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WO 2016/146857
PCT/EP2016/059684
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Acier inoxydable martensitique, procédé de fabrication d'un demi-produit en
cet
acier et outil de coupe réalisé à partir de ce demi-produit
L'invention concerne un acier inoxydable martensitique. Cet acier est
principalement destiné à la fabrication d'outils de coupe, notamment
d'articles de
coutellerie, tels que des scalpels, des lames de ciseaux, ou des lames de
couteaux ou
des lames de robots ménagers.
Les aciers destinés à la coutellerie doivent présenter une résistance à la
corrosion, une aptitude au polissage et une dureté élevées.
Les aciers inoxydables martensitiques actuellement utilisés pour réaliser les
lames des outils de coupe, tels que les aciers de types EN 1.4021, EN 1.4028
et EN
1.4034, ont des teneurs en Cr inférieures ou égales à 14 ou à 14,5% en poids
et des
teneurs en C variables, soit 0,16%-0,25% pour le EN 1.4021, 0,26-0,35% pour le
EN
1.4028 et 0,43-0,50% pour le EN 1.4034. Le niveau de dureté de l'acier dépend
principalement de cette teneur en C.
Lorsqu'une résistance à la corrosion encore meilleure est recherchée, la
nuance
EN 1.4419 à 0,36-0,42% de C, 13,0-14,5% de Cr et 0,60-1,00% de Mo peut être
utilisée.
Lors de leurs fabrications, ces aciers sont typiquement élaborés dans un
convertisseur AOD ou VOD, puis coulés en continu sous forme de brames, de
blooms ou
de billettes, puis laminés à chaud pour conduire à une bobine, une barre
laminée ou un fil
machine. Ils subissent ensuite un recuit afin d'obtenir une structure
ferritique contenant
des carbures, qui est suffisamment douce pour permettre de réaliser un
laminage à froid
pour les produits plats, ou pour en faciliter le sciage avant forgeage du demi-
produit
laminé à chaud pour les produits longs.
Le produit subit ensuite un recuit de recristallisation. Dans cet état adouci
de
ferrite recristallisée contenant des carbures, le produit est découpé pour lui
conférer sa
forme finale, par exemple celle d'une lame de couteau, avant de subir un
traitement
thermique comprenant une austénitisation à haute température, typiquement
entre 950 C
et 1150 C, suivie d'une trempe jusqu'à la température ambiante qui conduit à
une
structure majoritairement martensitique.
Dans cet état martensitique le produit présente une dureté élevée, d'autant
plus
élevée que la teneur en carbone est importante, mais il présente aussi une
grande
fragilité. Un traitement de revenu, typiquement entre 100 C et 300 C, est
alors effectué
pour réduire la fragilité sans trop abaisser la dureté. La lame subit ensuite
diverses
opérations dont un affûtage et un polissage pour lui conférer sa qualité de
coupe et son
aspect esthétique.
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Aucune des quatre nuances citées ne permet à la fois une bonne résistance à la
corrosion, un bel état de surface et une dureté élevée, pour un coût
raisonnable.
La nuance EN 1.4419 à une bonne résistance à la corrosion et une dureté
élevée, mais elle a un coût prohibitif dû à l'ajout de Mo en grande quantité.
La nuance EN 1.4034 présente une dureté élevée, mais aussi un aspect de
surface médiocre après polissage, à cause de la présence en grand nombre de
carbures
non dissous lors de l'austénitisation, en raison de la teneur élevée en C de
cette nuance.
La résistance à la corrosion est insuffisante car la teneur en Cr n'est pas
assez élevée
dans la matrice, d'autant qu'une partie du Cr est piégée dans les carbures non
dissous.
Par ailleurs il arrive régulièrement que le tranchant de la lame soit le siège
d'une corrosion
caverneuse, provenant de la décohésion de gros carbures primaires qui
apparaissent en
fin de solidification en coulée continue.
Les nuances moins chargées en C EN 1.4021 et 1.4028 ont des duretés plus
faibles, sans pour autant avoir une tenue à la corrosion suffisante en raison
de teneurs en
Cr trop faibles.
La présente invention a pour but de résoudre les problèmes évoqués ci-dessus.
Elle vise en particulier à proposer un acier inoxydable martensitique pour
outil de coupe
aussi économique que possible, qui présente cependant à la fois une bonne
résistance à
la corrosion, une bonne aptitude au polissage et une dureté élevée.
Dans ce but l'invention à pour objet un acier inoxydable martensitique,
caractérisé en ce que sa composition consiste en, en pourcentages pondéraux :
- 0,10% 5 C 5 0,45%; de préférence 0,20% 5 C 5 0,38%; mieux 0,20% 5 C 5
0,35% ; optimalement 0,30% 5 C 5 0,35%;
- traces 5 Mn 5 1,0% ; de préférence traces 5 Mn 5 0,6%;
- traces 5 Si 5 1,0%;
- traces 5 S 5 0,01% ; de préférence traces 5 S 5 0,005%;
- traces 5 P 5 0,04%;
- 15,0% 5 Cr 5 18,0% ; de préférence 15,0 5 Cr 5 17,0%; mieux 15,2% 5 Cr 5
17,0% ; encore mieux 15,5% 5 Cr 5 16,0%;
- traces 5 Ni 5 0,50%;
- traces 5 MO 5 0,50% ; de préférence traces 5 MO 5 0,1% ; mieux traces 5 Mo 5
0,05%;
- traces 5 Cu 5 0,50% ; de préférence traces 5 Cu 5 0,3%;
- traces 5 V 5 0,50% ; de préférence traces 5 V 5 0,2%;
- traces 5 Nb 5 0,03%;
- traces 5 Ti 5 0,03%;
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- traces 5 Zr 5 0,03%;
- traces 5 Al 5 0,0 1 0% ;
- traces 5 0 5 0,0080%;
- traces 5 Pb 5 0,02%;
- traces 5 Bi 5 0,02%;
- traces 5 Sn 5 0,02%;
- 0,10% 5 N 5 0,20% ; de préférence 0,15% 5 N 5 0,20%;
- C + N 0,25% ; de préférence C + N 0,30% ; mieux C + N 0,45%;
- Cr + 16 N ¨ 5 C 16,0%;
- de préférence 17 Cr + 500 C + 500 N 5 570%;
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
Sa microstructure comporte, de préférence, au moins 75% de martensite.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un demi-produit
en acier
inoxydable martensitique, caractérisé en ce que :
- on élabore et on coule un demi-produit en un acier ayant la composition
précédente ;
- on chauffe ledit demi-produit à une température supérieure ou égale à
100000;
- on le lamine à chaud pour obtenir une tôle, une barre ou un fil machine ;
- on recuit ladite tôle, ladite barre ou ledit fil machine à une température
comprise
entre 700 et 900 C;
- et on exécute une opération de mise en forme sur ladite tôle, ladite barre
ou
ledit fil machine.
Ledit demi-produit peut être une tôle, et ladite opération de mise en forme
peut
être un laminage à froid.
Ledit demi-produit peut être une barre ou un fil machine, et ladite opération
de
mise en forme peut être un forgeage.
Ledit demi-produit mis en forme, si sa teneur en Cr est comprise entre 15 et
17%,
peut être ensuite austénitisé entre 950 et 1150 C, puis refroidi à une vitesse
d'au moins
15 C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à 20 C, puis subit un
revenu à une
température comprise entre 100 et 300 C.
Ledit demi-produit mis en forme peut être ensuite austénitisé entre 950 et
1150 C, puis refroidi à une vitesse d'au moins 15 C/s jusqu'à une température
inférieure
ou égale à 20 C, puis subit un traitement cryogénique à une température de -
220 à -50 C,
puis un revenu à une température comprise entre 100 et 300 C.
L'invention a également pour objet un outil de coupe, caractérisé en ce qu'il
a été
réalisé à partir d'un demi-produit préparé selon le procédé précédent.
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L'outil de coupe peut être un article de coutellerie tel qu'une lame de
couteau,
une lame de robot ménager, un scalpel, ou une lame de ciseaux,
Comme on l'aura compris, l'invention consiste à utiliser, pour réaliser
l'outil de
coupe, un acier inoxydable martensitique de composition particulière, exempte
d'éléments
coûteux à des teneurs élevées, mais contenant des quantités d'azote
relativement
importantes situées dans une gamme bien définie. Egalement, un équilibrage
particulier
des teneurs en Cr, C et N est nécessaire.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de
la
description ci-dessous donnée à titre d'exemple et faite en référence à la
figure 1
annexée, qui montre l'évolution de la dureté Vickers de l'acier sous une
charge de 1 kg,
en fonction du taux de martensite après austénitisation, trempe et revenu,
d'un acier selon
l'invention.
En ce qui concerne la composition chimique de l'acier selon l'invention, les
justifications suivantes sont avancées. Il doit être clair que les gammes de
teneurs des
divers éléments envisagées comme préférentielles sont indépendantes les unes
des
autres, et que toute combinaison des gammes définies dans la description qui
suit est
envisageable dans le cadre de l'invention, pourvu que des teneurs
individuelles en C, N et
Cr qu'elles autoriseraient simultanément puissent respecter les relations qui
doivent les
lier selon l'invention.
C augmente la dureté à l'état martensitique après austénitisation, trempe et
revenu. Cependant il favorise aussi la précipitation de carbures primaires
NA7C3 au cours
de la solidification, qui peuvent être déchaussés lors du polissage ou de
l'affûtage de la
lame, ce qui dégrade l'aspect de surface du produit. Les sites où ils se
trouvaient avant le
polissage peuvent aussi devenir le siège d'une corrosion caverneuse. Une
teneur en C
excessive conduit aussi, suivant la température d'austénitisation, soit à une
teneur en C
trop élevée dans la matrice austénitique qui ne permet plus d'obtenir une
fraction
suffisante de martensite après trempe, soit à la persistance de carbures M23C6
non
dissous qui appauvrissent la matrice austénitique en Cr. Ils réduisent ainsi
la résistance à
la corrosion et nuisent à la polissabilité.
La teneur en C doit donc être d'au moins 0,10% pour obtenir une dureté
suffisante et d'au plus 0,45% pour obtenir une bonne résistance à la corrosion
et un
aspect de surface satisfaisant après polissage. Selon le procédé de coulée et
de
solidification employé, il peut cependant s'avérer utile de limiter un peu
plus la teneur
maximale en C, pour le cas où ce procédé risquerait de ne pas garantir une
homogénéité
de l'acier en cours de solidification qui serait suffisante pour éviter une
précipitation de
carbures primaires NA7C3. Dans ce cas, on conseille de limiter la teneur en C
à 0,38%. De
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préférence 0,20% 5 C 5 0,38%, mieux 0,20% 5 C 5 0,35%, optimalement 0,30% 5 C
5
0,35%.
La gamme optimale, en particulier, permet d'avoir une dureté élevée tout en
limitant la formation de carbures dans des proportions acceptables, la
possible perte de
5 dureté provenant de l'abaissement de la teneur maximale en C par rapport
à la gamme la
plus générale pouvant être compensée par une présence d'azote suffisante à cet
effet,
comme cela sera vu plus loin.
De plus, la teneur en C doit satisfaire des formules la liant avec la teneur
en N et
avec les teneurs en N et Cr, comme il sera expliqué plus loin.
Mn est un élément dit gammagène, car il stabilise la structure austénitique.
Une
teneur excessive en Mn conduit à un taux de martensite insuffisant après
traitement
d'austénitisation et trempe, qui conduit à une baisse de la dureté. Pour cette
raison la
teneur en Mn doit être comprise entre des traces résultant de l'élaboration et
1,0%. De
préférence on limite sa teneur à 0,6% pour aider à l'obtention d'une
température Ms
optimalement basse.
Si est un élément utile lors du procédé d'élaboration de l'acier. Il est très
réducteur, et il permet donc de réduire les oxydes de Cr dans la phase de
réduction de
l'acier qui suit la phase de décarburation dans le convertisseur AOD ou VOD.
Cependant
la teneur en Si dans l'acier final doit être comprise entre des traces et
1,0%, car cet
élément à un effet durcissant à chaud qui limite les possibilités de
déformation à chaud
lors du laminage à chaud ou lors du forgeage. De préférence on limite sa
teneur à 0,6%
pour aider à l'obtention d'une température Ms optimalement basse.
S et P sont des impuretés qui diminuent la ductilité à chaud. P ségrége
facilement aux joints des grains et facilite leur décohésion. De plus, S
réduit la résistance
à la corrosion par piqûre en formant avec Mn des composés qui servent de sites
initiateurs pour ce type de corrosion. A ce titre les teneurs en S et en P
doivent être
respectivement comprises entre des traces et, respectivement, 0,01% et 0,04%
en poids.
De préférence, la teneur en S ne dépasse pas 0,005% pour encore mieux assurer
une
résistance à la corrosion suffisante.
Cr est un élément essentiel pour la tenue à la corrosion. Cependant sa teneur
doit être limitée car une teneur élevée risque d'abaisser la température Mf
(la température
de fin de transformation martensitique) en dessous de la température ambiante.
Cela
conduirait, après austénitisation et trempe jusqu'à la température ambiante, à
une
transformation martensitique trop incomplète et à une dureté insuffisante.
Pour ces
différentes raisons, la teneur en Cr doit être comprise entre 15,0% et 18,0%
en poids. Il
est cependant conseillé de limiter la teneur en Cr à 15,0-17,0%, mieux 15,2-
17,0%,
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encore mieux 15,5-16,0%, surtout lorsqu'un traitement cryogénique de l'acier
n'est pas
effectué, afin de ne pas avoir une température Ms de début de transformation
martensitique trop élevée, et donc de ne pas laisser trop d'austénite
résiduelle qui
limiterait la dureté, donc la résistance à la traction Rm, ce qui n'est pas
désirable sur un
acier martensitique. Si nécessaire, la baisse de la résistance à la corrosion
induite par la
diminution de la teneur maximale en Cr pourra être compensée par une teneur en
N
élevée dans les limites prescrites par ailleurs.
Cependant la solubilité de N dans le métal liquide baisse quand la teneur en
Cr
diminue, de sorte qu'il n'est plus possible en dessous de 15% de Cr de garder
dans le
métal liquide suffisamment de N dissous à la température de solidification de
l'acier, ce
qui conduit à la formation de bulles de N2 lors de la solidification, et ne
permet plus à N de
compenser la baisse du Cr vis à vis de la résistance à la corrosion. Cette
limite basse en
Cr pour la solubilité de N augmente aussi lorsque la pression ferrostatique à
la
solidification diminue. Il peut être préférable d'augmenter la teneur minimale
en Cr de
15,0% à 15,2% ou 15,5% suivant le type de procédé de coulée et les conditions
de coulée
pratiquées afin de se prémunir de tout risque de formation de bulles de N2.
La teneur en Cr doit aussi satisfaire une formule la liant aux teneurs en N et
C
comme ce sera expliqué par la suite.
Les éléments Ni, Cu, Mo et V sont onéreux et réduisent aussi la température
Mf.
La teneur de chacun de ces éléments doit donc être limitée, entre des traces
et 0,50% en
poids, de préférence au plus à 0,10% pour Mo. Il n'est donc pas nécessaire
d'en ajouter
après la fusion des matières premières. Il est encore plus favorable que la
teneur en Mo
ne dépasse pas 0,05%, pour aider à l'obtention d'une température Ms
optimalement
basse. Pour la même raison, il est préférable que la teneur en Cu ne dépasse
pas 0,3%,
et que la teneur en V ne dépasse pas 0,2%.
Nb, Ti et Zr sont des éléments dit stabilisants , ce qui signifie qu'ils
forment,
en présence de N et C et à haute température, des carbures et des nitrures
plus stables
que les carbures et nitrures de Cr. Ces éléments sont cependant indésirables,
car leurs
carbures et nitrures respectifs, une fois formés lors du procédé de
fabrication, ne peuvent
plus être aisément dissous lors de l'austénitisation, ce qui limite les
teneurs en C et N
dans l'austénite, et donc la dureté correspondante de la martensite après
trempe. La
teneur de chacun de ces éléments doit donc être comprise entre des traces et
0,03%.
La teneur en Al doit, de même, être comprise entre des traces et 0,010% pour
éviter de former des nitrures d'Al, dont la température de dissolution serait
trop élevée et
qui diminueraient la teneur en N de l'austénite, donc la dureté de la
martensite après
trempe.
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La teneur en 0 résulte du procédé d'élaboration de l'acier et de sa
composition.
Elle doit être comprise entre des traces et 0,0080% (80 ppm) au maximum, de
façon à
éviter de former des inclusions d'oxydes trop nombreuses et/ou trop grosses,
qui
pourraient constituer des sites privilégiés d'initiation de la corrosion par
piqûre, et aussi se
déchausser lors du polissage, de sorte que l'aspect de surface du produit ne
serait pas
satisfaisant. La teneur en 0 influence aussi les propriétés mécaniques de
l'acier, et on
pourra éventuellement, de façon classique, fixer une limite à ne pas dépasser
plus basse
que 80 ppm, suivant les exigences des utilisateurs du produit final.
Les teneurs en Pb, Bi et Sn peuvent être limitées à des traces résultant de
l'élaboration, et ne doivent chacune pas dépasser 0,02% pour ne pas rendre
trop difficiles
les transformations à chaud.
Le contrôle de la teneur en N a un niveau bien défini est un élément essentiel
de
l'invention. Tout comme C, il permet, lorsqu'il est en solution solide,
d'augmenter la dureté
de la martensite sans avoir l'inconvénient de former des précipités au cours
de la
solidification. Si on ne désire pas une teneur en C trop élevée pour ne pas
former trop de
précipités, un ajout de N permet de compenser la perte de dureté. Les nitrures
se forment
à des températures plus faibles que les carbures ce qui facilite leur mise en
solution lors
de l'austénitisation. La présence de N en solution solide améliore aussi la
tenue à la
corrosion.
Cependant une teneur excessive en N ne permet plus sa dissolution complète
lors de la solidification, et conduit à la formation de bulles de N2 qui
forment des soufflures
(porosités) lors de la solidification de l'acier, préjudiciables à la santé
interne du métal.
Pour ces différentes raisons la teneur en N doit être comprise entre 0,10 et
0,20% en poids, de préférence entre 0,15 et 0,20% en poids.
La teneur en N doit aussi satisfaire diverses formules la liant aux teneurs en
Cr et
C.
En effet, la dureté de la martensite dépend de ses teneurs en C et en N. Les
inventeurs ont mis en évidence que les effets durcissants de ces deux éléments
sont
similaires, et donc que la dureté de la martensite est dépendante de sa teneur
globale en
C + N. Il a été établi par les inventeurs que la dureté après trempe et revenu
sera
suffisante si la formule suivante est respectée :
C + N 0,25%, de préférence C + N 0,30%
Dans un mode encore plus préféré de l'invention, une dureté encore plus élevée
est obtenue après trempe et revenu si la formule suivante est respectée :
C + N 0,45%.
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Trois éléments ont un effet sur la résistance à la corrosion. Cr et N sont
bénéfiques, alors que C a un effet négatif car il n'est généralement pas
possible de
dissoudre tous les carbures de Cr lors de l'austénitisation, pour des raisons
de
productivité et de coût qui limitent dans la pratique industrielle la durée et
la température
du traitement. Les carbures de Cr non dissous réduisent la teneur en Cr de la
matrice
austénitique, et de ce fait réduisent la tenue à la corrosion.
A partir de l'étude de la résistance à la corrosion d'aciers martensitiques à
différentes teneurs pondérales en Cr, N et C, les inventeurs ont trouvé une
formule
associant ces différents éléments qui permet d'assurer une très bonne
résistance à la
corrosion :
Cr + 16 N ¨ 5 C 16,0%
Une condition préférée, sans être toutefois obligatoire, est que :
17Cr + 5000 + 500N 5 570%
Cette condition permet d'assurer que l'on aura une température Ms pas trop
élevée, comme son respect représenterait un abaissement de Ms de l'ordre de 60
C par
rapport à ce qu'autoriserait la satisfaction simultanée des limites
supérieures des teneurs
en C, N et Cr choisies.
Des aciers selon l'invention ont fait l'objet d'essais d'austénitisation à
différentes
températures avant une trempe à l'eau à 20 C avec une vitesse de
refroidissement
supérieure à 100 C/s, suivie par un revenu à 200 C, afin de faire varier la
proportion de
carbures dissous, et par conséquent la teneur en carbone dans l'austénite puis
dans la
martensite après trempe. Le taux de martensite ainsi que la dureté Vickers ont
été
mesurés afin de tracer l'évolution de la dureté en fonction du taux de
martensite, et les
résultats sont représentés sur la figure 1, pour un acier ayant la composition
de l'exemple
14 du tableau 1.
On voit sur la figure 1 que la dureté commence par croître avec la baisse du
taux
de martensite, car la martensite durcit par enrichissement en carbone. La
dureté atteint un
maximum, puis baisse lorsque le taux de martensite devient trop faible. En
dessous de
75% de martensite, le durcissement de la martensite ne compense plus
l'adoucissement
lié à la présence d'austénite résiduelle de dureté plus faible. Pour cette
raison, dans un
mode préféré de l'invention, adapté à la fabrication d'outil de coupe à partir
de l'acier
coulé, le taux de martensite de l'acier après austénitisation, trempe à une
vitesse d'au
moins 15 C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à 20 C, puis revenu à
une
température de 100 à 300 C, typiquement 200 C, est supérieur ou égal à 75%.
L'obtention d'une teneur en martensite élevée pouvant atteindre 100% peut être
mieux assurée, si, après la trempe jusqu'à 20 C ou moins, on procède à un
traitement
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cryogénique, c'est-à-dire la réalisation d'une trempe dans un milieu à très
basse
température allant de -220 à -50 C, typiquement dans de l'azote liquide à -196
C ou dans
de la neige carbonique à -80 C, avant de procéder au revenu à 100-300 C.
Lorsque la teneur en martensite n'atteint pas 100%, la microstructure restante
est typiquement constituée essentiellement d'austénite résiduelle. Il peut
aussi y avoir de
la ferrite.
A titre d'exemples non limitatifs, les résultats suivants vont montrer les
caractéristiques avantageuses conférées par l'invention.
Les compositions des différents échantillons d'acier testés figurent dans le
tableau 1, exprimées en % pondéraux. Les valeurs soulignées sont celles qui ne
sont pas
conformes à l'invention. On a également reporté les valeurs de C + N, de Cr +
16 N - 5 C
et de 17Cr + 500C + 500N pour chaque échantillon.
C Mn Si P S Ni Cr Cu Mo
V
11 0,104 0,36 0,26 0,007 0,003 0,29 15,1
0,21 0,03 0,08
12 0,112 0,47 0,43 0,012 0,003 0,34 16,7
0,16 0,03 0,09
13 0,244 0,29 0,30 0,009 0,002 0,37 15,1
0,10 0,03 0,07
14 0,443 0,36 0,31 0,024 0,003 0,26 16,8
0,24 0,02 0,13
0,445 0,32 0,29 0,009 0,001 0,34 15,3 0,22 0,03
0,11
16 0,410 0,39 0,42 0,007 0,001 0,41 16,8
0,18 0,02 0,09
17 0,432 0,39 0,42 0,007 0,001 0,41 17,9
0,18 0,02 0,09
18 0,345 0,31 0,38 0,010 0,001 0,25 15,3
0,18 0,02 0,07
19 0,332 0,38 0,27 0,006 0,002 0,34 15,8
0,23 0,03 0,10
Invention 110 0,340 0,26 0,32 0,009 0,001 0,28 16,3
0,23 0,02 0,09
111 0,342 0,28 0,30 0,012 0,001 0,39 17,8
0,14 0,02 0,08
112 0,376 0,34 0,35 0,015 0,003 0,30 16,1
0,16 0,02 0,11
113 0,335 0,29 0,32 0,007 0,002 0,28 15,9
0,20 0,03 0,07
114 0,442 0,38 0,29 0,010 0,002 0,36 16,0
0,14 0,03 0,06
115 0,245 0,34 0,33 0,016 0,001 0,40 16,1
0,19 0,02 0,10
116 0,366 0,28 0,28 0,013 0,002 0,29 16,0
0,11 0,03 0,07
117 0,356 0,30 0,31 0,019 0,003 0,21 17,3
0,18 0,02 0,12
118 0,163 0,27 0,40 0,011 0,001 0,33 16,0
0,20 0,03 0,06
119 0,239 0,33 0,29 0,010 0,002 0,32 15,9
0,15 0,03 0,07
R1 0,223 0,38 0,35 0,012 0,003 0,18 13 4
0,12 0,02 0,08
R2 0,312 0,33 0,42 0,008 0,001 0,35 13 8
0,08 0,03 0,09
R3 0 478 0,42 0,28 0,017 0,002 0,21 137
0,13 0,02 0,11
Références
____________________________________________________________________
R4 0,392 0,35 0,24 0,021 0,001 0,37 13 9
0,24 0,03 0,21
R5 0,298 0,26 0,35 0,006 0,002 0,36 14 3
0,18 0,02 0,13
R6 Q 465 0,27 0,43 0,007 0,002 0,28 16,3
0,28 0,02 0,08
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R7 0,405 0,46 0,46 0,015 0,002 0,43 16,1
0,14 0,02 0,07
R8 0 520 0,30 0,24 0,018 0,001 0,41 16,4
0,19 0,03 0,14
R9 0,448 0,39 0,29 0,024 0,001 0,26 18 5
0,14 0,02 0,09
R10 0,112 0,27 0,34 0,010 0,001 0,34 15,1
0,07 0,02 0,10
R11 0,447 0,34 0,34 0,018 0,002 0,24 15,4
0,14 0,02 0,17
R12 0,246 0,18 0,41 0,019 0,001 0,36 15,2
0,14 0,02 0,10
R13 0,123 0,41 0,31 0,016 0,002 0,38 16,7
0,23 0,02 0,23
R14 0,211 0,27 0,34 0,009 0,003 0,24 16,2
0,15 0,02 0,10
17Cr +
Cr + 16N 500C+
Nb Ti Al Zr Sn 0 N C+N
-5C
500N
(préféré)
11 0,004 0,004 0,002 0,001 0,008 0,002 0,197
0,301 17,73 407,2
12 0,004 0,002 0,001 0,002 0,006 0,002 0,192
0,304 19,21 435,9
13 0,002 0,002 0,001 0,001 0,009 0,003 0,194
0,438 16,98 475,7
14 0,002 0,003 0,003 0,002 0,015 0,002 0,102
0,545 16,22 558,1
0,005 0,003 0,001 0,001 0,016 0,003 0,194 0,639 16,18
579 6
16 0,003 0,002 0,002 0,001 0,007 0,003 0,184
0,594 17,69 582 6
17 0,003 0,002 0,002 0,001 0,007 0,003 0,175
0,607 18,54 607 8
18 0.003 0,005 0,002 0,001 0,006 0,001 0,179
0,524 16,44 522,1
19 0,002 0,002 0,003 0,001 0,010 0,003 0,176
0,508 16,96 522,6
Invention 110 0,004 0.004 0,002 0,002 0,012 0,002
0,180 0,520 17,48 537,1
111 0,003 0,003 0,002 0,002 0,009 0,002 0,178
0,520 18,94 562,6
112 0,004 0,002 0,001 0,001 0,013 0,001 0,182
0,558 17,13 552,7
113 0,002 0,001 0,002 0,001 0,006 0,003 0,125
0,460 16,23 500,3
114 0,002 0,003 0,003 0,002 0,008 0,003 0,177
0,619 16,62 581 5
115 0,003 0,002 0,001 0,001 0,010 0,002 0,105
0,350 16,56 447,2
116 0,002 0,003 0,002 0,002 0,007 0,003 0,134
0,500 16,31 522,0
117 0,004 0,005 0,002 0,001 0,011 0,003 0,106
0,462 17,22 525,1
118 0,003 0,004 0,002 0,001 0,010 0,003 0,112
0,275 16,98 409,5
119 0,003 0,002 0,001 0,002 0,012 0,002 0,164
0,403 17,33 471,8
R1 0,005 0,003 0,003 0,002 0,006 0,003 0 002
0 225 12 32 340,3
R2 0,002 0,002 0,003 0,001 0,011 0,002 0 003
0,315 12 29 392,1
R3 0,005 0,004 0,002 0,001 0,010 0,001 p.003
0,481 11 36 473,4
R4 0,003 0,004 0,001 0,002 0,006 0,002 0,109
0,501 13 68 483,4
R5 0,002 0,001 0,002 0,002 0,009 0,004 0,197
0,495 15 96 490,6
Références
R6 0,004 0,002 0,001 0,001 0,013 0,003 0 032
0,497 14 51 525,6
R7 0,003 0,002 0,001 0,001 0,014 0,003 0 253
0,658 18,12 602 7
R8 0,005 0,002 0,002 0,002 0,012 0,003 0,198
0,718 16,97 637 8
R9 0,002 0,001 0,001 0,001 0,008 0,002 0,195
0,643 19,38 636 0
R10 0,002 0,003 0,003 0,001 0,006 0,002 0,114
0 226 16,36 369,7
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11
R11 0,003 0,001 0,003 0,001 0,008 0,002
0,106 0,553 14 86 538,3
R12 0,002 0,001 0,002 0,002 0,012 0,002
0,105 0,351 15 65 433,9
R13 0,003 0,001 0,002 0,002 0,011 0,003
0,112 0 235 17,88 401,4
R14 0,002 0,002 0,003 0,001 0,011 0,002
0 217 0,428 18,62 489,4
Tableau 1 : Compositions des échantillons testés
Après coulée, ces aciers ont été réchauffés à une température supérieure à
1100 C, laminés à chaud jusqu'à une épaisseur de 3mm, recuits à une
température de
800 C, puis décapés et laminés à froid jusqu'à une épaisseur de 1,5mm.
Les tôles d'acier ont été ensuite recuites à une température de 800 C.
Les tôles d'acier recuites ont subi ensuite un traitement d'austénitisation de
15
minutes à 1050 C suivi d'une trempe à l'eau jusqu'à la température de 20 C.
Après découpe des tôles en deux parties, l'une des parties a été ensuite
plongée
pendant 10mn dans un bain thermostaté à -80 C, de façon à pouvoir évaluer les
effets
d'un traitement cryogénique qui s'ajouterait à la simple trempe à l'eau.
Un revenu de lh à 200 C a ensuite été effectué sur chaque partie de tôle.
Le tableau 2 présente le résultat d'essais et observations effectués sur ces
aciers. Les valeurs soulignées correspondent à des performances jugées
insuffisantes.
La santé interne est évaluée sur un état brut de solidification après coulée,
sachant que les opérations de transformation ultérieures ne la dégraderont
pas.
Le taux de martensite est mesuré après une trempe à l'eau à 20 C et après un
traitement cryogénique par trempe à -80 C, cette trempe, ou la deuxième de ces
trempes,
ayant été suivie par un revenu à 200 C. Lorsque le taux de martensite est
supérieur ou
égale à 75% après trempe à l'eau à 20 C, les autres résultats donnés dans le
tableau 2
concernent l'état trempé à 20 C suivi du revenu à 200 C. Lorsque le taux de
martensite
est inférieur à 75% après la trempe à l'eau à 20 C, les autres résultats
donnés dans le
tableau 2 concernent l'état après un traitement cryogénique (trempe jusqu'à
une très
basse température, effectuée par exemple dans de la neige carbonique) à -80 C,
suivi du
revenu à 200 C.
La tenue à la corrosion est évaluée par un test électrochimique de corrosion
par
piqûre dans un milieu composé de NaCI 0.02M, à 23 C et à pH de 6.6. Le test
électrochimique réalisé sur 24 échantillons permet de déterminer le potentiel
E01 pour
lequel la probabilité élémentaire de piqûration est égale à 0.1 cm-2. La tenue
à la corrosion
est considérée comme non satisfaisante si le potentiel E01 est inférieur à 350
mV, mesuré
par rapport à l'électrode au calomel saturée au KCI (350 mV/ECS). Elle est
considérée
comme satisfaisante si le potentiel E01 est compris entre 350 mV/ECS et 450
mV/ ECS.
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Elle est considérée comme très satisfaisante si le potentiel E01 est supérieur
à 450
mV/ECS.
La dureté Vickers est mesurée dans l'épaisseur sur une coupe polie miroir,
sous
une charge de 1kg avec une pointe pyramidale en diamant de base carrée,
suivant la
norme EN ISO 6507. La moyenne des duretés obtenues est calculée en réalisant
10
empreintes. La dureté est considérée comme insuffisante si la dureté moyenne
est
inférieure à 500 HV. Elle est considérée comme satisfaisante si la dureté
moyenne est
comprise entre 500 HV et 550 HV. Elle est considérée comme très satisfaisante
si la
dureté moyenne est comprise entre 551 et 600 HV. Elle est considérée comme
excellente
si la dureté moyenne est supérieure à 600 HV.
La polissabilité est évaluée en effectuant un polissage à plat jusqu'à la mi-
épaisseur de l'échantillon, en utilisant successivement les papiers SiC 180,
320, 500, 800
et 1200 sous une force de 30 N, puis un polissage sur drap imbibé de pâte
diamantée de
granulométrie 3 um puis 1 um sous une force de 20 N. La surface est ensuite
observée
au microscope optique au grandissement de x100. La polissabilité est
considérée comme
non satisfaisante si la densité de défauts appelés classiquement queues de
comète
est supérieure ou égale à 100/cm2. La polissabilité est considérée comme
satisfaisante si
cette densité est comprise entre 10/cm2 et 99/cm2. La polissabilité est
considérée comme
très satisfaisante si cette densité est comprise entre 1 et 9/cm2. La
polissabilité est
considérée comme excellente si cette densité est inférieure à 1/cm2.
La santé interne est évaluée en observant l'acier brut de solidification en
coupe
par métallographie optique au grandissement x25. La santé interne n'est pas
satisfaisante
et indiquée par la valeur 0 dans le tableau 2 si des cavités globulaires
(soufflures)
traduisant la formation de bulles d'azote à la solidification sont observées.
Dans le cas
contraire la santé interne est considérée comme satisfaisante et indiquée par
la valeur
1 dans le tableau 2.
Le taux de martensite est déterminé par diffraction des rayons X en mesurant
l'intensité des raies caractéristiques de la martensite comparativement à
l'intensité des
raies caractéristiques de l'austénite sachant que, dans tous les échantillons
examinés, ce
sont les deux seules phases en présence. De manière générale, il ne serait pas
exclu que
l'on observe marginalement d'autres phases dans des échantillons selon
l'invention. C'est
le taux de martensite qui est avant tout à considérer dans le cadre de
l'invention.
Un taux de martensite supérieur ou égal à 75% après trempe à 20 C et revenu à
200 C, ou supérieur ou égal à 75% après une trempe à 20 C, un traitement
cryogénique
à -80 C et un revenu à 200 C, est satisfaisant. Si un taux de martensite de
75% ou plus
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ne peut être obtenu par l'un de ces traitements, l'échantillon est considéré
comme non
satisfaisant.
Polissabilité
Martensite
Eco Dureté Santé Martensite ( /0)
(queues de (%)
(mV/ECS) HV interne trempe 20 C
comète/cm2) trempe -80
C
11 610 554 0 1 100 100
12 695 536 0 1 97 100
13 570 650 0 1 95 100
14 510 698 1 88 95
47
15 510 689 36 1 78 86
16 610 648 1 76 85
43
17 660 687 51 1 69 81
18 515 700 0,8 1 97 100
19 565 690 06 1 96 100
,
Invention 110 580 689 0,5 1 94 97
111 690 680 0,5 1 90 94
112 565 689 8 1 92 98
113 510 670 0,4 1 95 100
114 540 628 1 76 86
49
115 535 580 0 1 98 100
116 520 682 1 90 97
3
117 580 653 2 1 93 100
118 565 5200 1 100 100
119 585 621 0 1 96 100
R1 240 488 1 100 100
0
R2 240 566 02 1 100 100
,
R3 190 683 124 1 97 100
R4 330 693 1 18 95 100
R5 490 680 0 93 99
Références 0,2
R6 400 686 1 109 93 98
R7 630 650 24 0 63 79
R8 550 699 215 1 48 70
R9 705 615 1 56 50 72
R10 510 479 0 1 100 100
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R11 445 583 68 1 100 100
R12 390 7080 1 92 97
R13 605 4890 1 100 100
R14 655 6320 0 95 100
Tableau 2 : résultats des essais réalisés sur les échantillons du tableau 1
Les aciers selon l'invention 11 à 16, ainsi que les aciers 18 à 19, combinent
de
bonnes propriétés de tenue à la corrosion, de dureté et de polissabilité, et
présentent une
bonne santé interne, ainsi qu'un taux de martensite supérieur ou égal à 75%
dès après
une trempe à 20 C.
L'acier selon l'invention 17 combine de bonnes propriétés de tenue à la
corrosion,
de dureté et de polissabilité, et présente une bonne santé interne ainsi qu'un
taux de
martensite supérieur ou égal à 75%, mais à condition d'effectuer un traitement
cryogénique à -80 C. En effet à l'issue d'une simple trempe à l'eau à 20 C, le
taux de
martensite n'est pas encore suffisant, ce qui est à relier à la présence de Cr
à un niveau
supérieur à celui des autres échantillons selon l'invention.
A niveau de N comparable, on voit que la dureté augmente entre d'une part les
échantillons 11, 12 où C est entre 0,10 et 0,20%, et d'autre part les
échantillons 13 où C est
entre 0,20 et 0,30% et surtout 18, 19,110 où C est entre 0,30 et 0,35%.
114, où C est encore plus élevé et N est du même niveau que les précédents, a
une dureté moindre qu'eux, car la fraction de martensite après trempe commence
à
baisser de par la diminution de la température Mf en relation avec une valeur
élevée de
l'expression 17Cr + 5000 + 500N (voir le tableau 1). Egalement à niveaux de N
et des
autres éléments essentiels comparables, on voit que l'augmentation de Cr
permet
d'améliorer la résistance à la corrosion, voir les échantillons 18 et 19.
Inversement,
l'augmentation de la teneur en Cr tend à diminuer la dureté, voir les
échantillons 18, 110 et
111 dont les compositions ne diffèrent significativement que sur Cr. Aller au-
delà de 18%
de Cr pourrait augmenter la résistance à la corrosion, mais conduirait à
diminuer les
teneurs en C et N pour conserver une Ms satisfaisante, et une dureté correcte
ne serait
plus assurée.
Les aciers de référence R1 à R3 ont des teneurs en Cr et N, ainsi que des
sommes C + N et/ou Cr + 16 N ¨ 5 C insuffisantes, ce qui ne permet pas une
tenue à la
corrosion satisfaisante.
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Les aciers de référence R4 et R5 ont des teneurs en Cr insuffisantes. Sans
compensation par un ajout de N, l'acier R4 présente aussi une combinaison Cr +
16 N ¨ 5
C insuffisante conduisant à une tenue à la corrosion non satisfaisante. Pour
l'acier R5, la
compensation du manque de Cr par un ajout de N rétablit une tenue à la
corrosion
5 satisfaisante, mais ne permet plus d'assurer une bonne santé interne car
la teneur en Cr
n'est plus suffisante pour permettre une dissolution complète de N dans le
métal liquide.
L'acier de référence R6 a une teneur en C trop élevée et une teneur en N
insuffisante. La teneur en C trop élevée ne permet pas une aptitude au
polissage
suffisante du fait de la formation de carbures trop importante.
10 L'acier de référence R7 a une teneur en N trop élevée, ce qui dégrade
la santé
interne. Il en est de même pour l'acier de référence R14. L'acier de référence
R8 à une
teneur excessive en C, ce qui conduit à une mauvaise polissabilité et à un
taux de
martensite trop faible même après une trempe cryogénique à -80 C. L'acier de
référence
R9 contient trop de Cr, ce qui conduit à un taux de martensite insuffisant
même après une
15 trempe cryogénique à -80 C.
Les aciers de référence R10 et R11 ont des teneurs en C trop faibles ainsi que
des sommes C + N insuffisantes, conduisant à des duretés trop faibles. Les
aciers de
référence R12 et R13 auraient des compositions conformes à l'invention sur les
teneurs
individuelles de chaque élément, mais leur somme Cr + 16 N - 5 C, qui est
inférieure à
16,0%, est insuffisante pour garantir une résistance à la corrosion aussi
élevée que celle
des aciers qui sont en tous points conformes à l'invention, y compris de ceux
qui ne
dépassent que de peu la valeur 16,0% pour cette somme Cr + 16 N ¨ 5 C.
Les aciers selon l'invention sont utilisés avec profit pour la fabrication
d'outils de
coupe, comme par exemple des scalpels, des ciseaux, des lames de couteaux ou
des
lames circulaires de robots ménagers.
