Brevet FR2596067A1 — publié le 19870925

PROCEDE DE PABBICATION DE PIECES EN Acin RAPIDE FRITTE Le domaine de l'invention est celui des pièces en acier obtenues par frittage, et particulièrement celui de pièces frittées en acier rapide de bonne compacité et ayant de bonnes qualités de frottement, et de leur procédé de fabrication. Les éléments d'addition principaux des aciers rapides en question sont indiqués ci-après, ainsi que leur teneur typique c (0,85 % > - w (6 %) - Mo (5 %) - V (2 %) - Cr (4 %). Les éléments d'addition différents éventuellement présents, ainsi que les limites de teneurs, seront rappelés plcs loin. EXPOSE DU PROBLEME On a cherché à réaliser par frittage dans.des conditions de fabrication économiques, et en particulier avec une température de frittage basse, compatible avec l'utilisation des fours à tapis, c'est-à-dire voisine de 11200C, des pièces en acier rapide ayant une bonne compacité et de bonnes qualités de frottement. La densité relative, exprimée en % de la densité maximale ou densité du produit coulé, doit être d'au moins 93 %. De façon à avoir de bonnes qualités de frottement, par exemple pour des sièges de soupape, on doit avoir une bonne dureté et une structure comportant des carbures finement dispersés, sans composé grossier. ETAT DE LA TECHNIQUE CONNU Dans le domaine des aciers rapides, il est connu de préparer des outils en acier rapide par frittage en phase liquide, dans le domaine supersolidus: typiquement à 12500C ± 30C sous vide. On obtient des aciers de bonne ténacité, mais le coût lié à la température élevée, à la précision de température nécessaire et au vide, est prohibitif pour des pièces de grande série économique telles que celles de l'invention. Le problème qui se pose est de rechercher des conditions qui, pour les aciers rapides, permettent à la fois de faire le frittage à température typiquement inférieure ou égale à 1160 C, et d'obtenir une durée suffisante et une structure procurant de bonnes qualités de frottement, sans qu'il y ait besoin d'une ténacité élevée. EXPOSE DE L'IVENTION Le procédé de fabrication de l'invention permet d'obtenir par frittage à température comprise entre 1080 et 1160 C des pièces répondant aux critères énoncés précédemment : densité relative élevée (volume des porosités faible), structure à carbures finement dispersés, bonne dureté. I1 comprend les étapes suivantes a) On approvisionne les poudres de départ suivantes al) poudre d'acier préallié, de grains de préférence C 0,6 à 1,5 Z - Mn vC 1 % - Si Impuretés et Fe : le solde. La limitation de la teneur en C à 1,5 % permet une bonne compressibilité. a2) une poudre d'un alliage appartenant au groupe (cupro-phosphore, ferro-bore) donnant pour la charge une teneur globale de 0,7 à 1,5 % en élément métalloidique (P ou B), et typiqement en grains b) On mélange ces poudres, après y avoir ajouté éventuellement une cire de compression; c) On comprime ces poudres sous forme de pièce(sj; d) On fritte cette ou ces pièces sous gaz neutre à température choisie comprise entre 10800C et 11600C; e) On refroidit la ou les pièces, avec une vitesse moyenne de. refroidissement supérieure à 400C/minute entre la température de frittage et 5000C, de façon à obtenir une dureté suffisante. Les pièces obtenues par le procédé de l'invention ont la même structure que les pièces antérieurement frittées à 12500C, leur compacité est très élevée et leur niveau de dureté, typiquement 60 HRc, permet leur utilisation dans toutes les applications classiques de frottement. En particulier, on approvisionne de la poudre de cupro-phosphore, de préférence hypereutectique et contenant 7 à 15 % P, donnant, pour la charge, une teneur globale en P de 0,7 à 1,5 % et on fritte les pièces de préférence entre 1100 et 11400C, typiquement 11200C. En particulier également, on approvisionne de la poudre de ferro-bore, contenant de préférence 3,5 à 25 % B, en quantité donnant pour la charge une teneur globale en B de 0,7 à 1,5 %, et de préférence une teneur en B de 1,0 à 1,5 %, et on fritte alors les pièces entre 1130 et 11600C. Les essais ont montré que, bien que des réactions génératrices de liquide se produisent avec le ferro-phosphore et avec le ferro-silicium, ces alliages-mères ne convenaient pas, le premier donnant une compacité insuffisante, et le second conduisant à une température de frittage de 1205DC, ce qui correspond à une technologie de four beaucoup plus coûteuse. Au contraire, les alliages-mères de l'invention conduisent à des conditions de frittage économiques, aussi bien par le niveau des températures (1080 à 1160cC) que par la tolérance pratique de ±100C sur la température de frittage choisie. Dans les divers cas envisagés, on utilise de préférence de la poudre d'acier préallié qui contient ( en poids) C 0,6 à 1 % - W 1 à 7 % - Mo 2 à 6 % - Cr 3 à 5 7- V 1 à 3 % Co $ 5 7 et on ajoute éventuellement du graphite > la teneur globale en C de la charge étant alors comprise entre 0,8 etl,5 7. L'invention a aussi pour objet la ou les pièces frittées en acier obtenue(s), répondant à la description suivante - éléments de composition connus en eux-mêmes C 0,6 à 2,5 - Mn P, B et impuretés + Fe = le solde. - éléments caractéristiques (1) la pièce frittée de l'invention contient soit E Les différents exemples permettront de mieux comprendre les divers aspects de l'invention. Avant chaque essai de frittage, on a fait un essai dilatométrique sur un échantillon comprimé de façon à déterminer la température de début de la réaction génératrice de phase liquide, et la température sélectionnée pour l'essai de frittage est alors décalée d'environ 20ÇC au-dessus de cette température de début de réaction. ESSAIS ET EXEMPLES Les divers essais ont comporté un examen de la structure métallographique sur coupe transversale, une mesure de densité, une mesure de dureté HRc et la plupart du temps une-évaluation de la charge de rupture. Premier essai Un examen micrographique de la structure obtenue dans une pièce moulée en acier rapide de composition C 0,8 à 1,5 7 - W 3 à 7 % - Mo 2 à 6 % - Cr 3 à 5 % - V 1 à 3 % impuretés + Fe : le solde a révélé un réseau régulier et continu de carbures eutectiques, qui n'est pas observé dans la structure des pièces frittées de l'invention. Deuxième essai - on a composé la charge comme suit 88,2 % de poudre de préalliage (A) de composition (% en poids) C 0,9- Cr 4- Co 0,3- Cu 0,1-Mn 0,2- Mo 4,9- Ni 0,3-0671 run- P 0,020 S 0,013- Si 0,1- V 1,9- W 6,3 8 8 % de cupro-phosphore à 14% de P (soit 1,1 % de P) . 0,5 % de graphite 2 2 Z de lubrifiant solide MoS2 . 0,5 % de MnS (additif de coupe) . 0,8 7 de stéarate de Zn (cire de compression) qui se volatilisera lors du frittage) - on l'a comprimé en bagues 40 x 25 x hauteur 10 mm - on a effectué le frittage à 11100C sous N2 technique sec, avec maintien de 30 mn au palier de 1110 0C et on a refroidi, en 10 minutes, de 1110 à 5000C. Les propriétés des pièces obtenues étaient les suivantes densité : 7,9 soit 96 % de la densité du matériau coulé correspondant (sans phosphore) dureté HRc : 60 charge de rupture : 460 MPa. La structure sur coupe micrographique présente les particularités suivantes: - répartition régulière de très fins carbures ( bainitique avec quelques grains martensitiques; - agglomérats (10-15 Sm en blanc) de carbures-phosphures, produits de la réaction eutectique Fer-Phosphore-Carbone; - fine dispersion de particules de lubrifiant solide (3 à 5 pm, en gris) espacés de 20 à 25 pm, dans la matrice. Les caractéristiques de ces pièces selon l'invention sont conformes aux impératifs choisis, et l'ensemble des essais montre qu'il suffit de tenir la température de frittage choisie à ± 100C, ce qui est un gros avantage en matière de technologie de four. Troisime essai La composition de la charge était celle du deuxième essai, a liexception des deux éléments suivants 92,2 7 de poudre de préalliage (A) seulement 4 % de poudre de cupro-phosphore à 14 % de P (soit 0,56 7 de P). La compression et le frittage ont été effectués de la même façon que dans le deuxième essai. Les propriétés des pièces frittées obtenues sont - densité : 7,2 soit 87 % de la densité à l'état coulé; - dureté : HRc 28 faible - charge de rupture en traction : 370 MPa - structure métallographique : porosité importante, représentant 13 % du volume (sur une coupe, des porosités de 15 à 30 um), répartition régulière de très fins carbures ( Les résultats de cet essai sont mauvais, la compacité et la dureté sont insuffisantes. L'addition de P apparait insuffisante. Quatrième essai La composition de la charge était celle du deuxième essai, à l'exception des deux éléments suivants seulement 6 % de cupro-phosphore à 14 % P (soit 0,84 7. de P); pas de lubrifiant solide ni d'additif de coupe, 90,7 % de poudre de préalliage (A). La compression et le frittage ont été effectués de la même façon que dans le deuxième essai. Les propriétés après frittage étaient les suivantes - densité 8,0, soit 97 % de la densité à l'état coulé; - dureté HRc 50 - charge de rupture : 410 MPa - structure métallographique semblable à celle du deuxième essai, mais sans particules de lubrifiant solide. L'addition de 0,84 % de P conduit ici aux propriétés recherchées, après un frittage à 1110 C. Cinquième essai Composition de la charge du deuxième essai avec les modifications suivantes 86,2 % de poudre de préalliage (A); . 10 % de poudre de cupro-phosphore à 14 7 de P (soit 1,4 % de P). Le mode d'obtention des pièces frittées est le même que précédemment. Les propriétés obtenues sont les suivantes - densité : 8,0 soit 97 % de la densité à l'état coulé; - dureté HRc 45; - charge de rupture : 450 MPa; - structure métallographique semblable à celle du deuxième essai, à l'exception de : agglomérats intergranulaires (10-15 Eum) de carburesphosphures en légèrement plus grande quantité, et quelques ilôts de cuivre (5-20 lux). Sixième essai On a augmenté encore la teneur en cupro-phosphore : même composition de la charge que dans le deuxième essai, avec les modifications suivantes: 86,2 % de poudre de préalliage (A) 14 % de cupro-phosphore à 14 % de P, soit une teneur globale en P dans la charge de 2 7. La composition et le frittage ont été faits dans les mêmes conditions. Les propriétés obtenues sont les suivantes - densité : 8,0 soit 97 7 de la densité à l'état coulé; - dureté HRc 45 - charge de rupture : 330 MPa; - structure : les carbures forment un réseau continu avec les phosphures, et il y a de grosses plages de cuivre, de l'ordre de-60tum. Avec cette teneur en P trop importante, l'alliage fritté obtenu est fortement fragilisé. Les cinq essais sur l'addition de cupro-phosphore montrent que la teneur en P de la charge doit être maintenue entre 0,7 et 1,5 % et de préférence entre O, et 1,3 7 pour avoir à la fis bonne compacité et une répartition régulière de carbures fins, avec un minimum d'inclusions ou agglomérats isolés de moins de 30 Sm. Septième essai On a préparé une charge comportant la même addition de cupro-phosphore que dans le deuxième essai, mais avec un préalliage (B) de composition différente 90,7 % de préalliage (B) de composition (% en poids) C 1,4- Cr 3,7- Co 7,7- Mn 0,14- Mo 9,6- Ni 0,5- 0 500 ppm P 0,02- S 0,01- Si 0,1- V 1,3- W 1,9 . 8 % de cupro-phosphore à 14 % de P (soit 1,1 % de P et 1,14 % de teneur globale en P dans la charge) . 0,5 % de graphite . 0,8 % de stéarate de Zn (cire de compression). Il n'y avait pas de lubrifiant solide, ni d'additif de coupe. La compression, le frittage et le refroidissement ont été faits comme dans le deuxième essai. Les propriétés des pièces obtenues sont les suivantes: - densité 7,8 soit 96 % de la densité à l'état coulé, - dureté HRc 54 . La structure obtenue est semblable à celle des pièces frittées du deuxième essai, sans lubrifiant solide. Huitième essai On a fait le même type d'essai avec un troisième préalliage (C). La composition de la charge était . 90,7 % de préalliage (C) de composition (% en poids) C 1,52- Cr 4,8- Co 5,2- Mn 0,2- Mo 0,24- Ni 0,5- P 0,02- S 0,01- Si 0,1- W 12,9- V 5,1 . 8 % de cupro-phosphore à 14 % de P (1,1 % de P ou 1,14 % de P dans la charge) . 0,5 % de graphite . 0,8 % de cire de compression. La compression et le traitement de frittage ont été faits comme précédemment. Les propriétés des pièces obtenues sont les suivantes: - densité 7,9, soit 95 % de la densité à l'état coulé; - dureté HRc 55; - charge de rupture : 420 MPa. . La structure obtenue est semblable à celle obtenuedansle cas du deuxième essai : matrice en grande partie baintique avec une dispersion très fine de carbures Ainsi, le changement de préalliage conduit à des résultats semblables avec une même addition de cupro-phosphore. Neuvième essai On a préparé une charge avec du ferro-bore . 94,2 % de préalliage (A) . 5 % de ferro-bore à 25 % de B (soit une teneur globale en B dans la charge de 1,25 %) . 0,8 % de stéarate de Zn (cire de compression). On a comprimé en bagues # 40 x 25 x hauteur 10 mm sous 600 MPa, et on a traité avec palier de 30 mn à 11500C sous N2 technique, puis refroidissement avec une vitesse moyenne de 600C par minute entre 1150 et 500cl. Les propriétés obtenues sont - densité 7,8 soit 95 7 de la densité à l'état coulé, - dureté HRc 48. La structure obtenue est semblable à celle observée dans le cas d'une addition de P au moyen du cupro-phosphore comprise entre 0,84 7 (4 essai) et 1,4 7 (50 essai). Dixième essai On a préparé une première charge avec du ferro-phosphore 94,2 7 de préalliage (A) 5 5 Z de ferro-phosphore à 22 % de P (soit 1,1 % de P dans la chargt) . 0,8 % de cire de comprission. On l'a comprimée et frittée 30 mn à 11100C sous N2 sec. La densité obtenue : 7,35 soit 89 % de la densité à l'état coulé est insuffisante. La dureté est bonne : HRc 44. Un résultat meilleur a été obtenu avec une charge modifiée par introduction de 0,5 % de graphite : densité de 7,5, soit 91 % de la densité à l'état coulé. Le ferro-phosphore donne donc des densités relatives insuffisantes vis-à-vis de l'objectif fixé. Onzième essai On a testé une addition de ferro-silicium. La composition de la charge était . 91,2 7 de préalliage (A) 8 8 % de ferro-silicium à 75 % Si (soit une teneur globale en Si dans la charge de 6,1 %) . 0,8 Z de cire de compression. L'essai préalable dilatométrique a montré que, en-dessous de 1205CC, la réaction génératrice de phase liquide ne se produisait pas. Après compression, on a donc fritté 30 mn à 12050C sous N2 sec. La densité obtenue est de 7,7 soit 93 % de la densité à l'état coulé. Douzième essai On a testé une addition de 3 % Si + 0,5 % C, la charge ayant comme composition : 95,7 % de préalliage (A) + 3 % Si + 0,5 % C + 0,8 % de cire de compression. Le frittage a dû être fait à 12050C. On obtient une densité de 8,1 soit 98 % de la densité à l'état coulé. Il est donc possible d'obtenir par addition de Si des pièces de dureté et de structure valables, mais cela avec un frittage aux environs de 12000C nécessitant une technologie de four différente et coûteuse, ne répondant pas au problème posé de conditions de frittage économiques. APPLICATIONS Les pièces frittées obtenues par le procédé de l'invention sont typiquement des pièces de frottement à froid et/ou à chaud (à température maximale de l'ordre de 8500C) telles que : cames, patins, palettes de pompes, sièges de soupapes, pièces diverses résistant à l'usure. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de pièces frittées en acier rapide, comprenant les étapes suivantes a) on approvisionne les poudres de départ suivantes al) poudre d'acier préallié de composition (7 en poids) C 0,6 à 1,5 % - Mn b) On mélange ces poudres, après y avoir ajouté éventuellement une cire de compression. c) On comprime ces poudres sous forme de pièce(s). d) On fritte cette ou ces pièces sous gaz neutre à température choisie comprise entre 1080 et 11600 C. e) On refroidit la ou les pièces, avec une vitesse moyenne de refroidissement supérieure à 400C/minute entre la température de frittage et 5000C. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on approvisionne de la poudre de cupro-phosphore et en ce qu'on fritte la ou les pièces à température comprise entre 1100 et 11400C. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on approvisionne de la poudre de cupro-phosphore en quantité donnant pour la charge une teneur globale en P de 0,8 à 1,3 7. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on approvisionne de la poudre de ferro-bore et en ce qu'on fritte la ou les pièces à température comprise entre 1130 et 11600C. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on approvisionne de la poudre de ferro-bore en quantité donnant pour la charge une teneur globale en B de 1,0 à 1,5 7. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la poudre d'acier préallié approvisionnée contient (% en poids): C 0,8 à 1,5 %- W 3 à 7 %- Mo 2 à 6 %- Cr 3 à 5 %- V 1 à 3 7- Cl 45 % et en ce qu'on ajoute éventuellement du graphite, la teneur globale en C de la charge étant alors comprise entre 0,8 et 1,5 7.