Brevet FR2264890A1 — publié le 19751017

La présente invention concerne un procédé pour former des carbures alliés nécessaires pour développer au mieux les propriétés des matériaux ferreux, que ceux-ci soient obtenus par fusion ou par la technique du frittage. Plus particulièrement, l'invention eoncerne la formation d'alliage de carbures dans les matériaux ferreux contenant un ou plusieurs des éléments constitutifs des carbures employés dans la production des al-liages d'acier, éléments tels que le chrome, le molybdène, le tungstène et le vanadium.Les matériaux ferreux dont il est question ci-après font partie de cette catégorie particuliere. I1 doit être bien noté que de tels éléments constitutifs des carbures sont normalement présents en proportion convenable, suivant les teneurs en usage dans les différentes catégories commerciales d'acier rapide, d'acier à coutils, d'acier inoxydable et autres alliages d'acier, et que dans certains cas les-matériaux ferreux de cette catégorie peuvent aussi contenir de petites quantités de carbone Cependant l'invention est plus spécialement applicable aux matériaux ferreux de I'espèce définie ci-dessus et ne comportant pratiquement pas de carbone que ce soit sous forme de carbure ou autres. Il est connu que les alliages d'acier classiques contiennent des carbures originels libres à l'intérieur des grains du lingot et que le processus normal utilisé pour-la cémentation et la trempe de tels aciers ne modifie pas sensiblement leur teneur en carbure. Les processus classiques de cémentation sont conduits à une température telle que le matériaux ferreux- se trouve alors dans la phase austénitique, ctesta'dire dans les conditions où la solubilité du carbone est telle que celui-ci est pris dans la solution solide à des concentrations relativement hautes. Toute autre formation ultérieure de carbure qui peut se produire est pratiquement confinée aux grains de surface où son influence est hautement néfaste. De plus il est reconnu que la présence de tels carbures libres à l'intérieur des grains augmente la difficulté d'usinage et de fabrication de ces matériaux. Suivant l'invention, le procédé pour former des carbures alliés dans un matériaux ferreux contenant des éléments tels que le chrome, le molybdène, le tungstène et le vanadium est caractérisé en ce qu'on soumet ce matériau à un traitement thermique à une température telle qu'il soit amené dans la phase ferritique-austénitique et en ce qu'on expose ce matériau B une atmosphère contenant du carbone de façon à provoquer lá formation de carbures alliés uniformément réparti à l'intérieur de ce matériau. Le traitement thermique consiste à chauffer le matériau à l'état solide à une température comprise à l'intérieur de la zone austënitique-ferritique (AC1 - AC3) pour ce matériau, moyennant quoi le-- carbone de l'atmosphere gazeuse est diffusé à l'intérieur du matériau. Cette zone de température varie suivant la composition de l'alliage, mais est de l'ordre de 7200C à 900 C comparée à la température de la phase austénitique qui dépasse 9000 C. Pour un matériau donné, la quantité, la distribution, la dimension des particules et le type de carbure formé par le traitement thermique sont déterminés par la durée du traitement, la température du traitement et le"potentiel carbone" de l'atmosphère du t-raitement. Le traitement thermique peut être effectué dans un four étanche à une pression sous-atmosphérique ou dans un four classique à la pression atmosphérique ou à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Dé plus le traitement peut aussi être effectué dans un lit fluidisé ou dans un bain de sel. Le traitement peut dans certains cas être combiné avec les opérations finales de trempe et de revenu du matériau. L'étendue et la nature du carbure formé, sa distribution et sa constitution sont commandées, en fonction de l'alliage composant le matériau sous traitement, par le réglage de la température et du temps pendant lequel on laisse le carbone diune -atmosphère ayant un "potentiel carbone" bien spécifié, diffuser dans le~maiFiau, et en outre par le traitement thermique postérieur au traitement de diffusion. La solubilité du carbone dans la phase ferritique est très basse, comparée avec la phase austénitique. Il en résulte que seule une très basse concentration de carbone peut diffuser dans le matériau dont il est question ici dans la phase ferritique avant que le carbone commence à entre précipité de la solution solide et cela permet au processus de nucléation de donner naissance à des points de croissance finement et uniformément dispersés pour les carbures alliés secondaires. L'affinité pour le carbone du composant de l'alliage normalement utilisé dans le type d'acier évoqué cidessus assure que les carbures alliés sont formés d'abord à de tels points de cristallisation. Lorsque plus de carbone diffuse dans le matériau pour former de tels carbures, la phase ferritique est transformée en phase austénitique dans laquelle le carbone libre est beauc-oup plus soluble-. Avec le temps, la nucléation du carbone s'effectue à travers le matériau, les couches extérieures sont pratiquement saturées avec le carbone libre en solution solide, mais relativement peu de carbone libre atteint les couches plus profondes. La continuation du traitement thermique aux températures d'austénisation usuelles augmente la valeur de la diffusion du carbone libre et fait ainsi substantiellement crottre la distribution uniforme du carbone dans un deuxième stade du processus qui suit la nucléation initiale et la croissance des carbures alliés dans les grains. Ainsi le premier stade de tout traitement consiste en une nucleation et une croissance controlée du carbure, les conditions étant, de préférence, préalablement choisies pour etre sûr que la teneur en carbure du majliau atteigne un maximum déterminé, fonction de ces conditions. Si la nucleation du carbure durant le premier stade du traitement est ainsi maximisé, il est nécessaire de contrôler le potentiel carbone de l'atmosphère environnante durant le traitement thermique de la trempe qui suit l'achèvement de la nucléation du carbure, traitement thermique durant-lequel la distribution du carbone libre est égalisée. Bien que le procédé suivant l'invention puisse etre avantageusement utilisé pour la production de matériaux bruts utilisés dans la fabrication d'un grand nombre de produits, il est spécialement avantageux que l'invention soit appliquée au stade intermédiaire ou final de la fabrication d'un article à partir d'un matériau ferreux du genre spécifié précédemment. Normalement, les articles dont la fabrication requiert des aciers à haute teneur en carbone sont produits à partir de matériaux bruts dont la teneur en carbone est pratiquement la même que--celle qui est désirée dans le produit fini. Dans de tels matériaux la présence de carbure libre se fait particulièrement sentir lors de la transformation du produit brut en un produit fini, particulièrement en regard des conditions de recuit et il est souvent nécessaire de contrôler soigneusement les déformations du matériau durant la; fabrication.Cependant, par le moyen de la présente invention, il est possible de partir d'un matériau brut ayant une teneur basse ou meme nulle en carbone et de le travailler pour obtenir la forme désirée avec moins de difficulté qu'autrefois et d'effectuer la nucléation et ia croissance des cristaux de carbure dans le matériau déjà formé afin de modifier sa nature et d'introduire ensuite la composante requise de carbone sous forme de carbone libre pour obtenir les propriétés souhaitées dans l'alliage d'acier demandé. En pratique cela peut faire partie du processus final du traitement thermique de trempe, ou être pratiqué immédiatement avant. L'invention peut etre appliquée aux aciers à outils, aux aciers rapides, aux aciers inoxydables et aux alliages d'aciers établis forgés, coulés ou frittés. En introduisant ainsi le carbone dans l'acier avant ou pendant le traitement thermique final du produit fini, la fabrication de l'acier peut être menée à bien avec une teneur basse ou meme nulle en carbone, comme il est dit ci-dessus, et il en résulte une économie substantielle du fait de la réduction des stades intermédiaires de recuit ainsi que de la réduction de la précision du contrôle des déformations durant la fabrication. Dans la fabrication des outils en alliage d'acier fondu à-haute teneur, la distribution normale du carbure est par-fois considérée comme nuisible à la performance de l'outil. Cependant, en coulant l'outil avec un matériau à teneur faible ou nulle en carbone, et en introduisant les carbures à un stade ultérieur de la fabrication, il est possible d'obtenir une forme de distribution plus fine et plus régulière du carbures l'intérieur du matériau et d'avoir ainsi une performance accrue pour 11 outil. Lors de la production d'éléments par frittage il est souvent difficile de controler le niveau du-carbone durant le pro- cessus du frittage. Par contre, en utilisant des matériaux à teneur faible ou nulle en carbone et en introduisant le carbone à un stade ultérieur suivant l'invention, ces difficultés sont supprimées. L'invention réside en outre dans un acier incorporant des carbures alliés comprenant totalement ou en prédominance des carbures secondaires uniformément et finement dispersés à travers les grains. En plus des avantages résultant d'une plus grande facilité de travailler des alliages à teneur faible ou nulle en carbone il est maintenant vis-ible que l'invention apporte un perfectionnement qui est la plus grande homogénéité du matériau comparé avec les alliages d'acier à haute teneur obtenus de façon classique. La micro- photographie d'un alliage d'acier à haute teneur obtenu de façon classique montre que la distribution du carbure est hétérogène, même après un-important travail de préparation, autrement dit que le carbure est présent sous forme de particules de forme et d'espacement largement différents. Par contraste, les micro-photographies d'un matériau équivalent produit par le procédé suivant ltinvention montrent pour le carbure une structure beaucoup plus uniforme et plus finement répartie, en d'autres termes les particules de carbure sont de dimension plus uniformes et sont plus régulièrement distribuées. Cela donne naissance à la possibilité d'obtenir une plus grande dureté que le matériau classique pour une valeur équivalente de trempe. Les petites dimensions des particules de carbure obtenues par le procédé suivant l'invention font qu'il est possible d'arriver à une plus grande vitesse de dissolution du carbone durant la trempe. Ainsi cela permet d'utiliser une plus basse température de trempe et une plus haute température de recuit pour une échelle déterminée de dureté avec par conséquent un moindre risque de décémentation. Ces résultats sont illustrés dans les figures 1 à 4 des dessins ci-joints. La figure 1 est une micro-photographie montrant la distribution du carbure dans un acier rapide typique trempé et recuit de façon classique La figure 2 est une micro-photographie semblable à la figure i d'un acier de meme-composition mais produit. par le procédé suivant l'invention. La figure 3 est un graphique -montrant la dureté R.C. (Rockwell) en fonction de la température de recuit pour différentes températures de trempe ou d'austénisation. La figure 4 est un graphique donnant la dureté R.C. (Rockwell) en fonction du temps pendant lequel le matériau est maintenu à la température d'austénisation. Les figures 5 à 7 sont respectivement des microphotographies acier rapide à basse teneur de carboné avant traitement, après un traitement partiel et après un traitement complet, toutes avec le même agrandis-sement. Les figures 8 et 9 sont respectivement des microphotographies d'un acier rapide classique due cémenté avant et après le traitement par le procédé suivant ltinvention pour rétablir la couche de surface dans son état original. On va maintenant décrire des réalisations préférées de l'invention. -En référence aux figures 1 et 2 des dessins, le gain en homogénéité est immédiatement visible par la comparaison de ces figures. Sur la figure 3 la courbe Adonne la dureté en fonction de la température de recuit pour un matériau dans lequel le carbure contenu est formé suivant l'invention et ,par conséquent,avec une tem pérature d'austénisation de 1.1800 C, et il est clair que la courbe Â est nettement plus haute, en terme de dureté, que la courbe B qui montre la même relation pour un matériau classique de composition équivalente et traité à une température d'austénisation plus élevée de I .2200 C.Comme point de comparaison la courbe C donne la dureté en fonction de la température de trempe pour le matériau représenté en B mais traité à la température d'austénisation relativement basse de 1.1800 C. La courbe D delta figure 4 donne la dureté de revenu en fonction du temps (en minutes) pendant lequel est maintenue la température d'austénisation pour un matériau dans lequel le carbure contenu est produit suivant l'invention. La courbe E montre-la même relation pour un matériau classique équivalent C. il apparaît immédiatement que la dureté de recuit est à la fois augmentée et plus rapidement obtenue avec le matériau traité suivant l'invention. Bien que les conditions du procédé soient normalement réglées pour obtenir pour le carbure une structure finement dispersée à travers l'épaisseur entière du matériau sous traitement il est aussi possible de ne développer une telle structure qu'à des profondeurs contrôlées avec aussi la possibilité d'appliquer le traitement requis soit à une surface délimitée soit à la totalité de celle-ci, comme illustré par les figures 5 à 7. Ce contrôle gradué que permet le procédé suivant l'invention peut etre utilisé pour développer de meilleures propriétés de surface par exemple pour des outils ou autres pièces d'usinage. Par exemple un Au.13 type 5 %0 d'acier au chrome peut être traité sur une profondeur de O-J6 à 1 m/m pour obtenir une structure équivalente à celle d'un alliage d'acier A2 à haute teneur en carbone Pareil- lement, le procédé suivant ltinvention peut être utilisé pour restaurer le carbure dans un matériau d'outil décémenté. Cela est illustré dans les figures 8 et 9. A titre d'exemple, dans la fabrication d'une lame,une teneur de 0,8 ffi en carbone peut être obtenue en partant d'un matériaux ferreux non carboné et contenant 6 % de tungstène, 5 % de molybdène,-1,9 ffi de vanadium et 4 so de chrome, en chauffant la lame à une température de 8000 C pendant 2 heures dans une atmosphère endo-thermique préparée à partir de propane et réglée à un niveau de C02 de .0,55 zou Cette structure peut ensuite être homogénéisée et durcie par un chauffage à 1.1800 pendant 2 minutes. La structure obtenue après cémentation à 1.1800 C pendant 2 minutes suivie par un double revenu à 5500 C est faite de carbure libre uniformément dispersé dans une matrice de matensite avec un grain de 18 snyder-graff. La dureté du matériau est approximativement de 850 H.V. (Vickers). Dans une variante du procédé le traitement peut être conduit en trempant la lame dans un milieu de cémentation tel que de la poudre de charbon dé bois ou de coke avec des additifs convenables. Il faut noter que, bien que le matériau soit plongé dans une poudre, le traitement réalisé implique essentiellement une réaction gazeuse à partir du chauffage de la poudre qui réagit avec l'oxygène atmosphérique en provoquant ainsi un traitement avec intermédiaire gazeux à travers lequel le carbone est diffusé dans le matériau. Au lieu de maintenir la température à une valeur prédéterminée dans la zone correspondant à la phase ferritique/austénitique et d'élever ensuite la température à l'intérieur-de la zone austénitique, il est aussi possible de monter régulièrement la température à une vitesse contrôlée à travers la. zone ferritique/ austénitique jusqu'à la température austénitique désirée ; par exemple monter jusqu'à I .109o à une vitesse de 100 C par minute dans la zone correspondante afin d'atteindre la durée nécessaire du traitement dans la phase ferritique/austénitique. Dans une autre variante, le traitement peut être mené à bien dans un four étanche sous une pression sous-atmosphérique, par exemple sous une pression des40 torr de propane, ou dans un bain de sel avec des additifs convenables contenant carbone. Bien que l'invention puisse s'appliquer avec un maximum d'avantages à des matériaux de base non carbonés,- on doit noter que le matériau de départ peut contenir une quantité non négligeable de carbone soit sous forme de carbone libre en solution solide et/ou en particules de carbure à l'intérieur des grains. L'invention présente aussi-l'avantage de permettre l'utilisation des matériaux contenant au départ moins de 0,25 ffi de carbone, qui ne peuvent pas etre traités par les techniques classiques de cémentation à cause de l'impossibilité pour ces techniques de former des carbures libres. Meme avec des teneurs de 0,25 so de carbone, l'utilisation du procédé suivant l'invention est encore avantageuse par le fait qu'il améliore la distribution du carbure comme il a été mentionné précédemment. Le procédé suivant l'invention est particulièrement utilisable pour la fabrication d'articles de faible épaisseur tels que les scies à métaux ou lames de rasoir, où il y a un avantage économique important à-fabriquer ces articles-en partant de matériaux pratiquement non carbonés et en les soumettant ensuite au traitement de formation de carbure. De plus- comme il est mentionné ci-dessus les outils faits avec un matériau classique pour outil peuvent etre traités en surface par le procédé suivant l'invention dans le but d'augmenter la concentration en carbure et d'améliorer ainsi les propriétés de surface de l'outil. Egalement comme il est indiqué ci;dessus, le procédé peut être utilisé pour restaurer le carbone contenu dans les couches superficielles d'outil ou autres pièces d'usinage qui ont été décémentées. A partir de la=description ci-dessus il est évident que le Procédé suivant l'invention est applicable à un type d'alliage d'acier amélioré à haute teneur de carbone ayant une distribution de carbure plus homogène et utilisable comme matériau brut dans la fabrication d'une large gamme de produit ; et que l'invention est aussi applicable à la fabrication d'une large gamme de produit à partir d'acier à basse teneur en carbone, essentiellement non carboné, et à leur conversion ultérieure en acier à haute teneur carbone à carbure allié, au stade le plus convenable durant le processus de fabrication soit sur toute leur épaisseur ou simplement sur une profondeur contrôlée. On se distingue aussi nettement des procédés classiques de cémentation qui sont effectués à des températures austénitiques et augmentent d'abord la proportion de carbone libre. REVENDICATIONS 1. Procédé pour former des carbures alliés dans un matériau ferreux contenant des éléments tels que le chrome, le molybdène, le tungstène et le vanadium, caractérisé en ce qu'on soumet ce matériau à un traitement thermique à une température telle qu'il se trouve dans la phase ferritique/austénitique et en ce qu'on expose le matériau à une atmosphère contenant du carbone afin de provoquer la formation uniforme de carbures alliés à l'intérieur de ce matériau. caractérisé 2. Procédé suivant la revendication 1,/en ce qu'on fait diffuser le carbone dans le matériau à partir d'une atmosphère gazeuse. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on réalise ladite atmosphère gazeuse dans un four à atmosphère contrôlée. 4. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'on produit ladite atmosphère gazeuse dans un lit fluidisé de substances contenant du carbone. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on produit ladite atmosphère gazeuse dans un bain de sel fondu dans lequel sont incorporées des substances contenant du carbone. 6. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le traitement thermique consiste à chauffer le matériau à une température comprise à l'intérieur de la zone ferritique/austénitique (AC1 - AC3) correspondant au matériau traité. 7. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit traitement thermique constitué une partie du traitement final de cémentation et de revenu du matériau traité. 8. Procédé pour fabriquer des articles en acier à haute teneur en carbone, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives de la fabrication des articles de façon connue en soi en un matériau ferreux contenant des éléments tels que le chrome, le molybdène, le tungstène et le vanadium et présentant une teneur en carbone basse ou nulle, et, dans une étape intermédiaire ou finale, de soumission des articles à un traitement thermique à une température telle qu'ils se trouvent dans la phase ferritique/austénitique et d1exposition des articles à une atmosphère contenant du carbone, afin de provoquer la formation de carbures alliés à l'intérieur des articles. 9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ledit traitement est pratiqué de telle manière que les carbures alliés se forment de façon sensiblement homogène dans tout le matériau. 10. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ledit traitement est pratiqué de telle manière que la formation de carbures soit limitée à une couche superficielle d'épaisseur contrôlée. 11. Alliage d'acier comprenant des carbures, caractérisé en ce que ces carbures comprennent totalement ou en prédominance des carbures secondaires dispersés uniformément et finement dans les grains.