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57~ UGI 95/001
Acier inoxydable austénitique resulfuré à usinabilité améliorée, utilisé
notamment dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse de
coupe et le domaine du décolletage.
s La présente invention concerne un acier inoxydable austénitique
resulfuré à usinabilité améliorée, utilisé notamment dans le domaine
de l'usinage à très grande vitesse de coupe et le domaine du
décolletage .
Pour un homme du métier, on entend par usinage à grande
o vitesse des aciers inoxydables austénitiques, I'utilisation de vitesses
de coupe supérieures à 500 m/mn.
Les vitesses utilisables sur un acier sont, par exemple,
déterminées par des tests de tournage avec des outils comportant des
plaquettes en carbure revêtu, tests désignés Vb 15/0 15~ qui
consistent à déterminer la vitesse pour laquelle l'usure en dépouille
est de 0,15 mm après 15 mn d'usinage. Au delà de cette vitesse, il
n'est pas envisageable d'usiner sans risque, en deçà la pratique
industrielle est possible.
Il est connu du brevet européen N 403 332 un acier
austénitique resulfuré à usinabilité améliorée. Ce document décrit un
procédé dans lequel il est proposé, pour améliorer l'usinabilité,
d'introduire dans un acier ayant la composition générale suivante:
carbone inférieur à 0,15%, silicium inférieur à 2%, manganèse
inférieur à 2%, molybdène inférieur à 3%, nickel compris entre 7 et
2s 12%, chrome compris entre 15 et 25%, une quantité de soufre dans
une proportion comprise entre 0,1 et 0,4%, associée à du calcium et
de l'oxygène dans des teneurs respectivement supérieures à 30.10-
4% et 70. 10-4%, les teneurs en calcium et oxygène satisfaisant à
la relation Ca/0 comprise entre 0,2 et 0,6.
Dans ce document, le but recherché est la formation, avec le
manganèse et dans une plus faible proportion, avec le chrome, d'un
sulfure de manganèse et de chrome ( Mn,Cr )S qui genere sous la
forme d'inclusions spécifiques une lubrification solide de l'outil de
coupe pendant les opérations d'usinage.
3s ll est également précisé que le soufre a un effet défavorable sur
la résistance à la corrosion et que, malgré cela, une orientation
choisie est l'introduction, dans un acier resulfuré, d'inclusions
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d'oxydes de silicoaluminate de chaux le plus souvent associées aux
inclusions de sulfures.
Un tel acier austénitique a de bonnes propriétés en usinabilité
dans le domaine des vitesses de coupe conventionnelle, c'est-à-dire
s inférieures à 500 m/mn en tournage. L'acier comporte des inclusions
associées composées d'oxydes de type silicoaluminate qui enrobent
préférentiellement des inclusions de sulfure. Ces inclusions sont plus
grandes et plus déformables que les inclusions de sulfure seules.
L'effet de la lubrification dite solide de l'outil de coupe s'en trouve
amélioré. L'acier décrit dans le document cité comporte cependant un
inconvénient. En effet, le soufre réduit de façon conséquente les
propriétés de l'acier du point de vue déformation à froid avec
apparition de tapures par exemple en étirage ou tréfilage.
L'invention a pour but de proposer un acier à usinabilité
améliorée pouvant être utilisé. d'une part dans le domaine de
l'usinage à très grande vitesse, avec des vitesses de coupe en
tournage pouvant dépasser 700 mtmn, et, d'autre part dans le
domaine du décolletage avec des productivités supérieures à 30% à
celles obtenues avec un acier inoxydable austénitique resulfuré
ordinaire.
L'invention a pour objet un acier inoxydable austénitique
resulfuré à usinabilité amélioré utilisable notamment dans le domaine
de l'usinage à grande vitesse de coupe et le domaine du décolletage,
qui se caractérise en la composition pondérale suivante:
-Carbone <à 0,1 %,
-Silicium < à 2%,
-Manganèse < à 2%,
-Nickel de 7 à 12%,
-Chrome, de 15 à 25%,
-Soufre, de 0,10 à 0,55%,
-Cuivre, de 1 à 5%,
-Calcium > à 35.10-4 %,
-Oxygène > à 70.10-4%,
le rapport de la teneur en calcium sur la teneur en oxygène étant
compris entre 0,2 et 0,6.
Les autres caractéristiques de l'invention sont:
- la teneur en soufre est comprise entre 0,20 et 0,40% et, de
préférence, entre 0,25 et 0,35%.
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..
- la teneur en cuivre est comprise entre 1,2 et 3% et, de préférence,
entre 1,4 et 1,8%.
- la composition comprend en outre moins de 3% de molybdène.
La description qui suit et les figures annexées, le tout donné à
s titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre l'invention.
La figure 1 présente les courbes d'usure en dépouille d'aciers
inoxydables resulfurés, soit sans cuivre, soit sans inclusion
aluminosilicate de chaux et d'un acier resulfuré selon l'invention, ces
aciers étant usinés à très grande vitesse de coupe.
La figure 2 présente les courbes d'écrouissage d'un acier
resulfuré sans cuivre et d'un acier selon l'invention.
L'acier inoxydable austénitique selon l'invention a la
composition pondérale suivante: carbone inférieur à 0,1%, silicium
inférieur à 2%, manganèse inférieur à 2%, nickel, de 7 à 12%,
chrome, de 15 à 25%, soufre, de 0,10 à 0,55%, cuivre, de 1 à 5%,
calcium supérieur à 35.10 ~4 %, oxygène supérieur à 70.10 ~4%,
le rapport de la teneur en calcium sur la teneur en oxygène étant
compris entre 0,2 et 0,6.
Cet acier est du domaine des aciers dit resulfurés dont la teneur
en soufre et les teneurs en calcium et en oxygène dans un rapport
déterminé assurent auxdits aciers une bonne usinabilité à des vitesses
de coupe inférieures à 500 m/mn.
Dans l'usage de l'acier selon l'invention, dans le domaine de
l'usinage à très grande vitesse de coupe, I'usinabilité est améliorée
par l'action conjointe d'un grand nombre d'inclusions, sulfures de
manganèse et oxydes aluminosilicates de chaux issus de l'apport de
calcium et d'oxygène et par la présence du cuivre. Le cuivre limite les
efforts nécessaires à la formation du copeau. Du fait de cette
propriété, la température à la pointe de l'outil reste à un niveau
supportable pour celui-ci. Dans ces conditions, les nombreuses
inclusions de sulfure de manganèse et d'oxydes aluminosilicates de
chaud assurent pleinement, en combinaison, leur rôle de lubrifiant
solide pour retarder l'usure de l'outil. Dans l'acier selon l'invention,
les sulfures de manganèse sont très peu substitués en chrome du fait
3s d'une teneur en manganèse adaptée à la teneur en soufre, leur
malléabilité et donc leur efficacité lors de la coupe s'en trouvant
améliorée. Le soufre peut être partiellement remplacé par du sélénium
et/ou du tellure.
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L'acier resulfuré selon l'invention, utilisable préférentiellement
dans le domaine de l'usinage dit à grande vitesses de coupe, par la
présence d'un grand nombre d'inclusions malléables a bas point de
fusion de sulfure et d'oxyde associées ou non associées, et par la
s présence d'une teneur en cuivre selon l'invention, assure d'une part,
des usinages à des vitesses de coupe exceptionnelles et d'autre part,
une conservation de la durée de vie de l'outil de coupe .
Dans un essai d'usinabilité comparatif à très grande vitesse de
coupe, c'est-à-dire à plus de 500 m/mn, il est utilisé un outil en
0 carbure revêtu TiN. Il a été comparé l'évolution de l'usure en dépouille
de l'outil au cours de l'usinage de trois aciers resulfurés référencés A,
B et C. Les aciers A et B sont des aciers resulfurés de référence,
I'acier A ne contenant pas de calcium ni d'oxygène en proportion
convenable, I'acier B ne contenant pas de cuivre dans sa
5 composition. L'acier C, selon l'invention, dans cet exemple
d'application, comporte dans sa composition, 1,5 % de cuivre,
44.10-4% de calcium et 118 10~4% d'oxygène . Les compositions
des aciers A et B de référence et de l'acier C selon l'invention sont
présentées dans le tableau 1 ci-dessous.
Acier C Si Mn Mo Ni Cr S Cu Ca O
A 0,048 0,42 1,50 0,29 8,05 17,03 0,301,5 10 53
B 0,051 0,38 1,49 0,29 8,03 17,05 0,300,5 51 110
C 0,050 0,43 1,50 0,31 8,10 17,04 0,301,5 44 118
D 0,049 0,45 1,48 0,'8 8,02 17,11 0,391,5 14 57
E 0,052 0,39 1,51 0,30 8,07 17,03 0,301,5 62 134
L'essai consiste en une operation de tournage, sans
lubrification, avec une avance de 0,25 mm/tour, une profondeur de
passe de 1,5 mm et une vitesse de coupe de 700 m/mn. L'outil est
démonté régulièrement pour la mesure de l'usure en dépouille. Les
courbes qui en résultent sont présentées sur la figure 1.
Les aciers de référence A et B sont inaptes à ce type d'usinage.
Après seulement quelques minutes de tournage, les outils usinant ces
aciers sont détruits, c'est-à-dire que soit, leur usure en dépouille est
supérieure à 0,15 mm, soit leur arête est effondrée. Il n'est donc pas
pensable d'utiliser, pour l'usinage de ces aciers, de telles vitesses de
coupe. Par contre, avec l'acier C selon l'invention, I'outil revêtu est
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s
encore en état d'usiner après 20 minutes de tournage, ce qui permet,
avec des outils classiques en carbure revêtu de travailler
industriellement à de telles vitesses de coupe. Ceci est dû à la
présence combinée, dans la composition de l'acier, d'une grande
s quantité de soufre, d'oxydes malléables à bas point de fusion et d'une teneur optimale de cuivre.
Dans l'usage de l'acier selon l'invention, dans le domaine du
décolletage, I'usinabilité est améliorée par la présence du cuivre lors
de la fabrication de barres, puis par l'action des inclusions de sulfure
de manganèse et d'oxydes aluminosilicates de chaux lors de
l'usinage. Le cuivre diminue l'écrouissabilité, comme le montre la
figure 2 sur laquelle sont à nouveau comparés l'acier B de référence
et l'acier C selon l'invention. Cette faible écrouissabilité conduit à
l'obtention de barres étirées moins dures, en particulier en surface.
L'effet des inclusions vient ensuite en complément pour
favoriser le cisaillement du copeau et lubrifier l'interface outil/métal.
Dans un essai de production de pièces en décolletage, il a été
comparé la productivité de deux d'aciers resulfurés référencés D et E.
L'acier D de référence, est un acier resulfuré ne contenant pas dans
sa composition de calcium ni d'oxygène en proportion convenable, et
l'acier E, selon l'invention, dans cet exemple de réalisation, comporte
dans sa composition, 1,5 % de cuivre, 62.10-4% de calcium et
134.10-4% d'oxygène.
De manière surprenante, I'action en combinaison des trois
éléments cuivre, oxygène, calcium, génère un effet particulier sur
l'amélioration de l'usinabilité, imprévisible lorsque ces éléments sont
introduits dans la composition deux à deux ou de manière séparée.
Les compositions de l'acier D de référence, et de l'acier E selon
l'invention, sont décrites dans le tableau 1.
L'essai consiste en la production, à partir d'une barre étirée
d'un diamètre de 5 mm, de pièce de 50 mm de long comprenant
essentiellement du tournage, à profondeur de passe variable de 0,5 à
1,5 mm. Le tableau 2 ci-dessous présente les résultats d'un essai de
décolletage sur un tour monobroche à cames avec des outils en
carbure monobloc et une lubrification en huile entière. Les valeurs du
tableau 2 représentent le nombre de pièces ayant un usinage de
bonne qualité avant changement des outils.
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Productivité Acier D Acier E
1,82 pièce/mn 3 200 8 000
2,30 pièce/mn 1 500 3 200
s Dans les conditions de coupe optimisées pour un acier de
référence, on peut produire 2,5 fois plus de pièces avec l'acier selon
l'invention, avant d'avoir à changer les outils. Inversement, avec une
productivité 30 % supérieure sur l'acier selon l'invention, la durée de
vie est identique.
0 Dans un autre essai de décolletage, les deux même aciers D et
E sont comparés sur une simple opération de tronçonnage, consistant
à produire des axes de 4 mm de diamètre à partir d'un fil machine
tronçonné sur une machine à torche. La productivité a été améliorée
de 28 % avec l'acier E selon l'invention en comparaison avec l'acier
D de référence ne contenant pas de calcium ni d'oxygène en
proportion convenable.
