Brevet FR2172996A1 — publié le 19731005

La présente invention se rapporte à l'utilisation d'un allia g. lédeburitique Fer-Chrome dans la fabrication d'outils de travail à froid soumis à des contraintes élevées de compression et d'usure et qui, pour cette raison, doivent se présenter à l'état de dureté totale et trempés à coeur, et qui sont en même temps, soumis à d'importantes contraintes de flexion et, le cas échéant, de torsion, comme cela est par exemple le cas des cylindres de laminage à froid, des cylindres à profilés et des rouleaux de planage ou similaires. De tels outils sont habituellement fabriqués en aciers rapides fortement alliés, dans le cas de spOcifications sévères, et mime, dans certains cas, en alliages durs frittés. L'utilisation, dans ce but, des aciers au chrome lédeburiti- ques usuels, comparativement meilleur marché, est en régression, oar les performances actuellement exigées de ces matériaux ne peuvent plus tre atteintes dans de nombreux cas. Un incoivénieut présenté par l'utilisation d'outils onéreux dans de tels domaines de travail demeure une forte tendance à la rupture et, en partie également, une résistance à l'usure pas tou Jours siffisante, ei particulier pour les outils en acier rapide. I1 est apparu plus récemment un matériau basé sur des allia- ges lédeburitiques fer-chrome qui, d'après sa composition, appartient au domaine des alliages de fusion, mais qui peut être amené à l'état forgeable par l'utilisation d'un procédé particulier de refusions, en fait le procédé de refusion sous laitier. Ce matériau, qui peut titre essentiellement défini par les proportions limites suivantes des constituants de l'alliage, est connu en soi, et a été déjà particulièrement recommandé pour la fabrication d'outils de travail à froid soumis à des contraintes élevées de compression et d'usure, dans le cas où l'usure par abrasion reste prépondérante.Les limites d'alliage qui sont de grand intFrGt dans ce contexte peuvent entre définies comme suit de 2,5 à 3,5 % de carbone (C), de 0,2 à 2 % de silicium (Si), de 0,3 à 2,2 % de manganèse (Mn), de 10 à 17 % de chrome (Or), et, le cas échéant, jusqu'à 1,5% de molybdène (Mo), 3 % de tungstène (w), 0,8 % de vanadium (Va), 0,5 % de nickel (Ni), soit isolément, soit associés, le reste étant du fer et d'inévitables impuretés. Ces matériaux se caractérisent par un taux élevé en carbures qui, en fonction de l'importance de la teneur en carbone, peut se situer dans la zone comprise entre 25 et 40%. Une caractéristique de ces aciers réside dans le fait qu'une part importante de la teneur en carbures consiste en gros cristaux de carbure de chrome qui-restent dans cet état, meme après une importante déformation à chaud. Pour cette raison, il a subsisté tout d'abord quelques réser ves quant à l'utilisation de oe matériau pour la fabrication d' se outils à arêtes tranchantes, réserves qui ne/ sont cependant révé- lées en pratique que par.tiellement justifiées. La ténacité de tels alliages doit entre considérée comme défavorable du -fait de la proportion élevée en carbures et, plus spécialement, de la proportion élevée en carbure de chrome. Sans aucun doute, on sait que l'on peut obtenir, dans une certaine mesure, une amélioration de la ténacité grâce à l'utilisation de températures des trempe élevées conduisant à des proportions importantes d'austénite dans la matrice. Dans le cas des outils considérés dans la présente invention, cette possibilité doit cependant être éliminée, car il n'est pas possible de renoncer à la dureté élevée de ce matériau, ni à la résistanee à l'usure qui découle de cette dureté. I1 s'est toutefois révélé, de manière surprenante, que cet alliage fer-chrome à l'état de formage à chaud, et après une trempe à coeur parfaite pouvant être obtenue à l'air ou à l'huile, selon les dimensions et la composition de l'alliage, possède une ténacité au moins suffisante pour pouvoir l'utiliser pour des outils soumis à des contraintes supplémentaires de flexion et de torsion. Cette observation est d'autant plus surprenante que les résultats des essais statiques de flexion ne sont pas absolument convaincants quant à l'utilisation de ce groupe de matériaux. Dans la mesure où l'on peut déduire des essais de flexion les propriétés de ténacité, on peut affirmer que, selon la teneur en carbone, une ténacité d'environ un à deux tiers de celle de ces aciers au chrome peut être obtenue. L'objet de la présente invention réside ainsi dans l'utilisation d'un alliage lédeburitique fer-chrome, composé de 2,5 à 3,50% de carbone, de 0,2 à 2 % de silicium, de 0,3 à 2,2 % de manganèse, de 10 à l/o de chrome, le cas échéant jusqu'à 1,5 % de molybdène, 3 % de tungstène, 0,8 % de vanadium et 0,5 % de nickel, soit isolément, soit associés, le reste étant composé de fer et d!impure- tés inévitables, alliage qui a été amené à l'état malléable à chaud par refusion sous laitier, pour la fabrication d'outils de travail à froid, qui doivent se trouver à l'état de dureté totale et trempés à coeur, en raison de contraintes élevées de compression et d'une usure pendant leur utilisation, mais qui sont en mQme témps soumis à d'importantes contraintes de flexion et le cas échéant de torsion, comme, par exemple, les cylindres de laminage à froid, les cylindres à profilés, les cylindres à planer ou outils similaires. Le molybdène et le tungstène sont à recommander avant tout lorsque la trempe doit obligatoirement s'effectuer à l'air à cause de la forme géométrique des outils. Des adjonctions de vanadium augmentent dans une faible mesure la résistance à l'usure du carbure de chrome. Lorsque la trempe doit être effectuée dans l'air, on choisira, pour ce faire, une composition d'alliage conforme aux limites suivantes : de 2,7 à 3,2 % de carbone, de 0,2 à 1 % de silicium, de 0,3 à 1,2 % de manganèse, de 12 à 15 % de chrome, de 0,2 à 0,6 de molybdène, de 0,5 à 1,5 % de tungstène, jusqu'à 0,20 % de vanadium, 0,2 à 0,3 % de nickel, le reste consistant en fer et en impuretés inévitables. Pour l'obtention de très grandes duretés, il est approprié de procéder consécutivement à la trempe à l'air ou dans l'huile, à un traitement à très basse température, au-dessous de - 500C, par exemple dans l'air liquide, l'azote liquide, ou la neige carbonique. De tels traitements à très basse température entrassent des augmentations de la dureté d'environ 2 degrés HRC, et sont alors le plus efficace lorsqu'ils sont effectués le plus immédiatement possible, consécutivement au traitement de trempe. lorsque l'on effectue de manière convenable de tels traitements, on peut obtenir des duretés allant jusqu'à 70 HRC. le matériau recommandé, objet de la présente invention, conduit à une durée utile généralement double à triple, comparée aux aciers lédeburitiques au chrome encore aujourd'hui usuellement employés, et se rapproche ainsi des performances que l'on peut habituellement attendre d'outils en aciers rapides fortement alliés. I1 faut cependant souligner que, comparés à ces outils en aciers rapides, les outils objets de la présente invention sont notablement meilleur marché. En outre, ils présentent, par rapport aux alliages durs frittés très onéreux, une fragilité bien moindre. les outils décrits en relation avec la.présente invention ne peuvent être fabriqués à partir d'alliages de fusion usuels, en raison de leurs contraintes élevées, et, plus précisément, d'une part à cause de la trop grande sensibilité de cet alliage lors de la trempe, et, d'autre part, du fait de la forte tendance à la rupture. Exemple de réalisation nO 1 Des cylindres de travail pour laminoir Sendzimir, de dimeg- sions 42 x 300 mm, en acier à 3,0 % de carbone, 12 % de chrome, 0,3 % de silicium, 0,5 % de manganèse et 0,2 % de nickel ont été utilisés à l'état trempé dans l'huile, les tensions internes ayant été éliminées, et avec une dureté de 65 à 66 degrés HRC, pour le laminage à froid des feuillards d'acier au carbone non allié ; dans cette opération, du fait de l'augmentation de plus du double de la durée de vie relativement aux aciers lédeburitiques traditionnels au chrome, la rectification des cylindres de travail qu'il était jusqu'alors usuel d'effectuer après chaque bobine a pu entre éliminée, et c'est seulement après le laminage de deux bobines qu'une rectification a été nécessaire pour obtenir la qualité de surface requise. Une amélioration des performances en exploitation n'est intéressante que lorsque l'augmentation du rendement entraene un facteur d'au moins 2. Des augmentations (en pourcent) de rendement inférieures à 100 % ne peuvent entre exploitées par ce procédé de fabrication. Exemple de réalisation nO 2 Pour le laminage de feuillard large au chrome-nickel jusqu'à 1400 mm de largeur, on a mis en oeuvre un acier à 2,75% de carbone, à 0,3% de silicium, à 0,5% de manganèse, à 14,5% de chrome, à 1,20/p de tungstène, à 0,25% de molybdène, à 0,5% de vanadium, à 0,2po de nickel pour des cylindres de travail aux dimensions de 55 x 1500 mm, après trempe à l'air et élimination des tensions internes avec une dureté de travail de 64 à 65 HRC et l'on a obtenu la mebme durée utile que celles d'aciers rapides fortement alliés précédemment utilisés, mais les coûts de matière première ne se situent environ qu'à la moitié. Exemple de réalisation nO 3 L'utilisation d'un acier à 3,2 % de C, 0,3 % de Si, 0,5% de Mn, 12 % de Cr, 0,5 % de Ko, après trempe à l'huile et traitement consécutif à très basse température dans l'azote liquide pendant une durée de 30 minutes, suivi de l'élimination des tensions internes à 1500C, une dureté de 70 degrés HRC ayant été ainsi obtenue pour des cylindres à profiler les aciers d'armature de béton conduit à une augmentation de rendement de l'ordre du triple, en comparaison des aciers traditionnels lédeburitiques au chrome. La durée utile est de l'ordre du cinquième de celle des alliages durs frittés ; cependant, les cylindres à profiler en alliages durs frittés sont environ quinze fois plus chers que ceux en alliage fer-chrome selon la présente invention. Ces cylindres sont fabriqués usuellement dans des diamètres allant jusqu'à 120 mm, ce qui doit déjà 8trie considéré comme une limite supérieure dans le cas d'alliages durs frittés. À partir de l'alliage objet de la présente invention, on peut, sans autre difficulté, fabriquer également des cylindres de plus grand diamètre. Exemple de réalisation nO 4 De petits cylindres presseurs, d'un diamètre allant de 80 à 100 mm, ont été fabriqués à partir d'un acier à 5,4% de carbone, 13% de chrome, 0,3% de silicium, 0,5% de manganèse, 1,00/o de tungs ténue, 0,3% de molybdène et 0,7h de vanadium, et ont servi, après trempe à l'huile et traitement à l'eau chaude avec une dureté de travail de 68 HRC, à façonner des pièces en t8le par rotation, au moyen d'une garniture de formage et de cylindres presseurs. Dans cette opération, l'usure de ces cylindres presseurs s'est révélée être seulement la moitié de celle d'aciers lédeburitiques traditionnels au chrome, et ils avaient, en conséquence, à subir une rectification moins fréquente. Un avantage supplémentaire présenté par les alliages préconisés conformément à la présente invention réside dans la bonne aptitude au polissage. REVENDICATIONS 1) Utilisation d'un alliage fer-chrome lédeburitique, composé de 2,5 à 3,5 % de carbone, de 0,2 à 2 % de silicium, de 0,3 à 2,2 % de manganèse, de 10 à 17 % de chrome, le cas échéant jusqu 'à 1,5 % de molybdène, 3 % de tungstène, 0,8 % de vanadium, 0,5 % de nickel, soit isolément, soit associés, le reste étant constitué de fer et d'impuretés inévitables, ledit alliage ayant été amené à l'état malléable à chaud par refusion sous laitier, pour la fabrication d'outils de travail à froid qui doivent se présenter à l'emploi à l'état de dureté totale et trempés à coeur en raison des contraintes élevées de compression et d'usure et qui, en même temps, sont soumis à des contraintes élevées de flexion et, le cas échéant, en plus à des contraintes de torsion, comme par exemple des cylindres de laminage à froid, des cylindres à profiler, des cylindres à planer ou outils similaires. 2) Utilisation d'un alliage lédeburitique fer-chrome, composé de 2,7 à 3,2 % de carbone, de 0,2 à 1 % de silicium, de 0,3 à 1,2 % de manganèse, de 12 à 15 % de chrome, de 0,2 à 0,6 % de mo lybiène, de 0,5 à 1,5 % de tungstène, jusqu'à 0,20 % de vanadium, 0,2 à 0,3 % de nickel, le reste étant constitué de fer et d'impuretés inévitables de l'acier, pour la fabrication d'outils de travail à froid selon la revendication 1. 3) Utilisation d'un alliage lédeburitique fer-chrome, pour la fabrication d'outils de travail à froid selon la revendication 1 ou 2 qui, après trempe à l'air ou à l'huile destinée à augmenter leur dureté, subissent un grattement à très basse température et consécutivement une élimination usuelle des tensions internes à des températures allant Jusqu't 2000C maximum.