Brevet FR2682686A1 — publié le 19930423

i Acier au carbone-manganèse destiné notamment au décolletage. La présente invention est relative aux aciers faiblement allies au carbone-manganèse et a pour objet des aciers de compositions particulières qui du fait notamment de leur teneur en soufre et de la composition de leurs inclusions oxydées sont particulièrement aptes à5 l'usinage à grande vitesse en particulier par des outils en carbures ou en céramique et au décolletage à grande vitesse de coupe, notamment à partir de tubes réalisés dans lesdits aciers. On connaît actuellement des aciers dont les caractéristiques d'usinabilité sont améliorées par la présence de soufre dans une gamme de teneur allant de 0,020 à 0,040 % en poids Ces aciers ont toutefois des performances en usinage limitées qui ne permettent pas d'atteindre les grandes vitesses de coupe et/ou d'utiliser des outils de coupe en carbure ou en céramique dans de bonnes conditions Par contre ces15 aciers à usinabilité améliorée gardent en général des caractéristiques mécaniques en particulier en traction voisines de celles correspondant à leur composition de base. On connaît également des aciers pour décolletage semi-calmés par des additions de silicium contenant de l'ordre de 0,3 % de soufre en poids. Ces aciers sont usinables à grande vitesse de coupe avec des outils de coupe en carbure ou en céramique. Dans certains cas, même, la recherche des performances les plus élevées nécessite l'addition combinée de soufre, de Tellure (ou Selenium) et/ou de Plomb ou de Bismuth. Ces aciers présentent en général une grande quantité d'inclusions d'oxydes et de sulfures et une teneur en oxygène éLevée supérieure à30 0,0100 % en poids. Ces aciers dont la caractéristique essentielle sinon exclusive est de présenter des propriétés aussi éLevées que possible au décolletage ont par ailleurs une résilience très médiocre et il est impossible de les35 assembler par soudage à l'arc On peut également souligner les problèmes de toxicité liés à la manipulation notamment au stade de -2- L'éLaboiation du métal Liquide des éLéments Te L Lure, SéLénium, P Lomb, Bismuth ainsi que Lors du recyc Lage des ferrai L Les et copeaux. De p Lus Les aciers avec 0,30 % en poids de soufre ont des caractéristiques mécaniques à La traction basses, voisines de ce Lle d'un acier A 37 selon norme AFNOR Des nuances pour traitement thermique ont été normalisées mais Leurs performances au déco L Letage sont a Lors p Lus faib Les. Le but de La présente invention est de proposer une fami L Le d'aciers au carbone-manganèse uti Lisab Les notamment pour La construction mécanique ayant une excellente aptitude au décol Letage et donnant d'exce L Lentes performances à L'usinage à grande vitesse par des outils en carbure ou céramique, performances supérieures à ce L Les obtenues avec des aciers15 à usinabilité améliorée cités ci-dessus tout en gardant de bonnes caractéristiques mécaniques et ne présentant pas les inconvénients des aciers de décolletage à 0,30 % en poids de soufre cités plus haut. L'invention a en particulier pour but la création d'une fami Lle d'aciers de décotletage propres, ne nécessitant pas la mise en oeuvre d'éléments toxiques, couvrant une Large gamme de caractéristiques mécaniques et présentant des caractéristiques de résilience bien meilleures que ce L Les de L'acier de déco L Letage à 0,30 % en poids de soufre.25 Les aciers au carbone-manganèse aptes au déco L Letage de La fami L Le de L'invention ont La composition suivante exprimée en pourcentages pondéraux: Carbone 0,05 à 0,45 % Manganèse 0,80 à 1,65 % Silicium 0,10 à 0,35 % Phosphore inférieur à 0,030 % ainsi que Les impuretés habitue L Les. Ils contiennent également: -3- Soufre 0,050 à 0,12 % Calcium 0,001 à 0,010 % L'a Luminium étant entièrement sous forme oxydée, et les inclusions non métalliques d'oxydes comprennent en pourcentage pondéraux: AL 2 03 15 à 50 % Si 02 20 à 60 % Ca O + Mn O 15 à 50 %10 la teneur totale en oxygène étant comprise entre 0,0015 et 0,0080 %. De préférence Les inclusions non métalliques se situent sur Le diagramme de représentation du système AL 2 03 Si 02 Mn O/Ca O dans15 le domaine de L'Anorthite ou de la Gehienite Un te L diagramme de représentation du système AL 2 03 Si 02 Mn O/Ca O se trouve par exemple dans "Phase diagrams for ceramists" Edited and Pub Lished by the American Ceramic Society 1964 figure 630 page 219 Mn O et Ca O sont des oxydes dont Le role est estimé similaire Dans la mesure o le20 pourcentage de Mn O est faible (inférieur à 10 %) on peut donc cumuler Ca O + Mn O pour se rapporter au diagramme du système AL 2 03 - Si 02 Ca O o seul Ca O est représenté et prendre la valeur de Ca O + Mn O pour une valeur de Ca O. De façon avantageuse pour la mise en oeuvre de L'acier par soudage par un procédé de soudage à L'arc électrique avec méta L d'apport on limite La teneur en carbone à 0,22 % en poids et La somme teneur en carbone plus teneur en manganèse/6 à 0, 48 % en poids soit C % + Mn % et 0,12 % en poids. La composition ci-dessus décrite permet, tout en obtenant de bonnes caractéristiques mécaniques à La traction, d'obtenir un type35 d'inclusions d'oxydes et de sulfures favorables, réparties de manière homogène dans le métal et en quantité Limitée et contrôlée Cet ensemble de caractéristiques rend ces aciers aptes au décolletage dans - 4d'excellentes conditions, ceci malgré la teneur relativement basse en soufre, en particulier pour le déco L Letage utilisant Les outils carbure ou céramique. IL est particulièrement intéressant pour fabriquer l'acier d'utiliser Le procédé de coulée continue rotative, en soit connu. Ce procédé est par exemple décrit dans l'article de la Revue de métallurgie CIT, Février 1981 pages 119-135.10 Un tel procédé permet d'assurer l'homogénéité du métal, tant au niveau de la composition chimique que de la répartition des inclusions, sur toute la longueur coulée. L'éLaboration de L'acier coulé ensuite en continu qui est faite avantageusement en poche après fusion en four électrique à L'arc sera exécutée avec soin de façon à conserver toujours Le métal homogène et à l'abri de l'oxydation, le méta L étant, dans sa phase finale traité au Calcium, par exemple par l'introduction dans la poche de métal liquide20 d'un fil fourré tel que décrit dans le brevet européen n 87 420052 O à base de silico-calcium. IL est particulièrement intéressant d'utiliser l'acier selon L'invention sous forme de tube, par exemple de tubes étirés, ceci25 réduisant Les temps de décolletage par suppression de l'opération de perçage du trou intérieur. En utilisant un tube, on est également certain d'éviter les ségrégations centrales qui pourraient se trouver au coeur des barres,30 ségrégations qui, on l'a déjà expliqué ci-dessus, sont très réduites si on utilise le procédé de coulée continue rotative. De la sorte l'utilisation de tubes au lieu de barres est une garantie complémentaire pour le produit destiné au décol Letage.35 A titre d'exemple, non limitatif, on a comparé les résultats d'un acier selon l'invention à des aciers normalisés préexistants. -5 Les compositions son Les suivantes en pourcentages pond-raux: Les compositions sont Les suivantes eni pourcentages pondéraux Acier TU 52 b C Si Mn S P AL Ca O total A selon: (norme AFNOR NFA 49310) : 0,178 % : 0,265 % : 1,270 % : 0,006 % : 0,014 % : 0,024 % : 0,0015 % : 0,0022 % Les inclusions d'oxydes sont constituées d'a Luminates de calcium AL 2 03 Ca O ou de spine L Les AI 2 03 Mgo associés à des sulfures mixtes (Ca, Mn)S On trouve en outre des inclusions isolées de sulfures de manganèse Mn S en faible quantité. Acier B (version acier à usinabilité améliorée de l'acier A). selon TU 52 b C Si Mn S P AL Ca O total q 2 (norme AFNOR NFA 49310) :0,180 % :0,183 % :1,340 % :0,028 % :0,016 % :0,022 % :0,0016 % l:0,0022 % Ici les inclusions d'oxydes sont constituées d'aluminates de calcium A 1203 Ca O ou de spine L Les AL 203 Mg O associés à des sulfures mixtes35 (Ca, Mn)S On trouve en dehors de ces inclusions de nombreuses inclusions de sulfure de manganèse. -6- Acier C se Lon l'invention. C: 0,172 % Si: 0,191 % Mn: 1,430 % P: 0,018 % S: 0,090 % AL: Ca: 0,0014 % O total: 0,0026 % ayant des inclusions d'oxydes dont la composition moyenne est La suivante en pourcentages pondéraux: AL 2 03 Si 02 Ca O : 34 % : 30 % : 36 % Cette composition se situe dans Le domaine de la Geh Lenite du diagramme ternaire AL 2 03 Si 02 Ca O cité antérieurement. Dans cet acier C le soufre est essentiellement combiné sous forme de su Lfures Mn S. Ces trois aciers ont été soumis à un test de chariotage sur tube étiré écrouté avec outi L carbure, référencé SAFETY TPMR 16 no 03047654 de La Société SAFETY, non revêtu et sans Lubrifiant. On a comparé: La durée pour créer une usure de 0,4 mm de l'arête de L'outi L à une vitesse de coupe de 180 m/min (durée de vie) et la vitesse de coupe en m/min donnant une usure de 0,4 mm de L'arête de L'outil en 20 minutes (VB 20-0,4). -7- Les résultats sont Les suivants: Acier A Acier B à usinabilité améliorée Acier C de l'invention durée de vie: min: min: 87 min: VB 20-0,4 m/min 220 m/min 300 m/min On voit que l'acier selon l'invention (acier C) présente des résultats très supérieurs à ceux obtenus avec L'acier à usinabilité améliorée existant (acier B) et sans commune mesure avec l'acier non destiné à l'usinage (acier A). On a par ailleurs comparé par un essai de productivité avec outils carbure avec des critères identiques un acier de décolletage à 0,30 % en poids de soufre avec l'acier C de l'invention. En 6 heures on a trouvé une production quasiment identique pour les deux aciers, ceci malgré les différences de caractéristiques mécaniques défavorables pour l'acier C, acier de l'invention: Acier à 0,30 % poids de soufre selon NFA 35561 (nuance 5300). R e 0,2 Rm A % 5,65 45 539 M Pa 558 M Pa 11,4 % -8- Acier C de L'invention R 0,2 704 M Pa Rm 765 M Pa A % 5,65 j S 8,4 % Ceci montre clairement que L'acier se Lon l'invention est particulièrement approprié au décolletage à grande vitesse avec des outils carbure ou céramique.10 Les aciers se Lon l'invention présentent donc L'avantage d'avoir des propriétés d'usinabilité bien meilleures que ce L Les des aciers à usinabilité améliorée et du même ordre de grandeur que celles des aciers de décolletage à 0,30 % poids de soufre sans présenter,15 notamment sur le plan des caractéristiques mécaniques et de la mise en oeuvre les inconvénients de ces aciers à 0,30 % poids de soufre. -9- REVENDICATIONS 1) Acier au carbone-manganèse apte au déco Lletage à grande vitesse de coupe caractérisé par le fait qu'il contient en pourcentages pondéraux, 0,05 à 0,45 % de carbone, 0,80 à 1,65 % de manganèse, 0,10 à 0,35 % de silicium, au plus 0,030 % de phosphore et les impuretés habituelles ainsi que 0,050 à 0,12 % de soufre et 0,001 à 0,010 % de calcium et dans lequel les inclusions non métalliques d'oxydes comprennent en pourcentages pondéraux 15 à 50 % d'AL 2 03, 20 à 60 % de Si O 2 et 15 à 50 % de Ca O + Mn O, la teneur totale en oxygène étant comprise entre 0,0015 à 0,0080 % et l'aluminium étant entièrement sous forme oxydée. O 10 2) Acier selon la revendication 1 caractérisé en ce que les inclusions non métalliques se situent sur le diagramme du système AL 2 03 Si 02 - Ca O/Mn O dans le domaine de l'Anorthite ou de la Gehlenite, la teneur en Ca O + Mn O étant traitée comme étant du Ca O.15 3) Acier selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la teneur en soufre est de 0,080 à 0,12 %. 4) Acier selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que dans le but d'avoir une bonne soudabilité à l'arc électrique avec métal d'apport on limite la teneur en Carbone à 0,22 % et la somme C % + Mn % à 0,48 % 6 ) Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait qu'il est cou Lé par le procédé de coulée continue rotative. 6) Tube d'acier pour décolletage caractérisé par le fait que sa composition est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4.