Brevet FR2538411A1 — publié le 19840629

La présente invention concerne l'utilisation d'un alliage de nickel durcissable et formable à chaud pour des outils de travail à chaud fortement sollicités dans l'industrie métallurgique et de traitement des métaux. Comme applications caractéristiques, on peut citer des matrices de forgeage, par exemple dans des machines de forgeage, des lames de cisaillage à chaud pour des lignes de laminage Blooming et des installations de coulée continue, ainsi que des outils de travail à chaud pour deys presses à filer. Les expériences faites lors du formage à chaud d'alliages de nickel réfractaires et durcissables pour la construction de turbines à gaz ont conduit à des essais de mise en oeuvre de ces matériaux pour former des outils de travail à chaud. Par rapport aux aciers de travail à chaud connus, l'utilisation est limitée, du fait des propriétés de résistances à chaud et des conditions défavorables de prix de matériaux pour les alliages de nickel, à l'applí- cation à des outils de travail à chaud dans lesquels, par suite de la sollicitation à des températures élevées, les outils classiques sont rapidement usés malgré un revete- ment dur par rechargement, par exemple avec de la Stellite, et donnent lieu à des temps d'immobilisation et des réparations non économiques.On connaît des matrices de forgeage et des outils de cisaillage formés d'un alliage Mimoloy PK 37 (NiCr20Col8Ti), René 41 ou ATS 321 W Vakumelt (NiCrl9CoMo). Ces matériaux présentent la propriété, comme presque tous les alliages de nickel très réfractaires, qu'un cristal mixte de nickel peut être durci par précipitation par alliage avec l'aluminium par l'intermédiaire d'une ségrégation de la phase cubique y' (Ni3Al, type L12). L'aluminium a été remplacé dans des alliages techniques très réfractaires à base de nickel en presque totalité ou en partie par du titane et/ou du niobium sans modifier la structure des ségrégations. En ce qui concerne la sensibilité à la température des caractéristiques mécaniques, l'influence du pourcentage, de la grosseur de particules et de la répartition de la phase y' est déterminante.En plus du réglage des propriétés de résistance à chaud, qui est lié à la ségrégation de y', des éléments d'alliage se solidifiant sous forme de cristaux mixtes ainsi que des ségrégations de carbures, de nitrures et de carbonitrures ont une influence plus ou moins grande su-r le comportement de résistance à chaud, la dureté, la ductilité et la ténacité. On obtient une grande résistance à l'usure lors d'une utilisation à hautes températures par le type, la quantité et la répartition des carbures en commun avec les ségrégations de y'. Par rapport aux alliages pour coulée ou rechargement CoCrW fragiles mais cependant plus durs (Stellite), les alliages forgeables à base de nickel dits-durcissables sont plus ductiles et plus tenaces. Ils présentent un bon comportement à des températures variables et une très grande stabilité thermique. Pour la stabilité thermique après le vieillissement, le maintien de la vacance électronique (Coefficient Nv) entre 2,23 et 2,31 est déterminant. On sait également que l'effet de solidification sous forme de cristaux mixtes est augmenté par des additions de tungstène et de molybdène, et également leur influence sur le degré de ségrégation par suite du décalage du maximum de dureté vers des températures de durcissement par précipitation plus élevées. Le tungstène agit non seulement comme un élément de solidification sous forme de cristaux mixtes car à peu près la moitié des atomes de tungstène existant dans l'alliage sont introduits dans la phase y'.Des teneurs en tungstène supérieures à 8 % en poids augmentent la dureté mais celle-ci reste constante après le durcissement jusqu'à 8500C. Des additions de tungsténe et de molybdène retardent la diffusion du titane et du chrome dans des alliages de NiCr20TiAl et augmentent l'énergie d'activation de diffusion à des températures de 700 à 10000C. Alors que le tungstène est concentré dans des alliages de NiCrTiAl principalement dans les axes de dendrites, le molybdène se concentre avantageusement dans les limites de grains. En correspondance, le tungstène et le molybdène augmentent différemment la résistance. Une augmentation de la teneur en titane dans des alliages NiCr20TiAl durcissables altère considérablement l'aptitude de formage à chaud.L'aptitude de formage à chaud.et le risque de fissuration à chaud empêchent, d'après l'art antérieur, la fabrication d'un outil de travail à chaud à base de NiCrCoWMoTi(Nb)Al, qui soit forgeable, très réfractaire, dur ( > 450 HV) mais qui soit cependant tenace et résistant aux-chocs thermiques. Des teneurs en chrome supérieures à 2 % servent, à améliorer la résistance au calaminage. L'utilisation d'outils de travail à chaud formés d'alliages de nickel très réfractaires est limitée par les prix élevés des matériaux et par les gros frais d'usinage par rapport aux aciers de travail à chaud, d'autant plus qu'on ne connaît de matériaux composites correspondants. L'invention a pour but de créer un matériau pour la fabrication d'un outil de travail à chaud formable- à chaud, pouvant être fortement sollicité, en vue de réduire au minimum les frais d'outillage et d'améliorer ainsi l'économie sur les matières. L'invention a pour but de créer un alliage de nickel durcissable, déformable à chaud, pour la fabrication d'outils de travail à chaud résistant à l'usure à chaud. Acet égard, la dureté de l'alliage de nickel modifié doit s'élever au moins à 450HV. Selon l'invention, ce problème est résolu en ce qu'on utilise pour la fabrication des outils de travail-à chaudldes alliages de, nickel ayant la composition suivante: 55 à 65 % en poids Ni 12 à 25 % en poids Cr 5 à 15 % en poids W 0 à 15 % en poids Co 3 à 10 % en poids Mo 1,5 à 5 % en poids Ti 0 à 5 % en poids Nb 1 à 3,5 % en poids Al 0,15 à 0,5 % en poids V 0 à 0,5 % en poids Si 0,10 à 0,5 B en poids Mn 0,08 à 0,20 % en poids C 0,001 à 0,020 % en poids Mg 0,001 à 0,020 e en poids Ce 0,001 à 0,015 % en poids B 0,1 + (6,5 x N) % en poids Zr ainsi que des impuretés intrinsèques à l'alliage. A--cet effet, pour garantir l'aptitude de formage à chaud des outils ayant des teneurs en (W + Mo) supérieures à 15 % en poids et une dureté supérieure à 450 HV, on introduit dans l'alliage de 0,05 à 0,50 Ó en poids de rhénium. Une autre caractéristique de l'invention consiste-à fondre ces alliages de nickel très réfractaires avec d'autres alliages de fer sous la forme d'un matériau composite et ensuite à fabriquer les outils de travail à chaud par formage à chaud. Une autre augmentation du comportement-d'usure à chaud est obtenue par le traitement des outils au moyen d'un procédé de diffusion superficielle, comme un traitement au bore.L' augmentation de la température d'utilisation, de la dureté et de la résistance à chaud ainsi que de la résistance à une fatigue thermique, qui est obtenue par des teneurs en tungstène + molybdène supérieures à 15 % en poids, s'explique d'après la propriété de ces alliages se solidifiant sous forme de cristaux mixtes en relation avec la teneur en cobalt en vue d'améliorer la cohérence entre une ségrégation Ni3 (Ti,Al) et la matrice, et d'augmenter la stabilité de la phase y' intermétallique par introduction des atomes de tungstène et simultanément de la proportion en carbures M6C.Par modification de l'alliage NiCrCoWMoTiAlV avec une teneur en rhénium de 0,05 à 0,5 % en poids, on est arrivé, avec l'utilisation simultanée de nickel-magnésium, de ferro-bore, de (Zer Mischmetal) et de zirconium, à garantir l'aptitude de formage à chaud de ce type d'alliage même pour des teneurs en (W+Mo) supérieures à 15 % en poids. on a constaté un affinement de la microstructure et une réduction du comportement de ségrégation du tungstène et du molybdène, de sorte qu'on a pu obtenir, en plus d'une aptitude de formage à chaud plus défavorable, également une amélioration de la cohérence entre la phase de ségrégation intermétallique (yl) et la matrice (y).La réduction minimum du risque de fissuration à chaud et l'amélioration de l'aptitude de formage à chaud en relation-avec l'aug- mentation de la teneur en tungstène, en molybdène, en titane et en aluminium, a été obtenue par le fait que, par suite d'un affinement considérable de la microstructure et de l'augmentation du volume des limites de grains, l'influence perturbatrice d'impuretés non totalement évitables comme par exemple Pb, Sb, Bi, Te, a été réduite. Cet effet de la modification par le rhénium permet également la fusion et le formage à chaud de lingots composites formés d'alliages de nickel durcissables, ayant des teneurs en (W + Mo) supérieures à 15 % en poids, avec des alliages non alliés ou fortement alliés et la mise en oeuvre sous forme d'outils de travail à chaud. L'invention va être expliquée de façon plus détaillée dans la suite à l'aide d'exemples de réalisa- tion. Dans le Tableau 1, on a donné la composition chimique des alliages étudés. -es fusions ont été réalisées dans un four à induction à moyenne fréquence et les lingots ont été coulés en montant. Alors que les alliages A et B ont été fondus sans incorporation d'éléments d'alliages dans un four à chambres multiples et à faisceau électronique, l'incorporation des éléments d'alliages constitués par du titane, de l'aluminium et du rhénium a été effectuée en pourcentages supérieurs à 70 % dans un four à chambres multiples et à faisceau électronique dans le cas de l'alliage C.Après l'usinage des lingots, le formage à chaud a été réalisé par forgeage au pilon dans un intervalle de températures de forgeage de 1180 à 10500C. Dans le Tableau 2, on a donné les résultats des contrôles de dureté HV10 après le durcissement à des températures de 750, 800 et 8500C en fonction de la durée de durcissement de 100 à 1000 heures. Dans une autre variante, on a fondu dans un four à chambres multiples et à faisceau électronique un matériau composite se composant de l'alliage A et de l'acier pour outil de travail à chaud 30WCrV34.11. A partir de ce matériau composite, on a fabriqué des outils de travail à chaud pour des machines de forgeage.Le forgeage à chaud sous la forme d'ébauches carrées et le forgeage en matrice exécuté à la suite ont été réalisés dans un intervalle de températures compris entre 1180 et 1050 Cf On a également effectué des essais avec des outils traités au bore A cet egard, on a établi que, dans un intervalle de températures de durcissement de 800 à 8500C et après un traitement de 6 heures, on obtenait des épaisseurs de couches de diffusion supérieures à 15 . Aussi bien les microduretés que les essais d'usure effectués à la température ambiante ont fait ressortir des durées de service améliorées de 2 à 3 fois par rapport au matériau de base durci. TABLEAU 1 COMPOSITION CHIMIQUE, EN POURCENTAGE EN POIDS, DES ALLIAGES SOUMIS AUX ESSAIS Alliage Ni Cr W Co Mo Ti Nb Al A 64,14 19,40 5,48 - 3,70 2,37 - 1,43 B 62,33 18,10 8,65 - 3,30 2,45 - 1,32 C 58,76 17,22 12,21 - 3,78 2,46 - 1,75 Tableau 1 ( suite) Alliage V Si Mn Fe C Zr Re A - 0,30 0,35 1,50 0,10 - 0,12 B - 0,28 0,25 2,45 0,13 0,026 C 0,35 0,44 0,40 3,28 0,20 0,032 0,183 Tableau 2 : Comportement au durcissement des alliages recuits en solution ( 1160 C/4h / à l'air ) Alliage Température Dureté HV 10 en fonction du temps de traitement de durcisse- 0 2 8 16(24) 48 100 500 1000 heur ment C A 750 325 340 350 355 360 362 - 800 325 341 348 350 352 345 - 850 325 343 345 340 332 324 - B 750 340 355 365 372 378 382 - 800 340 358 366 370 373 368 - 850 340 360 362 360 354 342 - C 750 382 468 483 (510) 521 532 540 544 800 382 460 490 (510) 519 523 520 510 850 382 462 482 (490) 492 490 470 450 'REVENDICATIONS 1. Utilisation d'un alliage de nickel durcissable et formable à chaud pour des outils de travail à chaud résistant à l'usure à chaud dans un intervalle de températures comprise entre 650 et 850 C, caractérisée en ce que l'alliage a la composition suivante 55 à 65 % en poids Ni 12 à 25 % en poids Cr 5 à 15 % en poids W 0 à 15 % en poids Co 3 à 10 % en poids Mo 1,5 à 5 % en poids Ti 0 à 5 % en poids Nb 1 à 3,5 % en poids Al 0,15 à 0,5 % en poids V 0 à 0,5 e en poids Si 0,10 à 0,5 % en poids Mn 0,08 à 0,20 % en poids C 0,001 à 0,020 % en poids Mg 0,001 à 0,020 % en poids Ce 0,001 à 0,015 % en poids B 0,1 + (6,5xN) % en poids Zr ainsi que des impuretés intrinsèques à l'alliage, et en ce que, pour garantir l'aptitude de formage à chaud des outils pour des teneurs en (W + Mo) supérieures à 15 % en poids et une dureté supérieure à 450 HV, on incorpore à l'alliage de 0,05 à 0,50 % en poids de rhénium. 2. Utilisation d'un alliage selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alliage est fondu avec d'autres alliages de fer sous forme d'un matériau composite et est ensuite formé à chaud pour produire des outils de travail à chaud. 3. Utilisation d'un alliage selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce gu'on améliore additionnellement le comportement d'usure à chaud par des traitements de diffusion superficielle, comme par exemple un traitement au bore.