Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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Acier à haute résistance mécanique et à l'usure.
La présente invention concerne un acier à haute résistance
mécanique et haute résistance à l'usure.
Dans de nombreuses industries on utilise des aciers à résistance à
l'usure élevée. Se sont par exemple des aciers destinés à fabriquer des
équipements pour les industries minérales et qui doivent résister à
l'abrasion. Ce sont également des aciers destinés à fabriquer des outils
pour la mise en forme à froid ou à mi-chaud de pièces métalliques et qui
doivent résister à l'usure par frottement métal contre métal. Pour ces
applications d'outillage, au moins, les aciers doivent conserver de bonnes
propriétés malgré des échauffements à des températures pouvant
atteindre 500 C, voire 600 C.
Outre cette résistance à l'usure, les aciers considérés ici doivent
avoir des propriétés adaptées afin de pouvoir être usinés ou soudés. Ils
doivent enfin pouvoir résister à des chocs ou à des efforts intenses.
D'une façon générale, pour obtenir l'ensemble des propriétés
souhaitées, on utilise habituellement des aciers contenant environ entre
0,3 % et 1,5 % de carbone, moins de 2 % de silicium, moins de 2 % de
manganèse, éventuellement jusqu'à 3 % de nickel, entre 1% et 12 % de
chrome, entre 0,5 % et 5 % de molybdène, avec ajout éventuel de
vanadium ou de niobium.
Dans ces aciers, la tenue à l'usure résulte principalement du
durcissement engendré par la précipitation secondaire de carbures de
molybdène. Cette tenue à l'usure peut être améliorée, le cas échant, par la
présence de gros carbures lédéburitiques surtout riches en chrome.
La présence nécessaire de fortes teneurs en éléments
carburigènes forts, tels que le molybdène et le vanadium, assurant une
précipitation secondaire suffisamment durcissante et stable en
température, présente cependant l'inconvénient d'engendrer la formation
de veines fortement ségrégées en ces éléments et en carbone et, de ce
fait, très dures et très fragiles. Ces veines ségrégées rendent l'usinage ou
le soudage difficile. En outre, elles constituent des zones fragiles qui,
même localisées, peuvent réduire très sensiblement la tenue aux chocs et
aux efforts de flexion intenses des pièces.
Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient
en proposant un moyen pour obtenir un acier dont les propriétés sont
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équivalentes à celles des aciers connus, mais dont la nocivité des veines
ségrégées est sensiblement réduite.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour réduire la
nocivité des veines ségrégées d'un acier à haute résistance mécanique et
haute résistance à l'usure dont la composition comprend en poids :
0,30% < C < 1,42%
0,05% _< Si 1,5 %
Mn < 1,95 %
Ni < 2,9 /a
1,1 % Cr 7,9 %
0,61 % Mo 4,4%
- éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi le
vanadium, le niobium et le tantale en des teneurs telle que
V<_ 1,45 %, Nb <_ 1,45 %, Ta _ 1,45 %, et V+ Nb/2 + Ta/4 <_ 1,45 %,
- éventuellement jusqu'à 0,1 % de bore,
- éventuellement jusqu'à 0,19 % de soufre, jusqu'à 0,38% de
sélénium et jusqu'à 0,76 % de tellure, la somme S + Se/2 + Te/4 restant
inférieure ou égale à 0,19 %,
- éventuellement jusqu'à 0,01 % de calcium,
- éventuellement jusqu'à 0,5 % de terres rares
- éventuellement jusqu'à 1 % d'aluminium,
- éventuellement jusqu'à 1% de cuivre,
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. La
composition satisfaisant en outre :
800 D <_ 1150
avec :
D = 540 (C) 1,25 + 245 (Mo + 3 V + 1,5 Nb + 0,75 Ta) ,30+125 Cr ,20 +
15,8 Mn + 7,4 Ni + 18 Si
Selon ce procédé :
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- on substitue tout ou partie du molybdène par une proportion
double de tungstène de telle sorte que la teneur W en tungstène soit
supérieure ou égale à 0,21 %,
- et on ajoute du titane et/ou du zirconium destinés à former,
essentiellement en cours de solidification, des gros carbures, et un
supplément de carbone 8C égal à Ti/4 + Zr/8, de sorte que la teneur en
carbone après ajustement sera visée égale à C' = C avant ajustement +
Ti/4 + Zr/8.
Les teneurs ajoutées en titane et/ou zirconium seront telles que :
Ti + Zr/2 >_ 0,2 x W
(Ti + Zr/2) x C' >_ 0,07
c'est à dire encore, compte tenu de ce que C' =(C + Ti/4 + Zr/8)
(où C = teneur en carbone avant ajustement) :
(Ti+Zr/2) > 2(-C+ C2+0,07 )
et,
Ti+Zr/2 <_1,49%
La quantité de carbone rajoutée 8C formant précocement des
carbures de titane et/ou zirconium, n'est plus disponible et n'intervient
donc pas dans la précipitation secondaire durcissante de carbures de
molybdène, tungstène, vanadium et, secondairement chrome. Celle-ci
dépend du carbone libre C* après ajustement = C' - Ti/4 - Zr/8. Il en
résulte que le durcissement de l'acier n'est pas modifié par le procédé, à
la dispersion près liée aux dispersions pratiques de réalisation des visées
en aciérie. On estime à cet égard, que la dispersion résultante sur le
facture D ne dépasse pas 5 %, de sorte que l'on souhaite :
0,95 x D avant ajustement < D après ajustement < 1,05 x D avant
ajustement, où D après ajustement = 540 (C'- Ti/4 - Zr/8) ,25 + 245 (Mo
après ajustement + W/2 + 3 V + 1,5 Nb + 0,75 Ta) ,30 + 125 Cr 20 +
15,8 Mn + 7,4 Ni + 18 Si.
De préférence, on ajuste la composition pour que D après
ajustement = D avant ajustement.
Lorsque la teneur en Chrome est comprise entre 2,5 et 3,5 %, et si
les teneurs en carbone, titane et zirconium sont telles que C ~ 0,51 %
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avant ajustement, on limite de préférence les teneurs en W pour que,
après ajustement,
W_ 0,85 % si Mo < 1,21 % et W/Mo _ 0,7 si Mo >_ 1,21 %.
L'invention concerne également un acier à haute résistance
mécanique et haute résistance à l'usure, éventuellement susceptible d'être
obtenu par le procédé selon l'invention, dont la composition chimique
comprend, en poids :
0,35 % C 1,47 %,
0,05 % Si < 1,5 %,
Mn 1,95 %,
Ni 2,9 %,
1,1 % <_ Cr <_ 7,9 %,
0 % <_ Mo <_ 4,29 %,
0,21%_W<_4,9%
0,61 %<_ Mo + W/2 <_ 4,4 %
0 lo <_ Ti <_ 1,49 %
0%<_Zr_2,9%
0,2% <_ Ti+Zr/2 <_ 1,49%
- éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi le vanadium,
le niobium et le tantale, en des teneurs telles que V<_1,45 %,
Nb <_1,45 %, Ta <_1,45 % et V + Nb/2 + Ta/4 <_1,45 %,
- éventuellement jusqu'à 0,1 % de bore,
- éventuellement jusqu'à 0,19 % de soufre, jusqu'à 0,38 % de
sélénium et jusqu'à 0,76 % de tellure, la somme S + Se/2 + Te/4 restant
inférieure ou égale à 0,19 %,
- éventuellement jusqu'à 0,01 % de calcium,
- éventuellement jusqu'à 0,5 % de terres rares,
- éventuellement jusqu'à 1 % d'aluminium,
- éventuellement jusqu'à 1% de cuivre,
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration,
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la composition satisfaisant les conditions suivantes :
(Ti + Zr/2)/W > 0,20
(Ti + Zr/2) x C > 0,07
0,3 %<_ C* <_ 1,42 %, et de préférence <_ 1,1 %
5 800 <_ D <_ 1150
avec
D=540 (C*) 1,25 + 245 (Mo + W/2 + 3V + 1,5 Nb + 0,75 Ta) 1,3
+ 125 Cr ,20 + 15,8 Mn + 7,4 Ni + 18 Si
et
C* = C - Ti/4 - Zr/8,
en outre, si C* > 0,51 %, et si 2,5 % s Cr <_ 3,5 %, alors W 5 0,85 % si
Mo < 1,21 %, et W/Mo <_ 0,7 si Mo >_ 1,21 %.
De préférence, l'acier peut satisfaire en outre une ou plusieurs des
conditions suivantes:
Si < 0,45 %, si l'on souhaite privilégier la conductivité thermique,
ou
Si >_ 0,45 % si on souhaite privilégier l'aptitude au travail à chaud,
ou encore :
Mo + W/2 > 2,2 % pour augmenter la résistance à l'adoucissement
de l'acier et lui conférer une résistance élevée ;
Cr >_ 3,5 % pour contribuer à la fois à la trempabilité et au
durcissement ;
C<_ 0,85 % si on veut privilégier la ténacité,
ou
C > 0,85 % si on veut obtenir une tenue à l'usure la plus élevée
possible.
En outre, l'acier peut être tel que :
Ti+Zr/2< 0,7%
afin de privilégier la ténacité,
ou tel que :
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Ti + Zr/2 > 0,7 %
afin de privilégier la résistance à l'usure.
L'invention concerne également un procédé pour fabriquer une
pièce en acier conforme à l'invention, selon lequel :
- on élabore un acier liquide ayant la composition souhaitée en
ajustant les teneurs en titane et/ou en zirconium dans le bain d'acier
fondu, préférentiellement en évitant à tout instant les sur-concentrations
locales en titane et/ou zirconium dans le bain d'acier fondu,
- on coule ledit acier pour obtenir un demi-produit ;
- puis on soumet ledit demi-produit à un traitement de mise en
forme par déformation plastique à chaud et, éventuellement, à un
traitement thermique, pour obtenir ladite pièce.
De préférence, dans le but de limiter les surconcentrations
transitoires dans le bain liquide, l'addition de titane et/ou de zirconium est
faite en ajoutant progressivement le titane et/ou le zirconium à un laitier
recouvrant le bain d'acier liquide et en laissant le titane et/ou le zirconium
diffuser lentement dans le bain d'acier liquide.
L'ajout de titane et/ou de zirconium peut également être effectué
par introduction d'un fil comportant du titane et/ou du zirconium dans le
bain d'acier liquide, tout en agitant le bain.
L'invention concerne enfin une pièce en acier selon l'invention
susceptible d'être obtenue par le procédé de fabrication selon l'invention.
L'invention va maintenant être décrite plus en détails mais de façon
non limitative et illustrée par des exemples et l'unique figure qui
représente le taux de ségrégation du tungstène en fonction du rapport
(Ti+Zr/2) / W pour différents aciers.
Il est connu que le tungstène est un élément d'alliage dont les effets
sur les propriétés de l'acier sont comparables à ceux du molybdène. En
particulier, il est connu que le tungstène a des effets de durcissement et
de résistance à l'adoucissement thermique comparables à ceux du
molybdène dans la proportion de deux parts de tungstène pour une part
de molybdène. Cependant, le tungstène est peu utilisé, sauf dans certains
aciers très alliés non concernés par la présente invention, et ce,
notamment, parce qu'il est beaucoup plus coûteux que le molybdène. De
plus, le tungstène, comme le molybdène, présente l'inconvénient de
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ségréger très fortement et de donner lieu à des veines ségrégées très
dures et très fragiles.
Or, les inventeurs ont constaté, de façon nouvelle et surprenante,
qu'en présence de quantités suffisantes de titane ou de zirconium, la
ségrégation du tungstène est très sensiblement atténuée ; effet
particulièrement intéressant à exploiter quand, en outre, la teneur en
molybdène est déjà elle aussi relativement élevée.
Une hypothèse susceptible d'éclairer a posteriori ce résultat
inattendu pourrait être la suivante :
- les éléments tels que le molybdène et le tungstène forment des
carbures sous forme de fins précipités qui durcissent la matrice et ainsi
permettent d'obtenir la dureté souhaitée pour l'acier. Les veines
ségrégées, qui se caractérisent notamment par des sur-concentrations en
molybdène ou en tungstène, présentent donc une forte augmentation de
la densité de précipités durcissant et donc une forte augmentation locale
de dureté et de fragilité.
- Le titane ou le zirconium forment également dés carbures. Mais
ces carbures sont relativement gros, et par conséquent, comparativement
peu nombreux et n'ont pas d'effet durcissant notable sur la matrice
métallique elle-même.
- les inventeurs ont constaté de façon nouvelle et inattendue que,
lorsque l'acier contient simultanément du titane et/ou du zirconium d'une
part, et du tungstène d'autre part, le tungstène a tendance à précipiter
conjointement avec le titane et/ou le zirconium pour former les gros
précipités non durcissant.
Ainsi, compte tenu de ces observations, on peut penser, qu'en
présence de titane et/ou de zirconium, la teneur en tungstène et donc la
densité de fins précipités durcissant de carbures est diminuée et ce, plus
particulièrement au niveau des veines ségrégées où les gros carbures de
titane ou zirconium sont beaucoup plus nombreux, du fait même de la
ségrégation. Il en résulterait que l'écart de dureté entre les veines
ségrégées et les zones non ségrégées serait ainsi sensiblement atténué,
et la nocivité des veines ségrégées (en particulier présence de zones de
fragilité accrue, difficultés d'usinage, réponse hétérogène au polissage et
au grenage, au rechargement par soudure...) s'en trouverait réduite.
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En partant de ces observations et de l'hypothèse qui vient d'être
formulée, les inventeurs ont imaginé un procédé permettant de réduire
sensiblement les inconvénients des veines ségrégées d'aciers contenant
une proportion significative de molybdène, tout en conservant l'ensemble
des propriétés d'usage essentielles de l'acier considéré.
Le procédé selon l'invention, s'applique à un acier qui, avant mise
en uvre du procédé, contient principalement de 0,30 % à 1,42 % de
carbone, de 0,05 % à 1,5 % de silicium, moins de 1,95 % de manganèse,
moins de 2,9 % de nickel, de 1,1 % à 7,9 % de chrome, de 0,61 % à 4,4 %
de molybdène, éventuellement jusqu'à 1,45 % de vanadium, jusqu'à
1,45 % de niobium, moins de 1,45 % de tantale avec V + Nb/2 +Ta/4 <_
1,45 %. Cet acier a un indice de dureté D, qui sera explicité plus loin,
compris entre 800 et 1150. Il peut contenir, en outre, jusqu'à 0,1 % de
bore, jusqu'à 0,19 % de soufre, jusqu'à 0,38 % de sélénium, jusqu'à
0,79 % de tellure, la somme S + Se/2 + Te/4 restant inférieure à 0,19 %,
éventuellement jusqu'à 0,01 % de calcium, jusqu'à 0,5 % de terres rares,
jusqu'à 1% d'aluminium et jusqu'à 1% de cuivre.
Selon ce procédé, on substitue tout ou partie du molybdène par une
proportion sensiblement double de tungstène, on ajoute du titane et/ou du
zirconium de façon à obtenir des quantités suffisantes de titane et/ou de
zirconium compte tenu des quantités de tungstène introduites dans l'acier,
et on ajuste la teneur en carbone de telle sorte que, notamment, la dureté
de l'acier reste substantiellement inchangée.
Pour cela, par exemple en utilisant la formule permettant de
calculer l'indice de dureté D qui séra explicité plus loin ou par tout autre
moyen que connaît l'homme du métier, on choisit la composition à viser
pour l'acier sans tungstène de façon à obtenir les caractéristiques d'emploi
recherchées, en particulier le niveau de dureté. Puis on modifie la
composition visée en choisissant une teneur en tungstène, en ajustant en
conséquence la teneur en molybdène et les teneurs en titane ou zirconium
et en carbone, de telle sorte qu'au moins une des caractéristiques
d'emploi principales, en particulier la dureté, reste substantiellement
inchangées. Puis, on élabore un acier correspondant à l'analyse modifiée.
Par substantiellement inchangée , on entend, par exemple, que la
dureté de l'acier après ajustement de la composition est égale à la dureté
de l'acier avant ajustement de la composition, à 5 % près. Cette tolérance
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est introduite pour tenir compte des difficultés pratiques qu'il y a à
réaliser
un acier ayant exactement des propriétés définies par avance. Cependant,
il est souhaitable que les caractéristiques obtenues soient les plus
proches possible des caractéristiques visées pour l'acier avant ajustement
de la composition. Aussi, il est préférables que la tolérance ne soit que de
2 %, et, dans la mesure où on s'intéresse uniquement aux caractéristiques
visées, il est encore plus préférable que la caractéristique de dureté visée
après ajustement de la composition soit égale à la caractéristique de
dureté visée avant ajustement de la composition.
Dans ce procédé, la quantité de tungstène ajoutée doit être
supérieure ou égale à 0,21 %, de préférence supérieure à 0,4 %, mieux
supérieure à 0,7 %, et mieux encore supérieure à 1,05 %. En effet, plus la
substitution du molybdène par le tungstène est importante, plus l'effet sur
les ségrégations est marqué. Cependant, cet effet dépend des teneurs en
titane ou zirconium, ce qui conduit, en général, à limiter par ailleurs
l'addition maximale de tungstène.
Pour obtenir l'effet souhaité sur les ségrégations, les teneurs en
titane et zirconium doivent être telles que la somme Ti + Zr/2 soit
supérieure ou égale à 0,2 x W, de préférence supérieure ou égale à 0,4 x
W, mieux encore supérieure ou égale 0,6 x W. Cependant, pour des
raisons qui seront exposés plus loin, il n'est pas souhaitable de trop
augmenter les teneurs en titane ou zirconium. Cela conduit indirectement
à limiter les additions de tungstène à 4,9 % maximum. En général, la
teneur en tungstène reste inférieure à 2,9 %, mieux 1,9 % ou même
inférieur ou égal à 0,85 %, voire 0,49 %.
En outre, en fonction des teneurs en titane et/ou zirconium, la
teneur en carbone doit être ajustée pour que la teneur en carbone libre
C* = C' - Ti/4 - Zr/8 reste sensiblement constante, c'est-à-dire, pour que
la teneur en carbone libre C* après ajustement de la composition soit
sensiblement égale à la teneur en carbone C avant ajustement de la
composition (dans cette formule, C' représente la teneur en carbone de
l'acier après ajustement de la composition). Cette condition est nécessaire
pour maintenir sensiblement constante la dureté et la résistance à
l'adoucissement thermique de l'acier. D étant l'indice de dureté qui sera
défini plus loin, on vise à avoir :
0,95 x D avant ajustement < D après ajustement < 1,05 x D avant
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justement
ou mieux :
0,98 x D avant ajustement < D après ajustement < 1,02 x D avant
ajustement
5 ou mieux encore :
D après ajustement = D avant ajustement.
En pratique, la procédure de choix des teneurs à ajuster comporte :
- le choix de la teneur en tungstène à substituer à une part moitié
de molybdène, en fonction du degré minimal de réduction souhaité de la
10 ségrégation (les tableaux 2, 3, 4 ou la figure peuvent constituer des
guides
à cet égard) ;
- le choix de la teneur en Ti et/ou Zr, plus ou moins élevée selon
que l'on privilégie respectivement la tenue à l'usure ou la ténacité et qui
doit par ailleurs être suffisante par rapport à l'addition de tungstène
puisqu'il faut que (Ti + Zr/2) >_ 0,2 W.
- la détermination de l'accroissement de carbone à viser en fonction
des teneurs précédentes, à savoir, SC = Ti/4 + Zr/8.
On va maintenant décrire l'acier conforme à l'invention, susceptible
d'être obtenu par le procédé selon l'invention et qui présente l'avantage
d'avoir des veines ségrégées moins nocives que celles des aciers de
même dureté, conformes à l'art antérieur.
L'acier conforme à l'invention contient plus de 0,35 % de carbone,
de préférence plus de 0,51 %, et mieux plus de 0,65 %, afin de pouvoir
former suffisamment de carbures et atteindre le niveau de dureté que l'on
souhaite obtenir, mais moins de 1,47 % et de préférence moins de 1,1 %
et mieux encore moins de 0,98 % afin d'éviter de trop fragiliser l'acier.
Comme on l'a vu précédemment, l'acier contient du titane et zirconium, et
ces éléments se combinent à haute température avec le carbone pour
former des carbures primaires. Ainsi, après formation des carbures
primaires de titane et de zirconium, le carbone dit libre qui reste
disponible pour agir sur les propriétés de la matrice est le carbone libre,
non combiné au titane et au zirconium. Cette quantité de carbone non
combiné au titane et au zirconium, désignée par C*, est telle que : C* = C -
Ti/4 - Zr/8 (C, Ti et Zr étant les teneurs de l'acier en carbone, titane et
zinconium, respectivement ; dans la suite C, sera également appelé
teneur en carbone total ). Cette quantité de carbone disponible, doit
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être suffisante pour permettre la précipitation de carbures secondaires et
en particulier de carbures de tungstène, de molybdène ou d'autres
éléments qui sont ajoutés dans l'acier, et de ce point de vue, cette teneur
en carbone libre C* doit être supérieure ou égale à 0,3 %. Cependant,
cette teneur ne devra pas dépasser 1,42 %, et de préférence 1,1 %
ou mieux 0,98 %, ou mieux encore 0,79%, pour ne pas nuire
excessivement à la ténacité de la matrice proprement dite.
Par ailleurs, il peut être souhaitable de limiter encore la teneur
maximum en carbone total C à 0,85 %, ou mieux 0,79%, afin de faciliter
les opérations de fabrication, en particulier afin de réduire les précautions
à prendre pour le refroidissement des lingots ou des brames ; il est alors
préférable que la teneur en carbone libre C* reste inférieure à 0,60 %,
voire 0,50 %. Au contraire, il peut être souhaitable de choisir une teneur
en carbone total C supérieure à 0,85 %, afin d'améliorer la résistance
mécanique et la résistance à l'usure de l'acier. Ce choix est fait au cas par
cas, en fonction de l'usage qui est envisagé pour l'acier.
L'acier contient plus de 0,05 % de silicium, car cet élément est un
désoxydant. En outre, il contribue un peu au durcissement de l'acier.
Cependant la teneur en silicium doit rester inférieure ou égale à 1,5 % et
de préférence inférieure ou égale à 1,1%, mieux 0,9 %, et mieux encore ,
inférieure ou égale à 0,6 %, afin d'éviter de fragiliser excessivement l'acier
et de trop réduire son aptitude à la déformation plastique à chaud, par
exemple par laminage. En outre, il peut être souhaitable d'imposer une
teneur minimale en silicium de 0,45 %, et mieux de 0,6 %, afin d'améliorer
l'usinabilité de l'acier et d'améliorer également la résistance à l'oxydation.
L'amélioration à la résistance à l'oxydation est particulièrement
souhaitable lorsque l'acier est utilisé pour fabriquer des pièces destinées à
travailler à des températures relativement élevées de l'ordre de 450 C à
600 C, ce qui nécessite une résistance à l'adoucissement suffisante. Or,
lorsqu'on désire obtenir une résistance à l'adoucissement suffisante pour
de telles conditions de travail, il est souhaitable que la teneur en Mo + W/2
soit supérieure ou égale à 2,2 %. De ce fait, les valeurs minimales de
teneur en silicium, 0,45 % ou mieux 0,6 %, sont plus particulièrement
intéressantes lorsque les teneurs en molybdène et tungstène sont telles
que la somme Mo + W/2 est supérieure ou égale à 2,2 %, sans que cela
ait néanmoins un caractère exclusif. Cependant, pour certaines
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applications, il est souhaitable que la conductivité thermique de l'acier soit
la plus grande possible. Dans ce cas, il est souhaitable que la teneur en
silicium reste inférieure à 0,45 %, et, de préférence, soit la plus faible
possible.
L'acier contient du manganèse jusqu'à 1,95 % en poids afin
d'améliorer la trempabilité de l'acier, mais cette teneur doit de préférence
rester inférieure ou égale à 1,5 % et mieux encore inférieure ou égale à
0,9 % afin de limiter les ségrégations qui entraîneraient une mauvaise
forgeabilité et une ténacité insuffisante. Il est à noter que l'acier contient
toujours un petit peu de manganèse, quelques dixièmes de pour cent, afin
notamment de fixer le soufre et il est préférable que la teneur en Mn soit
d'au moins 0,4 %.
L'acier contient jusqu'à 2,9 % de nickel pour ajuster la trempabilité
et améliorer la ténacité. Mais cet élément, est très coûteux. Aussi, on ne
cherche généralement pas une teneur en nickel dépassant 0,9 % ou
même 0,7 %. L'acier peut ne pas contenir de nickel mais lorsque le nickel
n'est pas ajouté volontairement, il est intéressant que l'acier en contienne
jusqu'à 0,2 % voire jusqu'à 0,4 % sous forme de résiduels résultant de
l'élaboration.
L'acier contient plus de 1,1 % de chrome et mieux plus de 2,1 %, et
mieux encore plus de 3,1 % et même plus de 3,5 %, afin d'obtenir une
trempabilité suffisante et augmenter le durcissement au revenu, mais
moins de 7,9 %, et mieux moins de 5,9 % ou mieux encore, moins de
4,9% afin de ne pas gêner la formation de carbures secondaires,
notamment contenant Mo et/ou W et, comme tels, plus efficaces que les
carbures de chrome en durcissement.
Ces carbures secondaires (c'est à dire formés lors du
refroidissement après ré-austénitisation et surtout lors du ou des revenus),
sont bien plus fins et nombreux que les carbures lédéburitiques
(éventuellement obtenus en fin de solidification). lis contribuent ainsi
fortement au durcissement de la matrice métallique après revenu. Ils sont
également utiles pour renforcer la tenue à l'usure de la matrice, limitant
ainsi le risque de déchaussement des gros carbures très durs de titane
et/ou de zirconium qui apportent eux-mêmes une forte contribution
complémentaire à la résistance à l'usure de l'acier.
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A l'intérieur de ce domaine de teneur en chrome, il est souhaitable
de distinguer deux sous-domaines préférentiels. En effet, lorsque la teneur
en chrome est suffisamment élevée, cet élément tend à former,
notamment dans les veines ségrégées, des carbures de type
lédéburitiques qui sont grossiers et plus ou moins disposés en réseaux
inter-dendritiques. Ces carbures, malgré un certain effet favorable sur la
tenue à l'usure, contribuent surtout à une fragilisation au moins locale de
la matrice. De sorte que lorsqu'on souhaite privilégier la dureté et la
résistance à l'usure au détriment de la ténacité, il est souhaitable de
choisir une teneur en chrome supérieure ou égale à 3,5 %, favorisant la
présence des carbures de type lédéburitiques. En revanche lorsqu'on
cherche à favoriser la ténacité de l'acier en acceptant une légère réduction
de la résistance à l'usure, il est préférable de choisir une teneur en chrome
inférieure ou égale à 2,5 %. Toutefois, dans la fourchette intermédiaire de
2,5 à 3,5 % de chrome, il est encore possible de privilégier la ténacité soit
en limitant la teneur en carbone libre à moins de 0,51 %, soit en limitant la
teneur en tungstène ou encore le rapport tungstène sur molybdène, car le
tungstène, de par sa propension à former des carbures plus stables en
température que ceux du molybdène, tend à favoriser la formation des
carbures lédéburitiques de chrome en s'alliant préférentiellement à ceux-
ci.
Les teneurs en molybdène et tungstène de l'acier devront être telles
que la somme Mo + W/2 soit supérieure ou égale à 0,61 %, de préférence
supérieure ou égale à 1,1 %, et mieux supérieure ou égale à 1,6 %. Il est
même souhaitable que cette teneur soit supérieure à 2,2 % afin d'obtenir
un durcissement important ainsi qu'une meilleure résistance à
l'adoucissement thermique, en particulier lorsque l'utilisation de l'acier
amène celui-ci à être réchauffé à des températures pouvant dépasser
450 C environ. Il s'agit par exemple du cas des aciers utilisés pour
réaliser des outillages de travail à mi-chaud de l'acier. Dans ce cas, la
somme Mo + W/2 pourra aller jusqu'à 2,9 % voire, 3,4 %, voire même
3,9 %, selon la dureté recherchée et la température de revenu que l'on
souhaite réaliser sur les pièces. Pour accéder à un très haut niveau de
résistance à l'usure de la matrice et limiter au maximum l'effet de sape et
retarder ainsi au maximum le déchaussement des gros carbures de Ti et
ou Zr, Mo + W/2 peut même aller jusqu'à 4,4 %.
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L'intérêt attaché à l'accroissement de la teneur en (Mo + W/2),
c'est-à-dire encore à la teneur en Molybdène avant application du
procédé, rend celui-ci d'autant plus intéressant à prendre en considération
puisque la ségrégation des carburigènes Mo, hors application du procédé,
va croissante avec les teneurs en ces éléments.
Dans le cadre défini précédemment pour les teneurs combinées en
Mo + W/2, la teneur en tungstène sera au minimum de 0,21%,
préférentiellement au moins 0,41 %, mieux encore au moins 0,61 %, afin de
tirer le meilleur parti de l'effet spécifique du tungstène.
La teneur en tungstène dépend du degré de réduction de la nocivité
des ségrégations recherché, comme indiqué plus haut, et peut également
intégrer le coût de l'alliage. Cette teneur peut aller jusqu'à 4,9 % mais, ne
dépassera habituellement pas 1,9 % ; on se contente en général de
teneurs inférieures ou égales à 0,90 % ou même à 0,79 %.
La teneur en Molybdène peut être au niveau de traces, mais de
préférence au moins égale à 0,51 % et mieux, même au moins égale à
1,4 %; mieux encore, au moins 2,05 %. D'autre part, selon le niveau de
résistance visé, il ne sera pas nécessaire de dépasser des teneurs limites
de 4,29 %, de préférence de 3,4 % ou, mieux, de 2,9 %, limitations qui
permettent par ailleurs de réduire d'autant les contributions du Molybdène
à la ségrégation durcissante.
Cependant, lorsque la teneur en chrome est comprise entre
environ 2,5 % et 3,5 %, et lorsque la teneur en carbone libre, C* = C - Ti/4
- Zr/8, est supérieure ou égale à 0,51 %, une trop forte teneur en
tungstène peut engendrer la formation de carbures de chrome plus ou
moins alliés au tungstène. Ces carbures, de type lédéburitique, grossiers
et plus ou moins disposés en réseaux interdentritiques, contribuent à une
fragilisation au moins locale de la matrice. Afin d'éviter cet inconvénient,
lorsque la teneur en chrome est comprise entre
2,5 % et 3,5 %, et la teneur en carbone libre C* supérieure ou égale à
0,51 %, alors la teneur en tungstène est limitée à pas plus de 0,85 %
lorsque la teneur en molybdène est inférieure à 1,21 %, et le ratio
tungstène/molybdène est limité à pas plus de 0,7 lorsque la teneur en
molybdène est supérieure ou égale à 1,21 %.
Les teneurs en titane et zirconium doivent être ajustées de telle
sorte que, la somme Ti + Zr/2 soit au moins égale à 0,21 % et de
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préférence supérieure ou égale à 0,41 % ou mieux, supérieure ou égale à
0,61 %, pour obtenir l'effet souhaité de réduction de la nocivité des veines
ségrégées. De plus, ces éléments contribuent à la formation de gros
carbures qui améliorent la tenue à l'usure. Cependant cette somme doit
5 rester inférieure à 1,49 % et de préférence inférieure à 1,19 % voire
inférieure à 0,99 % ou même inférieure à 0,79 % afin de ne pas trop
détériorer la ténacité. En outre, les teneurs en titane et zirconium doivent
être ajustées selon que l'on souhaite privilégier la ténacité de l'acier ou sa
résistance à l'usure. De ce point de vue, lorsque l'on souhaite privilégier la
10 ténacité de l'acier, la somme Ti + Zr/2 doit de préférence rester
inférieure
à 0,7 %. Lorsqu'on souhaite privilégier la résistance à l'usure de l'acier, la
somme Ti + Zr/2 doit de préférence être supérieure ou égale à 0,7 %.
Enfin, pour être efficace, c'est-à-dire conduire à la formation de gros
carbures, les teneurs en titane et zirconium doivent être suffisantes vis à
15 vis de la teneur en carbone total C. Pour cela, le produit (Ti + Zr/2) x C
doit
être supérieur ou égal à 0,07, de préférence supérieur ou égal à 0,12, et
mieux supérieur ou égal à 0,2.
Afin de concourir au respect des domaines de teneurs indiqués
pour Ti + Zr/2, la teneur minimale en titane peut être de 0%, ou de traces,
mais, il est préférable qu'elle soit au moins égale à 0,21 %, et mieux
0,41 %, mieux encore, 0,61 %; la teneur minimale en zirconium peut être
de 0%, ou de traces, mais il est préférable qu'elle soit au moins de
0,06 %, ou mieux au moins de 0,11 %. La teneur maximale en Titane est
de 1,49 % mais peut être réduite à 1,19 %, ou encore à 0,99 %, mieux à
0,79 % voire même à 0,7 %, tandis que la teneur maximale en Zirconium
est de 2,9 %, préférentiellement de 0,9 %, plus préférentiellement de
0,49%.
L'acier contient éventuellement jusqu'à 1,45 % de vanadium,
jusqu'à 1,45 % de niobium, jusqu'à 1,45 % de tantale, la somme V+ Nb/2
'30 + Ta/4 étant inférieure à 1,45 % , mieux inférieure à 0,95 % et même
inférieure à 0,45 %. La teneur minimale est de 0% ou de traces, mais, il
est préférable qu'elle soit au moins égale à 0,11 %, et mieux au moins
égale à 0,21 %. Le niveau d'ajout de V+ Nb/2 + Ta/4 contribue à fixer la
résistance et la réponse au revenu comme indiqué dans la formulation de
l'indice D.
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Ces éléments ont en effet l'avantage d'améliorer fortement la
résistance à l'adoucissement par la précipitation de carbures de type MC.
Parmi ces éléments, il est préférable de choisir le vanadium et de l'ajouter
en des teneurs comprises entre 0,11 % et 0,95 %. Le niobium, bien que
pouvant être utilisé, présente l'inconvénient de précipiter à plus haute
température que le vanadium, ce qui réduit fortement la forgeabilité de
l'acier. De ce fait la présence de niobium n'est pas recommandée et, en
tous cas, il est souhaitable que la teneur en niobium reste inférieur à 1%
voire 0,5 % ou, mieux encore, inférieure à 0,05 %.
L'acier contient éventuellement jusqu'à 0,095 % ou même jusqu'à
0,19 % de soufre pour améliorer l'usinabilité, toutefois, une teneur
inférieure à 0,005 % est préférable quand on cherche une bonne ténacité.
Pour obtenir un effet appréciable sur la réponse en usinage, une
teneur en Soufre minimale de 0,011 % ou, mieux, 0,051 % est souhaitable
Le soufre peut être substitué, en tout ou partie, par un poids double
de sélénium ou quadruple de tellure ; toutefois l'addition de soufre, plus
économique sera d'ordinaire, préférée. Par ailleurs, il peut être
intéressant de renforcer l'action favorable du Soufre sur l'usinabilité en
ajoutant du calcium en teneur allant jusqu'à 0,010 %, afin de promouvoir
la formation de sulfures mixtes de Mn et Ca, plus efficaces face à l'outil
coupant. Aussi, l'acier pourra contenir jusqu'à 0,38 % de sélénium, jusqu'à
0,76 % de tellure et jusqu'à 0,01 % de calcium, la somme S + Se/2 + Te/4
restant inférieure ou égale à 0,19 %.
L'acier contient, éventuellement, jusqu'à 0,5 % de terres rares pour
faciliter la germination des carbures et affiner la structure, et
éventuellement jusqu'à 0,1 % de bore afin d'améliorer la trempabilité.
L'acier peut également contenir jusqu'à 1% de cuivre. Cet élément
n'est pas souhaité mais peut être apporté par les matières premières qu'il
serait trop coûteux de trier. Néanmoins, la teneur en cuivre doit être limitée
car cet élément a un effet défavorable sur la ductilité à chaud. A cet égard
la présence de Ni en une teneur au moins égale à celle du cuivre est
souhaitée, au moins lorsque la teneur en cuivre dépasse 0,5% environ. En
effet, une teneur suffisante en nickel atténue la nocivité du cuivre.
De la même façon, l'acier peut contenir de l'aluminium qui, comme
le silicium, peut contribuer à la désoxydation du métal liquide. La teneur
en aluminium sera au niveau de traces ou mieux, au moins égal à 0,006%,
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mieux encore, au moins égal à 0,020%. D'autre part, la teneur en cet
élément doit rester inférieure à 1% pour garantir une propreté suffisante,
et, préférentiellement ne dépassera pas 0,100%, mieux encore sera
inférieure à 0,050%.
Le reste de la composition est constitué de fer et d'impuretés
résultant de l'élaboration. A noter que, lorsqu'un élément n'est pas ajouté
volontairement lors de l'élaboration, sa teneur est de 0% ou de traces,
c'est-à-dire correspondant, selon l'élément, soit aux limites de détection
par les méthodes d'analyse soit aux quantités apportées par les matières
premières sans qu'il y ait un effet significatif sur les propriétés.
Le durcissement obtenu au cours du revenu de cet acier dépend
des éléments dissous dans la matrice, tel que le manganèse, le nickel et
le silicium mais surtout des éléments susceptibles de former des carbures
tel que le molybdène, le tungstène, le vanadium, le niobium et, dans une
moindre mesure le chrome ainsi que du carbone libre dans la matrice,
c'est-à-dire du carbone qui n'a pas été fixé par le titane et par le
zirconium.
Comme indiqué plus haut, la teneur en carbone libre est C* = C - Ti/4 -
Zr/8.
Les inventeurs ont constaté que le durcissement de cet acier
pouvait être évalué en fonction de la composition chimique par
l'intermédiaire de la formule :
D = 540 (C*) '25 + 245 (Mo + W/2 + 3 V + 1,5 Nb + 0,75 Ta)o,so +
125xCr 20+15,8xMn+7,4xNi+18xSi.
D est un indice de dureté qui représente le durcissement résultant
du revenu pour des conditions de revenu standard (550 C pendant 1
heure). Plus la valeur de D est importante plus la dureté après revenu à
température déterminée est élevée, ou encore, plus la température
permettant d'atteindre un niveau de dureté donnée est élevée.
Par ailleurs, à valeur donnée de D, la dureté varie en fonction de la
température et temps de revenu comme il est connu de l'homme de
métier.
On notera que cette formule s'applique aussi bien à l'acier selon
l'invention ou l'acier obtenu par le procédé selon l'invention, qu'à l'acier
de
départ auquel on applique le procédé selon l'invention. Dans tous les cas,
les teneurs à prendre en compte sont les teneurs effectives de l'acier pour
lequel on fait le calcul. C'est pourquoi, lorsque la formule est appliquée à
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.
un acier de départ qui ne contient ni tungstène, ni titane, ni zirconium, C
est remplacé par C, car C* = C dans ce cas, et le terme W/2 disparaît, car
il est égal à 0.
D'une façon générale, le coefficient D est compris entre 800 et
1150. Cependant, cet intervalle peut être décomposé en sous intervalles
selon le niveau de dureté souhaité par l'utilisateur et la température de
revenu envisagée. En particulier la valeur de D sera comprise dans les
intervalles suivants :
- entre 800 et 900
- entre 901 et 950
- entre 951 et 1000
- entre 1001 et 1075
- entre 1076 et 1150
Dans ces intervalles, les niveaux de dureté typiques obtenus après
revenu à 550 C pendant une heure sont, à titre indicatif, respectivement
de l'ordre de : 45HRC, 52 HRC, 57 HRC, 60 HRC et 63 HRC.
Compte tenu de toutes les conditions indiquées précédemment, on
peut choisir un domaine préférentiel de composition défini comme suit,
pour l'acier selon l'invention
0,55<C< 1,1 %
0,21 %<Ti<1,19%
Zr : 0 % ou traces
0,05 % < Si < 0,9 %
Mn<0,9%
Ni < 0,9 %
2,1 % < Cr < 4,9 %
2,05 % < Mo < 2,9 %
0,21 % <W <0,79 %
0,21 % < V < 0,45%
Nb: 0% ou traces
A l'intérieur de ce domaine, on peut identifier des sous domaines,
ou groupes, définis par les fourchettes de teneur en carbone et en titane
et qui correspondent au fait qu'on privilégie plus ou moins la ténacité ou
la tenue à l'usure.
Ces groupes sont les suivants :
Groupe A:
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0,85%<C< 1,1 %
0,70 % < Ti < 1,19 %
GroupeB:
0,65%<C< 1,1 %
0,61 %<Ti<0,99%
Groupe C :
0,65%<C< 0,98%
0,41 % < Ti < 0,79 %
Groupe D :
0,51 % < C < 0,85 %
0,21 % < Ti < 0,70 %
A l'intérieur de chacun de ces groupes, le niveau de dureté peut
être réglé en tenant compte des influences des différents éléments
d'alliage indiquées par l'expression de l'indice de dureté D.
A niveau de dureté donné, les différentes groupes, dans l'ordre A,
B, C, et D, vont dans le sens d'un renforcement du niveau de ténacité au
prix d'une réduction de tenue à l'usure.
Un mode de réalisation particulièrement intéressant, correspondant
à un choix préférentiel en faveur de la ténacité, consiste à ajuster la
composition afin d'obtenir:
W = 0,2 à 0,9 % et (Ti + Zr/2) au moins égal à 0,35 % mais inférieur
à 0,49 %, avec (Mo + W/2 + 3 V + 1,5 Nb + 0,75 Ta) compris entre 2,5 %,
mieux 3,0 % en valeurs minimales, et 4,5 %, mieux 3,5 % en valeurs
maximales, le carbone libre C* étant par ailleurs compris entre 0,51 % et
1%, mieux, entre 0,6 % ét 0,9 %.
Un autre mode de réalisation particulièrement intéressant,
correspondant à un choix préférentiel en faveur de la tenue à l'usure,
consiste à ajuster la composition de façon à obtenir :
W = 0,2 à 0,9 % et (Ti + Zr/2) au moins égal à 0,49 % mais inférieur
à 0,95 %, avec (Mo + W/2 + 3 V + 1,5 Nb + 0,75 Ta) compris entre 2,5 %,
mieux 3,0 % en valeurs minimales, et 4,5 %, mieux 3,5 % en valeurs
maximales, le carbone libre C* étant par ailleurs compris entre
0,51 % et 1%, mieux, entre 0,6 % et 0,9 %.
Selon la présente invention, il est souhaitable que le titane et le
zirconium soient sous forme de carbures primaires et non pas sous forme
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de nitrures qui sont susceptibles de se former dans l'acier liquide,
notamment lorsque les surconcentrations transitoires en titane et en
zirconium dans le liquide juste après l'ajout sont trop élevées compte tenu
des teneurs en azote dissous qui existe toujours dans l'acier liquide.
5 Aussi, afin d'élaborer l'acier selon l'invention, on peut introduire le
titane et le zirconium de telle façon que ces deux éléments réagissent peu
avec l'azote et réagissent essentiellement avec le carbone. Cela est
obtenu en évitant, en phase liquide de l'acier, les sur-concentrations
transitoires en Ti ou Zr lors des additions de Ti et Zr.
10 Pour fabriquer une pièce en acier selon l'invention, on peut alors
procéder comme suit :
- tout d'abord, on élabore un acier liquide par fusion de l'ensemble
des éléments de la nuance selon l'invention, à l'exception du titane et/ou
du zirconium,
15 - puis on ajoute au bain d'acier fondu le titane et le zirconium en
évitant à tout instant les surconcentrations locales en titane et/ou en
zirconium dans le bain d'acier fondu.
Puis on coule un acier sous forme de demi-produit tel qu'un lingot
ou une brame, on met en forme par déformation plastique à chaud et par
20 exemple par laminage du demi-produit, puis on soumet le produit obtenu à
un éventuel traitement thermique.
Pour introduire le titane et le zirconium dans l'acier liquide en
évitant toute surconcentration locale, on peut procéder de diverses façons,
et en particulier on peut :
- soit ajouter du titane et/ou du zirconium dans le laitier couvrant le
bain d'acier liquide, en laissant le titane et le zirconium diffuser lentement
dans le bain d'acier.
- soit ajouter du titane et/ou du zirconium de façon continue par
l'intermédiaire d'un fil composé de cet ou de ces éléments tout en agitant
le bain d'acier liquide par du gaz ou par tout autre procédé adapté.
- soit ajouter le titane et/ou le zirconium en soufflant une poudre
contenant cet ou ces éléments dans le bain d'acide liquide tout en agitant
le bain par du gaz ou par tout autre procédé.
Dans le cadre de la présente invention, on préfère utiliser les
différents modes de réalisation qui viennent d'être décrits. Mais il est bien
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entendu que tout procédé permettant d'éviter une surconcentration locale
en titane et/ou en zirconium pourra être utilisé.
Cette procédure d'addition particulière de Ti et Zr n'est cependant
pas nécessaire à l'élaboration de l'acier considéré ici mais constitue une
option.
Les traitements thermiques auxquels peut être soumise la pièce
fabriquée sont de type classique pour les aciers d'outillage. Un tel
traitement thermique peut comporter éventuellement un ou plusieurs
recuits pour faciliter la découpe et l'usinage puis une austénitisation suivie
d'un refroidissement selon un mode adapté à l'épaisseur, tel qu'un
refroidissement à l'air ou à l'huile, éventuellement suivi d'un ou de
plusieurs revenus selon le niveau de dureté que l'on souhaite atteindre.
Par le procédé qui vient d'être décrit, on obtient des pièces en acier
ayant les mêmes caractéristiques d'emploi principales que les pièces en
acier selon l'art antérieur. Mais ces pièces présentent des veines
ségrégées très atténuées par rapport à celles qu'on observe sur les pièces
selon l'art antérieur. Il en résulte que ces pièces sont plus faciles à usiner
ou à souder et plus tenaces que les pièces selon l'art antérieur.
A titre d'exemple, et pour illustrer l'effet de synergie entre le
tungstène et le titane ou le zirconium, on peut réaliser des pièces dans
des aciers dont les compositions nominales sont rappelées au tableau 1.
Ce tableau qui indique les compositions chimiques, la valeur de l'indice D
de dureté et un indice de ségrégation I's rendant compte de la
ségrégation durcissante et fragilisante cumulée du Molybdène et du
Tungstène dans les veines ségrégées susceptible de créer le
durcissement secondaire. A cet effet on a mesuré au moyen d'une
microsonde les teneurs en molybdène et tungstène dans (Mos et Ws) et
hors (Moh et Wh) veines ségrégées, en masquant les gros carbures de
titane afin de bien prendre en compte les teneurs en Molybdène et
Tungstène dans la matrice, en dehors de ce qui peut être fixé dans ces
gros carbures de titane et zinconium (lesquels sont eux mêmes
susceptibles de contenir du molybdène ou du tungstène, formant en fait
des carbures mixtes (Ti Zr Mo W) C). De cette manière on apprécie bien la
part durcissante et fragilisante de Mo et W vis à vis de la matrice
métallique.
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On définit ainsi le taux de ségrégation, rs MW, des teneurs
cumulées en (Mo + W/2), égal à:
I's MW = ((Mos + Ws/2) - (Moh + Wh/2)) / (Moh + Wh/2)
Le critère Mo + W/2 a été retenu puisqu'il représente la contribution
durcissante cumulée des éléments Mo et W, tant en veines ségrégées
qu'en dehors de celles-ci.
TABLEAU1
C Ti Zr C* Si Mn Ni Cr Mo W V Nbmo+wi2 D I'sMW
a, com 0,31 0 0 0,31 0,2 0,7 0,4 3 0,75 0 0,10 0 0,75 825 133
a2 com 0,31 0 0 0,310,2 0,7 0,4 3 0,55 0,4 0,10 0 0,75 825 137
a3 lnv 0,41 0,40 0 0,31 0,2 0,7 0,4 3 0,55 0,4 0,10 0 0,75 825 106
b, com 0,6 0,4 0 0,5 0,510,5 0,3 6,5 2,2 0 0,3 0 2,2 999 128
b2 com 0,75 0,8 0,4 0,5 0,5 0,5 0,3 6,5 2,2 0 0,3 0 2,2 999 131
b3 Inv 0,75 0,8 0,4 0,5 0,5 0,5 0,3 6,5 1,5 1,4 0,3 0 2,2 999 98
cl com 0,80 0,25 0 0,74 0,9 0,45 0,25 3,9 2,1 0 0,28 0 2,1 1028 130
c2 Inv 0,80 0,25 0 0,74 0,9 0,45 0,25 3,9 1,2 1,80,28 0 2,1 1028 121
C3 Inv 0,95 0,85 0 0,74 0,9 0,45 0,25 3,9 1,2 1,80,28 0 2,1 1028 93
dl com 1,25 1 0 1 1 0,5 0,2 5 2,4 0 0,610 2,4 1117 127
d2 Inv 1,25 1 0 1 1 0,5 0,2 5 2,0 0,8 0,6 0 2,4 1117 107
d3 Inv 1,25 1 0 1 1 0,5 0,2 5 1,5 1,8 0,6 0 2,4 1117 91
Les exemples ai, bi, cl et dl correspondent à des aciers de
référence, c'est à dire à des aciers dont la composition est choisie avant
mise en uvre du procédé selon l'invention. Les autres exemples se
déduisent de ces aciers de références par le procédé selon l'invention,
sauf les exemples a2 et b2 pour lesquels les conditions relatives au
tungstène et titane ne sont pas respectées.
Les exemples a,, a2 et a3 ont la même dureté. L'exemple a2 se
déduit de l'exemple ai par le remplacement de 0,20% de molybdène par
0,40% de tungstène, sans ajout de titane. On constate que le taux de
ségrégation n'est pas modifié significativement.
L'exemple a3, conforme à l'invention, se déduit de l'exemple a, non
seulement par le remplacement de 0,20% de molybdène par 0,40% de
tungstène, mais en outre par l'ajout de 0,40% de titane et l'ajustement en
conséquence de carbone. On constate que le taux de ségrégation de cet
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acier est très sensiblement réduit par rapport à celui des exemples a, et
a2.
De la même façon, les exemples bi, b2 et b3 montrent que l'addition
de titane et de zirconium sans addition de tungstène n'a pas d'effet
(comparaison b1, b2), alors que l'effet recherché apparaît en présence de
tungstène partiellement substitué au molybdène (comparaison b2, b3).
Les exemples cl, c2 et c3 montrent que, à addition égale de
tungstène, une augmentation de l'addition de titane a un effet favorable
sur les ségrégations.
De la même façon, les exemples dl, d2, et d3 montrent qu'une
augmentation de la teneur en tungstène a un effet favorable dès lors que
les teneurs en titane ou zirconium sont suffisantes.
Pour illustrer l'effet du ratio (Ti+Zr/2) / W sur la ségrégation du
tungstène, on peut également considérer les exemples correspondant aux
aciers des coulées ref, 5, 7, 1, 9, 6, 2, 18, 13, 17 et 3 qui toutes
correspondent à l'invention, sauf la coulée ref. Les teneurs en éléments
principaux de ces coulées sont reportées au tableau 2; le reste de la
composition étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
TABLEAU 2
N coulée C Ti Zr Si Mn Ni Cr Mo W V Nb
Ref 0,82 0 0 0,35 1,15 0,25 5,00 0,90 0,57 0,11 0,00
5 0,37 0,20 0,00 1,00 0,50 0,20 3,00 1,50 0,60 0,20 0,00
7 0,62 0,55 0,21 0,50 0,40 1,20 2,20 1,00 1,50 0,20 0,15
1 0,37 0,35 0,00 1,00 0,50 0,20 3,00 1,50 0,60 0,20 0,00
9 0,75 0,80 0,40 0,50 0,50 0,30 6,50 1,40 1,50 0,30 0,00
6 0,50 0,50 0,00 0,40 0,60 0,20 5,00 1,20 0,60 0,25 0,10
2 0,41 0,42 0,00 0,20 0,70 0,40 3,00 0,40 0,50 0,10 0,00
18 0,95 0,85 0,00 0,90 0,45 0,25 2,10 1,60 0,95 0,28 0,00
13 1,00 1,00 0,00 0,60 0,60 0,20 3,80 1,00 1,00 0,25 0,20
17 1,25 1,00 0,00 1,00 0,50 0,20 5,00 2,40 0,80 0,60 0,00
3 0,55 0,95 0,00 0,25 0,70 0,30 2,50 0,45 0,45 0,10 0,00
CA 02565162 2006-10-31
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Au tableau 3, on a reporté la somme Ti+Zr/2, les teneurs en W, les
ratios (Ti +Zr/2)/W et les rapports Ws / W des teneurs en tungstène dans
les veines ségrégées aux teneurs nominales en tungstène.
Les valeurs du rapport Ws / W ont été reportées sur le graphique
de la figure, en fonction des valeurs du rapport (Ti+Zr/2)/W.
TABLEAU 3
n coulée Ti+Zr/2 W (Ti+Zr/2)/W Ws/W
ref 0 0,57 0 2,7
5 0,2 0,6 0,33 1,95
7 0,66 1,5 0,44 1,55
1 0,35 0,6 0,.58 1,73
9 1 1,5 0,67 1,15
6 0,5 0,6 0,83 1,48
2 0,42 0,5 0,84 1,52
18 0,85 0,95 0,89 1,12
13 1 1 1 1,09
17 1 0,8 1,25 0,94
3 0,95 0,45 2,11 0,79
Sur le graphique on voit que le rapport Ws / W devient
substantiellement inférieur à 2 dès que le rapport (Ti+Zr/2)/W dépasse 0,2.
On voit également que Ws / W décroît régulièrement lorsque (Ti+Zr/2)/W
augmente, alors qu'il est de 2,7 pour la coulée de référence qui ne
contient ni titane ni zirconium.
L'invention est également illustrée par les exemples correspondant
aux analyses indiquées dans le tableau 4 qui indique également le rapport
CA 02565162 2006-10-31
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Ws/W, lequel, dans tous les cas, est inférieur à 1,6 et peut même atteindre
0,67.
TABLEAU 4
N coulée C Ti Zr Si Mn Ni Cr Mo W V Nb Ws/W
21 0,82 0,41 tr 0,9 0,6 1,5 2,7 2,2 0,5 0,25 tr 1,51
22 0,95 0,83 0,2 0,8 0,6 0,2 4,1 2,3 0,3 0,25 tr 0,67
23 0,94 0,92 tr 0,7 1,3 0,2 3,2 2,5 0,5 0,4 tr 0,84
24 0,81 0,42 tr 0,9 0,8 0,2 4,4 1,4 0,7 0,15 0,20 1,65
25 0,72 0,4 tr 0,9 0,3 0,2 5,5 1,6 0,5 0,15 tr 1,52
26 0,79 0,71 0,4 0,9 0,6 0,2 4,4 1,5 0,5 0,15 tr 0,85
27 1,02 0,38 tr 0,9 0,9 0,3 2,1 1,5 0,5 0,15 tr 1,54
28 0,8 0,44 tr 0,2 0,6 1,4 2,7 2,1 0,5 0,25 tr 1,42
29 0,95 0,85 tr 0,3 0,6 0,2 4,0 2,3 0,4 0,20 tr 0,77
0,95 0,88 tr 0,2 1,4 0,2 3,1 2,6 0,5 0,4 tr 0,83
31 0,8 0,42 tr 0,3 0,9 2,1 4,7 1,5 0,7 0,15 tr 1,57
32 0,7 0,4 tr 0,3 0,3 1,2 3,5 1,4 0,5 0,15 0,25 1,47
33 0,8 0,9 tr 0,2 0,4 0,3 3,2 1,5 0,5 0,15 tr 0,82
34 1 0,44 tr 0,5 0,4 0,2 4,5 1,2 0,5 0,15 tr 1,44
0,71 0,41 tr 0,4 1,6 0,2 6,1 1,2 0,5 0,75 tr 1,46
36 0,91 0,92 tr 0,1 0,9 0,4 5,7 0,6 0,8 0,65 tr 1,03
37 1,25 0,95 tr 0,9 0,6 1,7 4,1 3,1 0,9 0,35 0,35 1,03
5
Ces exemples mettent également en évidence l'effet de la teneur
en silicium sur la conductibilité thermique de l'acier, et donc, l'intérêt
qu'il
y a à imposer une faible teneur en silicium lorsque l'acier est destiné à
réaliser des outillages pour lesquels on souhaite une bonne conductivité
10 thermique. Cet effet est illustré par les couples d'exemples 21 et 28, 22
et 29, 23 et 30. Dans chacun de ces couples, les exemples ne diffèrent
essentiellement que par les teneurs en silicium. Les conductivités
thermiques sont les suivantes :
15 Exemple n 21 : Si = 0,9% conductivité thermique = 20,6 W/m/K
Exemple n 28: Si = 0,2% conductivité thermique = 25,1 W/m/K
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Exemple n 22 : Si = 0,8% conductivité thermique = 21,3 W/m/K
Exemple n 29: Si = 0,3% conductivité thermique = 24,4 W/m/K
Exemple n 23: Si = 0,7% conductivité thermique = 20,7 W/m/K
Exemple n 30: Si = 0,2% conductivité thermique = 23,6 W/m/K
On voit ainsi qu'un bas silicium permet d'augmenter la conductivité
thermique de façon significative. Dans le cas des exemples, cette
augmentation va d'environ 15 % à environ 25 %.
