformes.
Cet usage, géneralisé ~ l'heure actuelle, a
progressivement fige les conditlons d'élab~ration, de
transformatlon thermomecanique et de recuit. De plus, on
s'est aperçu ~ue l'affinage de la structure de recult
est condltlonné par l'homogénéisation de la structure
dans le domalne de 1'aust~nite, ce qui impose d'éviter
la présence de carbures primaires, et par la dlspersion
coherente des précipttés de carbures secondaires
~k9C~ ~M = Cr, Fe, Mo,...) au Cours des traitements
thermlques ultérieurs.
~:EUILLE DE REMPLACEME~T
WO94/09170 2 14 4 6 ~ 4 PCT/FR93/00979
La demanderesse a pu, d'autre p~rt, montrer que
cert~ines zones d'~pp~rences plus grossieres, p~rfois
aigulllées d'allure b~initique, tout p~rtlculièrement
~ur les produits de forte section, présentent des
teneurs plus ~lev~es en silicium.
P~rt~nt de ces considér~tlons fondamentAles, des
aclers ~ux structures de recult ho gènes convenables
ont été mis au polnt.
A cet effet l'lnventlon a pour ob~et deu~ types de
c~yo~ltlons d'~cler ~ outils.
Le premier type de c~rncltlon d'~cier ~ outils selon
l'invention c~ nd, exprlmes en polds
4,5 ~ 5,~% de Cr,
0,~5 ~ 5% de ~o,
au plus 1,3X, et de préférence 0,25 ~ 0,50% de V,
au plus 0,8%, et de préférence au plus 0,35% de Sl,
- 0,3 ~ 0,4'~ de C, et en outre, le c~s échéant,
au plus 0,8 de ~n, et/ou au plus 1,5% de W,
le complément ét~nt constltué de Fe, d'~dditifs et
lmpuretés h~bituels,
~i constltuant, ~ventuellem~nt, une impureté, à
r~lson de 0,5% au plus.
Le second type de c~itlon d'~cier à outils selon
1'lnvention c~,end, exprim~s en polds
2,5 ~ 5,5% de Cr,
2,5 ~ 3,5% de Mo,
au plus 1,3% de V,
au plus 0,35~ de Si,
0,3 ~ 0,4% de C, et en outre, le cas échéant,
au plus 5% de Co,
le complément ét~nt constltué de Fe, d'additifs et
d'lmpuretés habituels.
~e telles compositions procur,ent une homogénéls~tion
de la structure de recuit, d'aut~nt plus dlfflcile à
obtenir que la sectlon des pièces est plus importante,
en supprim~nt la formatlon des zones ferritiques plus
I~EUILLE DE REMPLACEMENT
W094/09170 PCT/FR93/009 -
21l~654 4
riches en silicium, ain~i ~ue lescarbures primaires dont
la mise en solution est tou~ours difficile.
En outre, ces deux dificatlons n'occasionnent pas
de révislon importante de la gamme de traitement
thermique dans les do~lnes d'utllisation~ cart que
l'on pourrait constater, sur les valeurs de résistance
et de limlte élastlque peut facilement être compensé par
un réglage de la temperature du deuxlème revenu, ~ui est
~ la port~e de tout spéciallste~
D'~utre part, l'abaissement de la teneur en silicium
n'a pas ou a peu d'influence sur la tenue ~ l'oxydation
de l'acier, ~usqu'~ ses températures maximales d'emploi,
c'est-à-dire dans le domaine de la forge ~600-650 C).
Par contre, l'ho généité de macrostructure ~structure
en bandes moins mar~u~e) et de microstructure sont des
garants de ~onne tenue en service, c'est-à-dire de
bonnes caractéristlques en ce qul concerne 1A ténacité,
la fatigue mécanique, la fatigue thermique.
Selon un mode de réallsation préféré, les
compositions selon l'invention comprennent 0,32 à 0,3~,
et de façon particulièrement préférée, 0,34 à 0,36'~ en
poids de C.
~n outre, les proportions en phosphore, antimoine,
étain et arsenlc, exprimées en % en poids, satlsfont
~vantageusement aux relations
- P ~ 0,008 %,
- Sb ~ 0,002 X,
- Sn ~ 0,003 %,
- As ~ 0,005 %~
- la v~leur exprlmée par la relation de Bruscato
B = ~10 P + 5 Sb + 4 Sn + As) x 10-Z
étant au plus égale ~ 0,10%.
Un second ob~et principal de la présente invention
~nslste en un procédé de préparatlon et de mlse en
forme d'acier présentant une composition conforme ~ la
descriptlon ~ui précede, procédé ~ui comporte une
I~EUILLE DE REMPLACEMENT
~ 094/09170 21 ~ 1 6 S 4 PCT/FR93/00979
refusion par électrode consommable sous vide ou par
électrode con~l ble sous laitier ou par ces deux
moyens combinés, la mise en forme étant de préférence
effectuée par transformation the~ canique telle que
forgeage ou lamlnage, ou par moulage. Le procédé selon
l'lnvention comporte en outre avantageusement
- un traitement thermique complet par mlse en
solution ~ des températures comprises entre 950 et
llOO C, de préférence entre 980 et lOlO-C, puis
- une trempe à l'air dans un fluide Jusqu'à la
température ambiante, ou une trempe étagée entre 250 et
450'C, de préférence entre 250 et 280'C, puls
- une sérle d'au molns deux revenus pour régler la
dureté vlsée.
La trempe est avantageusement effectuée entre 7i50 et
280'C, c'est-à-dlre en-dessous du polnt M8 CMartensite
start) dans un fluide, par exemple un bain de nitrate.
Deux revenus au molns sont reCom~n~s~ le premier au
pic de durcissement secondaire (550/560'C), le second
dans le domaine de survielllissement ou "overaging",
c'est-a-dire ~ une température supérleure ou égale à
570'C. C'est le réglage de la température du deuxlème
revenu qui confère la dureté au prodult traité.
Un troisième ob~et de l'invention est une pièce
d'acier de compos$tion précédemm~nt décrite, de
préférence fabriquée conformément ~ un procédé également
décrit précédem~nt.
De telles pièces sont notamment de~tinées, de façon
appropriée, ~ la fabrication d'outils ou de pièces
mécaniques travaillant ~ hautes températures et sous
fortes sollicitatlons, et, en particulier, matrices de
forge, d'estampage, de coulées sous pression ou par
gravité d'aciers et d'alllages divers légers tels
qu'alliages d'aluminium ou de type ~amak ou d'alliages
de titane.
FEUILLE DE REMPLACEMENT
PCTIFR93 / O oN~V/,593
Les exemples sui~ants illustrent la présente
i~vention.
~ Les prapriétés mécaniques de deux aciers 3 et 4 selon
l'invention, dont les compositions en ~ en poids sont
~ 5 consignées dans le tableau 1 oi-dessous, ont été
- comparees ~ celles des aciers 1 et 2 représentatLfs de
l'art antérieur, l'acier 1 étant l'acier ~I~ W-1.2343,
l'~cier 2 étant l'acier 1 ayant subi une refusion
TABLEA~ 1
C a,36 0,34
Si 0,33 0,33
Mn 0,35 0,35
S t 0011 0S 00lo
P 0,015 0,006
~i 0,24 0,040
Gr 5,18 5,17
1,25 1,25
~ 0,053 0,048
Al 0,~06 0,007
Co <0,~7 <0,020
Sn 0,0043 0,0028
As 0,077 0,004
Sb 0,009 0,008
E~emrle 1
Pour les aciers 1, 2, 3 et 4, on a mesuré à
différentes températures la résistance totale ~ la
traction R {MPa~, la llmite élastique E C~Pa? à 0,2%
d'allongement, l'allongement A C%) et la strictlon
~ C%), après double revenu à 550-560'C,
_ pour un niveau de résistance totale ~ la traction
de 1700-1800 ~Pa Cta~leau 2), et
- pour un ni~eau de résistance totale ~ la traction
de 1300-1400 ~Pa Ctableau 3).
FE~L~ ~E F~E~11PLA~EME~l~
~10 94/09170 21 4 4 6 5 4 PCI`/FR93/00979
æ æ
~ ~ O
x~O 0 as ~ ~ ~ ~ ~
'1 O
X ~ S
o o Cl~
~ C ~ ~ ~ ~ m O~
0o ~ 3 ~ ~?
X
3 S
O <~ ~ ~
` ~ ~ x ~o
~ x
S
~ ~ o -- ~ V~ o- ~ o-
o - - - - o
Y x x ~- ~ ~ ~ ~ ~ ,.-,
/
/ .,~ / ~ ~ N
~ / ~
FEUILLE DE REMPLACEMENT
WO94/09170 2 ~ 4 46S 4 PCT/FR93/0097
Pour le niveau de resistance totale ~ la traction de
1700-1800 MPa, les caractéristiques des aciers selon
l'invention sont légerement déficitaires. Pour le niveau
de 1300-1400 MPa, les diff~rences sont estompées.
Pour les deux niveaux, les valeurs des
caractéristiques ~traction rapide en température> sont
identiques dès 500~550'C, c'est-~-dire dans le dom~ine
d'exploitation i~dustrielle.
Il est ~ noter, de plus, ~ue les caractéristlques
m~canl~ues déficitaires dans certains cas, des aciers
selon l'inYentlon, =ont cependant suffisantes en matière
d'outillages, où des caractéristiques supérieures ne
sont ~ue rarement exigées.
~xe~le ~
On procède, sur les aciers 1, 2, 3 et 4, ~ des essais
de flexion en mesurant l'énergie de rupture Cen ~oules)
sur éprouvettes non criquées - E~C - de type Charpy V,
c'est-~-dlre sur éprouvettes ~ entaille en V, pour un
niveau de résistance totale ~ la traction R = 1300-
1400 MPa ~42 + 1 H~C~. Les résultats sont consignés dans
le table~u 4 ci-dessous.
TABLEAU 4
Se~
~ ~ T~e~
acier
1 45 29
2 S5 46
3 77 32
4 93 59
~:EUILLE DE REMPLACEMENT
~o s4/usl7n 214 4 6 5 ~ rCT/~R93/00979
~xem~le 3
On mesure t sur les mèmes aciers qu'aux e~emples
précédents, l'energie de rupture ~en joules) obtenue par
extrapolation pour une profondeur de fissure tendant
vers ~ero, ou énergie de crique nulle - ECO -, au moyen
d'éprouvettes traitées au niveau de 42 + 1 HRC.
Cet essa~ sert de ~rltère pour mesurer la sensibilité
la fissur~tion en présence d'une crique. On peut le
résumer de la manière suivante.
L'eprouvette de Charpy V est prefissurée ~ fond
d'entaille et rompue après préfissuration sur un mouton
Charpy V de 30 Joules.
Après rupture, on peut caracteriser sur la cassure,
la profondeur inltiale de la fissure de fatigue et celle
de la rupture brutale. On démontre également qu'il y a
proportionnalité entre energies de rupture et surfaces
de rupture.
La détermination de l'energie de crique nulle se fait
en extrapolant la drolte mesurant l'énergie de rupture
tot~le en fonction de la profondeur de prefissuration à
p~rtir du point ~énergle O~pro~ondeur de crique = 8mm),
~usqu'à profondeur de crique nulle, c'est-à-dire,
~usqu'à l'axe des y.
L'énergie de crique nulle represente l'énergie de
déchirure; elle est toujours inférieure a l'énergle de
rupture sur eprouvette classique non criquee. La
différence mesure l'énergie de déformation plastique
localisée ~ fond d'entaille.
Certaines ~prou~ettes, après traitement pour une
dureté de 42 ~RC, n'ont pas subi de vieillissement;
certaines autres ont subi un vieillissement de 50 heures
a 550-G. Ces essais ont permis d'apprécier la
susceptibilité à la fissuration qui decroit quand on
evolue de la nuance 1 et 2 a la nuance 3 et enfin à la
nuance 4. Leurs }esultats son~ consignés dans le tableau
5 ci-dessous.
FEUILLE DE REMPI~CE~NT
WO94/09170 PCT/FR93/009 ~
2144654 10
TAB~EAU 5
'
.
Sens LO~G TRAVERS
V~eilli Vieilli
Acier Nonneilli Non~eiIIi
S~ISOh S~ISOh
~1 I7~ 18 IS~ 17
2 29~ 20 l9~ 16
3 ~ 3S 23
4 ~ ~ 6I 36
En particulier, on re~rque que pour les éprouvettes
en nuances 3 et 4, les valeurs de E~C et ECO sont tres
proches <et le rapport est voisin de 1 pour l'acier 4,
ce qui implique que 1'energie de déformation plastique
localisée ~ fond d'enta$11e est faible.
Après maintien prolonge 50 heures ~ 550 , le rapport
ECO~E~G est moins favorable mais les valeurs de ~CO,
bien qu'amoindries, sont encore tres élevées.
FEUILLE DE REMPLACEMENT
