Brevet FR2601696A1 — publié le 19880122

La présente invention a pour objet des barres en acier étiré à froid permettant un usinage aisé, l'accent étant mis particulièrement sur l'amélioration des caractéristiques d'usinabilité en reliant 5 la composition chimique optimale de l'acier au pourcentage de réduction lors du travail à froid pour obtenir-des limites élastiques prédéterminées. Un objectif essentiel de la présente invention consiste en une barre en acier resulfuré et re10 phosphorisé étiré à froid permettant un usinage aisé qui possède un rapport manganèse/soufre réduit, une teneur en soufre accrue et des quantités prédéterminées de bismuth. Un autre objectif concerne une barre en 15 acier étiré à froid, permettant un usinage aisé, comprenant du bismuth afin d'accroître l'usinabilité. Un autre objectif concerne une barre en acier étiré à froid, permettant un usinage aisé, contenant du bismuth qui peut être formée d'acier au carbone, 20 d'acier au manganèse et d'acier resulfuré et rephosphorisé. Un autre objectif concerne une barre en acier étiré à froid, permettant un usinage aisé, possédant des caractéristiques d'usinabilité accrues de 25 manière à réduire les coûts d'usinage et accroître la qualité des pièces usinées. Un autre objectif concerne une barre en acier étiré à froid, permettant un usinage aisé, telle que décrite dans le présent mémoire, permettant d'obtenir des rapports optimaux entre le bismuth et le carbone, le soufre et le manganèse, et le bismuth, le nickel et le cuivre. Un autre objectif concerne une barre en acier étiré à froid, telle que décrite dans le présent 35 mémoire, permettant d'optimiser la composition chimique de la barre, les dimensions de la barre laminée à chaud avant étirage à froid, et le pourcentage de réduction de surface lors de l'étirage à froid pour obtenir des barres destinées à des applications d'usinage parti5 culières et ayant des limites élastiques déterminées. D'autres objectifs apparaîtront de la description et des revendications jointes. Les additifs les plus largement connus et utilisés pour accroître l'usinabilité des barres 10 en acier laminé à froid sont le plomb, le bismuth et le tellure, associés à un volume important d'inclusions de sulfure de manganèse. Les inclusions agissent comme des agents amplifiant la fatigue dans la région de cisaillement primaire, tandis que le plomb et le bismuth 15 diminuent la résistance au cisaillement aux températures élevées engendrées au cours d'une opération d'usinage et apparaissant sur la surface lisse du copeau, agissant comme lubrifiant à l'interface entre le copeau et l'outil. La présente invention utilise du bismuth comme additif permettant un usinage aisé et établit une corrélation entre la quantité de bismuth et les quantités de manganèse et de soufre, tout en optimisant les quantités de ces éléments suivant les dimensions 25 de la barre laminée à chaud avant l'étirage à froid et le pourcentage de réduction au cours de l'étirage à froid, tout cela étant destiné à obtenir une limite élastique déterminée pour une opération d'usinage particulière. La présente invention propose en outre une 30 barre en acier contenant du bismuth présentant une usinabilité améliorée au moyen d'une teneur en soufre accrue et d'un rapport manganèse/soufre diminué. Il est largement reconnu que les aciers contenant du bismuth présentent une usinabilité amélio35 rée avec ou sans l'addition de plomb. Le bismuth amé- liore l'usinabilité car il possède le point de fusion le plus bas parmi les additifs permettant un usinage aisé et l'aptitude la plus grande à affaiblir les limites interfaciales. En outre, la différence relativement 5 petite de densité entre le bismuth et le plomb permet d'éviter une macroségrégation du bismuth au cours de la solidification. Le bismuth existe sous forme de particules fixées non seulement aux inclusions de sulfure de manganèse, mais également aux interfaces ferrite10 perlite et aux limites entre les grains. Tout en faisant varier les quantités de bismuth, le plomb et le tellure (brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 247 326; brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 255 187; brevet des Etats- Unis d'Amérique N 4 255 188; et brevet des 15 Etats-Unis d'Amérique N 4 333 776) ont été incorporés à des aciers resulfurés et rephosphorisés permettant un usinage aisé. Cependant, l'addition d'un ou plusieurs de ces éléments seuls n'est pas suffisante pour obtenir le; caractéristiques d'usinabilité maximales d'une barre 20 en acier. Il est nécessaire d'optimiser la composition chimique de la barre conjointement avec les dimensions de la matière laminée à chaud et le pourcentage de réduction de surface lors de l'étirage à froid, de manière à obtenir des barres en acier ayant des limites 25 élastiques prédéterminées. Sous sa forme la plus large, la présente invention propose une barre en acier étiré à froid permettant un usinage aisé ayant une composition comprenant essentiellement, en pourcentage en poids: 30 C jusqu'à 0,15 % Mn 0,7 % à 1,3 % P 0,03 % à 0,09 % S 0,30 % à 0,50 % Bi 0,05 % à 0,25 % Ni, Cr, Mo et Cu en des quantités dont la somme atteint 0,15 %; - le reste étant du fer; le rapport %Mn/%S étant compris entre 1,7 et 3,0; la différence (%Mn - 1,62 x %S) étant comprise entre 0, 05 et 0,40; et le rapport %Bi/(%Ni + %Cu) étant au moins égal à 2,0. Cette composition chimique particulière permet de produire une barre en acier contenant du bismuth ayant une teneur en soufre accrue par rapport aux barres de ce type courant disponibles jusqu'à présent, et ayant également un rapport manganèse/soufre 15 réduit. Le rapport entre le manganèse et le soufre est important. Si la différence (%Mn - 1,62 x %S) est supérieure à 0,4, la quantité de manganèse qui n'a pas été associée au soufre est excessive et possède une influence néfaste sur l'usinabilité d'une barre 20 en acier contenant du bismuth. L'expression "barre en acier", telle qu'elle est utilisée dans le présent mémoire, s'applique à une barre de longueur déterminée qui peut être obtenue à partir d'un rouleau laminé à chaud ou de barres lami25 nées à chaud. La composition chimique de la barre peut être définie plus précisément en prenant en considération le type de matière laminée à chaud, le pourcentage de réduction de surface lors de l'étirage à froid et 30 la limite élastique désirée. En utilisant un rouleau rond ou hexagonal laminé à chaud ayant une composition chimique répondant à la description du présent mémoire, la quantité réduite de manganèse et de carbone permet d'éviter un renforcement important lors du travail 35 à froid. Une résistance élevée et une fragilité excesr 260-1696 sive, pouvant diminuer la durée de vie des outils et provoquer le tassement des copeaux lors du perçage, sont notablement réduites. A titre d'exemple particulier de l'utilisation d'un rouleau rond ou hexagonal laminé 5 à chaud, une barre en acier étiré à froid possède la composition comprenant essentiellement, en pourcentage en poids: C 0,07 % à 0,09 % Mn 0,7 % à 0,9 % S 0,3 % à 0,4 % P 0,03 % à 0,07 % Bi 0,05 % à 0,15 % Ni, Cr, Mo et Cu en des quantités dont la somme atteint 0,15 %; le reste étant du fer; le rapport %Mn/%S étant compris entre 1,7 et 2,8; la différence (%Mn - 1,62 x %S) étant comprise entre 0, 05 et 0,30; et le rapport %B/(%Ni + %Cu) -étant au moins égal à 2,0. Une telle barre peut présenter une réduction de surface lors de l'étirage à froid comprise entre 10 % et 30 %. Plus précisément, une réduction de surface 25 lors de l'étirage à froid comprise entre 10 % et 20% permet d'obtenir une limite élastique de l'ordre d'environ 420 MPa, tandis qu'une barre présentant une réduction de surface lors de l'étirage à froid de 20 à 30% permet d'obtenir une limite élastique de l'ordre d'envi30 ron 490 MPa. Une barre ayant une limite élastique de 420 MPa procure une durée de vie des outils excellente lors d'un usinage à haute vitesse, tandis qu'une barre ayant une limite élastique de 490 MPa procure un fini de surface supérieur lors d'un usinage à haute vitesse. La teneur en manganèse, en soufre et en bismuth augmente avec une augmentation des dimensions de la barre étirée à froid. Normalement, un rouleau laminé à chaud possède un diamètre de l'ordre d'environ 5 2,54 cm. Une augmentation des dimensions du produit laminé à chaud nécessite une augmentation de la teneur en manganèse, en soufre et en bismuth. Ainsi, une barre laminée à chaud ayant un diamètre allant jusqu'à ,08 cm possède une composition comprenant essentielle10 ment, en pourcentage en poids: C 0,09 % à 0,11 % Mn 0,9 % à 1,1 % S 0,36 % à 0,46 % P 0,04 % à 0,08 % Bi 0,05 % à 0,15 % Ni, Cr, Mo et Cu en des quantités dont la somme atteint 0,15 %; le reste étant du fer; le rapport %Mn/%S étant compris entre 1,9 20 et 2,8; la différence (%Mn - 1,62 x %S) étant comprise entre 0,15 et 0,40; et le rapport %Bi/(%Ni + %Cu) étant au moins égal à 2,0. Avec une réduction de surface au cours de l'étirage à froid comprise entre 6 % et 10 %, une telle barre permet d'obtenir des limites élastiques comprises entre 420 et 490 MPa. Plus précisément, lorsque la réduction de surface lors de l'étirage à froid 30 est comprise entre 6 % et 8 %, la limite élastique est de l'ordre d'environ 420 MPa, la barre procurant une excellente durée de vie des outils lors d'un usinage à grande vitesse. Une réduction de surface lors de l'étirage à froid comprise entre 8 % et 10 % permet 35 d'obtenir une limite élastique de l'ordre d'environ 490 MPa et un fini de surface supérieur pour de multiples machines. Pour des barres laminées à chaud ayant un diamètre supérieur à 5,08 cm, les quantités de man5 ganèse, de soufre et de bismuth sont accrues à des valeurs supérieures à celles mentionnées pour une barre laminée à chaud ayant un diamètre inférieur à ,08 cm. Ainsi, une barre laminée à chaud ayant un diamètre supérieur à 5,08 cm possède une composition 10 comprenant essentiellement, en pourcentage en poids: C 0,06 % à 0,13 % Mn 0,8 % à 1,3 % P 0,06 % à 0,09 % S 0,32 % à 0,50 % Bi 0,15 % à 0,25 % Ni, Cr, Mo et Ou en des quantités dont la somme atteint 0,15 %; le reste étant du fer; le rapport %Mn/%S étant compris entre 2,0 20 et 3,0; la différence (%Mn - 1,62 x %S) étant comprise entre 0,2 et 0,4; et le rapport %Bif(%Ni + %Cu) étant au moins égal à 2,0. Une barre ayant cette composition et présentant une réduction de surface lors de l'usinage à froid de 3 % à 6 % permet d'obtenir une limite élastique comprise entre 420 et 490 MPa. Atitre de perfectionnement de la présente invention, des barres laminées à chaud 30 ayant un diamètre d'au moins 5,08 cm possèdent une composition chimique plus spécifique suivant la forme ronde, carrée ou hexagonale de la barre. Les barres hexagonales laminées à chaud possèdent une quantité réduite de carbone, de manganèse et de phosphore pour 35 améliorer la durée de vie des outils lors du dégros- sissage. Une barre hexagonale doit avoir la composition suivante, comprenant essentiellement, en pourcentage en poids: C 0,06 % à 0,08 % 5 Mn 0,8 % à 1,0 % P 0,06 % à 0,09 % S 0,32 % à 0,40 % Bi 0,15 % à 0,25 % Ni, Cr, Mo et Cu en des quantités dont 10 la somme atteint 0,15 %; le reste étant du fer; le rapport %Mn/%S étant compris entre 2,0 et 2,8; la différence (%Mn - 1,62 x %S) étant com15 prise entre 0,2 et 0,4; et le rapport %Bi/(%Ni + %Cu) étant au moins étal à 2,0. Une barre ronde ou carrée laminée à chaud à partir du même matériau ayant un diamètre supérieur 20 à 5,08 cm possède la composition suivante, comprenant essentiellement, en pourcentage en poids: C 0,10 % à 0,13-% Mn 1,0 % à 1,3 % P 0,06 % à 0,09 % 25 S 0,40 % à 0,50 % Bi 0,15 % à 0,25 % Ni, Cr, Mo et Cu en des quantités dont la somme atteint 0,15 %; le reste étant du fer; 30 le rapport %Mn/%S étant compris entre 2,2 et 3,0; la différence (%Mn - 1,62 x %S) étant comprise entre 0,2 et 0,4; et le rapport %Bi/(%Ni + %Cu) étant au moins 35 égal à 2,0. Le rapport du bismuth à la somme du nickel et du cuivre est important et ne doit pas être inférieur à 2,0. Cela permet d'utiliser le point de fusion bas du bismuth pour obtenir une usinabilité accrue, 5 des rapports inférieurs à 2,0 diminuant l'effet du bismuth. Il n'existe aucune restriction particulière concernant les quantités de chrome et de molybdène, sous réserve que la somme des quantités de ces deux éléments plus celle du nickel et du cuivre ne dépassent 10 pas la valeur mentionnée, égale à 0,15 %. D'autres additifs permettant un usinage aisé sont également utiles en des quantités appropriées. Le plomb, en une quantité comprise entre 0,05 % et 0,15 % en poids, est utile, de même que le zirconium 15 en une quantité comprise entre 0,005 % et 0,05 %; le tellure en une quantité comprise entre 0,002 % et 0,1 %; et l'azote en une quantité comprise entre 0,006 % et 0,012 %. L'addition de bismuth en la quantité men20 tionnée permet une augmentation de la vitesse d'un outil de découpage au cours d'une opération d'usinage, comme le permet une augmentation de la quantité de soufre, telle qu'elle est mentionnée. L'incorporation de bismuth et d'une quantité accrue de soufre permet 25 d'obtenir une multiplication de l'accroissement dbla vitesse de coupe. L'addition de ces deux éléments ne possède pas d'effet notable sur la vitesse d'avance ou la profondeur de coupe, l'augmentation d'usinabilité étant principalement liée à la vitesse de coupe. Par l'optimisation de la limite élastique et de l'écrouissage, c o m m e i n d i q u é dans le présent mémoire, ainsi que par une composition chimique ajustée et l'ajustement du pourcentage de réduction de surface lors de l'étirage à froid, il est possible 35 d'accroître la vitesse d'avance et la profondeur de coupe lors des opérations d'usinage. En outre, par addition de bismuth et de soufre de la manière indiquée, ainsi que par l'optimisation de la résistance et de l'écrouissage, l'effet sur la vitesse d'avance et la 5 profondeur de coupe est également multiplicatif. Par l'addition de plomb avec du bismuth, la vitesse de coupe permise est augmentée davantage, cet effet étant également multiplicatif en prenant en considération la quantité accrue de soufre et la résistance et 10 l'écrouissage optimisés, de la manière décrite. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. 26B1696 1 1 REVENDICATIONS 1. Barre en acier étiré à froid permettant un usinage aisé, caractérisée en ce qu'elle possède une composition comprenant essentiellement, en pourcen5 tage en poids: C jusqu'à 0,15 % Mn 0,17 % à 1,3 % P 0,03 % à 0, 09 % S 0,30 % à 0,50 % Bi 0,05 % à 0,25 % Ni, Cr, Mo et Cu, en des quantités dont la somme atteint 0,15 %; le reste étant du fer; le rapport %Mn/%S étant compris entre 1,7 15 et 3,0; la différence (%Mn - 1,62 x %S) étant comprise entre 0,05 et 0,40; et le rapport %Bi/(%Ni + %Cu) étant au moins égal à 2,0. 2. Barre en acier étiré à froid suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu:'elle comprend en outre, en poids, 0,05 % à 0,15 % de Pb. 3. Barre en acier étiré à froid suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend 25 en outre, en poids, 0,005 % à 0,05 % de Zr. 4. Barre en acier étiré à froid suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, en poids, 0,002 % à 0,1 % de Te. 5. Barre en acier étiré à froid suivant 30 la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, en poids, 0,006 % à 0,012 % de N. 6. Barre en acier étiré à froid permettant un usinage aisé formée par étirage à froid d'un rouleau laminé à chaud, caractérisée en ce qu'elle possède 35 une composition comprenant essentiellement, en pourcentage en poids: C 0,07 % à 0,09 % Mn 0,7 % à 0,9 % S 0,30 % à 0,40 % P 0,03 % à 0,07 % Bi 0,05 % à 0,15 % Ni, Cr, Mo et Cu en des quantités dont la somme atteint 0,15 %; le reste étant du fer; le rapport %Mn/%S étant compris entre 10 1,7 et 2,8; G - la différence (%Mn - 1,62 x %S) étant comprise entre 0,05 et 0,30-; le rapport %Bi/(%Ni + %Cu) étant au moins égal à 2,0; et la réduction de surface lors de l'étirage à froid de la barre obtenue à partir du rouleau laminé à chaud étant comprise entre 10 % et 30 %. 7. Barre en acier étiré à froid suivant la revendication 6, caractérisée en outre en ce que 20 la réduction de surface par étirage à froid de la barre est comprise entre 10 % et 20 %, donnant une limite élastique de l'ordre d'environ 420 MPa. 8. Barre en acier étiré à froid suivant la revendication 6, caractérisée en outre en ce que 25 la réduction de surface par étirage à froid de la barre est comprise entre 20 % et 30 %, donnant une limite élastique de l'ordre d'environ 490 MPa. 9. Barre en acier étiré à froid suivant la revendication 6, caractérisée en outre en ce que 30 le rouleau laminé à chaud possède une forme hexagonale, la barre laminée à froid possède une forme hexagonale et la réduction de surface par étirage à froid de la barre est comprise entre 10 % et 20 %. - 10. Barre en acier étiré à froid permettant 35 un usinage aisé formée par étirage à froid d'une barre laminée à chaud ayant un diamètre allant jusqu'à 5,08 cm, caractérisée en ce qu'elle possède une composition comprenant essentiellement, en pourcentage en poids: C 0,09 % à 0,11 % Mn 0,9 % à 1,1 % S 0,36 % à 0,46 % P 0,04 % à 0,08 % Bi 0,05 % à 0,15 % Ni, Cr, Mo et Cu en des quantités dont 10 la somme atteint 0,15 %; le reste étant du fer; le rapport %Mn/%S étant compris entre 1,9 et 2,8; la différence (%Mn - 1,62 x %S) étant com15 prise entre 0,15 et 0,40; le rapport %Bi/(%Ni + %Cu) étant au moins égal à 2,0; et la réduction de surface lots de l'étirage à froid de la barre étant comprise entre 6 % et 20 10 %. 11. Barre en acier étiré à froid suivant la revendication 10, caractérisée en outre en ce que la réduction de surface par étirage à froid de la barre est comprise entre 6 % et 8 %, donnant une limite 25 élastique de l'ordre d'environ 420 MPa. 12. Barre en acier étiré à froid suivant la revendication 10, caractérisée en outre en ce que la réduction de surface par étirage à froid de la barre est comprise entre 8 % et 10 - %, donnant une limite 30 élastique de l'ordre d'environ 490 MPa. 13. Barre en acier étiré à froid permettant un usinage aisé formée par étirage à froid d'une barre laminée à chaud ayant un diamètre d'au moins 5,08 cm, caractérisée en ce qu'elle possède une compo35 sition comprenant essentiellement, en pourcentage en poids: C 0,06 % à 0,13 % Mn 0,8 % à 1, 3 % P 0,06 % à 0,09 % S 0,32 % à 0,50 % Bi 0,15 % à 0,25 % Ni, Cr, Mo et Cu en des quantités dont la somme atteint 0,15 %; le reste étant du fer; le rapport %Mn/%S étant compris entre 2,0 10 et 3,0; la différence (%Mn 1,62 x %S) étant comprise entre 0,2 et 0,4; le rapport %Bi/(%Ni + %Cu) étant au moins égal à 2,0; et la réduction de surface lors de l'étirage à froid de la barre étant comprise entre 3 % et 6 %. 14. Barre en acier étiré à froid suivant la revendication 13, caractérisée en outre en ce qu'elle possède une section transversale arrondie ou carrée 20 et possède une composition comprenant essentiellement, en pourcentage en poids: C 0,10 % à 0,13 % Mn 1,0 % à 1, 3 % P 0,06 % à 0,09 % 25 S 0,40 % à 0,50 % Bi 0,15 % à 0,25 %. 15. Barre en acier étiré à froid suivant la revendication 13, caractérisée en outre en ce qu'elle possède une forme hexagonale et possède une composition 30 comprenant essentiellement, en pourcentage en poids: C 0,06 % à 0,08 % Mn 0,8 % à 1,0 % P 0,06 % à 0,09 % S 0,32 % à 0,40 % 35 Bi 0,15 % à 0,25 %, la réduction de surface lors de l'étirage à froid de la barre étant comprise entre 3 % et 5 %.