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WO 99/51788 PCT/FR99/00735
Composition d'acier à outils
La présente invention concerne un acier de la famille dite de 3% à
5% en poids de chrome utilisée pour la fabrication d'outillages résistant à la
chaleur et travaillant sous de fortes contraintes tels que les matrices
d'estampage et de forgeage, les outils de filières et les moules de coulée
statique ou coulée sous pression d'alliages divers comme les alliages
d'aluminium, de cuivre ou de titane.
De tels aciers sont alliés en chrome, molybdène et vanadium,
éléments qui leur confèrent les propriétés de résistance à chaud requises.
Plus précisément, ils se répartissent en trois familles de compositions dont
les propriétés sont voisines, de sorte que ces trois familles sont mises en
oeuvre pour les mêmes applications. II s'agit de compositions comprenant,
exprimés en poids, les éléments d'alliages suivants
~s * 5% de chrome, 1,3% de molybdène, 0,5% à 1,3% de vanadium environ,
ou
* 3% de chrome, 3% de molybdène, 0,5% de vanadium environ, ou enfin
* 5% de chrome, 3% de molybdène, 0,8% de vanadium environ.
Certains de ces aciers sont désignés dans la nomenclature des
_2o Etats-Unis d'Amérique AISI sous les dénominations H11, H12, H13, dans la
nomenclature allemande DIN sous les dénominations W1.2343, W1.2606
et W1.2344, et sont cités dans la norme française NF A 35-590.
Lors de l'utilisation, ia surface des outillages est mise en contact
avec des matériaux chauffés à haute température, par exemple de
2s l'aluminium liquide à 600°C I 750°C ou de l'acier destiné à
être forgé et
préchauffé à 1200°C.
En conséquence, la surface de l'outillage est elle-même portée à
haute température : il en résulte qu'un régime thermique s'établit dans
l'outillage entre la partie travaillante soumise à l'échauffement et le reste
de
30 la pièce refroidie par des conditions naturelles ou forcées.
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Dans des conditions d'utilisation sévères mettant en jeu des
températures de surface élevées et des contraintes mécaniques fortes, la
destruction de l'outil devient rapide selon deux principes
- la résistance mécanique du matériau décroît régulièrement
lorsque la température s'élève,
- le matériau perd ses propriétés initiales qui avaient été
conférées par le traitement thermique préliminaire du fait que
des transformations métallurgiques se produisent sous l'effet
combiné des contraintes et de la température et provoquent
l'abaissement, puis l'effondrement de la résistance
mécanique.
On observe ainsi des détériorations rapides voire catastrophiques de
ces outillages employés dans des conditions sévères, par adoucissement,
fluage, déformation plastique et fatigue thermique de la surface travaillante.
~s La présente invention a pour premier objet une composition d'acier
permettant une bonne tenue en service dans lesdites conditions sévères.
La composition objet de l'invention comprend, exprimés en
pourcentages en poids
C 0,3 - 0,4%
Cr 2,0 - 4,0%
Mo 0,8 - 3,0%
V 0,4 - 1,0%
W 1,5 - 3,0%
Co 1,0 - 5,0%
Si 0 - 1,0%
Mn 0 - 1,0%
Ni 0 - 1,0%
le complément étant principalement constitué de fer et d'impuretés
2o inévitables.
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De prfrence, ia
composition se
situe dans les
limites suivantes
C 0,33 - 0,37%
Cr 2,58 - 3,50%
Mo 1,20 - 2,20%
V 0,6 - 0,9%
W 1,8 - 2,6%
Co 1,5 - 3,0%
Si 0,2 - 0,5%
Mn 0,2 - 0,5%
Ni 0 - 0,3%
De façon plus particulièrement préférée, la composition objet de
l'invention comprend des teneurs en P, Sb, Sn et As, exprimées en
-s pourcentages en poids, qui satisfont aux relations
P <_ 0, 008%
Sb <_ 0,002%
Sn _< 0,003%
As <_ 0,005%
tandis que la valeur exprimée par la relation de Bruscato
B=(10P+5Sb+4Sn+As)x0,01
est au plus égale à 0,10%.
L'ensemble des éléments d'alliages dont les actions se complètent
est équilibré pour donner une trempabilité suffisante nécessaire pour
l'obtention de propriétés homogènes dans l'épaisseur de pièces de forte
~s taule.
Le carbone est l'élément durcissant de base, son niveau est ajusté
pour obtenir une résistance mécanique suffisante, tout en évitant par un
excès de concentration ia formation de carbures eutectiques à la
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solidification. Sa teneur dans l'alliage selon l'invention est de 0,3-0,4% en
poids, de préférence 0,33-0,37% en poids.
Le chrome et le molybdène contribuent à la trempabilité et au
durcissement après trempe et revenu par formation de carbures alliés fors
s des traitements thermiques de revenu. La teneur en ces éléments ne doit
pas être excessive pour ne pas favoriser exagérément la formation de
carbures de chrome-molybdène au détriment des carbures de vanadium et
tungstène. La teneur en chrome dans l'alliage selon l'invention est de 2,0-
4,0% en poids, de préférence 2,50-3,50% en poids, quant à celle du
molybdène elle est de 0,8-3,0% en poids, de préférence 1,20-2,20% en
poids.
Le vanadium contribue au durcissement lors des traitements de
revenu par formation de carbures spécifiques, ce qui permet d'augmenter la
résistance structurale à l'échauffement, donc de décaler vers le haut les
~s températures supérieures admissibles en service. Un excès de cet élément
serait préjudiciable à la ténacité par formation de carbures eutectiques à la
solidification et par le caractère ségrégant de cet élément. Sa teneur dans
l'alliage selon l'invention est de 0,4-1,0% en poids, de préférence O,fi-0,9%
en poids.
2o Le tungstène, de la mëme manière, complète l'action du vanadium
par les mêmes types de mécanismes et contribue de même au relèvement
des températures compatibles d'emploi et, de la même manière, un excès
serait préjudiciable à la ténacité et à l'homogénéité structurale. Sa teneur
dans l'alliage selon l'invention est de 1,5-3,0% en poids, de préférence 1,8
25 2,6% en poids.
Ce sont les actions complémentaires et convenablement équilibrées
de ces quatre éléments carburigènes Cr, Mo, V et W qui confèrent à l'acier
de l'invention des propriétés nouvelles.
Le cobalt améliore la résistance mécanique à chaud. Sa teneur dans
30 l'alliage selon l'invention est de 1,0-5,0% en poids, de préférence 1,5-
3,0%
en poids.
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Les teneurs du silicium et du manganèse dans l'alliage selon
l'invention sont chacune de 0-1,0% en poids, de préférence 0,20-0,50% en
poids. La teneur du nickel dans l'alliage selon l'invention est de 0-1,0% en
poids, de préférence 0-0,30% en poids.
De manière plus générale, bien que l'on ne souhaite pas être lié par
une quelconque théorie, on estime ainsi que l'obtention de bonnes
caractéristiques pour de tels aciers dépend de l'équilibrage des éléments
d'alliage ; elle résulte des propriétés individuelles de chacun des éléments,
mais aussi de leur interaction.
so L'effet du tungstène découle de la formation de carbures, dans la
composition desquels cet élément intervient. II est en compétition avec le
chrome et le molybdène, sachant qu'une présominance des carbures de
chrome est néfaste pour ta stabilité en service.
Cependant
~s - la nature cristallographique des carbures formés selon les aciers
est encore mal connue de nos jours,
- l'effet de ces carbures sur les propriétés et la stabilité structurale
ne sont connus que dans les grandes lignes.
L'acier de l'invention est fabriqué selon les procédés applicables aux
.2o matériaux usuels cités en référence.
L'invention a également pour objet un procédé pour la préparation
d'acier à outils ayant la composition définie ci-dessus, dans lequel, selon un
mode de réalisation particulier, un traitement de recuit approprié est
pratiqué, avant traitement thermique d'emploi, pour aboutir à une structure
ss métallographique montrant des carbures fins et bien répartis.
Dans un mode de réalisation particulier, on réalise la trempe en
chauffant la pièce à une température comprise entre 1020°C et
1100°C, de
préférence entre 1040°C et 1070°C, puis en refroidissant selon
une trempe
étagée à 250°C ! 320°C par tout moyen adapté.
Dans un mode de réalisation particulier, fes propriétés recherchées
sont obtenues après réalisation de deux traitements de revenu, après
trempe, le premier revenu étant effectué dans l'intervalle de températures
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550°C I 580°C, et le second dans l'intervalle 580°C I
680°C ajusté en
fonction de la dureté d'emploi recherchée.
Dans un autre mode particulier de réalisation du procédé selon
l'invention, on réalise, à partir du métal produit par un procédé d'aciérie
s conventionnel, une refusion par électrode consommable sous vide ou par
éléctrode consommable sous laitier conférant au matériau une propreté
incfusionnaire améliorée et une meilleure homogénéité chimique, ce qui a
pour effet d'augmenter les propriétés de ténacité et par voie de
conséquence de tenue en service.
~o L'invention va à présent être illustrée au moyen des exemples qui
suivent.
EXEMPLES
Une coulée d'essai d'un acier A selon l'invention, dont la composition
est donnée dans le tableau ci-dessous, a été réalisée afin de procéder aux
t5 différents essais
C 0, 354
Cr 3,09
Mo 1,36
V 0,81
W 2, 26
Co 2,00
Si 0,31
Mn 0,30
Ni 0,08
P 0,007
le complément étant constitué de fer et d'impuretés inévitables.
Les différents matériaux de référence utilisés pour ces essais sont
des aciers à 5% de chrome contenant des quantités variables de
molybdène et de vanadium.
2o Les symboles utilisés dans la suite ont les significations suivantes
Rm : résistance maximum
Rpo,2 : limite élastique conventionnelle à 0,2%
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HRC : dureté Rockwell
Exemple 1 - Essais de traction à chaud
Ces essais ont été réalisés à différentes températures sur l'acier A
selon l'invention, ainsi que sur trois autres nuances classiques d'aciers à
s 5% de chrome contenant du molybdène et du vanadium. Les résultats sont
rassemblés dans le tableau 1 suivant.
Tableau 1
Temprature Rm Rpo,2 Vise de
Matriaux d'essai (MPa) (MPa) traitement
(C) (HRC)
A 1092 916
520 46
5Cr 1.3Mo 1088 851
0.5V
A 918 753
5Cr 1.3Mo g16 709
0.5V
550 42
5Cr 3Mo 0.5V 842 664
5Cr 1.SMo 901 702
1 V
A 1028 830
560 46
5Cr 1.3Mo 979 710
0.5V
A 955 745
600 46
5Cr 1.3Mo 7g6 ~ 552
0.5V
~o
Comparativement aux matériaux de référence, on observe que ia
résistance à chaud décrite par l'essai de traction est améliorée, en
particulier dès que la température d'emploi dépasse 550°C.
1s Exemple 2 - Essais de traction à chaud après maintien à la température
Ces essais ont été réalisés à la température de 550°C, après
un maintien à 550°C pendant 50 heures, sur l'acier A selon l'invention
ainsi
que sur les trois autres nuances précédemment décrites dans !'exemple 1.
Les résultats sont rassemblés dans le tableau 2 suivant.
*rB
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Tableau 2
Temprature~Rm oRpo.2 Vise de
Matriaux d'essai (MPa) (MPa) traitement
(C) (HRC)
A -15 -13 42
5Cr 1.3Mo 0.5V -50 -4.0 42
550
5Cr 3Mo 0.5V -18 -41 42
5Cr 1.SMo 1 -101 -104 42
V
De la même manière, on observe que la résistance à chaud décrite
par l'essai de traction est moins altérée par un maintien prolongé pendant
50 heures à la température d'emploi pour l'acier selon l'invention que pour
les aciers de référence.
Exemple 3 - Essais de rupture sous contrainte
so Ces essais ont été réalisés sur l'acier A selon l'invention, ainsi que
sur une autre nuance d'acier à 5% de chrome, 1,2% de molybdène et 0,5%
de vanadium et avaient pour but de déterminer la contrainte nécessaire
pour obtenir une rupture des éprouvettes en 100 heures. Les résultats sont
rassemblés dans le tableau 3 suivant.
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Tableau 3
TempratureContrainte Trait
Matriaux d'essai (MPa) pour
{C) (HRC)
520 695
A 560 555 42
600 360
520 795
A 560 610 46
600 400
520 670
5Cr 1.2Mo 0.5V560 420 46
600 195
520 795
5Cr 1.2Mo 0.5V560 425 50
600 188
De la même manière que précédemment, on observe que ia tenue
s en fluage exprimée par la contrainte conduisant à la rupture en 100 heures,
est supérieure pour l'acier selon l'invention.
Exemple 4 - Essais de déformation sous contrainte
Ces essais ont été réalisés sur l'acier A selon l'invention, ainsi que
to sur la même nuance d'acier que celle utilisée dans l'exemple 3 et avaient
pour but de déterminer la contrainte nécessaire pour obtenir une
déformation de 1 % des éprouvettes en 100 heures. Les résultats sont
rassemblés dans le tableau 4 suivant.
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Tableau 4
Temprature Contrainte Trait
Matriaux d'essai (MPa) pour
(C) (HRC)
A 560 500 42
A 560 640 46
5Cr 1.2Mo 560 350 46
0.5V
5Cr 1.2Mo 560 370 50
0.5V
De la même manière que précédemment, on observe que la tenue
s en fluage exprimée par fa contrainte conduisant à 1 % de déformation en
100 heures, est supérieure pour l'acier selon l'invention.
II va de soi que les formes de réalisation de ia composition d'acier à
outils selon l'invention qui ont été décrites ci-dessus ont été données à
titre
purement indicatif et nullement limitatif, et que de nombreuses
modifications peuvent être facilement apportées par l'homme de l'art sans
pour autant sortir du cadre de l'invention.
*rB
