EP0474530B1 - Procédé d'élaboration de produits à très haute charge à la rupture à partir d'un acier austénitique instable, et produits en résultant - Google Patents

Procédé d'élaboration de produits à très haute charge à la rupture à partir d'un acier austénitique instable, et produits en résultant Download PDF

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EP0474530B1
EP0474530B1 EP91402232A EP91402232A EP0474530B1 EP 0474530 B1 EP0474530 B1 EP 0474530B1 EP 91402232 A EP91402232 A EP 91402232A EP 91402232 A EP91402232 A EP 91402232A EP 0474530 B1 EP0474530 B1 EP 0474530B1
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steel
deformation
tensile strength
temperature
martensite
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Jean-Michel Hauser
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Ugitech SA
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Ugine Savoie SA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/005—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment of ferrous alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/06—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires
    • C21D8/065—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires of ferrous alloys

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing products with a very high breaking load from an unstable austenitic steel, and the product obtained by this process, in particular in the form of a wire or strip.
  • This process is of the type in which the steel is subjected to a first plastic deformation at a temperature higher than the limit temperature (Md) of formation of martensite by deformation and lower than the recrystallization temperature and then to a second deformation of said steel to a temperature lower than said temperature (Md).
  • hot-rolled steel prior to the first deformation, is subjected to a standard annealing heat treatment known as hyper-hardening consisting in placing said steel at a temperature between 1000 and 1100 ° C for about 30 minutes.
  • hyper-hardening consisting in placing said steel at a temperature between 1000 and 1100 ° C for about 30 minutes.
  • the object of the invention is to control the formation of martensite so as to obtain products with particularly high tensile characteristics.
  • the steel in a first step, is subjected to plastic deformation at a temperature above the limit temperature (Md) for the formation of martensite by deformation and below the recrystallization temperature.
  • Md limit temperature
  • the breaking load of the steel is greater than 1000 MPa, preferably greater than 1300 MPa.
  • the steel is deformed at a temperature below (Md), in a determined range of martensite formation temperature so that for an additional rational deformation of 0.1, the increase in the rate of martensite formed does not exceed 20% at any time.
  • the steel is deformed at a temperature below (Md) with a cumulative rational deformation of between 0.7 and 3, which corresponds to a reduction rate of section included between 50 and 95%.
  • a minimum cumulative rational deformation of 0.7 is necessary to reach or slightly exceed the breaking loads envisaged in the drawing processes of the prior art.
  • the steel is subjected to an aging treatment.
  • the reduction rate can be much higher than this minimum rate.
  • the products with very high breaking load according to the invention in particular in the form of wire or strip, are obtained by a plasticity effect induced by deformation.
  • Aging of steels subjected to warm work hardening, followed by cold work hardening according to the process can increase the breaking load by around 200 MPa and sometimes more depending on the grade of steel used.
  • the conditions for obtaining high tensile strengths are attached on the one hand to the mechanical characteristics obtained during lukewarm hardening, the steel having to have at least one tensile strength greater than 1000 MPa and on the other hand to the conditions of cold work hardening, according to which the work hardening of the steel is carried out in a determined temperature range, called critical field of temperature of deformation of martensite, so that for an additional rational formation of 0.1, the increase in the rate of martensite formed does not exceed, at any time, 20%.
  • rational deformation is meant the logarithm of the ratio of the surface S of the section after deformation on the surface So of the initial section (ln S / So).
  • the determined range of martensite formation temperature is, for the steels taken as an example, included in the range -20 ° C. + 180 ° C. Indeed, beyond + 180 ° C there is no longer an appreciable amount of martensite, while below -20 ° C the formation of martensite is excessive.
  • the basic thread used in these three examples is a wire rod about 5.6mm in diameter; the wire is cold-worked at 250 ° C in several passes up to a diameter of approximately 2mm, then this wire is cold drawn at room temperature of 20 ° C in order to obtain a wire of approximately 0.5mm in diameter, the section reduction rates per drawing pass being approximately 25%. After each drawing pass the wire returns to room temperature before another pass.
  • the number of lukewarm passes is approximately 20, the number of cold passes being approximately 10.
  • the steel used for the implementation of the process is a steel referenced 1, having the following composition by weight: 0.08% of carbon, 18.6% of chromium, 8.5% of nickel, 0.3% of manganese , 0.5% silicon, 0.04% nitrogen.
  • Curve 1A represents, for the steel referenced 1, the evolution of the rate of martensite as a function of the rational deformation, this rate of martensite reaching around 60% after cold drawing.
  • Curve 1B represents the evolution of the load at break during lukewarm hardening up to 1400 MPa then the evolution of the load at break during cold drawing thus reaching 2500 MPa; aging provides a breaking load of approximately 2700 Mpa.
  • the increase in the breaking load is obtained by controlling the increase in the formation of martensite from one wire drawing pass to another.
  • the steel used is a steel referenced 2, having the following weight composition: 0.09% carbon, 17.3% chromium, 8.3% nickel, 0.9% manganese, 0.8% silicon , 0.06% nitrogen.
  • Curve 2A illustrates for the steel referenced 2 the evolution of the rate of martensite as a function of the cumulative rational deformation, the rate of martensite reached being around 45%.
  • Curve 2B represents the evolution of the breaking load during lukewarm hardening, up to a breaking load of 1600 MPa, then the evolution of said breaking load during cold drawing, reaching about 2500 MPa.
  • the steel used is a steel referenced 3 and having the following composition: 0.09% carbon, 17.3% chromium, 7.7% nickel, 0.5% manganese, 0.8% silicon, 0.15% nitrogen, 1% aluminum.
  • the curve 3A represents for the steel referenced 3 the evolution of the rate of martensite as a function of the rational deformation, the rate of martensite being able to reach 95%.
  • Curve 3B represents the evolution of the breaking load during lukewarm hardening, up to the breaking load of approximately 1600 MPa, then the evolution of said breaking load during cold drawing, reaching around 2300 Mpa.
  • the gain after heat treatment at 480 ° C for 45 minutes is in this example about 300 MPa.
  • Such characteristics are obtained by the formation of martensite during cold drawing, slower formation on a product previously cold-worked at lukewarm than by direct cold drawing of the wire rod.
  • the first “lukewarm” deformation or work hardening operation may be a wire drawing, as described in the examples, but also a rolling, hammering or forging, twisting, alternating bending, or the like.
  • the second cold deformation operation can also take various aspects: drawing, rolling or other.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé d'élaboration de produits à très haute charge à la rupture à partir d'un acier austénitique instable, et le produit obtenu par ce procédé, notamment sous forme de fil ou de bande. Ce procédé est du type dans lequel on soumet l'acier à une première déformation plastique à une température supérieure à la température limite (Md) de formation de la martensite par déformation et inférieure à la température de recristallisation puis à une seconde déformation dudit acier à une température inférieure à ladite température (Md).
  • Généralement, l'acier laminé à chaud, préalablement à la première déformation, est soumis à un traitement thermique de recuit standard dit hyper-trempe consistant à placer ledit acier sous une température comprise entre 1000 et 1100°C pendant environ 30 minutes.
  • Un tel procédé est connu. Un grand nombre d'études ont été faites sur le comportement en traction, au-dessous de la température limite (Md) de formation de la martensite par déformation, tant à la température ambiante qu'en dessous de la température ambiante, de matériaux à l'austénite instable, préalablement écrouis au-dessus de ladite température limite (Md) qui peut varier en fonction de la composition de l'acier austénitique entre -150°C et +250°C.
  • On peut citer le brevet US n° 4 415 377 décrivant un procédé et un dispositif pour laminer des aciers à austénite instable et particulièrement un acier inoxydable, procédé selon lequel l'acier est soumis :
    • à un premier laminage au-dessus de la température limite (Md) puis,
    • à un second laminage au-dessous de la température limite (Md).
  • Ces deux laminages permettent d'obtenir de manière plus aisée des produits déterminés en dimension, c'est-à-dire de réduire le nombre de passes de laminage comparativement à l'obtention desdits produits par un laminage à froid, tout en conservant aux produits des caractéristiques mécaniques analogues.
  • Le procédé décrit dans le brevet cité ne permet pas l'obtention de caractéristiques mécaniques particulières en comparaison avec un laminage à froid.
  • Le but de l'invention est de contrôler la formation de martensite de façon à obtenir des produits de caractéristiques en traction particulièrement élevées.
  • A cet effet, dans une première étape, on soumet l'acier à une déformation plastique à une température supérieure à la température limite (Md) de formation de la martensite par déformation et inférieure à la température de recristallisation. Afin d'obtenir des caractéristiques mécaniques en traction très élevées, on s'assure qu'après déformation plastique, la charge à la rupture de l'acier est supérieure à 1000 MPa, de préférence supérieure à 1300 MPa.
  • Dans une seconde étape, on déforme l'acier à une température inférieure à (Md), dans un domaine déterminé de température de formation de la martensite de façon que pour une déformation rationnelle supplémentaire de 0,1, l'augmentation du taux de martensite formée ne dépasse pas, à tout instant, 20%.
  • De préférence, on déforme l'acier à une température inférieure à (Md) avec une déformation rationnelle cumulée comprise entre 0,7 et 3, ce qui correspond à un taux de réduction de section compris entre 50 et 95%.
  • Une déformation rationnelle cumulée minimale de 0,7 est nécessaire pour atteindre ou dépasser légèrement des charges à la rupture envisagées dans les procédés de tréfilage de l'art antérieur.
  • D'autre part, une déformation rationnelle cumulée ne peut dépasser 3, valeur correspondant à un seuil maximum admissible de fragilité de l'acier déformé.
  • De préférence après la seconde déformation, on soumet l'acier à un traitement de vieillissement.
  • Une déformation rationnel le supérieure à 1,65 correspondant à un taux de réduction de section supérieure à 80% introduit, au sein de l'acier, une quantité de défauts cristallographiques suffisante sous forme de dislocations pour favoriser l'accommodation, c'est à dire le développement de plaquettes de martensite sous l'effet de la déformation à froid. Le taux de réduction peut être largement supérieur à ce taux minimum.
  • L'invention concerne également un produit à très haute charge à la rupture obtenu par déformation, à partir d'un acier austénitique instable, sous forme notamment de fil ou de bande. Suivant trois variantes, ce produit élaboré selon le procédé de l'invention, est caractérisé en ce que :
    • l'acier austénitique est un acier comprenant dans sa composition :
         de 0,01 à 0,15 % de carbone
         de 13 à 22 % de chrome
         de 5 à 13 % de nickel
         de 0,2 à 2,5 % de manganèse
         de 0,2 à 3 % de silicium
         de 0,01 à 0,15 % d'azote,
         le cas échéant de 0,5 à 2 % d'aluminium et moins de 2 % de molybdène,
         le reste étant du fer, et en ce que sa charge à la rupture, avant vieillissement, est supérieure à 2300 MPa.
    • l'acier austénitique est un acier comprenant dans sa composition :
         de 0,2 à 1 % de carbone
         de 15 à 30 % de manganèse
         de 0,01 à 0,7 % d'azote,
         le cas échéant moins de 5 % de chrome et moins de 7 % d'aluminium,
         le reste étant du fer, et en ce que sa charge à la rupture, avant vieillissement, est supérieure à 2300 MPa.
    • l'acier austénitique est un acier comprenant dans sa composition :
         de 0,1 à 0,6 % de carbone
         de 6 à 25 % de nickel
         de 0 à 13 % de chrome
         de 0 à 4 % de molybdène
         de 0 à 3 % de silicium ;
         le reste étant du fer, et en ce que sa charge à la rupture, avant vieillissement, est supérieure à 2300 MPa.
  • La description qui suit, ainsi que les dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, feront bien comprendre l'invention.
  • Sur ces dessins :
    • les courbes 1A à 3A représentent dans deux opérations de laminage à tiède puis à froid pour trois aciers pris en exemple, le taux de martensite obtenu en fonction de différentes déformations rationnelles cumulées;
    • les courbes 1B à 3B représentent les caractéristiques en traction pour les trois aciers pris en exemple, en fonction de la déformation rationnelle cumulée, dans différentes conditions de traitement.
  • Les produits à très haute charge à la rupture selon l'invention, notamment sous la forme de fil ou de bande, sont obtenus par un effet de plasticité induite par déformation.
  • Les aciers écrouis à une température supérieure à la température limite (Md) de formation de la martensite par déformation, appelés aussi écrouis "à tiède" ne présentent pas de propriétés d'usage particulières.
  • Lorsque les aciers sont soumis à un écrouissage à tiède puis à un écrouissage à froid, on observe, dans certaines conditions, une plasticité particulièrement élevée, qui permet une transformation mécanique à froid par passes successives, par exemple avec des taux de réduction de 25% et l'obtention de niveaux de charge à la rupture de plus de 2300 Mpa, le produit conservant d'une passe à l'autre une ductilité acceptable.
  • L'effet de plasticité à froid après un écrouissage à tiède est d'autant plus important que la charge à la rupture de l'acier écroui à tiède est élevée.
  • Un vieillissement des aciers soumis à un écrouissage à tiède, suivi d'un écrouissage à froid selon le procédé peut augmenter la charge à la rupture d'environ 200 MPa et parfois plus en fonction de la nuance d'acier utilisée.
  • Les conditions d'obtention des hautes charges à la rupture sont attachées d'une part aux caractéristiques mécaniques obtenues lors de l'écrouissage à tiède, l'acier devant avoir au moins une charge à la rupture supérieure à 1000 MPa et d'autre part aux conditions d'écrouissage à froid, selon lesquelles l'écrouissage de l'acier est réalisé dans un domaine de température déterminé, appelé domaine critique de température de déformation de la martensite, de façon que pour une formation rationnelle supplémentaire de 0,1, l'augmentation du taux de martensite formé ne dépasse pas, à tout instant, 20%.
  • On entend par déformation rationnelle le logarithme du rapport de la surface S de la section après déformation sur la surface So de la section initiale (ln S/So).
  • Il est à noter qu'en fonction de la nuance d'acier ou d'alliage austénitique instable considérée, la vitesse de formation de la martensite, liée au domaine critique de température de formation de la martensite et à la déformation rationnelle cumulée comprise entre 0,7 et 3, doit être contrôlée pour l'obtention de caractéristiques mécaniques élevées, en d'autres termes il est nécessaire de ne pas former trop rapidement la martensite lors de l'écrouissage à froid.
  • Le domaine déterminé de température de formation de la martensite est, pour les aciers pris en exemple, compris dans l'intervalle -20°C +180°C. En effet, au-delà de +180°C il ne se forme plus de martensite en quantité appréciable alors qu'en deçà de -20°C la formation de martensite est excessive.
  • Des essais de tréfilage ont été réalisés et ont permis de mettre en évidence l'effet surprenant de la plasticité induite dans les aciers austénitiques instables, traités selon le procédé de l'invention.
  • Trois exemples de réalisation mettant en évidence l'invention vont être décrits ci-après :
  • Le fil de base utilisé dans ces trois exemples est un fil-machine d'environ 5,6mm de diamètre ; le fil est écroui à tiède à 250°C en plusieurs passes jusqu'à un diamètre d'environ 2mm, puis ce fil est tréfilé à froid à la température ambiante de 20°C afin d'obtenir un fil d'environ 0,5mm en diamètre, les taux de réduction de section par passe de tréfilage étant d'environ 25%. Après chaque passe de tréfilage le fil reprend la température ambiante avant une autre passe. Le nombre de passe à tiède est d'environ 20, le nombre de passe à froid étant d'environ 10.
    • Exemple 1 :
  • L'acier utilisé pour la mise en oeuvre du procédé est un acier référencé 1, ayant la composition pondérale suivante : 0,08% de carbone, 18,6% de chrome, 8,5% de nickel, 0,3% de manganèse, 0,5% de silicium, 0,04% d'azote.
  • Pendant l'écrouissage à tiède, il n'y a pas formation de martensite et la charge à la rupture atteinte est d'environ 1500 Mpa; après le tréfilage à froid la charge à la rupture du fil d'acier est d'environ 2500 MPa.
  • Un traitement de vieillissement à 400°C pendant une heure lui confère alors une charge à la rupture d'environ 2700 MPa.
  • La courbe 1A représente, pour l'acier référencé 1, l'évolution du taux de martensite en fonction de la déformation rationnelle, ce taux de martensite atteignant environ 60% après tréfilage à froid.
  • La courbe 1B représente l'évolution de la charge à la rupture lors de l'écrouissage à tiède jusqu'à 1400 MPa puis l'évolution de la charge à la rupture lors du tréfilage à froid atteignant alors 2500 MPa; un vieillissement permet d'obtenir une charge à la rupture d'environ 2700 Mpa.
  • L'augmentation de la charge à la rupture est obtenue en contrôlant l'augmentation de la formation de la martensite d'une passe de tréfilage à l'autre.
    • Exemple 2 :
  • L'acier utilisé est un acier référencé 2, ayant la composition pondérale suivante : 0,09% de carbone, 17,3% de chrome, 8,3% de nickel, 0,9% de manganèse, 0,8% de silicium, 0,06% d'azote.
  • La courbe 2A illustre pour l'acier référencé 2 l'évolution du taux de martensite en fonction de la déformation rationnelle cumulée, le taux de martensite atteint étant de 45% environ.
  • La courbe 2B représente l'évolution de la charge à la rupture lors de l'écrouissage à tiède, jusqu'à une charge à la rupture de 1600 MPa, puis l'évolution de ladite charge à la rupture lors du tréfilage à froid, atteignant environ 2500 MPa.
  • Un vieillissement à 400°C pendant 1 heure améliore la valeur de la charge à la rupture d'environ 200 MPa.
    • Exemple 3 :
  • L'acier utilisé est un acier référencé 3 et ayant la composition suivante : 0,09% de carbone, 17,3% de chrome, 7,7% de nickel, 0,5% de manganèse, 0,8% de silicium, 0,15% d'azote, 1% d'aluminium.
  • La courbe 3A représente pour l'acier référencé 3 l'évolution du taux de martensite en fonction de la déformation rationnelle, le taux de martensite pouvant atteindre 95%.
  • La courbe 3B représente l'évolution de la charge à la rupture lors de l'écrouissage à tiède, jusqu'à la charge à la rupture d'environ 1600 MPa, puis l'évolution de ladite charge à la rupture lors du tréfilage à froid, atteignant environ 2300 Mpa.
  • Le gain après traitement thermique à 480°C pendant 45 minutes est dans cet exemple d'environ 300 MPa.
  • De telles caractéristiques sont obtenues par la formation de martensite lors du tréfilage à froid, formation plus lente sur un produit préalablement écroui à tiède que par un tréfilage à froid direct du fil machine.
  • On peut obtenir des caractéristiques encore plus élevées :
    • en optimisant l'écrouissage à tiède;
    • par addition dans les compositions d'éléments tels que molybdène, silicium, ... pour durcir la martensite formée;
    • par addition d'éléments tels que cuivre, aluminium, ... favorisant des précipitations durcissantes lors du vieillissement final.
  • La première opération de déformation ou d'écrouissage "à tiède" peut être un tréfilage, comme décrit dans les exemples, mais aussi un laminage, un martelage ou un forgeage, une torsion, une flexion alternée, ou autre.
  • La deuxième opération de déformation à froid peut également prendre divers aspects : tréfilage, laminage ou autre.

Claims (9)

  1. Procédé d'élaboration de produits à très haute charge à la rupture, à partir d'un acier austénitique instable, selon lequel on soumet l'acier à une première déformation plastique à une température supérieure à la température limite (Md) de formation de la martensite par déformation et inférieure à la température de recristallisation, puis on soumet cet acier à une seconde déformation à une température inférieure à ladite température limite (Md), caractérisé en ce que lors de la seconde déformation, on déforme l'acier dans un domaine déterminé de température de formation de la martensite de façon que pour une déformation rationnelle supplémentaire de 0,1, l'augmentation du taux de martensite formée ne dépasse pas, à tout instant, 20%.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on déforme l'acier à une température inférieure à (Md) avec une déformation rationnelle cumulée comprise entre 0,7 et 3.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après la seconde déformation, on soumet l'acier à un traitement de vieillissement.
  4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première déformation plastique est assurée avec une déformation rationnel le supérieure à 1,65.
  5. Procédé selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce qu'après la première déformation plastique, la charge à la rupture de l'acier est supérieure à 1300 MPa.
  6. Produit à très haute charge à la rupture, obtenu à partir d'un acier austénitique instable, sous forme notamment de fil ou de bande, caractérisé en ce qu'il est élaboré par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, en ce que l'acier austénitique est un acier comprenant dans sa composition :
       de 0,01 à 0,15 % de carbone
       de 13 à 23 % de chrome
       de 5 à 13 % de nickel
       de 0,2 à 2,5 % de manganèse
       de 0,2 à 3 % de silicium
       de 0,01 à 0,15 % d'azote
       le cas échéant de 0,5 à 2 % d'aluminium et moins de 2 % de molybdène,
       le reste étant du fer, et en ce que sa charge à la rupture, avant vieillissement, est supérieure à 2300 MPa.
  7. Produit à très haute charge à la rupture, obtenu à partir d'un acier austénitique instable, sous forme notamment de fil ou de bande, caractérisé en ce qu'il est élaboré par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, en ce que l'acier austénitique est un acier comprenant dans sa composition :
       de 0,2 à 1 % de carbone
       de 15 à 30 % de manganèse
       de 0,01 à 0,7 % d'azote
       le cas échéant moins de 5 % de chrome et moins de 7 % d'aluminium, et en ce que sa charge à la rupture, avant vieillissement, est supérieure à 2300 MPa.
  8. Produit à très haute charge à la rupture, obtenu à partir d'un acier austénitique instable, sous forme notamment de fil ou de bande, caractérisé en ce qu'il est élaboré par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, en ce que l'acier austénitique est un acier comprenant en sa composition :
       de 0,1 à 0,6 % de carbone
       de 6 à 25 % de nickel
       de 0 à 13 % de chrome
       de 0 à 4 % de molybdène
       de 0 à 3 % de silicium,
       le reste étant du fer, et en ce que sa charge à la rupture, avant vieillissement, est supérieure à 2300 MPa.
  9. Produit selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que sa charge à la rupture après vieillissement est supérieure à 2500 MPa.
EP91402232A 1990-08-30 1991-08-12 Procédé d'élaboration de produits à très haute charge à la rupture à partir d'un acier austénitique instable, et produits en résultant Expired - Lifetime EP0474530B1 (fr)

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FR9010828A FR2666352B1 (fr) 1990-08-30 1990-08-30 Procede d'elaboration de produits a tres haute charge a la rupture a partir d'un acier austhenitique instable, et produits en resultant.
FR9010828 1990-08-30

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Publication Number Publication Date
EP0474530A1 EP0474530A1 (fr) 1992-03-11
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EP (1) EP0474530B1 (fr)
JP (1) JPH0681033A (fr)
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