FR2805829A1 - Acier inoxydable austenitique a haute usinabilite, resulfure, et comportant une resistance a la corrosion amelioree - Google Patents

Acier inoxydable austenitique a haute usinabilite, resulfure, et comportant une resistance a la corrosion amelioree Download PDF

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Abstract

Acier inoxydable à haute usinabilité, resulfuré, et présentant une résistance à la corrosion améliorée caractérisé en ce qu'il comporte, dans sa composition des inclusions de silicoaluminate de chaux de type anorthite et ou pseudo-wollastonite, et ou géhlénite associées à des inclusions de CrMnS dont la teneur en chrome est comprise entre 30% et 70%.

Description

Xi 2805829 Acier inoxydable austénitique à haute usinabilité, resulfuré,
et comportant une
résistance à la corrosion améliorée.
La présente invention concerne un acier inoxydable à haute usinabilité, resulfuré, et présentant une résistance à la corrosion améliorée, utilisé notamment dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse de coupe et le
domaine du décolletage.
Il est connu du brevet européen N 403 332 un acier resulfuré à usinabilité améliorée. Ce document décrit un procédé dans lequel il est proposé, pour améliorer l'usinabilité, d'introduire dans un acier ayant la composition générale suivante: carbone inférieur à 0,15%, silicium inférieur à 2%, manganèse inférieur à 2%, molybdène inférieur à 3%, nickel compris entre 7% et 12%, chrome compris entre 15 et 25%, une quantité de soufre dans une proportion comprise entre 0,1 et 0,4%, associée à du calcium et de
lI'oxygène dans des teneurs respectivement supérieures à 30.10-4% et 70. 10-
4%, les teneurs en calcium et oxygène satisfaisant à la relation Ca/O comprise
entre 0,2 et 0,6.
Dans ce document, le but recherché est la formation, avec le manganèse et dans une plus faible proportion, avec le chrome, d'un sulfure de manganèse et de chrome ( Mn, Cr) S qui génère sous la forme d'inclusions spécifiques
une lubrification solide de l'outil de coupe pendant les opérations d'usinage.
Il est également enseigné que le soufre a un effet défavorable sur la résistance à la corrosion. Malgré cela, une orientation choisie est l'introduction, dans un acier resulfuré, contenant des inclusions de sulfure de manganèse, d'inclusions d'oxydes de silicoaluminate de chaux. Ces oxydes, le plus souvent associées aux inclusions de sulfure de manganèse, ne détériorent pas la
résistance à la corrosion.
Un tel acier a de bonnes propriétés en usinabilité dans le domaine des vitesses de coupe conventionnelle, c'est-à-dire inférieures à 500 m/mn en tournage. L'acier comporte des inclusions associées composées d'oxydes de
type silicoaluminate de chaux avec des inclusions de sulfures de manganèse.
Ces inclusions sont plus grandes et plus déformables que les inclusions de
sulfure seules.
L'effet de la lubrification dite solide de l'outil de coupe s'en trouve amélioré. L'acier décrit dans le document cité comporte cependant I'inconvénient attaché aux aciers resulfurés, c'est-à-dire une faible tenue à la
corrosion notamment par piqûre.
Il est connu du brevet FR 95 04 140, un acier à usinabilité améliorée pouvant être utilisé, d'une part dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse, avec des vitesses de coupe en tournage pouvant dépasser 700 m/mn, et, d'autre part dans le domaine du décolletage avec des productivités supérieures à 30% à celles obtenues avec un acier inoxydable austénitique
resulfuré ordinaire.
L'acier inoxydable resulfuré à usinabilité améliorée utilisable notamment dans le domaine de l'usinage à grande vitesse de coupe et le domaine du décolletage, se caractérise en la composition pondérale suivante: carbone inférieur à 0,1%; silicium inférieur à 2%; manganèse inférieur à 2%; nickel de 7 à 12%; chrome, de 15 à 25%; soufre, de 0,10 à 0,55%; cuivre, de 1 à %; calcium supérieur à 35.10-4%; oxygène supérieur à 70.10-4%, le rapport de la teneur en calcium sur la teneur en oxygène étant compris entre
0,2et 0,6.
Bien que les caractéristiques dans le domaine de l'usinabilité soient améliorées par la présence d'une forte teneur en cuivre, les propriétés de tenue
à la corrosion restent médiocres dans cet acier resulfuré.
Il est enseigné que les sulfures de manganèse sont très peu substitués en chrome du fait d'une teneur en manganèse adaptée à la teneur en soufre, et que leur malléabilité, et donc, leur efficacité lors de la coupe, s'en trouve améliorée. La présente invention a pour but de présenter un acier contenant du soufre, pour améliorer l'usinabilité, et comportant des inclusions spécifiques apportant une amélioration importante dans le domaine de la résistance à la
corrosion, notamment en corrosion par piqûres.
L'acier de l'invention permet de concilier le niveau d'usinabilité des aciers resulfurés tout en ayant une résistance à la corrosion semblable à celle
des aciers à faible teneur en soufre.
L'objet de l'invention est un acier inoxydable à haute usinabilité, resulfuré, et présentant une résistance à la corrosion améliorée caractérisé en ce qu'il comporte de manière associée, dans sa composition, des inclusions de silicoaluminate de chaux de type anorthite et ou pseudo-wollastonite, et ou géhlénite associées à des inclusions d'un composé CrMnS dont la teneur en
chrome est comprise entre 30% et 70%.
Dans un exemple d'application de l'invention, - I'acier est un acier inoxydable austénitique à haute usinabilité, resulfuré, et comportant une résistance à la corrosion améliorée, caractérisé en sa composition pondérale suivante 0,01% < carbone < 0,1%; 0,01% < silicium < 2,0%; 0,01% < manganèse < 0,5%; % < chrome < 25% 7% < nickel < 12%; 0,15% < soufre < 0,45%; 0,01% < molybdène < 3,00%; 0,5% < cuivre < 3,5% 0,01% < azote < 0, 1% 0,0020% < aluminium < 0,0100%; 0,0005% < phosphore < 0,050%; 30 10-4% < calcium < 200 10-4% 10-4% < oxygène < 300 10-4%; 0,20 < calcium/oxygène < 0,60, le reste étant du fer et des éléments résiduels inhérents à l'élaboration, I'acier contenant notamment des inclusions de silicoaluminate de chaux de type anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou géhiénite associées à des inclusions de CrMnS dont la teneur en chrome est
comprise entre 30% et 70%.
- la composition pondérale comprend, en outre, moins de 30 10-4% de bore.
- La composition pondérale comprend, en outre, de 0,01% à 0,3% de vanadium.
La description qui suit et les figures annexées, le tout donné à titre
d'exemple non limitatif, fera bien comprendre l'invention.
La figure 1 présente un diagramme Fe-Cr-S sur lequel est représenté le
domaine préférentiel de l'invention.
La figure 2 présente un diagramme Ca-Si-AI sur lequel est représenté le
domaine préférentiel des inclusions de silicoaluminates de chaux de l'invention.
Les figures 3a, 3b, 3c et 4 présentent respectivement les courbes caractéristiques en corrosion par piqûre et en corrosion caverneuse pour l'acier
C selon l'invention en comparaison avec les aciers A et B de référence.
Les pièces réalisées à partir des produits longs d'acier inoxydables austénitiques, le sont, le plus souvent par usinage. Or, ces aciers ont l'inconvénient d'avoir une faible conductivité thermique et une forte écrouissabilité introduisant localement des zones de dureté élevée avec pour
conséquence une détérioration rapide de l'outil de coupe lors de leur usinage.
La solution la plus connue et utilisée pour résoudre ce problème est
d'introduire une quantité importante de soufre dans leur composition.
Le soufre forme avec le manganèse présent dans l'acier des sulfures de manganèse contenant une faible teneur en chrome, de l'ordre de 0% à 20% en composition, qui ont un effet favorable sur la fragmentation des copeaux et qui
augmentent la durée de vie des outils de coupe.
Cependant, le soufre et les sulfures de manganèse sous cette forme dégradent la résistance à la corrosion. En outre, les aciers resulfurés, en général, contiennent des inclusions dures de type chromite (Cr, Mn, AI, Ti)O, alumine
(AIMg)O, silicate (SiMn)O, qui sont abrasives pour les outils de coupe.
Le choix des aciers est dicté par le domaine d'utilisation des pièces qui
seront réalisées à partir de ceux-ci.
Ainsi, dans le cas d'une utilisation en milieux corrosifs, les aciers utilisés seront des aciers bas soufre, c'est-à-dire des aciers contenant dans leur composition moins de 0,035% de soufre, dont l'usinabilité pourra être améliorée d'une façon limitée d'environ 20% par le remplacement des inclusions dures, par exemple de type chromites, par des oxydes malléables de type aluminosilicates de chaux. Le niveau d'usinabilité restera de toute façon très en dessous de celui d'une
nuance resulfurée d'environ moins 25%.
Dans le cas o le milieu est peu corrosif, I'utilisation d'aciers resulfurées permet, grâce à l'adjonction d'une grande quantité de soufre comprise entre 0,15% s à 0,45%, d'obtenir un très grand nombre de sulfures de manganèse contenant une faible teneur en chrome, c'est-à-dire moins de 20% environ, qui sont introduits pour faciliter le fractionnement du copeau et augmenter la durée de vie des outils de coupe, permettant de ce fait, des gains de productivité importants lors de la réalisation des pièces. La tenue à la corrosion médiocre de ces aciers est liée à la io mauvaise résistance à la corrosion, notamment par piqûres, de ces sulfures de manganèse très peu substitués en chrome. Là encore, le remplacement des inclusions dures par des oxydes malléables permet une amélioration de l'usinabilité des aciers mais sans modifier en aucune façon la tenue à la corrosion qui reste
médiocre, en comparaison avec des aciers ne contenant pas de soufre.
L'acier selon l'invention concerne un acier inoxydable à haute usinabilité, resulfuré, ayant une résistance à la corrosion améliorée caractérisé en ce qu'il comporte dans sa composition des inclusions de silicoaluminate de chaux de type anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou géhlénite associées à des inclusions du composé CrMnS dont la teneur en chrome est comprise entre
30% et 70%.
Le composé, contenant des sulfures de chrome en tant qu'inclusions complémentaires aux inclusions de silicoaluminate de chaux et assurant une résistance à la corrosion, est réalisé en baissant le plus possible la teneur en manganèse dans la composition de l'acier lors de son élaboration. La teneur en
manganèse est choisie inférieure ou égale à 0,5%.
La solution consiste à obtenir lors de l'élaboration, des sulfures très riches en chrome, la teneur en chrome étant comprise entre 30% et 70% en composition pondérale. Grâce à ces derniers, les inventeurs ont constaté qu'un acier resulfuré comportant de 0,15% à 0,45% de soufre présente une tenue à la corrosion généralisée, caverneuse, par piqûres ou au brouillard salin qui est semblable à
celle d'un acier non resulfurée c'est-à-dire contenant moins de 0,035% de soufre.
En outre, I'action conjointe de ces sulfures à majorité de chrome et des oxydes
malléables qui sont des silico-aluminates de chaux de type anorthite et/ou pseudo-
wollastonite et/ou géhiénite, permet de conserver un niveau d'usinabilité du point de vue fractionnement du copeau, conditions de coupe et durée de vie des outils, semblable à celui des aciers resulfurés classiques dont les sulfures sont des sulfures de manganèse contenant une faible teneur en chrome c'est-à-dire de 0 à 20% de chrome environ en composition pondérale. Si le rôle des inclusions de silicoaluminate de chaux est celui de lubrifiant solide vis-à-vis de l'usinabilité, ces inclusions présentent également, grâce à leur déformabilité, une bonne cohésion avec le matériau lors de sa transformation. On éradique ainsi les sites de décohésion matrice/inclusion qui jouent le rôle 1o d'amorçage de corrosion et qui existent avec les oxydes classiques dures de type
chromite (Cr, Mn, AI, Ti)O, alumine (AIMg)O, silicate (SiMn)O.
L'introduction, dans un acier, des inclusions selon l'invention pour l'obtention de composé sulfuré très riches en chrome, peut-être utilisée pour des aciers
resulfurés de type ferritiques ou martensitiques existant actuellement.
De préférence, dans un exemple d'application, selon l'invention, il est présenté un acier inoxydable austénitique à haute usinabilité, resulfuré, comportant une résistance à la corrosion améliorée et dont la composition pondérale est la suivante: 0,01% < carbone < 0,1%; 0,01% < silicium < 2, 0% 0,01% < manganèse < 0,5% % < chrome < 25% 7% < nickel < 12%; 0,15% < soufre < 0,45% 0,01% < molybdène < 3,00%; 0,5% < cuivre < 3,5% 0,01% < azote< 0,1%; 0,0020% < aluminium < 0,0100%; 0,0005% < phosphore < 0,050%; 30 10-4% < calcium < 200 10-4%; 104% < oxygène < 300 10-4%; 0,20 < calcium/oxygène < 0,60, le reste étant du fer et des éléments résiduels inhérents à l'élaboration, I'acier contenant notamment des inclusions de silicoaluminate de chaux de type anorthite et ou pseudo-wollastonite, et ou géhiénite associées à des inclusions de CrMnS dont la teneur en chrome est comprise entre 30% et 70%. Dans la composition des aciers selon l'invention comme présenté sur le
tableau 1, I'aluminium est présent en élément additionnel pour obtenir des silico-
aluminates de chaux de type anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou géhlénite en
quantité puisqu'ils sont déformables et résistants à la corrosion.
Le cuivre limite les efforts nécessaires à la formation du copeau. Du fait de cette propriété, la température à la pointe de l'outil reste à un niveau supportable pour celui-ci. Le cuivre diminue l'écrouissabilité. Cette faible écrouissabilité conduit à l'obtention de barres étirées moins dures, en
particulier en surface.
L'acier selon l'invention peut contenir, en outre, dans sa composition
pondérale, moins de 30 10-4% de bore et de 0,01% à 0,3% de vanadium.
L'acier resulfuré de l'exemple d'application, utilisable préférentiellement dans le domaine du décolletage mais également dans celui de l'usinage dit à grandes vitesses de coupe, du fait de la présence d'un grand nombre d'inclusions malléables de sulfure riches en chrome et d'oxyde associés ou non associés, et également du fait de la présence d'une teneur en cuivre selon l'invention, assure d'une part, des usinages à des vitesses de coupe exceptionnelles et une tenue à la corrosion notamment par piqûre également exceptionnelle. Des coulées industrielles ont été réalisées confirmant l'intérêt, vis-à-vis des propriétés visées, des sulfures très riches en chrome. Nous avons pu caractériser une tenue à la corrosion équivalente à celle d'un acier non resulfuré avec un
niveau d'usinabilité de celui d'un acier resulfuré.
Les compositions des aciers A et B de référence et de l'acier C selon I'invention sont présentées dans le tableau 1 ci-dessous pour des aciers dont la composition de base est C=0,05%; Si=0,5%; Ni=8,6%; Cr=18% Mo=0,2%, mais dont les teneurs en soufre, calcium, oxygène et manganèse varient.
Tableau 1.
Acier Ca 0 Ca/O Mn Cu S (ppm) (ppm) % % %
A 6 85 0,07 1,60 0,5 0,02
B 48 130 0,35 1,60 0,5 0,30
C(inv) 40 94 0,42 0,25 1,5 0,30 Dans le domaine de la corrosion, les figures 3a, 3b, et 3c présentent respectivement les courbes caractéristiques en corrosion par piqûre et en corrosion caverneuse pour l'acier C selon l'invention en comparaison avec les
aciers A et B de référence.
Dans le domaine de l'usinabilité, des tests de perçage ont été effectués avec un foret de diamètre 4 mm en acier rapide, pour la réalisation de trous de
16 mm de profondeur sur des barres cylindriques d'un diamètre de 10 mm.
Le tableau 2 présente les performances des aciers A, B et l'acier C dans une première condition de coupe avec une vitesse de coupe de 40 m I mn et
une avance de 0,1 mm/tour.
Tableau 2.
Acier Performance, longeur de percée (m)
A 0O
B >16
C (Invention) > 16 Le tableau 3 présente les performances des aciers A, B et l'acier C dans une seconde condition de coupe avec une vitesse de coupe de 25 m / mn et
une avance de 0,25 mm/tour.
Tableau 3
Acier Performance, rongeur de percée (m)
A 0O
B >16
C (Invention) > 16 La solution proposée permet de concilier la meilleure usinabilité possible apportée par le soufre et les inclusions associées de silicoaluminate de chaux, à une tenue à la corrosion élevée semblable à celle des aciers de base non resulfurés. Ainsi elle permet aux utilisateurs de s'affranchir du choix à faire vis-à-vis de l'une ou l'autre propriétés. En effet, cet acier permet aux utilisateurs des aciers non resulfurés,pour la réalisation de pièces résistantes à la corrosion, de gagner en productivité donc en coût de pièce. D'autre part, elle permet également aux utilisateurs d'aciers resulfurés, qui réalisent ensuite un traitement de surface type chromage afin d'améliorer la résistance à la corrosion des pièces, de s'affranchir
l0 de ce traitement.

Claims (4)

REVENDICATIONS
1. Acier inoxydable à haute usinabilité, resulfuré, et présentant une résistance à la corrosion améliorée caractérisé en ce qu'il comporte, dans sa composition des inclusions de silicoaluminate de chaux de type anorthite et ou pseudo- wollastonite, et ou géhlénite associées à des inclusions de CrMnS dont la
teneur en chrome est comprise entre 30% et 70%.
2. Acier austénitique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la composition pondérale est la suivante 0,01% < carbone < 0,1%; 0,01% < silicium < 2,0%; 0,01% < manganèse < 0,5% % < chrome < 25% 7% < nickel < 12%; 0,15% < soufre < 0,45%; 0,01% < molybdène < 3,00%; 0,5% < cuivre < 3, 5% 0,01% < azote < 0,1%; 0,0020% < aluminium < 0,0100% 0,0005% < phosphore < 0,050%; 1 0-4% < calcium < 200 104%; 104% < oxygène < 300 104%; ' 0,20 < calcium/oxygène < 0,60, le reste étant du fer et des éléments résiduels inhérents à l'élaboration, I'acier contenant notamment des inclusions de silicoaluminate de chaux de type anorthite et ou pseudo- wollastonite, et ou géhlénite associées à des inclusions de CrMnS dont la teneur en chrome est
comprise entre 30% et 70%.
3. Acier selon la revendication 2 caractérisé en ce que la composition
pondérale comprend, en outre, moins de 30 10-4% de bore.
4. Acier selon la revendication 2 caractérisé en ce que la composition pondérale
comprend, en outre, de 0,01% à 0,3% de vanadium.
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