Brevet FR2473067A1 — publié le 19810710

La présente invention concerne un acier non magnétique à haute teneur en manganèse et possèdant une excellente aptitude à l'usinage. De nombreuses tentatives ont été faites pour améliorer l'aptitude à l'usinage d'un acier non magnétique à haute teneur en manganèse. Par exemple, pour améliorer l'aptitude à l'usinage, on a proposé d'incorporer dans un acier non magnétique à haute teneur en manganèse un ou plusieurs des éléments choisis parmi S, Se, T et Pb, considérés comme étant efficaces pour améliorer l'aptitude à l'usinage quand on les incorpore dans un acier ordinaire, ou bien une proportion appropriée de soufre qu'on considère comme efficace lors- qu'on l'incorpore dans un acier dont l'effet de désoxydation a été réglé par incorporation de Ca (voir par exemple les demandes de brevet japonais publiées n0 81119/1979 et 36513/1977). Avec de tels procédés, on peut améliorer l'aptitude à l'usinage à un certain degré selon la quantité des éléments incorporés mais les méthodes considérées ne réussissent pas à résoudre entièrement le problème d'une amélioration importante de l'aptitude à l'usure. En conséquence les principaux buts de l'invention sont - de fournir un acier non magnétique à haute teneur en manganèse- présentant une aptitude élevée à l'usinage; - de fournir un tel acier non magnétique riche en manganèse qui est capable de préserver une structure austénitique stable pendant les opérations de coupe; et - de prolonger la durée d'utilisation d'un outil servant à couper des aciers non magnétiques riches en manganèse. L'invention a donc pour objet un acier non magnétique à haute teneur en manganèse qui comprend en poids: 0,22 à 0,30 % de carbone, 22 à 28 % de manganèse, jusqu'à 4 % de silicium, 0,030 à 0,10 % de soufre, 0,001 à 0, 008 % de calcium et 0,001 à 0,008 % sol.Al., le complément étant du fer. Eventuellement, on peut incorporer également jusqu'à 2,0 % de chrome et/ou jusqu'à 2,0 % de vanadium, en poids. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressorti- ront de la description détaillée qui va suivre en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure I est un graphique montrant l'effet exercé par les quan- tités de carbone et de manganèse sur les caractéristiques V-T (vitesse de coupe - durée de vie de l'outil) des outils en carbures cémentés; - la figure 2 est un graphique montrant l'effet des traitements par S et CaS sur la durée des outils en carbures cémentés; - la figure 3 est un graphique montrant l'effet de la quantité de sol.Al sur la durée de vie des outils en carbures cémentés lorsqu'on utilise ces outils pour couper un acier non magnétique contenant C, Mn, S et Ca en quantités prescrites par l'invention; - la figure 4 est un graphique montrant l'effet du rapport C/M4n sur la durée de vie des outils en acier à vitesse rapide; la figure 5 est un graphique montrant le rapport entre le pourcentage d'écrouissage et la perméabilité; - la figure 6 est un graphique montrant la répartition de la dureté à proximité de la couche superficielle lors de la coupe à l'aide d'une scie; et - la figure 7 représente des photographies de la possibilité d'éva- cuation des copeaux, avec une comparaison entre un échantillon d'acier non magnétique selon l'invention et un échantillon d'un acier témoin. La Demanderesse a pu établir que l'aptitude médiocre à l'usinage d'un acier non magnétique à haute teneur en manganèse d'un type classique et présentant une dureté élevée est provoquée par les faits que-l'acier con- tient du carbone en une proportion de plus de 0,35 % en poids (dans un but de brièveté, tous les pourcentages ci-après sont en poids sauf stipulation contraire), que les carbures précipitent avec la montée de la température par suite de l'opération de coupe (les carbures précipitent partiellement même à l'état laminé brut) et que pendant l'opération de coupeune portion en cours de coupe ou une portion immédiatement adjacente prend une structure mar- tensitique. Selon l'invention, on limite la teneur en carbone entre 0,22 et 0,30 % ce qui est au-dessous de la teneur en carbone prévue dans les aciers non magnétiques riches en manganèse selon la technique antérieure. Ainsi, non seulement diminue-t'on la dureté pour améliorer l'aptitude à l'usinage, mais on empeche aussi la précipitation des carbures pendant la coupe ou à l'état laminé brut. En outre, la tendance de la structure austénitique à devenir instable, qui serait due à une diminution de la teneur en carbone, peut être empêchée si l'on utilise une proportion convenable de manganèse de telle sorte que même avec un taux de réduction lors del'écrouissage aussi élevé que 80 %, on peut préserver une structure austénitique stable. On peut donc empêcher la portion en cours de coupe ou une portion adjacente de se transformer en martensite. Bien que les intervalles des teneurs en soufre (0,030 à 0,10 %) et en calcium (0,001 à 0,008 %) soient les mêmes que ceux qu'on utilise dans la technique antérieure pour améliorer l'aptitude à l'usinage, la simple application de ce critère à un acier non magnétique riche en manga- nèse, selon la technique antérieure, ne provoque qu'une légère amélioration de l'aptitude à l'usinage. Ce n'est qu'en établissant les teneurs en C, Mn, Si, Ai, S et Ca dans les intervalles prescrits, que l'on réussit à améliorer fortement l'aptitude à l'usinage. Plus particulièrement, les pourcentages des ingrédients respectifs sont déterminés pour les raisons suivantes avec moins de 0,22 % de carbone, les copeaux de coupe sont difficiles à briser et la résistance devient trop faible (limite élastique inférieure à 25.107Pa). Si la quantité de carbone dépasse 0,30 %, la résis- tance à la traction et la dureté deviennent trop élevées et la précipitation des carbures est très prononcée ce qui détériore l'aptitude à l'usinage. La présence de manganèse est efficace pour maintenir une structure austénitique stable pendant la coupe. Plus particulièrement, dans la présente invention la quantité de manganèse doit être supérieure à celle utilisée dans les aciers non magnétiques riches en manganèse de la technique antérieure, du fait que la faible teneur en carbone tend à rendre instable la structure austénitique. Pour ces motifs, la teneur en manganèse doit être d'au moins 22 %. Avec une quantité plus faible de manganèse, l'austénite se transforme en martensite pendant la coupe. Bien qu'avec l'augmentation de la teneur en manganèse, la structure austénitique devienne stable, l'incor- poration & plus de 28 % de manganèse à pour effet d'augmenter les frais de fabrication. On a constaté qu'une quantité de manganèse comprise entre 22 et 28 % était suffisante. En général, on incorpore moins de 0,8 % de silicium à titre d'agent désoxydant, mais on peut l'incorporer en une proportion atteignant 4 % en vue d'améliorer la limite élastique. L'incorporation de plus de 4 % de silicium n'apporte aucun autre effet avantageux mais augmente le prix de revient. L'aluminium est un élément indispensable pour la désoxydation et la fixation de l'azote et on ajoute du sol. Al.en une proportion d'au moins 0,001 %. Cependant, si la quantité de sol. AL dépasse OjO08 %, une Al 0 2- 3 dure resterait dans l'acier et il en résulte des éraflures et des abrasions à la surface de l'outil. Pour cette raison, la teneur maximale en sol.Al doit être de 0,008 %. Le calcium et le soufre ont le même effet que dans l'acier de coupe ordinaire exempt de CaS. Dans la présente invention, on utilise ces éléments dans des proportions similaires. Plus précisément, une proportion inférieure à 0,03 % de soufre ne peut pas réaliser l'effet désiré et l'incor- poration de plus de 0,10 % de soufre provoque des fissures dans le produit en diminuant ainsi le rendement. On incorpore le calcium pour régler l'effet de désoxydation et pour compenser partiellement l'effet fâcheux de Al0 de sorte quequand le calcium est incorporé ensemble-avec le 2 3 s q soufre, on observe une amélioration de l'aptitude à l'usinage. Quand on exécute une coupe rapide à l'aide d'un outil en carbure cémenté à un acier exempt de soufre, l'usure par cratères (KT) progresse rapidement mais selon l'invention, le calcium est incorporé ensemble avec le soufre, de sorte qu'on peut réduire grandement l'usure par cratères. Pour aboutir à ces effets avantageux, le minimum de calcium nécessaire est de 0,001 %. Le tableau I ci-après indique les compositions chimiques des échantillons de l'acier non magnétique selon l'invention et celles d'échantillons témoins. ACIER C Si 1* i. P S Cu Ni I Cr Mo Ca sol.Al sol.A1 SUS304 0,039 0O43 0139 0,028 0,011 0.12 8,03 18,34 0,20 0,001 SUS303 0,039 0144 1,46 0,036 0,196 0,12 7 94 17,09 0,46 0,001 I 0,60 0756 22,63 0,013 0,044 5,51 tr 0,0012 0,003 2 0,72 0,17 16,70 0,011 0,004 0,006 3 0926 0 22 25x30 0,009 0,004: 0003 4 0,16 0,20 25,25 0,008 0,018 0005 0,012 0,15 35,08 0oo010o 0004 0,001 6 0,25 0,23 25,80 0,007 0,046. 0o006 7 0,24 0,29 24,49 0,008 0,078 OyO 0002 8 0,25 0,24 25,00 Èo009 0,9060 0 0036 0,010 0,34 0,40 0a,28 0,003 0,04 1,71 0,001 A 0,25 0,21 25,39 0,007 0,053 0; 00400,002 B 0,25 0718 26,50 09009 0O054...0,0040 0008 H C 0,725 0,23 24,58 0,010 o,0o6o 1 75. 0,0032 0,006 i D 0,26.0,11 27,05 0,011 0,064 V:1702 0,0066 0,005 E.0,24 2175 27,50 0o,011 0,088 0,0028 0, 003 n lt-I 1H C. o' - j - î _ i1 r_ r1 Ces aciers sont coupés dans les conditions II ci-après en utilisant respectiwvment des outils et des outils en acier à vitesse rapide. TABLEAU II . -. - 1._......._.. indiquées dans le tableau en carbures cémentés La figure I est un graphique qui montre le rapport (courbe V-T) 3O de la vitesse de coupe (en ordonnée) et de la durée de vie de l'outil (en abscisse) avec une comparaison de SUS303 (acier inoxydable à coupe rapide) et SUS304 avec des échantillons témoins I à 4 et 9 (figurant dans le tableau I). Les échantillons témoins 2 à 4 n'ont pas subi de traitement par CaS, c'est-àdire qu'ils ne répondent pas aux teneurs prescrites de soufre et de calcium.Sur le plan tout à fait stricte, dans les échantillons témoins 2 à 4 la quantité de carbone est également en dehors de la gamme prévue par l'invention. Les courbes apparaissant sur la figure 1 font ressortir des variations de l'aptitude à l'usinage par T Outil. en carbure cémenté Outil en acier très rapide STi20 (corr. à P20) fabri NK4 (corr. à SKH4) fabri- Outil qué par Mitsubishi Kinzok qué par Nippon Koshuha Kogyo co. Ltd. Kogyo co. Ltd. -Désignation des éléments rapportés TPN33 TPN32 Forme de l'arête (-6, -6, 6, 6, 30, O, 0,4) (O, 5, 11, 6, 30, O, 0,4) de coupe Protuberance de 40 mm 40 mm la morsure Largeur du brise- 2,5 2,5 mm copeaux 2,5 mm Profondeur de coupe 2,0 mm 1,0 mm Avancement 0,20 mm/rev 0, 05 mm/rev Vitesse de coupe 30-250 m/mn 20- 40 m/mn Critàre de durée de vie de 'outi KT = 50 t Complétement usé de vie de l'outil suite du rapport entre le carbone et le manganèse. La figure 1 montre clairement qu'on peut améliorer grandement l'aptitude à l'usinage si l'on réduit la quantité de carbone et si l'on augmente la teneur en man- ganèse, ce qui constitue la caractéristique essentielle de l'invention. Quand la teneur en carbone est élevée, même si l'acier est soumis à un traitement par CaS qu'on considérait comme devant améliorer l'aptitude à l'usinage lors d'une coupe à grande vitesse (voir échantillon témoin 1), l'aptitude à l'usinage est très inférieure à celle de SUS 304. En d'autres termes, en diminuant la quantité de carbone et en augmentant la proportion de manganèse, on peut améliorer l'aptitude à l'usinage sans aucun traitement avec CaS. Toutefois, une trop faible quantité de carbone rend plus dificile l'évacuation des copeaux. En d'autres termes, les copeaux auraient la même viscosité élevée que SUS 304, comme on peut le constater sur l'échantillon témoin 5 en ce qui concerne la forme des copeaux apparaissant sur la figure 7. Il convient de remarquer que lorsque le rapport carbone/manganèse est dans l'intervalle prescrit par l'invention, on-peut abaisser la dureté, empêcher la précipitation des carbures et préserver une structure austénitique stable pendant la coupe, d'o une certaine amélioration del'aptitude à l'usinage. Cependant,une comparaison entre SUS 303 et l'échantillon témoin 3 montre qu'il est impossible d'aboutir à une amélioration notable de l'aptitude à l'usinage par le seul respect des intervalles indiqués des teneurs en carbone et en manganèse. Les traitements par S et CaS sont appliqués à l'acier contenant C et Mn en quantités comprises dans les intervalles indiqués, dont les résultats apparaissent sur la figure 2. Plus précisément, avec l'augmen- taion de la quantité incorporée de soufre, l'aptitude à l'usinage s'améliore et les échantillons A à E selon l'invention, dans lesquels le calcium est incorporé ensemble avec le soufre, font preuve d'une excellente aptitude à l'usinage par comparaison avec l'aptitude correspondante de SUS303. Pour réaliser un tel effet avantageux du traitement par CaS, il est essentiel de limiter la proportion de sol.Al. entre 0,001 et 0,008 %. La figure 3 montre le rapport entre la teneur en aluminium soluble et la durée de vie de l'outil à une vitesse de coupe de 150m/mn, C, Mn, Ca et S étant présents en des proportions conformes à la présente invention. Il apparaît ainsi que l'échantillon témoin 8 qui contient plus de 0,008 Z de sol.Al. ne fait pas ressortir les avantages d'un traitement par le calcium. Plus particulièrement, cet échantillon témoin présente le m&e degré d'aptitude à l'usinage que l'acier renfermant la même quantité de soufre mais n'ayant pas subi le traitement par le calcium, alors que dans les échantillons A à E selon l'invention qui contiennent moins de 0,008 % de sol.Al., l'effet du traitement par CaS est très marqué. Comme il a été expliqué plus haut, quand on procède à la coupe avec des outils en carbures cémentés, l'aptitude à l'usinage d'un acier non magnétique riche en manganèse selon l'invention est améliorée sur- tout par un choix approprié des proportions de carbone et-de manganèse. Cet effet avantageux de l'invention apparaît très clairement lorsqu'on I effectue une coupe avec des outils en acier à vitesse rapide comme il est indiqué sur la figure 4. Plus particulièrement, comme on peut le voir sur l'échantillon témoin 2, quand la teneur en carbone est trop forte et la teneur en manganèse est trop faible, c'est-à-dire qu'une exigence essentielle de l'invention n'est pas satisfaite, le traitement par CaS n'est pas efficace en raison de la forte dureté et de l'importancei de la précipitation de carbures. D'autre part, si on limite les quantités de carbone et de manganèse aux intervalles indiqués, la durée de vie de l'outil est prolongée et l'effet du traitement par CaS devient remarquable. Quand on coupe l'acier non magnétique riche en manganèse selon l'invention avec des outils en acier à vitesse rapide, l'aptitude à l'usinage est très supérieure à celle de la technique antérieure. Etant donné qu'on utilise couramment des outils en acier à vitesse rapide pour des opérations aussi variées que le sciage, le perçage et le taraudage, pour ne citer que celles-là, cet effet avantageux est remarquable et essentiel. La figure 5 est un graphique montrant le rapport entre la perméabili- té de l'acier et le pourcentage de la réduction par laminage à froid. Dans les aciers selon l'invention contenant du manganèse dans les proportions- prédéterminées, la perméabilité est sensiblement constante, par exemple de 0,002 ce qui montre une structure austénitique stable. La figure 6 montre la répartition de la dureté à proximité de la couche superficielle quand on coupe avec une scie. Dans-l'échantillon témoin 2 qui contient du carbone et du manganèse en des proportions en dehors des intervalles prévus par l'invention, la dureté (Hv) atteint 900 par suite de la précipitation des carbures fins et des transformations en martensite. Au contraire, dans l'échantillon A selon l'invention qui contient du carbone et du manganèse dans les intervalles prescrits, la dureté augmente légèrement au voisinage de la couche superficielle par suite du durcissement d'écrouissage. Les facteurs qui détériorent l'aptitude à l'usinage sont la précipitation des carbures fins et la transformation en martensite ayant lieu pendant l'opération de coupe. En particulier, si la teneur en carbone est élevée, même que la structure austénitique ait été stabilisée pour empêcher la transformation en martensite par une augmentation de la teneur en manganèse, la quantité des carbures précipités augmente en détériorant ainsi l'aptitude à l'usinage. Quand l'aptitude à l'usinage est un facteur important, il convient d'éviter l'incorporation de carbone au-delà du maximum stipulé. Par exemple, si l'on désire maintenir la résistance de l'acier au-dessus d'un niveau prédéterminé, on dispose de nombreuses solutions notamment (1) augmenter la teneur en carbone, (2) diminuer la température de lamina- ge et (3) incorporer des éléments de renforcement tels que Cr, Si et V. Cependant la solution (1) ne doit pas être adoptée pour les raisons décri- tes plus haut tandis que la solution (2) doit être adoptée puisqu'elle influe à peine sur l'aptitude à l'usinage. La solution (3) peut assurer une bonne aptitude à l'usinage pour autant que les conditions essentielles de l'invention sont satisfaites. Pour cette raison, si on le désire 2 % ou moins de chrome et 2 % ou moins de vanadium peuvent être incorporés. Cette limite d'incorporation des éléments indiqués a été déterminée du fait qu'ils sont coûteux et aussi parce que l'incorporation au-delà des limites indiquées n'apporte aucune amélioration des propriétés.-En outre, quand on fabrique un acier contenant desquantités excessives de Cr ou V à partir d'un gros lingot, on observe des séparations. Comme il a été expliqué plus haut, on peut améliorer grandement l'aptitude à l'usinage d'un acier non magnétique à haute teneur en manganèse en élucidant les phénomènes qui se produisent pendant l'usinage et les facteurs qui détériorent l'aptitude à l'usinage. En conséquence, on peut utiliser avantageusement l'acier non magnétique selon l'invention dans des applications variées comportant l'établissement d'un champ magné- tique intense et aussi lorsqu'on utilise un courant électrique important, par exemple dans des véhicules ferroviaires ou des engins analogues. Par ailleurs, étant donné que l'acier non magnétique selon l'invention ne contient pas de plomb et que sa teneur en soufre est faible, la fabrication de cet acier n'impose aucun risque de santé pour le public. REVENDICATIONS l. Acier non magnétique à haute teneur en manganèse et présentant une excellente aptitude à l'usinage, caractérisé en ce qu'il contient, en poids, de 0,22 à 0,30 % de carbone, de 22 à 28 % de manganèse, jusqu'à 4 % de silicium, de 0,030 à 0,10 % de soufre, de 0,001 à 0,008 % de calcium et de 0,001 à 0,008 % de sol.Al., le complément étant du fer. 2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient également jusqu'à 2,0 % en poids de chrome et/ou jusqu'à 2,0 % en poids de vanadium.