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PIECE EN ACIER BAINITIQUE, REFROIDIE ET REVENUE, ET SON
PROCEDE DE FABRICATION
L'invention concerne la métallurgie, et plus précisément le domaine
des aciers destinés à la fabrication des pièces devant résister à
d'importantes
sollicitations.
Souvent, de telles pièces sont réalisées en un acier trempé et revenu
ou, dans la mesure du possible, en acier forgé à structure ferrito-perlitique
qui est
censé offrir un meilleur compromis technico-économique, mais dont les
performances mécaniques sont tout de même limitées.
Des aciers à structure ferrito-perlitique souvent employés à cet effet
sont des types XC70, 45Mn5, 30MnSiV6 et 38MnSiV5, et subissent après
laminage ou forgeage un simple refroidissement en ligne à l'air calme. Leur
méthode de mise en ceuvre est donc relativement économique, mais leur durée,
de vie en présence de fortes sollicitations est limitée.
On a déjà proposé de réaliser de telles pièces en acier bainitique à
partir d'une nuance de type 25MnSiCrVBS, le refroidissement après forgeage ou
laminage ayant lieu à l'air. Les performances de tenue sont sensiblement
améliorées par rapport aux exemples précédents, mais restent relativement
limitées par rapport à ce qu'il est possible d'atteindre sur un acier trempé
et
revenu.
Le but de l'invention est de proposer une association entre une nuance
d'acier et un procédé de fabrication d'une pièce, présentant des avantages
économiques par rapport aux associations existantes sans que les performances
métallurgiques soient altérées, voire en améliorant ces performances. La pièce
ainsi fabriquée devra résister à d'importantes solPicitations en fatigue. Dans
le cas
des pièces forgées, ce procédé de fabrication devrait, en particulier, être
adaptâble sur toute ligne de forgeage.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une
pièce en acier, caractérisé en ceque :
- on élabore et on coule un acier de composition, en pourcentages
pondéraux, 0,06% -< C<_ 0,25% ; 0,5% < Mn <_ 2% ; traces < Si < 3% ; traces <
Ni
<4,5% ; traces <AI <_ 3% ; traces < Cr <_ 1,2% ; traces <_ Mo <_-0,30% ;
traces < V
< 2% ; traces <_ Cu < 3,5% ; et respectant l'une au moins des conditions :
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* 0,5 l0 < Cu < 3,5%
* 0,5% < V <_ 2-%
*2%<_Ni<_4,5%et1%_ AI<_2%
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ;
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- on effectue au moins une déformation à chaud de l'acier coulé pour
obtenir une ébauche de la pièce à une température de 1100 à 1300 C;
- on effectue un refroidissement contrôlé de l'ébauche de la pièce à l'air
calme ou à l'air pulsé avec une vitesse inférieure ou égale à 3 C/s entre 600
et
300 C pour ainsi conférer à l'ébauche une microstructure bainitique; et
- on réchauffe l'acier pour effectuer un revenu de précipitation,
précédant ou suivant l'usinage de la pièce à partir de ladite ébauche.
De préférence, l'acier contient de 5 à 50 ppm de B.
De préférence, l'acier contient de 0,005 à 0,04% de Ti.
Si du B est présent, la teneur en Ti est de préférence égale à au rnoins
3,5 fois la teneur en N de l'acier.
De préférence, l'acier contient de 0,005 à 0,06% de Nb.
De préférence, l'acier contient de 0,005 à 0,2% de S.
Dans ce cas, de préférence, l'acier contient au moins un des éléments
Ca jusqu'à 0,007%, Te jusqu'à 0,03%, Se jusqu'à 0,05%, Bi jusqu'à 0,05% et Pb
jusqu'à 0,1%.
Selon une variante de l'invention, la teneur en C de l'acier est
comprise entre 0,06 et 0,20%.
La teneur en Mn de l'acier est alors de préférence comprise entre 0,5
et 1,5%, et la teneur en Cr est de préférence comprise entre 0,3 et 1,2%.
La teneur en Ni de l'acier peut être alors de préférence comprise entre
des traces et 1 !o.
La teneur en Ni de l'acier peut alors également être comprise eritre 2
et 4,5%, et la teneur en AI est alors comprise entre 1 et 2%.
Le revenu de précipitation est dans le cas général effectué de
préférence entre 425 et 600 C.
Lorsque l'acier contient 0,5 à 3,5% de Cu, le revenu de précipitation
est de préférence effectué entre 425 et 500 C pendant 1 à 1 0h.
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Lorsque l'acier contient 0,5 à 2% de V, le revenu de précipitation est
effectué de préférence entre 500 et 600 C pendant plus d'l h.
Lorsque l'acier contient de 2 à 4,5% de Ni et 1 à 2% d'AI, le revenu de
précipitation est effectué de préférence entre 500 et 550 C pendant plus d'1
h.
Ladite déformation à chaud peut être un laminage.
Ladite déformation à chaud peut être un forgeage.
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De préférence, le refroidissement contrôlé de l'ébauche est effectué à
une vitesse inférieure à 3 C/s entre 600 et 300 C.
L'invention concerne également une pièce en acier obtenue par le
procédé précédent qui a typiquement une microstructure bainitique, une
résistance à la traction Rm de 750 à 1300MPa et une limite d'élasticité Re
supérieure ou égale à 500MPa.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste en la combinaison d'une
nuance d'acier et d'un procédé de traitement suivant la coulée comprenant une
étape de mise en forme à chaud de la pièce, un refroidissement contrôlé
pouvant
être effectué à l'air calme ou à l'air pulsé et un revenu de précipitation
précédant
ou suivant l'usinage de la pièce. La composition de l'acier choisie garantit
que,
quel que soit le mode de refroidissement, les résultats de tenue en fatigue
des
pièces fabriquées à partir de cet acier seront suffisants pour répondre -aux
exigences des utilisateurs.
L'opération de mise en forme à chaud peut consister en un ou des
laminages, ou en. un laminage suivi d'un forgeage, ou èn un forgeage seul.
L'essentiel est que la dernière déformation à chaud amène l'acier entre 1100
et
1300 C, et que le refroidissement contrôlé ait lieu à partir de cette
température.
Les caractéristiques chimiques de l'acier et ses traitements thermiques
postérieurs à la coulée visent à l'obtention d'une microstructure bainitique,
et
également à l'obtention de caractéristiques mécaniques optimisées. Cette
microstructure bainitique doit pouvoir être obtenue à la suite d'un
refroidissement
à l'air calme, mais doit aussi être compatible avec un refroidissement à l'air
pulsé.
De cette façon, les pièces concernées par l'invention pourront être produites
sur
toute installation existante, que celle-ci permette après forgeage ou laminage
un
refroidissement à air pulsé, ou qu'elle ne permette qu'un refroidissement à
l'air
calme. Ainsi, une installation de forgeage initialement conçue pour traiter
des
pièces en acier à microstructure ferrito-perlitique pourra sans difficultés,
et sans
adaptations particulières, traiter des pièces à microstructure bainitique
selon
i'invention. Les aciers à microstructure bainitique précédemment employés pour
ces usages exigeaient un refroidissement à air pulsé, et ne pouvaient donc pas
toujours être traités sur des installations de conception courante.
Selon l'invention, on commence donc par élaborer un acier dont la
composition sera détaillée et justifiée plus loin, puis on le coule, en
lingots ou en
continu suivant le format de la pièce finale, et le plus généralement on le
lamine
de manière à obtenir un demi-produit.
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On peut ensuite effectuer une opération de forgeage du demi-produit.
La dernière déformation à chaud est effectuée à 1100-1300 C et est
suivie par un refroidissement contrôlé à l'air dans la chaude de laminage ou
de
forge, à l'air calme ou à l'air puisé. On obtient ainsi une ébauche de la
pièce.
Par le terme ébauche , il doit être compris que l'on désigne ici une
barre, ou un demi-produit sous une autre forme, à partir duquel la pièce
définitive
sera obtenue par usinage, et ceci indépendamment du mode de déformation à
chaud pratiqué : laminage, forgeage ou leur combinaison.
On effectue ensuite un revenu de précipitation. Celui-ci se situe soit
avant, soit après l'usinage de la pièce à partir de ladite ébauche.
Les fourchettes analytiques exigées sont les sùivantes pour les
différents éléments chimiques devant ou pouvant être présents (tous les
pourcentages sont pondéraux).
La teneur en carbone est comprise entre 0,06 et 0,25%. Cette teneur
permet de gouverner le type de microstructure obtenu. A moins de 0,06%, la
microstructure obtenue ne serait pas intéressante pour les objectifs visés. Au-
delà de 0,25%, en combinaison avec les autres éléments, on n'obtiendrait pas
une microstructure suffisamment bainitique après refroidissement à l'air
calme.
La teneur en manganèse est comprise entre 0,5 et 2%. Cet élément
ajouté à plus de 0,5% procure sa trempabilité au matériau, et permet d'obtenir
un
domaine bainitique large quel que soit le mode de refroidissement. Une teneur
supérieure à 2% serait cependant susceptible de provoquer des ségrégations
trop importantes.
La teneur en silicium est comprise entre des traces et 3%. Cet
élément, non obligatoire à proprement parler, est avantageux en ce qu'il
durcit la
bainite par son passage en solution solide. De plus, au cas où du cuivre
serait
présent en quantité relativement importante, le silicium permet d'éviter les
problèmes associés à cette présence de cuivre lors de la mise en forme à
chaud.
Une teneur supérieure à 3% peut cependant poser des problèmes d'usinabilité
du matériau.
La teneur en nickel est comprise entre des traces et 4,5%. Cet
élément non obligatoire favorise la trempabilité et la stabilisation de
l'austénite. Si
la teneur en aluminium le permet, il peut former des précipités de NiAI très
durcissants, procurant au métal des caractéristiques mécaniques élevées. Au
cas
où du cuivre serait présent en quantité relativement importante, le nickel
peut
jouer le même rôle que le silicium. Au-delà de 4,5%, l'addition de nickel est
inutilement coûteuse au vu des objectifs métallurgiques visés.
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La teneur en aluminium est comprise entre des traces et 3%. Cet
élément non obligatoire est un désoxydant fort, et même ajouté à faible
teneur, il
permet de limiter la quantité d'oxygène dissous dans l'acier liquide, donc
d'améliorer la propreté inclusionnaire de la pièce si on a su éviter des
5 réoxydations trop importantes lors de la coulée. A forte teneur, comme on
l'a dit,
il est susceptible de former des précipités de NiAI si du nickel est présent
en
grande quantité. Il n'est pas utile que la teneur en aluminium dépasse 3%.
La teneur en chrome, élément non obligatoire, est comprise entre des
traces et 1,2%. Comme le manganèse, le chrome contribue à l'amélioration de la
trempabilité. Son addition devient inutilement coûteuse au-delà de 1,2%.
La teneur en molybdène est comprise entre des traces et 0,30%. Cet
élément, non obligatoire, empêche la formation de ferrite à gros grains et
permet
d'obtenir plus assurément la structure bainitique. Son addition est
inutilement
coûteuse au-delà de 0,30%.
La teneur en vanadium est comprise entre des traces et 2%. Cet
élément, non obligatoire, sert à durcir la bainite par son passage en solution
solide. A forte teneur, il permet également d'obtenir un durcissement par
précipitation de carbures et/ou de carbonitrures. Son addition est inutilement
coûteuse au-delà de 2%.
La teneur en cuivre est comprise entre des traces et 3,5%. Cet
élément, non obligatoire, peut améliorer l'usinabilité et, en précipitant,
provoquer
un durcissement secondaire du matériau. Mais au-delà de 3,5% il rend la mise
en
forrne à chaud de la pièce problématique. Comme on l'a dit, il est conseillé
de lui
associer une teneur en nickel ou en silicium significative pour minimiser les
problèmes de mise en forme à chaud. Au-delà de 3,5% son addition est de tbute
façon inutilement coûteuse.
Par ailleurs, il faut que l'une au moins des trois conditions suivantes
soit respectée :
- une teneur en cuivre comprise entre 0,5 et 3,5%
- une teneur en vanadium comprise entre 0,5 et 2%
- une teneur en nickel comprise entre 2 et 4,5% et une teneur en
aluminium comprise entre 1 et 2%.
Les éléments que l'on vient de citer sont ceux dont le rôle
métallurgique est ou peut être le plus important pour l'invention, mais
d'autres
éléments que l'on va citer peuvent aussi être optionnellement présents pour
améliorer certaines propriétés de l'acier.
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La teneur en bore peut être comprise entre 5 et 50ppm. Il peut
améliorer la trempabilité, mais doit être en solution solide pour être
efficace.
Autrement dit, on doit éviter que tout le bôre ou presque ne se retrouve sous
la
forme de nitrures ou carbonitrures de bore. A cet effet, il est conseillé
d'associer
à l'addition de bore une addition de titane, de préférence dans une proportion
telle que 3,5 x N% <_ Ti%. A cette dernière condition, on peut capter tout
l'azote
dissous et éviter la formation de nitrures ou de carbonitrures de bore. La
teneur
minimale en titane, à cet effet, est de 0,005%, pour les teneurs en azote les
plus
basses usuellement rencontrées. Il est cependant conseillé de ne pas dépasser
une teneur en titane de 0,04%, sinon on obtient des nitrures de titane de
taille
trop élevée.
Le titane a également pour fonction de limiter le grossissement du
grain austénitique à haute température, et peut, pour cela, être ajouté
indépendamment du bore, à une teneur comprise entre 0,005 et 0,04%.
Du niobium peut également être ajouté, à des teneurs comprises entre
0,005 et 0,06%. Lui aussi peut précipiter sous forme de carbonitrures dans
l'austénite, et peut ainsi apporter un durcissement du matériau.
Enfin, de manière classique, on peut améliorer l'usinabilité du matériau
par une addition de soufre (de 0,005% à 0,2%), à laquelle on peut aussi
associer
une addition de calcium (jusqu'à 0,007%), et/ou de tellure (jusqu'à 0,03%)
et/ou
de sélénium (jusqu'à 0,05%), et/ou de bismuth (jusqu'à 0,05%) et/ou de plomb
Qusqu'à 0,1 %).
Une fois obtenu après laminage le demi-produit ayant la composition
précédemment citée, on procède ou non à un forgeage de l'ébauche de la pièce
selon les procédés habituels. On la chauffe jusqu'à 1100-1300 C, puis on
exécute les déformations donnant naissance à l'ébauche de pièce.
En l'absence de forgeage, le laminage doit se terminer à une
température de 1100-1300 C.
Puis immédiatement après le laminage, ou après le forgeage si cette
opération a été effectuée, on effectue un refroidissement contrôlé de la
pièce, soit
à l'air calme, soit à l'air pulsé: De manière générale, on impose à la pièce
un
refroidissement à une vitesse inférieure ou égale à 3 C/s entre 600 et 300 C. -
Selon l'invention, et ce avant ou après l'usinage de la pièce qui lui
confère ses dimensions définitives, on procède à un durcissement de l'acier
par
précipitation au moyen d'un revenu, c'est-à-dire d'un traitement thermique
faisant
suite à un réchauffage à partir d'une température égale ou de peu supérieure à
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l'ambiante ; pour cela trois options sont possibles, et peuvent d'ailleurs
être
combinées :
- la précipitation de cuivre, si la teneur en cuivre est comprise entre 0,5
et3,5%;
- la précipitation de vanadium si sa teneur est comprise entre 0,5 et
2% ;
- la précipitation de NiAI si la teneur en nickel est comprise entre 2 et
4,5 lo et la teneur en aluminium comprise entre 1 et 2%.
De manière générale, le revenu de précipitation est effectué de
préférence entre 425 et 600 C. Mais la température du revenu et sa durée sont
optimalement à adapter aux caractéristiques visées. A titre d'exemple, la
précipitation du cuivre est obtenue de préférence par un traitement à 425=500
C
pendant 1 à 10h. La précipitation de vanadium est de préférence obtenue par un
traitement à 500-600 C pendant plus d'1h. La précipitation de NiAI est de
préférence obtenue par un traitement à 500-550 C pendant plus d'1h.
Ce revenu peut être effectué :
- soit après l'usinage de façon à avoir un métal pas trop dur pendant
l'usinage ;
- soit après le refroidissement contrôlé à l'air et avant l'usinage ; on
réalise alors l'usinage sur une pièce à hautes caractéristiques mécaniques, ce
qui le rend particulièrement précis.
Grâce à ce revenu, on peut obtenir des caractéristiques mécaniques
élevées pour le produit obtenu. Typiquement, la résistance à la traction Rm va
de
1000 à 1300 MPa et la limite d'élasticité Re est de l'ordre de 900 MPa ou
davantage.
Optimalement, on limite la teneur en carbone à 0,06-0,2%, de manière
à obtenir une bainite de dureté limitée à 300-330 Hv30. Optimalement, la
teneur
en manganèse doit être comprise entre 0,5 et 1,5%, la teneur en chrome entre
0,3 et 1,2%, et la teneur en nickel peut soit aller jusqu'à 1% si on ne vise
qu'une
bonne trempabilité, soit aller de 2 à 4% si on recherche une précipitation de
NIAI
comme on l'a vu. Dans ce dernier cas, la teneur en aluminium est comprise
entre
1 et 2%.
Pour ces aciers, les caractéristiques de traction (limite d'élasticité,
résistance) du produit obtenu après laminage ou forgeage et refroidissement à
i'air contrôlé ne sont pas particuiièrement élevées.: typiquement la
résistance à la
traction Rm est de l'ordre de 750-1050 MPa et la limite d'élasticité Re de
l'ordre
de 500 à 750MPa. Mais ces aciers présentent une bonne usinabiiité.
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A titre d'exemples de mise en c uvre de l'invention et d'exemple
comparatif, on peut citer les essais suivants,
Exemple 1 (invention)
Cet exemple est représentatif de la variante de l'invention pour
laquelle on peut utiliser une teneur en carbone relativement basse, et où on
réalise le durcissement par précipitation grâce à une addition de cuivre.
La composition de l'acier est la suivante, exprimée en 10-3%
pondéraux :
C Mn Si S P Ni Cu Cr Mo AI Ti B N
80 1500 300 85 10 1500 2500 280 50 25 - - 6
Après forgeage à chaud à une température de 1250-1200 C et
refroidissement à l'air calme (vitesse de refroidissement moyenne de 1 Cls
entre
700 et 300 C) une microstructure bainitique est obtenue avec une dureté
modérée de 265Hv30, procurant une résistance inférieure à 900 MPa. Avec ce
niveau de caractéristiques mécaniques, l'usinabilité ne pose pas de problèmes.
Ensuite, un revenu à 450 C, avec une durée de maintien d'une heure, permet
d'augmenter les caractéristiques de résistance pour atteindre plus de 340Hv30
de dureté, procurant une résistance de 110 MPa.
Exemple 2 (invention)
Cet exemple est représentatif de la variante de l'invention pour
laquelle on peut utiliser une teneur en carbone relativement basse, et où on
réalise le durcissement par précipitation grâce à une addition de vanadium.
La composition de l'acier est la suivante, exprimée en 10-3%
pondéraux :
C Mn Si S P Ni Cu Cr Mo Ai Ti V
150 1230 250 80 20 150 200 205 50 30 - 820
Après forgeage à chaud à une température de 1250-1200 C et
refroidissement à l'air calme (en moyenne 1 C/s entre 700 et 300 C) d'une
pièce
de forge de diamètre équivalent à 15mm, une microstructure majoritairement
bainitique est obtenue avec déjà une dureté importante de 300-320Hv30,
procurant une résistance de 1000MPa environ, qui est actuellement la limite
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haute permettant encore une usinabilité correcte sur des moyens d'usinage
classiques. Après un revenu de 2h à 580 C, le durcissement par le vanadium
permet d'atteindre une dureté de l'ordre de 400Hv3 , correspondant à une
résistance supérieure à 1200MPa.
Exemple 3 (invention)
Cet exemple est représentatif de la variante de l'invention pour
laquelle on peut utiliser une teneur en carbone relativement basse, et où on
réalise le durcissement par précipitation grâce à des additions conjuguées de
nickel et d'aluminium.
La composition de l'acier est la suivante, donnée en 10"3%
pondéraux :
C Mn Si S P Ni Cu Cr Mo Al Ti B N
95 1150 200 80 10 3000 206 220 60 1500 - 3 3
Après forgeage à chaud à une température de 1250-1200 C et
refroidissement à l'air calme (vitesse de refroidissement moyenne de 1 C/s
entre
700 et 300 C) une microstructure bainitique est obtenue avec une dureté
modérée de 240Hv30, procurant une résistance inférieure à 800 MPa. Avec ce
niveau de caractéristiques mécaniques; l'usinabilité ne pose pas de problèmes.
Ensuite, un revenu à 520 C, avec une durée de maintien de 10 heures, permet
d'augmenter les caractéristiques de résistance pour atteindre plus de 370Hv30
de dureté, procurant une résistance de l'ordre de 1200MPa.
Exemple 4 (référence)
La composition de l'acier est la suivante, donnée en 10"3%
pondéraux:
C Mn Si S P Ni Cu Cr Mo Al Ti. V B
230 1500 700 80 11 150 150 800 70 20 25 190 3
Après forgeage à chaud à 1250 - 1200 C et refroidissement à l'air
calme d'une pièce de diamètre équivalent à 25 mm, une microstructure
majoritairement bainitique est obtenue avec une dureté voisine de 320 Hv30,
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procurant une résistance de 1050Mpa environ. Un revenu d'une heure entre 300
et 450 C ne permet pas d'augmenter significativement la résistance.
