EP1751321B1 - Acier a haute resistance mecanique et a l'usure - Google Patents

Acier a haute resistance mecanique et a l'usure Download PDF

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EP1751321B1
EP1751321B1 EP05770867.9A EP05770867A EP1751321B1 EP 1751321 B1 EP1751321 B1 EP 1751321B1 EP 05770867 A EP05770867 A EP 05770867A EP 1751321 B1 EP1751321 B1 EP 1751321B1
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EP
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zirconium
titanium
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Industeel France SAS
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    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/13—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by hot working

Definitions

  • the present invention relates to a steel with high mechanical strength and high wear resistance.
  • high wear resistance steels are used. Examples are steels intended to manufacture equipment for the mineral industries and which must resist abrasion. They are also steels intended to manufacture tools for cold or medium-hot forming of metal parts and which must withstand wear by metal-to-metal friction. For these tooling applications, at least the steels must retain good properties despite heating at temperatures up to 500 ° C or 600 ° C.
  • the steels considered here must have suitable properties in order to be machined or welded. They must finally be able to withstand shocks or intense efforts.
  • steels containing approximately between 0.3% and 1.5% of carbon, less than 2% of silicon and less than 2% of manganese are used. up to 3% nickel, between 1% and 12% chromium, between 0.5% and 5% molybdenum, with possible addition of vanadium or niobium.
  • the wear resistance results mainly from the hardening caused by the secondary precipitation of molybdenum carbides.
  • This resistance to wear can be improved, if necessary, by the presence of large léburitic carbides especially rich in chromium.
  • the object of the present invention is to remedy this drawback by proposing a means for obtaining a steel whose properties are equivalent to those known steels, but the harmfulness of segregated veins is significantly reduced.
  • the contents in W are preferably limited so that, after adjustment, W ⁇ 0.85% if Mo ⁇ 1.21% and W / Mo ⁇ 0.7 if Mo ⁇ 1.21%.
  • the steel may be such that: Ti + Zr / 2 ⁇ 0.7 ⁇ % to favor tenacity, or as: Ti + Zr / 2 ⁇ 0.7 ⁇ % in order to favor the resistance to wear.
  • the addition of titanium and / or zirconium is made by gradually adding titanium and / or zirconium to a slag covering the liquid steel bath and allowing the titanium and / or zirconium to slowly diffuse into the liquid steel bath.
  • titanium and / or zirconium can also be carried out by introducing a wire comprising titanium and / or zirconium into the bath of liquid steel, while stirring the bath.
  • the invention finally relates to a steel piece according to the invention that can be obtained by the manufacturing method according to the invention.
  • tungsten is an alloying element whose effects on the properties of steel are comparable to those of molybdenum.
  • tungsten has effects of hardening and resistance to thermal softening comparable to those of molybdenum in the proportion of two parts of tungsten to one part molybdenum.
  • tungsten is little used, except in some high-alloy steels not concerned by the present invention, and this, in particular, because it is much more expensive than molybdenum.
  • tungsten like molybdenum, has the disadvantage of segregating very strongly and giving rise to segregated veins very hard and very fragile.
  • the inventors have found, in a new and surprising way, that in the presence of sufficient quantities of titanium or zirconium, the segregation of tungsten is very substantially attenuated; effect particularly interesting to exploit when, in addition, the molybdenum content is already also relatively high.
  • This reduction applies to a steel, not according to the invention, which, before adjustment, contains mainly from 0.30% to 1.42% carbon, from 0.05% to 1.5% silicon, less than 1.95% manganese, less than 2.9% nickel, 1.1% to 7.9% chromium, 0.61% to 4.4% molybdenum, optionally up to 1.45% vanadium, up to 1.45% niobium, less than 1.45% tantalum with V + Nb / 2 + Ta / 4 ⁇ 1.45%.
  • This steel has a hardness index D, which will be explained later, between 800 and 1150.
  • It may contain, in addition, up to 0.1% of boron, up to 0.19% of sulfur, up to to 0.38% selenium, up to 0.79% tellurium, the sum S + Se / 2 + Te / 4 remaining less than 0.19%, optionally up to 0.01% calcium, up to at 0.5% rare earths, up to 1% aluminum and up to 1% copper.
  • All or part of the molybdenum is replaced by a substantially double proportion of tungsten, titanium and / or zirconium are added so as to obtain sufficient quantities of titanium and / or zirconium taking into account the amounts of tungsten introduced into the steel, and adjusting the carbon content so that, in particular, the hardness of the steel remains substantially unchanged.
  • the target composition for steel without tungsten so to obtain the desired job characteristics, in particular the level of hardness.
  • the target composition is then modified by choosing a tungsten content, thereby adjusting the molybdenum content and the titanium or zirconium and carbon contents, so that at least one of the main use characteristics, in particular the hardness, remains substantially unchanged.
  • a steel is developed corresponding to the modified analysis.
  • substantially unchanged is meant, for example, that the hardness of the steel after adjustment of the composition is equal to the hardness of the steel before adjustment of the composition to within 5%.
  • This tolerance is introduced to take into account the practical difficulties of producing a steel with precisely defined properties. However, it is desirable that the characteristics obtained are as close as possible to the characteristics targeted for the steel before adjustment of the composition. Also, it is preferable that the tolerance is only 2%, and, insofar as one is interested only in the targeted characteristics, it is still more preferable that the characteristic of hardness aimed after adjustment of the composition is equal to the characteristic of target hardness before adjustment of the composition.
  • the amount of tungsten added must be greater than or equal to 0.21%, preferably greater than 0.4%, more preferably greater than 0.7%, and more preferably greater than 1.05%. Indeed, the greater the substitution of molybdenum by tungsten, the greater the effect on segregations. However, this effect depends on the titanium or zirconium contents, which generally leads to further limiting the maximum addition of tungsten.
  • the titanium and zirconium contents must be such that the sum Ti + Zr / 2 is greater than or equal to 0.2 ⁇ W, preferably greater than or equal to 0.4 ⁇ W, more preferably greater than or equal to 0.6 x W.
  • the steel according to the invention contains at least 0.35% carbon, preferably more than 0.51%, and better still more than 0.65%, in order to form enough carbides and reach the level of hardness that it is desired to obtain, but up to 1.47% and preferably less than 1.1% and more preferably less than 0.98% in order to avoid too much embrittlement of the steel.
  • the steel contains titanium and zirconium, and these elements combine at high temperatures with carbon to form primary carbides.
  • the carbon called "free" which remains available to act on the properties of the matrix is free carbon, not combined with titanium and zirconium.
  • C * C - Ti / 4 - Zr / 8 (C, Ti and Zr being the contents of carbon steel, titanium and zinconium, respectively, in the following C will also be called “total carbon content”).
  • This quantity of available carbon must be sufficient to allow the precipitation of secondary carbides and in particular carbides of tungsten, molybdenum or other elements which are added to the steel, and from this point of view, this carbon content free C * must be greater than or equal to 0.3%. However, this content should not exceed 1.42%, and preferably 1.1% or better 0.98%, or more preferably 0.79%, not to excessively impair the toughness of the matrix itself.
  • the free carbon content C * remains less than 0.60% or even 0.50%.
  • Steel contains at least 0.05% silicon, as this element is a deoxidant. In addition, it contributes a bit to the hardening of steel. However, the silicon content must remain less than or equal to 1.5% and preferably less than or equal to 1.1%, better still 0.9%, and better still, less than or equal to 0.6%, in order to avoid excessively weaken the steel and too much reduce its ability to plastic deformation hot, for example by rolling. In addition, it may be desirable to impose a minimum silicon content of 0.45%, and better still 0.6%, in order to improve the machinability of the steel and also to improve the strength of the steel. oxidation.
  • the improvement in oxidation resistance is particularly desirable when the steel is used to manufacture workpieces intended to work at relatively high temperatures of the order of 450 ° C to 600 ° C, which requires resistance to oxidation. sufficient softening.
  • the content of Mo + W / 2 is desirable for the content of Mo + W / 2 to be greater than or equal to 2.2%.
  • the minimum values of silicon content, 0.45% or better still 0.6%, are more particularly advantageous when the contents of molybdenum and tungsten are such that the sum Mo + W / 2 is greater than or equal to 2 , 2%, without this nevertheless having an exclusive character.
  • the steel contains manganese up to 1.95% by weight in order to improve the hardenability of the steel, but this content should preferably remain less than or equal to 1.5% and better still less than or equal to 0, 9% to limit segregations that would lead to bad forgeability and insufficient toughness. It should be noted that the steel always contains a small amount of manganese, a few tenths of a percent, in particular to fix the sulfur and it is preferable that the Mn content is at least 0.4%.
  • Steel contains up to 2.9% nickel to adjust quenchability and improve toughness. But this element, is very expensive. Also, one does not generally seek a nickel content exceeding 0.9% or even 0.7%. Steel may not contain nickel but when nickel is not added voluntarily, it is interesting that steel contains up to 0.2% or even up to 0.4% in the form of residuals resulting from development.
  • the steel contains at least 1.1% chromium and better still more than 2.1%, and more preferably more than 3.1% and even more than 3.5%, to obtain sufficient quenchability and increase hardening to income, but up to 7.9%, and better still less than 5.9% or better still, less than 4.9% in order not to hinder the formation of secondary carbides, in particular containing Mo and / or W and, as such, more effective than the hardening chromium carbides.
  • this chromium content domain it is desirable to distinguish two preferred subdomains. Indeed, when the chromium content is sufficiently high, this element tends to form, especially in the segregated veins, type ledeburitic carbides that are coarse and more or less arranged in inter-dendritic networks. These carbides, despite a certain favorable effect on the wear resistance, contribute mainly to an embrittlement at least local matrix. So that when one wishes to privilege the hardness and the resistance to wear at the expense of toughness, it is desirable to choose a chromium content greater than or equal to 3.5%, favoring the presence of thedeburitic type carbides.
  • chromium content when seeking to promote the toughness of steel by accepting a slight reduction in wear resistance, it is preferable to choose a chromium content of less than or equal to 2.5%.
  • the molybdenum and tungsten contents of the steel must be such that the sum Mo + W / 2 is greater than or equal to 0.61%, preferably greater than or equal to 1.1%, and better still greater than or equal to 1, 6%. It is even desirable for this content to be greater than 2.2% in order to obtain a high degree of hardening and a better resistance to thermal softening, in particular when the use of the steel causes it to be heated up. at temperatures that may exceed about 450 ° C. This is the case, for example, of the steels used to produce mid-hot work tools for steel. In this case, the sum Mo + W / 2 can go up to 2.9%, even 3.4%, or even 3.9%, depending on the desired hardness and the temperature of income that one wishes to achieve on rooms. To achieve a very high level of resistance to wear of the matrix and minimize the effect of sap and thus delay the maximum removal of large carbides Ti and Zr, Mo + W / 2 can even go up to at 4.4%.
  • the tungsten content will be at least 0.21%, preferably at least 0.41%, better still at least 0.61%, in order to draw the best of the specific effect of tungsten.
  • the tungsten content depends on the desired degree of segregation deleteriousness reduction, as discussed above, and can also incorporate the cost of the alloy. This content may be up to 4.9% but will not usually exceed 1.9%; In general, content is lower than or equal to 0.90% or even 0.79%.
  • the molybdenum content may be at trace level, but preferably at least 0.51% and more preferably at least 1.4%; better still, at least 2.05%.
  • the tungsten content is limited to not more than 0.85% when the molybdenum content is less than 1.21%, and the tungsten / molybdenum ratio is limited to not more than 0.7 when the molybdenum content is greater than or equal to 1.21%.
  • titanium and zirconium must be adjusted so that the sum Ti + Zr / 2 is at least 0.21% and preferably greater than or equal to 0.41% or better, greater than or equal to 0, 61%, to obtain the desired effect of reducing the harmfulness of segregated veins.
  • these elements contribute to the formation of large carbides that improve wear resistance. However, this sum must remain less than 1.49% and preferably less than 1.19% or even less than 0.99% or even less than 0.79% so as not to deteriorate the toughness too much.
  • the titanium and zirconium contents must be adjusted according to whether it is desired to favor the tenacity of the steel or its resistance to wear.
  • the sum Ti + Zr / 2 should preferably remain below 0.7%.
  • the sum Ti + Zr / 2 must preferably be greater than or equal to 0.7%.
  • the titanium and zirconium contents must be sufficient with respect to the total carbon content C.
  • the product (Ti + Zr / 2) x C must be greater than or equal to 0.07, preferably greater than or equal to 0.12, and better still greater than or equal to 0.2.
  • the minimum titanium content may be 0%, or traces, but it is preferable that it be at least 0.21%, and better 0.41%, better still, 0.61%; the minimum zirconium content may be 0%, or traces, but it is preferable that it be at least 0.06%, or better still at least 0.11%.
  • the maximum content of titanium is 1.49% but can be reduced to 1.19%, or even 0.99%, better to 0.79% or even 0.7%, while the maximum content of Zirconium is 2.9%, preferably 0.9%, more preferably 0.49%.
  • the steel optionally contains up to 1.45% of vanadium, up to 1.45% of niobium, up to 1.45% of tantalum, the sum V + Nb / 2 + Ta / 4 being less than 1, 45%, better below 0.95% and even below 0.45%.
  • the minimum content is 0% or traces, but it is preferable that it be at least 0.11%, and more preferably at least 0.21%.
  • the level of addition of V + Nb / 2 + Ta / 4 helps to determine resistance and income response as indicated in the D index formulation.
  • Niobium although it can be used, has the disadvantage of precipitating at a higher temperature than vanadium, which greatly reduces the forgeability of the steel. Therefore the presence of niobium is not recommended and, in any case, it is desirable that the niobium content remains less than 1% or even 0.5% or, better still, less than 0.05%.
  • a sulfur content of less than 0.005% is preferable when looking for good toughness.
  • the steel optionally contains up to 0.5% rare earths to facilitate the germination of the carbides and refine the structure, and possibly up to 0.1% boron to improve the quenchability.
  • Steel can also contain up to 1% copper.
  • This element is not desired but can be provided by raw materials that would be too expensive to sort. Nevertheless, the copper content must be limited because this element has an adverse effect on hot ductility.
  • the presence of Ni in a content at least equal to that of copper is desired, at least when the copper content exceeds about 0.5%. Indeed, a sufficient content of nickel mitigates the harmfulness of copper.
  • the steel may contain aluminum which, like silicon, can contribute to the deoxidation of the liquid metal.
  • the aluminum content will be at trace level or better, at least equal to 0.006%, more preferably at least 0.020%.
  • the content of this element must remain less than or equal to 1% to ensure sufficient cleanliness, and preferably will not exceed 0.100%, better still less than 0.050%.
  • the rest of the composition consists of iron and impurities resulting from the elaboration. Note that, when an element is not added voluntarily during the elaboration, its content is 0% or traces, that is to say corresponding, depending on the element, either to the limits of detection by the methods of analysis are the quantities brought by the raw materials without there being a significant effect on the properties.
  • D is a hardness index which represents the hardening resulting from income for standard income conditions (550 ° C for 1 hour). The higher the value of D is, the higher the hardness after the temperature is determined at high temperature, or the higher the temperature that makes it possible to reach a given hardness level.
  • the hardness varies as a function of temperature and tempering time as is known to those skilled in the art.
  • the typical hardness levels obtained after returning to 550 ° C for one hour are, as an indication, respectively of the order of: 45HRC, 52 HRC, 57 HRC, 60 HRC and 63 HRC.
  • Group D 0.51 ⁇ % ⁇ C ⁇ 0.85 ⁇ % 0.21 ⁇ % ⁇ Ti ⁇ 0.70 ⁇ %
  • the hardness level can be adjusted by taking into account the influences of the various alloying elements indicated by the expression of the hardness index D.
  • the different groups in the order A, B, C, and D, are in the direction of a reinforcement of the level of toughness at the cost of a reduction in wear resistance.
  • titanium and zirconium it is desirable for titanium and zirconium to be in the form of primary carbides and not in the form of nitrides which are likely to form in the molten steel, especially when the transient overconcentrations of titanium and zirconium in the liquid just after the addition are too high given the levels of dissolved nitrogen that still exist in the liquid steel.
  • titanium and zirconium in such a way that these two elements react little with nitrogen and react essentially with carbon. This is achieved by avoiding, in the liquid phase of the steel, the transient over-concentrations of Ti or Zr during the additions of Ti and Zr.
  • a steel is poured in the form of a semi-finished product such as an ingot or a slab, it is shaped by hot plastic deformation and for example by rolling the semi-finished product, and then the product obtained is subjected to a possible heat treatment. .
  • the heat treatments to which the manufactured part can be subjected are of conventional type for tool steels.
  • Such a heat treatment may optionally comprise one or more anneals to facilitate cutting and machining, then austenitization followed by cooling in a mode adapted to the thickness, such as air or oil cooling. possibly followed by one or more income depending on the level of hardness you want to achieve.
  • the contents of molybdenum and tungsten in (Mos and Ws) and out (Moh and Wh) segregated veins were measured by means of a microprobe by masking the large titanium carbides in order to take into account the levels of Molybdenum and Tungsten in the matrix, apart from what can be fixed in these large carbides of titanium and zinconium (which are themselves likely to contain molybdenum or tungsten, forming in fact mixed carbides (Ti Zr Mo W) C ). In this way we appreciate the hardening and weakening part of Mo and W with respect to the metal matrix.
  • the examples a 1 , b 1 , c 1 and d 1 correspond to reference steels, that is to say steels whose composition is chosen before implementing the method according to the invention.
  • the other examples are deduced from these reference steels by the process according to the invention, except examples a 2 and b 2 for which the conditions relating to tungsten and titanium are not respected.
  • Example 1 is deduced from Example 1 by replacing 0.20% molybdenum with 0.40% tungsten, without adding titanium. It can be seen that the segregation rate is not significantly modified.
  • Example 3 is deduced from example a 1 not only by the replacement of 0.20% of molybdenum with 0.40% of tungsten, but also by the addition of 0, 40% titanium and the consequent adjustment of carbon. It is noted that the segregation rate of this steel is very significantly reduced compared with that of Examples 1 and 2 .
  • examples b 1 , b 2 and b 3 show that the addition of titanium and zirconium without addition of tungsten has no effect (comparison b1, b2), whereas the desired effect appears in the presence of tungsten partially substituted for molybdenum (comparison b2, b3).
  • Examples c 1 , c 2 and c 3 show that, with equal addition of tungsten, an increase in the addition of titanium has a favorable effect on the segregations.
  • examples 1 , 2 , and 3 show that an increase in the tungsten content has a favorable effect if the titanium or zirconium contents are sufficient.

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Description

  • 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 équivalentes à celles des aciers connus, mais dont la nocivité des veines ségrégées est sensiblement réduite.
  • A cet effet, est décrit ci-dessous une manière de réduire la nocivité des veines ségrégées d'un acier à haute résistance mécanique et haute résistance à l'usure, n'étant pas conforme à l'invention, dont la composition comprend en poids :
    0,30 % ≤ C ≤ 1,42 %
    0,05 % ≤ Si ≤ 1,5 %
    Mn ≤ 1,95 %
    Ni ≤ 2,9 %
    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 ⁢ % ,
      Figure imgb0001
    • 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
    Figure imgb0002
     avec : D = 540 C 0,25 + 245 Mo + 3 V + 1,5 Nb + 0,75 Ta 0,30 + 125 Cr 0,20 + 15,8 Mn + 7,4 Ni + 18 Si
    Figure imgb0003
  • A cette fin :
    • 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 δC 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
    Figure imgb0004
     Ti + Zr / 2 x C ′ ≥ 0,07
    Figure imgb0005
     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 + C 2 + 0,07
    Figure imgb0006
     et, Ti + Zr / 2 ≤ 1,49 ⁢ %
    Figure imgb0007
  • La quantité de carbone rajoutée δC 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, 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)0,25 + 245 (Mo après ajustement + W/2 + 3 V + 1,5 Nb + 0,75 Ta)0,30 + 125 Cr0,20 + 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 % 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 ainsi 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 ⁢ % ,
    Figure imgb0008
     0,05 ⁢ % ≤ Si ≤ 1,5 ⁢ % ,
    Figure imgb0009
     Mn ≤ 1,95 ⁢ % ,
    Figure imgb0010
     Ni ≤ 2,9 ⁢ % ,
    Figure imgb0011
     1,1 ⁢ % ≤ Cr ≤ 7,9 ⁢ % ,
    Figure imgb0012
     0 ⁢ % ≤ Mo ≤ 4,29 ⁢ % ,
    Figure imgb0013
     0,21 ⁢ % ≤ W ≤ 4,9 ⁢ %
    Figure imgb0014
     0,61 ⁢ % ≤ Mo + W / 2 ≤ 4,4 ⁢ %
    Figure imgb0015
     0 ⁢ % ≤ Ti ≤ 1,49 ⁢ %
    Figure imgb0016
     0 ⁢ % ≤ Zr ≤ 2,9 ⁢ %
    Figure imgb0017
     0,2 ⁢ % ≤ Ti + Zr / 2 ≤ 1,49 ⁢ %
    Figure imgb0018
    • 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,
    • moins de 0.005% de soufre,
    • 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 les conditions suivantes : Ti + Zr / 2 / W ≥ 0,20
    Figure imgb0019
     Ti + Zr / 2 x C ≥ 0,07
    Figure imgb0020
     0,3 % ≤ C* ≤ 1,42 %, et de préférence ≤ 1,1 % 800 ≤ D ≤ 1150
    Figure imgb0021
     avec D = 540 C* 0,25 + 245 Mo + W / 2 + 3 V + 1,5 Nb + 0,75 Ta 0,3 + 125 Cr 0,20 + 15,8 Mn + 7,4 Ni + 18 Si
    Figure imgb0022
     et C * = C − Ti / 4 − Zr / 8 ,
    Figure imgb0023
     en outre, si C* ≥ 0,51 %, et si 2,5 % ≤ Cr ≤ 3,5 %, alors W ≤ 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 ⁢ %
    Figure imgb0024
     afin de privilégier la ténacité,
    ou tel que : Ti + Zr / 2 ≥ 0,7 ⁢ %
    Figure imgb0025
     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 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 des 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.
  • En partant de ces observations et de l'hypothèse qui vient d'être formulée, les inventeurs ont imaginé une manière 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.
  • Cette réduction s'applique à un acier, non conforme à l'invention, qui, avant ajustement, 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.
  • 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 sera 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 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 préférable 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.
  • 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 avantajustement
    Figure imgb0026
     ou mieux : 0,98 x D avant ajustement ≤ D après ajustement ≤ 1,02 x D avant ajustement
    Figure imgb0027
     ou mieux encore : D après ajustement = D avant ajustement .
    Figure imgb0028
  • 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 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, δC = 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 au moins 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 jusqu'à 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 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 au moins 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 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 au moins 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 jusqu'à 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). Ils 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.
  • 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 %.
  • 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 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 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 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 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 + 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.
  • 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 %.
  • Une teneur de soufre inférieure à 0,005 % est préférable quand on cherche une bonne ténacité.
  • 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%, mieux encore, au moins égal à 0,020%. D'autre part, la teneur en cet élément doit rester inférieure ou égale 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* 0,25 + 245 Mo + W / 2 + 3 V + 1,5 Nb + 0,75 Ta 0,30 + 125 x Cr 0,20 + 15,8 x Mn + 7,4 x Ni + 18 x Si.
    Figure imgb0029
  • 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. Dans tous les cas, les teneurs à prendre en compte sont les teneurs effectives de l'acier pour lequel on fait le calcul..
  • 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 ⁢ %
    Figure imgb0030
     0,21 ⁢ % ≤ Ti ≤ 1,19 ⁢ %
    Figure imgb0031
     Zr : 0 % ou traces 0,05 ⁢ % ≤ Si ≤ 0,9 ⁢ %
    Figure imgb0032
     Mn ≤ 0,9 ⁢ %
    Figure imgb0033
     Ni ≤ 0,9 ⁢ %
    Figure imgb0034
     2,1 ⁢ % ≤ Cr ≤ 4,9 ⁢ %
    Figure imgb0035
     2,05 ⁢ % ≤ Mo ≤ 2,9 ⁢ %
    Figure imgb0036
     0,21 ⁢ % ≤ W ≤ 0,79 ⁢ %
    Figure imgb0037
     0,21 ⁢ % ≤ V ≤ 0,45 ⁢ %
    Figure imgb0038
     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 :
  • 0,85 ⁢ % ≤ C ≤ 1,1 ⁢ %
    Figure imgb0039
     0,70 ⁢ % ≤ Ti ≤ 1,19 ⁢ %
    Figure imgb0040
  • Groupe B : 0,65 ⁢ % ≤ C ≤ 1,1 ⁢ %
    Figure imgb0041
     0,61 ⁢ % ≤ Ti ≤ 0,99 ⁢ %
    Figure imgb0042
  • Groupe C : 0,65 ⁢ % ≤ C ≤ 0,98 ⁢ %
    Figure imgb0043
     0,41 ⁢ % ≤ Ti ≤ 0,79 ⁢ %
    Figure imgb0044
  • Groupe D : 0,51 ⁢ % ≤ C ≤ 0,85 ⁢ %
    Figure imgb0045
     0,21 ⁢ % ≤ Ti ≤ 0,70 ⁢ %
    Figure imgb0046
  • 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 % et 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 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.
  • 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.
  • 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,
    • 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 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 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 Γs 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.
  • On définit ainsi le taux de ségrégation, Γs MW, des teneurs cumulées en (Mo + W/2), égal à : Γs MW = Mos + Ws / 2 − Moh + Wh / 2 / Moh + Wh / 2
    Figure imgb0047
  • 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. TABLEAU 1
    C Ti Zr C* Si Mn Ni Cr Mo W V Nb Mo+W/2 D ΓsMW
    a1 comp 0,31 0 0 0,31 0,2 0,7 0,4 3 0,75 0 0,10 0 0,75 825 133
    a2 comp 0,31 0 0 0,31 0,2 0,7 0,4 3 0,55 0,4 0,10 0 0,75 825 137
    a3 Inv 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
    b1 comp 0,6 0,4 0 0,5 0,5 0,5 0,3 6,5 2,2 0 0,3 0 2,2 999 128
    b2 comp 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
    c1 comp 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 1,8 0,28 0 2,1 1028 121
    c3 Inv 0,95 0,85 0 0,74 0,9 0,45 0,25 3,9 1,2 1,8 0,28 0 2,1 1028 93
    d1 comp 1,25 1 0 1 1 0,5 0,2 5 2,4 0 0,6 0 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 a1, b1, c1 et d1 correspondent à des aciers de référence, c'est à dire à des aciers dont la composition est choisie avant mise en oeuvre 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 a1, a2 et a3 ont la même dureté. L'exemple a2 se déduit de l'exemple a1 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 a1 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 acier est très sensiblement réduit par rapport à celui des exemples a1 et a2.
  • De la même façon, les exemples b1, 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 c1, 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 d1, 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
  • 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 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
    30 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
    35 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
  • 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 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 :
    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
    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 %.

Claims (15)

  1. Acier à haute résistance mécanique et haute résistance à l'usure dont la composition chimique comprend, en % en poids : 0,35 ⁢ % ≤ C ≤ 1,47 ⁢ % ,
    Figure imgb0048
     0,05 ⁢ % ≤ Si ≤ 1,5 ⁢ % ,
    Figure imgb0049
     Mn ≤ 1,95 ,
    Figure imgb0050
     Ni ≤ 2,9 % ,
    Figure imgb0051
     1,1 % ≤ Cr ≤ 7,9 % ,
    Figure imgb0052
     0 % ≤ Mo ≤ 4,29 % ,
    Figure imgb0053
     0,21 % ≤ W ≤ 4,9 %
    Figure imgb0054
     0,61 % ≤ Mo + W / 2 ≤ 4,4 %
    Figure imgb0055
     0 % ≤ Ti ≤ 1,49 %
    Figure imgb0056
     0 % ≤ Zr ≤ 2,9 %
    Figure imgb0057
     0,21 % ≤ Ti + Zr / 2 ≤ 1,49 %
    Figure imgb0058
    - 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,
    - moins de 0,005% de soufre,
    - 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 les conditions suivantes : Ti + Zr / 2 / W ≥ 0,20
    Figure imgb0059
     Ti + Zr / 2 x C ≥ 0,07
    Figure imgb0060
     0,3 ⁢ % ≤ C * ≤ 1,42 %
    Figure imgb0061
     800 ≤ D ≤ 1150
    Figure imgb0062
     avec D = 540 C * 0,25 + 245 Mo + W / 2 + 3 V + 1,5 Nb + 0,75 Ta 0,3 + 125 Cr 0,20 + 15,8 Mn + 7,4 Ni + 18 Si
    Figure imgb0063
     et C * = C − Ti / 4 − Zr / 8 ,
    Figure imgb0064
     en outre, si C* ≥ 0,51 % et si 2,5% ≤ Cr ≤ 3,5%, alors W ≤ 0,85 % si Mo < 1,21 % et W/Mo ≤ 0,7 si Mo ≥ 1,21 %.
  2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que : C * ≤ 1,1 %
    Figure imgb0065
  3. Acier selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que : W ≤ 0,85 %
    Figure imgb0066
  4. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que : Si ≥ 0,45 %
    Figure imgb0067
  5. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que : Si < 0,45 %
    Figure imgb0068
  6. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que : Mo + W / 2 ≥ 2,2 %
    Figure imgb0069
  7. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que : Cr ≥ 3,5 %
    Figure imgb0070
  8. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que : C ≤ 0,85 %
    Figure imgb0071
  9. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que : C > 0,85 %
    Figure imgb0072
  10. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que : Ti + Zr / 2 < 0,7 %
    Figure imgb0073
  11. Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que : Ti + Zr / 2 ≥ 0,7 %
    Figure imgb0074
  12. Procédé pour fabriquer une pièce en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que :
    - 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 en évitant à tout instant les surconcentrations 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.
  13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'ajout de titane et/ou de zirconium est fait 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.
  14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'ajout de titane et/ou de zirconium est effectué par introduction d'un fil comportant du titane et/ou du zirconium dans le bain d'acier liquide, tout en agitant le bain.
  15. Pièce en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, susceptible d'être obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14.
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