EP1426452B1 - Procédé de fabrication d'une pièce en acier bainitique - Google Patents

Procédé de fabrication d'une pièce en acier bainitique Download PDF

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EP1426452B1
EP1426452B1 EP03292950A EP03292950A EP1426452B1 EP 1426452 B1 EP1426452 B1 EP 1426452B1 EP 03292950 A EP03292950 A EP 03292950A EP 03292950 A EP03292950 A EP 03292950A EP 1426452 B1 EP1426452 B1 EP 1426452B1
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EP
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steel
content
carried out
precipitation
trace levels
Prior art date
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EP03292950A
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Pierre Dierickx
Gaëlle André
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Ascometal SA
Original Assignee
Ascometal SA
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Publication date
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    • C21D2211/004—Dispersions; Precipitations

Definitions

  • the invention relates to metallurgy, and more specifically the field of steels for the manufacture of parts to withstand significant stresses.
  • such parts are made of hardened and tempered steel or, as far as possible, of forged steel with a ferrito-pearlitic structure which is supposed to offer a better technical-economic compromise, but whose mechanical performance is still limited. .
  • Ferritic-pearlitic steels often used for this purpose are types XC70, 45Mn5, 30MnSiV6 and 38MnSiV5, and undergo, after rolling or forging, simple cooling in line with still air. Their method of implementation is therefore relatively economical, but their service life in the presence of high demands is limited.
  • the object of the invention is to propose an association between a steel grade and a part manufacturing process, having economic advantages over existing associations without the metallurgical performance being altered, or even improving these performances.
  • the part thus manufactured will have to withstand heavy fatigue stresses.
  • this manufacturing process should, in particular, be adaptable to any forging line.
  • the steel contains from 5 to 50 ppm B.
  • the steel contains 0.005 to 0.04% Ti.
  • the Ti content is preferably at least 3.5 times the N content of the steel.
  • the steel contains from 0.005 to 0.06% Nb.
  • the steel contains from 0.005 to 0.2% of S.
  • the steel contains at least one of the elements Ca up to 0.007%, Te up to 0.03%, Se up to 0.05%, Bi up to 0.05% and Pb up to 0.1%.
  • the C content of the steel is between 0.06 and 0.20%.
  • the Mn content of the steel is then preferably between 0.5 and 1.5%, and the Cr content is preferably between 0.3 and 1.2%.
  • the Ni content of the steel can then be preferably between traces and 1%.
  • the Ni content of the steel can then also be between 2 and 4.5%, and the Al content is then between 1 and 2%.
  • the precipitation yield is in the general case preferably between 425 and 600 ° C.
  • the precipitation yield is preferably between 425 and 500 ° C for 1 to 10h.
  • the precipitation is preferably between 500 and 600 ° C for more than 1 hour.
  • the precipitation is preferably between 500 and 550 ° C for more than 1 hour.
  • Said hot deformation may be a rolling.
  • Said hot deformation may be forging.
  • the controlled cooling of the blank is carried out at a rate of less than 3 ° C / s between 600 and 300 ° C.
  • a steel part obtained by the process according to the invention has a bainitic microstructure, and typically a tensile strength Rm of 750 to 1300 MPa and a yield strength Re greater than or equal to 500 MPa.
  • the invention consists of the combination of a steel grade and a post-casting treatment process comprising a hot forming step of the part, a controlled cooling being carried out in calm air or in pulsed air and a precipitation income preceding or following the machining of the room.
  • the composition of the selected steel ensures that, regardless of the cooling mode, the fatigue strength results of the parts manufactured from this steel will be sufficient to meet the requirements of the users.
  • the hot forming operation may consist of one or more rolling, or rolling followed by forging, or forging alone.
  • the bottom line is that the last hot deformation brings the steel between 1100 and 1300 ° C, and the controlled cooling takes place from this temperature.
  • the chemical characteristics of the steel and its heat treatments after casting aim at obtaining a bainitic microstructure, and also at obtaining optimized mechanical characteristics.
  • This bainitic microstructure must be able to be obtained after cooling in still air, but must also be compatible with forced air cooling.
  • the parts of the process of the invention can be produced on any existing installation, that it allows after forging or rolling a forced air cooling, or that it allows only a cooling in the calm air .
  • a forging installation initially designed to treat ferritic-pearlitic microstructure steel parts can without difficulty, and without special adaptations, treat bainitic microstructure parts of the process of the invention.
  • the bainitic microstructure steels previously used for these purposes required pulsed air cooling, and therefore could not always be processed on standard design facilities.
  • the last hot deformation is carried out at 1100-1300 ° C and is followed by air-controlled cooling in hot rolling or forging, in still air or forced air. This gives a rough sketch of the piece.
  • blade it should be understood that here is meant a bar, or a half-product in another form, from which the final piece will be obtained by machining, and this regardless of the mode of hot deformation practiced: rolling, forging or their combination.
  • a precipitation income is then made. This is either before or after machining the workpiece from said blank.
  • the carbon content is between 0.06 and 0.25%. This content makes it possible to govern the type of microstructure obtained. Less than 0.06%, the microstructure obtained would not be interesting for the objectives. Above 0.25%, in combination with the other elements, a sufficiently bainitic microstructure would not be obtained after cooling with still air.
  • the manganese content is between 0.5 and 2%. This element added to more than 0.5% gives its quenchability to the material, and allows to obtain a broad bainitic range regardless of the cooling mode. A content greater than 2% would, however, be likely to cause excessive segregation.
  • the silicon content is between traces and 3%. This element, which is not obligatory, is advantageous in that it hardens the bainite by passing it in solid solution.
  • silicon avoids the problems associated with the presence of copper during hot forming. A content greater than 3% can however pose problems of machinability of the material.
  • the nickel content is between traces and 4.5%. This non-obligatory element promotes quenchability and stabilization of austenite. If the aluminum content allows it, it can form very hardening NiAl precipitates, giving the metal high mechanical characteristics. In the case where copper is present in a relatively large quantity, nickel can play the same role as silicon. Above 4.5%, the addition of nickel is unnecessarily expensive in view of metallurgical objectives.
  • the aluminum content is between traces and 3%.
  • This non-obligatory element is a strong deoxidizer, and even added at a low level, it makes it possible to limit the amount of dissolved oxygen in the liquid steel, thus improving the inclusiveness of the room if it has been possible to avoid reoxidation too much. important during casting. At high levels, as has been said, it is likely to form NiAl precipitates if nickel is present in large quantities. It is not useful for the aluminum content to exceed 3%.
  • chromium content a non-mandatory element, is between traces and 1.2%. Like manganese, chromium contributes to the improvement of quenchability. Its addition becomes unnecessarily expensive beyond 1.2%.
  • the molybdenum content is between traces and 0.30%. This element, which is not mandatory, prevents the formation of coarse-grained ferrite and makes it possible to obtain the bainitic structure more definitely. Its addition is unnecessarily expensive beyond 0.30%.
  • the vanadium content is between traces and 2%. This element, not mandatory, serves to harden the bainite by passing it in solid solution. At high content, it also makes it possible to obtain precipitation hardening of carbides and / or carbonitrides. Its addition is unnecessarily expensive beyond 2%.
  • the copper content is between traces and 3.5%.
  • This element which is not mandatory, can improve machinability and, by precipitating, cause secondary hardening of the material. But beyond 3.5% it makes hot formatting of the problematic part. As has been said, it is advisable to associate a significant nickel or silicon content to minimize hot forming problems. Beyond 3.5% its addition is in any case unnecessarily expensive.
  • the boron content can be between 5 and 50 ppm. It can improve the hardenability, but must be in solid solution to be effective. In other words, it must be avoided that almost all the boron is found in the form of nitrides or carbonitrides of boron.
  • the minimum titanium content, for this purpose is 0.005%, for the lowest nitrogen contents usually encountered. However, it is advisable not to exceed a titanium content of 0.04%, otherwise we obtain titanium nitrides too large.
  • Titanium also has the function of limiting the magnification of the austenitic grain at high temperature, and can, for this, be added independently of boron, at a content of between 0.005 and 0.04%.
  • Niobium may also be added at levels of between 0.005 and 0.06%. He too can precipitate in the form of carbonitrides in the austenite, and can thus bring about a hardening of the material.
  • the machinability of the material can be improved by adding sulfur (from 0.005% to 0.2%), to which a calcium addition can also be added (up to 0.007%), and / or or tellurium (up to 0.03%) and / or selenium (up to 0.05%), and / or bismuth (up to 0.05%) and / or lead (up to 0.1%).
  • the part blank is forged or not according to the usual methods. It is heated to 1100-1300 ° C, then the deformations giving rise to the piece blank are carried out.
  • controlled cooling of the room is carried out, either in still air or in forced air.
  • the part is forced to cool at a speed less than or equal to 3 ° C / s between 600 and 300 ° C.
  • the precipitation yield is preferably between 425 and 600 ° C.
  • the temperature of the income and its duration are optimally adapted to the targeted characteristics.
  • the precipitation of copper is preferably obtained by treatment at 425-500 ° C for 1 to 10 hours.
  • Precipitation of vanadium is preferably obtained by treatment at 500-600 ° C for more than 1 hour.
  • Precipitation of NiAl is preferably obtained by treatment at 500-550 ° C for more than 1h.
  • the tensile strength Rm is from 1000 to 1300 MPa and the yield strength Re is of the order of 900 MPa or more.
  • the carbon content is limited to 0.06-0.2%, so as to obtain a bainite of hardness limited to 300-330 Hv30.
  • the manganese content should be between 0.5 and 1.5%, the chromium content between 0.3 and 1.2%, and the nickel content can be up to 1% if it is not that a good quenchability, or go from 2 to 4% if one seeks a NiAl precipitation as we have seen. In the latter case, the aluminum content is between 1 and 2%.
  • the tensile characteristics (yield strength, strength) of the product obtained after rolling or forging and cooling with controlled air are not particularly high: typically the tensile strength Rm is of the order of 750 -1050 MPa and the elasticity limit Re of the order of 500 to 750 MPa. But these steels have good machinability.
  • This example is representative of the variant of the invention for which a relatively low carbon content can be used, and precipitation hardening is achieved by the addition of copper.
  • composition of the steel is as follows, expressed in 10 -3 % by weight: VS mn Yes S P Or Cu Cr MB al Ti B NOT 80 1500 300 85 10 1500 2500 280 50 25 - - 6
  • a bainitic microstructure After hot forging at a temperature of 1250-1200 ° C and cooling with still air (average cooling rate of 1 ° C / s between 700 and 300 ° C) a bainitic microstructure is obtained with a moderate hardness of 265Hv30, providing a resistance of less than 900 MPa. With this level of mechanical characteristics, machinability is not a problem. Then, an income at 450 ° C, with a hold time of one hour, allows to increase the resistance characteristics to reach more than 340Hv30 hardness, providing a resistance of 1100MPa.
  • This example is representative of the variant of the invention for which a relatively low carbon content can be used, and precipitation hardening is carried out by the addition of vanadium.
  • composition of the steel is as follows, expressed in 10 -3 % by weight: VS mn Yes S P Or Cu Cr MB al Ti V 150 1230 250 80 20 150 200 205 50 30 - 820
  • This example is representative of the variant of the invention for which a relatively low carbon content can be used, and precipitation hardening is carried out by means of conjugate additions of nickel and aluminum.
  • composition of the steel is as follows, given in 10 -3 % by weight: VS mn Yes S P Or Cu Cr MB al Ti B NOT 95 1150 200 80 10 3000 206 220 60 1500 - 3 3
  • a bainitic microstructure After hot forging at a temperature of 1250-1200 ° C and cooling with still air (average cooling rate of 1 ° C / s between 700 and 300 ° C) a bainitic microstructure is obtained with a moderate hardness of 240Hv30, providing a resistance of less than 800 MPa. With this level of mechanical characteristics, machinability is not a problem. Then, an income at 520 ° C, with a holding time of 10 hours, increases the strength characteristics to reach more than 370Hv30 hardness, providing a resistance of the order of 1200MPa.
  • composition of the steel is as follows, given in 10 -3 % by weight: VS mn Yes S P Or Cu Cr MB al Ti V B 230 1500 700 80 11 150 150 800 70 20 25 190 3

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Description

  • L'invention concerne la métallurgie, et plus précisément le domaine des aciers destinés à la fabrication des pièces devant résister à d'importantes sollicitations.
  • Souvent, de telles pièces sont réalisées en un acier trempé et revenu ou, dans la mesure du possible, en acier forgé à structure ferrito-perlitique qui est censé offrir un meilleur compromis technico-économique, mais dont les performances mécaniques sont tout de même limitées.
  • Des aciers à structure ferrito-perlitique souvent employés à cet effet sont des types XC70, 45Mn5, 30MnSiV6 et 38MnSiV5, et subissent après laminage ou forgeage un simple refroidissement en ligne à l'air calme. Leur méthode de mise en oeuvre est donc relativement économique, mais leur durée de vie en présence de fortes sollicitations est limitée.
  • On a déjà proposé de réaliser de telles pièces en acier bainitique à partir d'une nuance de type 25MnSiCrVBS, le refroidissement après forgeage ou laminage ayant lieu à l'air. Les performances de tenue sont sensiblement améliorées par rapport aux exemples précédents, mais restent relativement limitées par rapport à ce qu'il est possible d'atteindre sur un acier trempé et revenu.
  • Le document JP-A-10-102184 divulgue un procédé de fabrication de pièce en acier comprenant les étapes suivantes:
    • coulée d'un acier de composition, en pourcentage de poids: C 0,04-0,08%; Mn 1,20-1,70%; Si 0,10-0,30%; Mo 0,100-0,500%; Ti 0,020-0,070; Nb 0.030-0,080%; balance Fe et impuretés;
    • chauffage entre 1200 et 1300°C;
    • laminage à chaud; et
    • bobinage entre 450 et 560°C.
  • Le but de l'invention est de proposer une association entre une nuance d'acier et un procédé de fabrication d'une pièce, présentant des avantages économiques par rapport aux associations existantes sans que les performances métallurgiques soient altérées, voire en améliorant ces performances. La pièce ainsi fabriquée devra résister à d'importantes sollicitations en fatigue. Dans le cas des pièces forgées, ce procédé de fabrication devrait, en particulier, être adaptable sur toute ligne de forgeage.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en acier, caractérisé en ce que :
    • on élabore et on coule un acier de composition, en pourcentages pondéraux, 0,06% ≤ C ≤ 0,25% ; 0,5% ≤ Mn ≤ 2% ; traces ≤ Si ≤ 3% ; traces ≤ Ni ≤ 4,5% ; traces ≤ Al ≤ 3% ; traces ≤ Cr ≤ 1,2% ; traces ≤ Mo ≤ 0,30% ; traces ≤ V ≤ 2% ; traces ≤ Cu ≤ 3,5% ; et respectant l'une au moins des conditions :
      • * 0,5% ≤ Cu ≤ 3,5%
      • * 0,5% ≤ V ≤ 2%
      • * 2% ≤ Ni ≤ 4,5% et 1% ≤ Al ≤ 2%
      le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ;
    • on effectue au moins une déformation à chaud de l'acier coulé pour obtenir une ébauche de la pièce à une température de 1100 à 1300°C ;
    • on effectue un refroidissement contrôlé de l'ébauche de la pièce à l'air calme ou à l'air pulsé à une vitesse inférieure à 3°C/s entre 600 at 300° C, de manière à lui conférer une microstructure bainitique;
    • et on réchauffe l'acier pour effectuer un revenu de précipitation, précédant ou suivant l'usinage de la pièce à partir de ladite ébauche.
  • De préférence, l'acier contient de 5 à 50 ppm de B.
  • De préférence, l'acier contient de 0,005 à 0,04% de Ti.
  • Si du B est présent, la teneur en Ti est de préférence égale à au moins 3,5 fois la teneur en N de l'acier.
  • De préférence, l'acier contient de 0,005 à 0,06% de Nb.
  • De préférence, l'acier contient de 0,005 à 0,2% de S.
  • Dans ce cas, de préférence, l'acier contient au moins un des éléments Ca jusqu'à 0,007%, Te jusqu'à 0,03%, Se jusqu'à 0,05%, Bi jusqu'à 0,05% et Pb jusqu'à 0,1%.
  • Selon une variante de l'invention, la teneur en C de l'acier est comprise entre 0,06 et 0,20%.
  • La teneur en Mn de l'acier est alors de préférence comprise entre 0,5 et 1,5%, et la teneur en Cr est de préférence comprise entre 0,3 et 1,2%.
  • La teneur en Ni de l'acier peut être alors de préférence comprise entre des traces et 1%.
  • La teneur en Ni de l'acier peut alors également être comprise entre 2 et 4,5%, et la teneur en Al est alors comprise entre 1 et 2%.
  • Le revenu de précipitation est dans le cas général effectué de préférence entre 425 et 600°C.
  • Lorsque l'acier contient 0,5 à 3,5% de Cu, le revenu de précipitation est de préférence effectué entre 425 et 500°C pendant 1 à 10h.
  • Lorsque l'acier contient 0,5 à 2% de V, le revenu de précipitation est effectué de préférence entre 500 et 600°C pendant plus d'1h.
  • Lorsque l'acier contient de 2 à 4,5% de Ni et 1 à 2% d'Al, le revenu de précipitation est effectué de préférence entre 500 et 550°C pendant plus d'1h.
  • Ladite déformation à chaud peut être un laminage.
  • Ladite déformation à chaud peut être un forgeage.
  • De préférence, le refroidissement contrôlé de l'ébauche est effectué à une vitesse inférieure à 3°C/s entre 600 et 300°C.
  • Une pièce en acier obtenue par le procédé selon l'invention a une microstructure bainitique, et typiquement une résistance à la traction Rm de 750 à 1300MPa et une limite d'élasticité Re supérieure ou égale à 500MPa.
  • Comme on l'aura compris, l'invention consiste en la combinaison d'une nuance d'acier et d'un procédé de traitement suivant la coulée comprenant une étape de mise en forme à chaud de la pièce, un refroidissement contrôlé pouvant être effectué à l'air calme ou à l'air pulsé et un revenu de précipitation précédant ou suivant l'usinage de la pièce. La composition de l'acier choisie garantit que, quel que soit le mode de refroidissement, les résultats de tenue en fatigue des pièces fabriquées à partir de cet acier seront suffisants pour répondre aux exigences des utilisateurs.
  • L'opération de mise en forme à chaud peut consister en un ou des laminages, ou en un laminage suivi d'un forgeage, ou en un forgeage seul. L'essentiel est que la dernière déformation à chaud amène l'acier entre 1100 et 1300°C, et que le refroidissement contrôlé ait lieu à partir de cette température.
  • Les caractéristiques chimiques de l'acier et ses traitements thermiques postérieurs à la coulée visent à l'obtention d'une microstructure bainitique, et également à l'obtention de caractéristiques mécaniques optimisées. Cette microstructure bainitique doit pouvoir être obtenue à la suite d'un refroidissement à l'air calme, mais doit aussi être compatible avec un refroidissement à l'air pulsé. De cette façon, les pièces du procédé de l'invention pourront être produites sur toute installation existante, que celle-ci permette après forgeage ou laminage un refroidissement à air pulsé, ou qu'elle ne permette qu'un refroidissement à l'air calme. Ainsi, une installation de forgeage initialement conçue pour traiter des pièces en acier à microstructure ferrito-perlitique pourra sans difficultés, et sans adaptations particulières, traiter des pièces à microstructure bainitique du procédé de l'invention. Les aciers à microstructure bainitique précédemment employés pour ces usages exigeaient un refroidissement à air pulsé, et ne pouvaient donc pas toujours être traités sur des installations de conception courante.
  • Selon l'invention, on commence donc par élaborer un acier dont la composition sera détaillée et justifiée plus loin, puis on le coule, en lingots ou en continu suivant le format de la pièce finale, et le plus généralement on le lamine de manière à obtenir un demi-produit.
  • On peut ensuite effectuer une opération de forgeage du demi-produit.
  • La dernière déformation à chaud est effectuée à 1100-1300°C et est suivie par un refroidissement contrôlé à l'air dans la chaude de laminage ou de forge, à l'air calme ou à l'air pulsé. On obtient ainsi une ébauche de la pièce.
  • Par le terme « ébauche », il doit être compris que l'on désigne ici une barre, ou un demi-produit sous une autre forme, à partir duquel la pièce définitive sera obtenue par usinage, et ceci indépendamment du mode de déformation à chaud pratiqué : laminage, forgeage ou leur combinaison.
  • On effectue ensuite un revenu de précipitation. Celui-ci se situe soit avant, soit après l'usinage de la pièce à partir de ladite ébauche.
  • Les fourchettes analytiques exigées sont les suivantes pour les différents éléments chimiques devant ou pouvant être présents (tous les pourcentages sont pondéraux).
  • La teneur en carbone est comprise entre 0,06 et 0,25%. Cette teneur permet de gouverner le type de microstructure obtenu. A moins de 0,06%, la microstructure obtenue ne serait pas intéressante pour les objectifs visés. Au-delà de 0,25%, en combinaison avec les autres éléments, on n'obtiendrait pas une microstructure suffisamment bainitique après refroidissement à l'air calme.
  • La teneur en manganèse est comprise entre 0,5 et 2%. Cet élément ajouté à plus de 0,5% procure sa trempabilité au matériau, et permet d'obtenir un domaine bainitique large quel que soit le mode de refroidissement. Une teneur supérieure à 2% serait cependant susceptible de provoquer des ségrégations trop importantes.
  • La teneur en silicium est comprise entre des traces et 3%. Cet élément, non obligatoire à proprement parier, est avantageux en ce qu'il durcit la bainite par son passage en solution solide. De plus, au cas où du cuivre serait présent en quantité relativement importante, le silicium permet d'éviter les problèmes associés à cette présence de cuivre lors de la mise en forme à chaud. Une teneur supérieure à 3% peut cependant poser des problèmes d'usinabilité du matériau.
  • La teneur en nickel est comprise entre des traces et 4,5%. Cet élément non obligatoire favorise la trempabilité et la stabilisation de l'austénite. Si la teneur en aluminium le permet, il peut former des précipités de NiAl très durcissants, procurant au métal des caractéristiques mécaniques élevées. Au cas où du cuivre serait présent en quantité relativement importante, le nickel peut jouer le même rôle que le silicium. Au-delà de 4,5%, l'addition de nickel est inutilement coûteuse au vu des objectifs métallurgiques visés.
  • La teneur en aluminium est comprise entre des traces et 3%. Cet élément non obligatoire est un désoxydant fort, et même ajouté à faible teneur, il permet de limiter la quantité d'oxygène dissous dans l'acier liquide, donc d'améliorer la propreté inclusionnaire de la pièce si on a su éviter des réoxydations trop importantes lors de la coulée. A forte teneur, comme on l'a dit, il est susceptible de former des précipités de NiAl si du nickel est présent en grande quantité. Il n'est pas utile que la teneur en aluminium dépasse 3%.
  • La teneur en chrome, élément non obligatoire, est comprise entre des traces et 1,2%. Comme le manganèse, le chrome contribue à l'amélioration de la trempabilité. Son addition devient inutilement coûteuse au-delà de 1,2%.
  • La teneur en molybdène est comprise entre des traces et 0,30%. Cet élément, non obligatoire, empêche la formation de ferrite à gros grains et permet d'obtenir plus assurément la structure bainitique. Son addition est inutilement coûteuse au-delà de 0,30%.
  • La teneur en vanadium est comprise entre des traces et 2%. Cet élément, non obligatoire, sert à durcir la bainite par son passage en solution solide. A forte teneur, il permet également d'obtenir un durcissement par précipitation de carbures et/ou de carbonitrures. Son addition est inutilement coûteuse au-delà de 2%.
  • La teneur en cuivre est comprise entre des traces et 3,5%. Cet élément, non obligatoire, peut améliorer l'usinabilité et, en précipitant, provoquer un durcissement secondaire du matériau. Mais au-delà de 3,5% il rend la mise en forme à chaud de la pièce problématique. Comme on l'a dit, il est conseillé de lui associer une teneur en nickel ou en silicium significative pour minimiser les problèmes de mise en forme à chaud. Au-delà de 3,5% son addition est de toute façon inutilement coûteuse.
  • Par ailleurs, il faut que l'une au moins des trois conditions suivantes soit respectée :
    • une teneur en cuivre comprise entre 0,5 et 3,5%
    • une teneur en vanadium comprise entre 0,5 et 2%
    • une teneur en nickel comprise entre 2 et 4,5% et une teneur en aluminium comprise entre 1 et 2%.
  • Les éléments que l'on vient de citer sont ceux dont le rôle métallurgique est ou peut être le plus important pour l'invention, mais d'autres éléments que l'on va citer peuvent aussi être optionnellement présents pour améliorer certaines propriétés de l'acier.
  • La teneur en bore peut être comprise entre 5 et 50ppm. Il peut améliorer la trempabilité, mais doit être en solution solide pour être efficace. Autrement dit, on doit éviter que tout le bore ou presque ne se retrouve sous la forme de nitrures ou carbonitrures de bore. A cet effet, il est conseillé d'associer à l'addition de bore une addition de titane, de préférence dans une proportion telle que 3,5 x N% ≤ Ti%. A cette dernière condition, on peut capter tout l'azote dissous et éviter la formation de nitrures ou de carbonitrures de bore. La teneur minimale en titane, à cet effet, est de 0,005%, pour les teneurs en azote les plus basses usuellement rencontrées. Il est cependant conseillé de ne pas dépasser une teneur en titane de 0,04%, sinon on obtient des nitrures de titane de taille trop élevée.
  • Le titane a également pour fonction de limiter le grossissement du grain austénitique à haute température, et peut, pour cela, être ajouté indépendamment du bore, à une teneur comprise entre 0,005 et 0,04%.
  • Du niobium peut également être ajouté, à des teneurs comprises entre 0,005 et 0,06%. Lui aussi peut précipiter sous forme de carbonitrures dans l'austénite, et peut ainsi apporter un durcissement du matériau.
  • Enfin, de manière classique, on peut améliorer l'usinabilité du matériau par une addition de soufre (de 0,005% à 0,2%), à laquelle on peut aussi associer une addition de calcium (jusqu'à 0,007%), et/ou de tellure (jusqu'à 0,03%) et/ou de sélénium (jusqu'à 0,05%), et/ou de bismuth (jusqu'à 0,05%) et/ou de plomb (jusqu'à 0,1%).
  • Une fois obtenu après laminage le demi-produit ayant la composition précédemment citée, on procède ou non à un forgeage de l'ébauche de la pièce selon les procédés habituels. On la chauffe jusqu'à 1100-1300°C, puis on exécute les déformations donnant naissance à l'ébauche de pièce.
  • En l'absence de forgeage, le laminage doit se terminer à une température de 1100-1300°C.
  • Puis immédiatement après le laminage, ou après le forgeage si cette opération a été effectuée, on effectue un refroidissement contrôlé de la pièce, soit à l'air calme, soit à l'air pulsé. De manière générale, on impose à la pièce un refroidissement à une vitesse inférieure ou égale à 3°C/s entre 600 et 300°C.
  • Selon l'invention, et ce avant ou après l'usinage de la pièce qui lui confère ses dimensions définitives, on procède à un durcissement de l'acier par précipitation au moyen d'un revenu, c'est-à-dire d'un traitement thermique faisant suite à un réchauffage à partir d'une température égale ou de peu supérieure à l'ambiante ; pour cela trois options sont possibles, et peuvent d'ailleurs être combinées :
    • la précipitation de cuivre, si la teneur en cuivre est comprise entre 0,5 et 3,5% ;
    • la précipitation de vanadium si sa teneur est comprise entre 0,5 et 2% ;
    • la précipitation de NiAl si la teneur en nickel est comprise entre 2 et 4,5% et la teneur en aluminium comprise entre 1 et 2%.
  • De manière générale, le revenu de précipitation est effectué de préférence entre 425 et 600°C. Mais la température du revenu et sa durée sont optimalement à adapter aux caractéristiques visées. A titre d'exemple, la précipitation du cuivre est obtenue de préférence par un traitement à 425-500°C pendant 1 à 10h. La précipitation de vanadium est de préférence obtenue par un traitement à 500-600°C pendant plus d'1h. La précipitation de NiAl est de préférence obtenue par un traitement à 500-550°C pendant plus d'1h.
  • Ce revenu peut être effectué :
    • soit après l'usinage de façon à avoir un métal pas trop dur pendant l'usinage ;
    • soit après le refroidissement contrôlé à l'air et avant l'usinage ; on réalise alors l'usinage sur une pièce à hautes caractéristiques mécaniques, ce qui le rend particulièrement précis.
  • Grâce à ce revenu, on peut obtenir des caractéristiques mécaniques élevées pour le produit obtenu. Typiquement, la résistance à la traction Rm va de 1000 à 1300 MPa et la limite d'élasticité Re est de l'ordre de 900 MPa ou davantage.
  • Optimalement, on limite la teneur en carbone à 0,06-0,2%, de manière à obtenir une bainite de dureté limitée à 300-330 Hv30. Optimalement, la teneur en manganèse doit être comprise entre 0,5 et 1,5%, la teneur en chrome entre 0,3 et 1,2%, et la teneur en nickel peut soit aller jusqu'à 1% si on ne vise qu'une bonne trempabilité, soit aller de 2 à 4% si on recherche une précipitation de NiAl comme on l'a vu. Dans ce dernier cas, la teneur en aluminium est comprise entre 1 et 2%.
  • Pour ces aciers, les caractéristiques de traction (limite d'élasticité, résistance) du produit obtenu après laminage ou forgeage et refroidissement à l'air contrôlé ne sont pas particulièrement élevées : typiquement la résistance à la traction Rm est de l'ordre de 750-1050 MPa et la limite d'élasticité Re de l'ordre de 500 à 750MPa. Mais ces aciers présentent une bonne usinabilité.
  • A titre d'exemples de mise en oeuvre de l'invention et d'exemple comparatif, on peut citer les essais suivants,
    • Exemple 1 (invention)
  • Cet exemple est représentatif de la variante de l'invention pour laquelle on peut utiliser une teneur en carbone relativement basse, et où on réalise le durcissement par précipitation grâce à une addition de cuivre.
  • La composition de l'acier est la suivante, exprimée en 10-3% pondéraux :
    C Mn Si S P Ni Cu Cr Mo Al Ti B N
    80 1500 300 85 10 1500 2500 280 50 25 - - 6
  • Après forgeage à chaud à une température de 1250-1200°C et refroidissement à l'air calme (vitesse de refroidissement moyenne de 1°C/s entre 700 et 300°C) une microstructure bainitique est obtenue avec une dureté modérée de 265Hv30, procurant une résistance inférieure à 900 MPa. Avec ce niveau de caractéristiques mécaniques, l'usinabilité ne pose pas de problèmes. Ensuite, un revenu à 450°C, avec une durée de maintien d'une heure, permet d'augmenter les caractéristiques de résistance pour atteindre plus de 340Hv30 de dureté, procurant une résistance de 1100MPa.
    • Exemple 2 (invention)
  • Cet exemple est représentatif de la variante de l'invention pour laquelle on peut utiliser une teneur en carbone relativement basse, et où on réalise le durcissement par précipitation grâce à une addition de vanadium.
  • La composition de l'acier est la suivante, exprimée en 10-3% pondéraux :
    C Mn Si S P Ni Cu Cr Mo Al Ti V
    150 1230 250 80 20 150 200 205 50 30 - 820
  • Après forgeage à chaud à une température de 1250-1200°C et refroidissement à l'air calme (en moyenne 1°C/s entre 700 et 300°C) d'une pièce de forge de diamètre équivalent à 15mm, une microstructure majoritairement bainitique est obtenue avec déjà une dureté importante de 300-320Hv30, procurant une résistance de 1000MPa environ, qui est actuellement la limite haute permettant encore une usinabilité correcte sur des moyens d'usinage classiques. Après un revenu de 2h à 580°C, le durcissement par le vanadium permet d'atteindre une dureté de l'ordre de 400Hv30, correspondant à une résistance supérieure à 1200MPa.
    • Exemple 3 (invention)
  • Cet exemple est représentatif de la variante de l'invention pour laquelle on peut utiliser une teneur en carbone relativement basse, et où on réalise le durcissement par précipitation grâce à des additions conjuguées de nickel et d'aluminium.
  • La composition de l'acier est la suivante, donnée en 10-3% pondéraux :
    C Mn Si S P Ni Cu Cr Mo Al Ti B N
    95 1150 200 80 10 3000 206 220 60 1500 - 3 3
  • Après forgeage à chaud à une température de 1250-1200°C et refroidissement à l'air calme (vitesse de refroidissement moyenne de 1°C/s entre 700 et 300°C) une microstructure bainitique est obtenue avec une dureté modérée de 240Hv30, procurant une résistance inférieure à 800 MPa. Avec ce niveau de caractéristiques mécaniques, l'usinabilité ne pose pas de problèmes. Ensuite, un revenu à 520°C, avec une durée de maintien de 10 heures, permet d'augmenter les caractéristiques de résistance pour atteindre plus de 370Hv30 de dureté, procurant une résistance de l'ordre de 1200MPa.
    • Exemple 4 (référence)
  • La composition de l'acier est la suivante, donnée en 10-3% pondéraux :
    C Mn Si S P Ni Cu Cr Mo Al Ti V B
    230 1500 700 80 11 150 150 800 70 20 25 190 3
  • Après forgeage à chaud à 1250 - 1200°C et refroidissement à l'air calme d'une pièce de diamètre équivalent à 25 mm, une microstructure majoritairement bainitique est obtenue avec une dureté voisine de 320 Hv30, procurant une résistance de 1050Mpa environ. Un revenu d'une heure entre 300 et 450°C ne permet pas d'augmenter significativement la résistance.

Claims (12)

  1. Procédé de fabrication d'une pièce en acier, caractérisé en ce que :
    - on élabore et on coule un acier de composition, en pourcentages pondéraux, 0,06% ≤ C ≤ 0,25% ; 0.5% ≤ Mn ≤ 2% ; traces ≤ Si ≤ 3% ; traces ≤ Ni ≤ 4,5% ; traces ≤ Al ≤ 3% ; traces ≤ Cr ≤ 1,2% ; traces ≤ Mo ≤ 0,30% ; traces ≤ V ≤ 2% ; traces ≤ Cu ≤ 3,5% ; et respectant l'une au moins des conditions :
    * 0,5% ≤ Cu ≤ 3,5%
    * 0,5% ≤ V ≤ 2%
    * 2% ≤ Ni ≤ 4,5% et 1% ≤ Al ≤ 2%
    optionnellement de 5 à 50 ppm de B;
    optionnellement de 0,005 à 0,04% de Ti;
    optionnellement de 0,005 à 0,06% de Nb;
    optionnellement de 0,005 à 0,2% de S;
    optionnellement au moins un des éléments Ca jusqu'à 0,007%, Te jusqu'à 0,03%, Se jusqu à 0,05%, Bi jusqu'à 0,05% et Pb jusqu'à 0,1%;
    le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration ;
    - on effectue au moins une déformation à chaud de l'acier coulé pour obtenir une ébauche de la pièce à une température de 1100 à 1300°C ;
    - on effectue un refroidissement contrôlé de l'ébauche de la pièce à l'air calme ou à l'air pulseé, avec une vitesse inférieure ou égale à 3°C/s entre 600 et 300°C, de maniére à lui conférer une micro-structure bainitique;
    - et on réchauffe l'acier pour effectuer un revenu de précipitation, précédant ou suivant l'usinage de la pièce à partir de ladite ébauche.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier contient du B et du Ti et que la teneur en Ti est égale à au moins 3,5 fois la teneur en N de l'acier.
  3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la teneur en C de l'acier est comprise entre 0,06 et 0,20%.
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la teneur en Mn de l'acier est comprise entre 0,5 et 1,5%, et en ce que la teneur en Cr est comprise entre 0,3 et 1,2%.
  5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la teneur en Ni de l'acier est comprise entre des traces et 1%.
  6. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la teneur en Ni de l'acier est comprise entre 2 et 4,5%, et en ce que la teneur en Al est comprise entre 1 et 2%.
  7. Procédè selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le revenu de précipitation est effectué entre 425 et 600°C.
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'acier contient 0,5 à 3,5% de Cu et en ce que le revenu de précipitation est effectué entre 425 et 500°C pendant 1 à 10h.
  9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'acier contient 0,5 à 2% de V et en ce que le revenu de précipitation est effectué entre 500 et 600°C pendant plus d'1h.
  10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'acier contient de 2 à 4,5% de Ni et 1 à 2% d'Al et en ce que le revenu de précipitation est effectué entre 500 et 550°C pendant plus d'1 h.
  11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite déformation à chaud est un laminage.
  12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite déformation à chaud est un forgeage.
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