Brevet FR2003897A1 — publié le 19691114

La présente invention est relative à des aciers susceptibles de durcissement par précipitation. Il est connu qu'on peut obtenir des aciers au nickel faible ment alliés, suscentibles de durcissement par précipitation, en incorporant de l'aluminium. Par exemple, un acier de ce entre contenant 0,2 iU de carbone, 5 , ae nickel et 2 @ d'aluminium, qui a été élaboré sous forme d'un acier de nitruration, est capable entre vieilli aepuis un état relativement mou et usinable jusqu'à ce que sa résistance @écanique atteigne l%O- kg/mm2.Toutefois, à l'état vieilli, la ténacité d'un tel acier est peu satisfaisante et sa teneur de 5 % en nickel le rend assez coûteux. I1 existe un besoin d'alliages faiblement alliés, susceptibles de durcissement par préciPitation et peu coûteux, pour des utilisations générales en mécanique, par exemple pour faoriquer des engrenages, des arbres et d'autres pièces ae machines, aciers qui puissent acquérir des résistances mécaniques de 60 à 100 kmm2 de même qu'une ténacité adéquate, et la présente invention a pour objet l'obten- tion d'aciers de ce genre. La présente invention est basée sur la découverte que la présence de cuivre, en excès d'une quantité minimale critique, augmente fortement l'effet durcissant de l'aluminium dans les aciers au nickel et réauit en outre la teneur minimale en nickel tour laquelle on teut obtenir un durcissement efficace. L'augmentation de la dureté et de la résistance mecanique qu on teut ainsi obtenir après un traitement thermioue de durcissement tar précipitation dépasse largement la somme des accroissements obtenus avec les mêmes quantités de cuivre et d'aluminium, quand elles sont ajoutées individuellement.De plus, en présence de telles quanti- tés de cuivre, l'aluminium exerce un effet durcissant prononcé en des quantités oui auraient été complètement dépourvues d'effet eh l'absence de cuivre. Les aciers conformes à l'invention contiennent, en poids, 1 à 2,5 % de nickel, 0,6 à 1,25 f de cuivre et 0,5 à 1,25 % a'aluminium, à condition que la teneur combinée en cuivre et en aluminium soit comprise entre 1,3 et 2,25 %. En outre, les aciers peuvent contenir jusqu a 0,2 , de carbone, jusqu'à 0,75 % de silicium, jusqu'à 2 A de manganèse et 0 à 1 % de chacun des éléments chrome et molybdène, à condition que la teneur totale en chrome et en molybdène ne dépasse pas 1,5 %. Le complment, a l'excep- tion des impuretés, est du fer. a phasme durcissante forcie lors du vieillissement des aciers contient du nickel, et les aciers doivent donc contenir au moins 1 % et de préférence au moins 1,5 % de nickel, mais il est inutile c'en utiliser plus de 2,5 %, Les aciers doivent contenir au oins 0,6 ,o de cuivre et 0,5 % d'aluminium et avoir une teneur combinée minimale en cuivre et en aluminium de 1,3 i, car, si cette condition n'est pas satisfaite, le durcissement est insuffisant. Â mesure aue la teneur en cuivre et en aluminium augrente, l'augmentation de durcissement obtenue en cours de vieillissement augmente également. hu-dessus d'une teneur combinée en cuivre et en aluminium de 2,25 X, ou d'une teneur de chacun de ces lents de 1,25 %, de nouvelles additions de cuivre et d'aluminium n'assurent plus qu'une augmentation faible et hors de proportion de la dureté, et de telles additions sont donc peu écono miques. De façon extrêmement avantageuse, les aciers contiennent 0,6 à 0,9 % de cuivre et 0,5 à 1 % d'aluminium, à condition que la teneur combinée en cuivre et aluminium atteigne au moins l,3. Le manganèse est généralement présent dans les aciers en des quantités faibles, par exemple atteignant 0,25 % sous forme d'élément occasionnel, mais, si on le désire, on peut en ajouter des quantités très importantes, atteignant jusqu'à 2 9, par exemple comprisses entre 0,5 et 1,25 %, pour augmenter la dureté des aciers qui viennent d'être traités pour la mise en solution. Des additions de chrome et de molybdène ont le m8me feffet et, si on le désire, les aciers peuvent avantageusement contenir 0,25 à 0,8 R de chrome et/ou de molybdène.Les limites supérieures concernant les intervalles des teneurs en chrome et en molybdène, considérés individuellement et conjointement, sont déterminées par la nécessité d'éviter la formation d'une structure à deux phases dans- les aciers traités pour la mise en solution. I1 est important que ces aciers soient entièrement austénitiques lors du traitement de mise en solution, car la présence de ferrite dans la structure pourrait conduire a un durcissement irrégulier. Le carbone teut également contribuer au durcissement des aciers, mais aux dépens delaténacité et, de préférence, la teneur en carbone ne doit pas dépasser 0,1 Cjj. Le silicium exerce également un effet nuisible sur la ténacité des aciers et c'est pourquoi la teneur en silicium ne doit pas dépasser 0,5 % et est de préférence inférieure à 0,25 %. ear le terme "impuretés", la demanderesse entend les faibles quantités résiduelles d'éléments volontairement ajoutés à des fins telles que le nettoyage et la désoxydation. Le traitement thermique des aciers comprend un chauffage pour la mise en solution suivi c'un vieillissement par chauffage une température à laauelle se forment les phases durcissantes, qu'on suppose être principalement du type iNiAl et du cuivre epsilon. La température de chauffage pour la mise en solution doit être assez élevée pour que les aciers soient entièrement austénitiques, mais elle ne doit pas être trop élevée pour éviter un grossissement excessif des grains et, de facon appropriée, les aciers sont chauffés entre 850 et 950 C pendant un temps assez long pour dissoudre la totalité des phases précipita- bles.On peut ensuite les refroidir jusqu'à la température ambiante à n'importe quelle allure appropriée, par exemple par refroidissement à l'air ou par refroidissement dans un liquide, puis on peut les vieillir par exemple par chauffage entre 450 et 55000 pendant 4 à 48 heures. On va maintenant donner quelques exemples. Dans le tableau I, on donne les compositions d'une série d'aciers contenant nominalement 2 % de nickel. En plus des élé- ment s spécifiés dans le tableau, tous les aciers contenaient nominalement 0,02 * de carbone et 0,15 9 de manganèse, et moins de 0,15 % de silicium, le complément, à l'exception des impuretés, étant du fer. Les aciers n 1 à 5 sont des aciers conformes à la présente invention, tandis que les aciers A et G ne sont pas conformes à la présente invention. TABLEAU I Acier Composition chimique Dureté (HV 30) @ n % en poids Tel quel, Augmentation Augmentation Ni Cr Cu Al après après vieil- calculée de trait. lissement la dureté pour la pendant 16 h due à une mise en a 5000C interaction solution entre Ou et Al 1 2,20 0,25 0,77 0,55 136 68 57 2 2,20 0,73 0,69 0,65 139 # 72 64 3 2,25 0,71 0,61 0,83 137 70 # 66 4 2,30 0,30 0,92 0,90 150 117 # 100 5 5 2,15 : 0,90 0,92 1,15 159 124 107 Â A 2,20 0,48 0,46 0,30 119 7 7 B 2,30 1,50 0,42 0,45 127 7 7 C 2,15 0,78 # 0,18 0,60 125 3 3 D 2,35 0,37 0,10 0,77 133 4 4 E 2,30 0,16 0,41 0,80 131 3 3 F 2,15 0,28 0,25 0,85 131 0 0 G 2,10 0,83 0,27 1,29 138 13 13 k HV 30 = dureté Vickers déterminée avec une charge de 30 kg. Tous les aciers sont été élaborés par fusion à l'air dans un four à induction à haute fréquence. On les a coulés en lingots qu'on a chauffés pendant 2 heures à 115000,,forgés en barres de 4,4 cm de côté, rechauffés pendant 1 heure à 1150 C et forgés en barres d'un diamètre de 1,57 cm. Des tronçons courts des barres ont été soumis à un traitement de mise en solution par chauffage pendant 1 heure entre 850 et 920 C et ont été refroidis à l'air. Après détermination de la dureté dans cette condition, on a vieilli les éprouvettes par chauffage pendant 16 heures à 500 C, on les a refroidies à l'air et on les a de nouveau soumises à des essais de dureté. La dureté après traitement pour la mise en solution et l'augmentation de la dureté après vieillissement sont mentionnées dans le tableau I. Les chiffres apparaissant dans la dernière colonne de ce tableau ont été obtenus en retranchant de l'augmentation de dureté observée, portée dans la colonne précédente, l'accroissement de dureté dû au cuivre seul dans un acier exempt d'aluminium similaire, accroissement qui est égal à 40 (Cu % -G,5). Les résultats donnés dans le tableau I montrent nettement l'effet de la variation des teneurs en cuivre et en aluminium. Les aciers n 1 à 5, qui sont des aciers conformes à la présente invention, montrent des accroissements notables de la dureté, qui dépassent 50 unités. On notera que, dans les aciers A à G, dont la teneur en cuivre est inférieure à la valeur minimale de 0,6 %, un durcissement très faible s'est produit, même si la teneur en aluminium dépasse nettement 0,5 %. Les aciers z et G en particulier corroborent cette remarque. De façon similaire, le caractère détérminant de la limite inférieure en cuivre est démontré par une comparaison des résultats obtenus avec l'acier E et l'acier n 3. Les compositions d'autres exemples d'aciers conformes à l'invention, à savoir les aciers n 6 à 8, sont données dans le tableau IIo Les aciers ont été préarés et ont été traités pour la mise en solution d'une manière similaire à celle qu'on a décrite pour les aciers du tableau I. TABLEAU II Acier Composition, % n C Mn Si Ni Cu Al 6 0,05 0,15 0,15 1,95 0,95 1,0 7 0,044 0Z15 0,11 1,50 1,0 1,0 8 0,053 0,17 0,18 1,05 1,0 1,0 On a déterminé la dureté des aciers après traitement pour la mise en solution et après vieillissement pendant 20 heures, à 4500C ou à 500 C. En outre, on a déterminé la température de transition pour une résilience de 6,7 kgm des aciers aussi/bien après refroidissement à 11 air précédant le vieillissement qu'après une trempe à l'eau précédant le vieillissement.Toutes les éprouvettes ont été vieillies pendant 16 heures à 50000 Les résultats de tous ces essais sont donnés dans le tableau III. TABLEAU III Acier Dureté H.V 30 Refroidi à l'air Trempé à l'eau n Traité pour Vieilli pen- et vieilli pen- et vieilli à la mise en dant 20 h. dant 16 h à 300 C 500 C pendant solution et 450 C 500 C 16 heures refroidi à lemp. de Durete emt. de Dureté l'air transi- $h.V 30 transi- $H.V 3 tion de tion de la rési- la rési lience lience o 165 258 266 + 1100C 280 - 1200 253 7 7 151 227 241 + 700C 242 - 200C 222 8 136 216 207 + 20 C 223 - 15 C 222 Il ressort du tableau III qu'il se produit une augmentation tres sensible de la dureté des aciers 6 à 8 lors d'un vieillissement à partir ae l'état de la mise en solution. On peut également voir que pour obtenir des températures basses de transition de la résilience, les aciers doivent être trempés et en particulier trempés à l'eau, et non pas refroidis à l'air, après le traitement de mise en solution. - HEVENDICATIONS 1.- Acier susceptible de durcissement par vieillissement, caractérisé par le fait qu'il contient, en poids, 1 à 2,5 % de nickel, 0,6 à 1,25 % de cuivre, 0,5 à 1,25 S d'aluminium, la somme des teneurs en cuivre et en aluminium étant comprise entre 1,3 et 2,25 i, 0,2 % de carbone au maximum, 0,75 % de silicium au maximum, 2 s de manganèse au maximum, O à 1 % de chrome et O 1 % de molybdène, la somme des teneurs en chrome et en molybdène ne dépassant pas 1,5 9 et le complément, à l'exception des impuretés, étant du fer. 2.- Acier conforme à la revendication 1, qui contient au moins 1,5 % de nickel. 3.- Acier conforme aux revendications 1 ou 2, qui contient 0,6 à Q,9 % de cuivre et 0,5 à 14 d'aluminium. 4.- licier conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, qui contient 0,5 à 1,25 % de manganèse. 5.- Acier conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, qui contient 0,25 à 0,8 joC au total de chrome et/ou de molybdène. 6.- Acier conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, qui se trouve à l'état durci par vieillissement. 7.- Acier conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5 qu'on a durci par vieillissement en le chauffant pendant 4 à 48 heures dans l'intervalle de température compris entre 450 et 550 C.