Brevet FR2684392A1 — publié le 19930604

La présente invention concerne des aciers au bore pour roues d'engrenage cémentées, et plus particulièrement des aciers au bore pour roues d ' engrenage cémentées qui offrent des améliorations portant sur la déformation au5 traitement thermique, l'oxydation superficielle à la cémentation et le coût en matières, et possédant des caractéristiques supérieures de trempabilité, de résistance mécanique et de résistance à la fatigue par comparaison avec les aciers faiblement alliés et les10 autres aciers au bore qui sont classiquement utilisés pour les roues d'engrenage cémentées. Comme aciers faiblement alliés pour roues d'engrenage cémentées, il a été classiquement proposé d'utiliser des aciers au Cr-Mo et des aciers au Ni-Cr-Mo15 contenant du carbone à une teneur d'environ 0,20 % en poids, en prenant en considération la déformation au traitement thermique, la dureté superficielle, la dureté interne et la résistance à la fatigue Cependant, Cr, Ni et Mo sont des éléments rares dont les réserves20 géologiques estimées sont faibles et leur coût est donc élevé Par conséquent, l'utilisation de ces éléments coûteux entraîne une augmentation du coût en matières des aciers alliés pour roues d'engrenage cémentées. Pour résoudre les problèmes susmentionnés, la Demanderesse a tenté d'utiliser, dans des roues d'engrenage cémentées, des aciers au bore qui étaient classiquement utilisés pour des éléments de construction mécanique de basse qualité Par exemple, la demande de brevet coréen No 90-19 454 déposée le 29 novembre 1990 au nom de la Demanderesse fait connaître des aciers au bore offrant des amélioration dans les roues d'engrenage cémentées Les aciers au bore décrits dans cette demande de brevet sont des aciers pour roues d'engrenage cémentées qui réduisent le coût en matières en remplaçant le nickel, le chrome et le molybdène coûteux par du bore et qui possèdent des propriétés mécaniques supérieures telles que la déformation à la cémentation, la trempabilité, la résistance mécanique et la limite de fatigue Cependant, ils sont encore affectés par le problème d'oxydation superficielle à la cémentation qui est rencontré avec les aciers classiques. 5 Le phénomène d'oxydation superficielle résulte du fait que Co 2 et H 2 O contenus dans le gaz de cémentation oxydent le silicium, le manganèse et le chrome présents dans l'acier A cause de l'oxydation de ces éléments d'alliage, l'acier présente une trempabilité réduite au10 niveau de sa couche la plus superficielle Par suite, lorsqu'il est soumis à une trempe, l'acier forme une structure de bainite répartie dans une épaisseur superficielle d'environ 20 pm Cette structure de bainite est à l'origine d'une faible dureté et d'une contrainte de15 tension à la surface de l'acier La formation et l'effet de l'oxydation superficielle sont bien connus dans ce domaine technique Pour supprimer le désavantage occasionné par la structure de bainite, l'oxydation des joints intergranulaires est éliminée par meulage de la20 surface de la roue d'engrenage En variante, la roue d'engrenage peut être soumise à un traitement de rodage en utilisant une huile lubrifiante favorisant l'usure superficielle de la roue d'engrenage Cependant, ces procédés exercent leur action sur la surface de contact25 de la roue d'engrenage; la couche oxydée de joints intergranulaires restant dans les régions de racine des dents d'engrenage ne peut être éliminée En particulier, il a été récemment reconnu que la couche oxydée superficielle restant au niveau des racines de dents d'engrenage est la cause d'une rupture de racine des dents d'engrenage On a donc vivement souhaité disposer d'une solution fondamentale pour réduire la formation de couche oxydée superficielle. En conséquence, un but de l'invention est de fournir un nouvel acier au bore pour roues d'engrenage cémentées qui soit capable de résoudre les problèmes susmentionnés qui sont rencontrés dans l'art antérieur. La présente invention se propose de réduire les teneurs en éléments facilement oxydables tels que le silicium, le manganèse et le chrome et d'utiliser le bore à la place du nickel, du chrome et du molybdène, afin de réduire la formation de couche oxydée superficielle, qui a été rencontrée de façon indésirable dans l'art antérieur, et également de tirer le meilleur parti de 11 effet du bore. Selon la présente invention, ce but peut être atteint en fournissant un acier au bore constitué de 0,18 % à 0,35 % de C, 0,06 % à 0,15 % de Si, 0,50 % à 1,00 % de Mn, 0,40 % à 0,90 % de Cr, 0,01 % à 0,05 % de Al, 0,01 % à 0,04 * de Ti, au plus 0,012 % de N, au plus 0,003 % de 0, 0,0005 % à 0,0030 % de B et le reste de Fe et d'impuretés inévitables dans la fabrication de l'acier, le rapport de Ti à N étant de 3,4 à 6,0 et tous les pourcentages étant basés sur le poids de l'acier. D'autres buts et aspects de l'invention se dégageront de la description de formes de réalisation qui suit, en regard des dessins annexés sur lesquels: la Figure 1 est une courbe Jominy pour un acier BS 708 M 20 classique; la Figure 2 est une courbe Jominy pour un acier AISI 4320 classique; la Figure 3 est une courbe Jominy pour un acier décrit dans la demande de brevet coréen No 90-19 454; la Figure 4 est une courbe Jcminy pour un acier selon l'Exemple A de la présente invention; la Figure 5 est une courbe Jominy pour un acier selon l'Exemple B de la présente invention; la Figure 6 est une photographie en microscopie optique ( 400 X) de l'acier BS 708 M 20 classique, montrant sa profondeur d'oxydation superficielle; la Figure 7 est une photographie en microscopie optique ( 400 X) de l'acier AISI 4320 classique, montrant sa profondeur d'oxydation superficielle; la Figure 8 est une photographie en microscopie optique ( 400 X) de l'acier décrit dans la demande de brevet coréen No 90-19 454, montrant sa profondeur d'oxydation superficielle; 5 la Figure 9 est une photographie en microscopie optique ( 400 X) de l'acier selon l'Exemple A de la présente invention, montrant sa profondeur d'oxydation superficielle; la Figure 10 est une photographie en microscopie optique ( 400 X) de l'acier selon l'Exemple B de la présente invention, montrant sa profondeur d'oxydation superficielle; la Figure 11 est un diagramme de transformation en refroidissement continu (diagramme TRC) de l'acier selon l'Exemple B de la présente invention. Sur les Figures 1 à 5, HRC est la dureté Rockwell C et RT est la résistance à la traction. Comme mentionné ci-dessus, la présente invention réduit les teneurs en éléments facilement oxydables tels que le silicium, le manganèse et le chrome, et, de plus, substitue partiellement ou totalement du bore au nickel, au chrome et au molybdène afin de réduire la formation de couche oxydée superficielle, qui a été rencontrée de façon indésirable dans l'art antérieur, et de tirer le meilleur parti de l'effet du bore. Les teneurs en éléments de l'acier selon la présente invention sont limitées numériquement comme suit. Le carbone est un élément essentiel pour obtenir la résistance mécanique et la dureté requises des aciers. Pour maintenir une dureté interne HRZ d'au moins 20, la composition contient du carbone en une proportion d'au moins 0,18 % en poids Le carbone en excès de 0,35 * en poids augmente brusquement la dureté et affecte ainsi défavorablement la ténacité, en empêchant l'utilisation de35 l'acier pour des engrenages. Le silicium agit comme un désoxydant dans le procédé de fabrication de l'acier et il doit donc être contenu dans la composition en une proportion d'au moins 0,06 % en poids Etant donné, par conséquent, que le silicium est facilement oxydé, la teneur en silicium est limitée un maximum de 0,15 % en poids, afin de réduire l'oxydation superficielle. Le manganèse est un élément d'alliage bon marché qui contribue à améliorer la résistance mécanique et la trempabilité et c'est également un élément essentiel servant d'agent de désulfuration dans le procédé de fabrication de l'acier Cependant, le manganèse est également l'un des éléments oxydables, bien que son degré d'oxydation soit inférieur à celui du silicium Par conséquent, la teneur en manganèse est limitée à un maximum de 1,0 % en poids Pour améliorer la trempabilité, le manganèse doit être contenu dans la composition en une proportion d'au moins 0,5 % en poids. Le chrome se présente sous forme d'une solution solide dans la ferrite en renforçant sa matrice Dans le cas de la composition ayant une faible teneur en carbone, l'addition de chrome améliore l'effet de renforcement de la matrice A cet effet, le chrome doit être contenu dans la composition en une proportion d'au moins 0,4 % en poids La teneur en chrome est également limitée à un maximum de 1,0 % en poids, car cet élément subit également l'oxydation superficielle, comme le silicium et le manganèse. L'aluminium est principalement utilisé dans la fabrication d'aciers calmés car il exerce un puissant effet désoxydant En outre, l'aluminium restant dans l'acier contribue à améliorer la ténacité et à affiner les grains cristallins Lorsque la composition contient de l'aluminium en une proportion inférieure à 0,01 % en poids, il n'est pas réalisé une désoxydation suffisante. En excès de 0,05 % en poids, l'aluminium est contenu en35 faible quantité dans Si O 2, de sorte qu'il donne lieu à une mauvaise propreté; les silicates subsistent plus longtemps sous forme d'inclusions de type A Par conséquent, la teneur en aluminium est limitée à un minimum de 0,01 * en poids et à un maximum de 0,05 % en poids, et de préférence entre 0,02 % en poids et 0,03 % en poids. 5 Le titane présente une grande force de liaison à l'azote et c'est donc un élément essentiel pour obtenir l'effet désiré attendu de l'addition de bore selon la présente invention Lorsque le titane est contenu dans la composition en une proportion d'au moins 0,01 % en poids, on peut obtenir un effet stable du bore Au-delà de 0,04 % en poids, l'effet n'augmente plus Par conséquent, la teneur en titane est limitée à un minimum de 0,01 % en poids et à un maximum de 0,04 % en poids, et de préférence entre 0,02 t en poids et 0,03 % en poids. L'azote est contenu dans la composition du fait que l'azote de l'air s'y dissout pendant la fabrication des aciers En excès de 0,012 % en poids, l'azote se lie au bore en formant BN qui empêche l'obtention de l'effet désiré selon la présente invention Par conséquent, la teneur en azote est limitée à un maximum de 0,012 % en poids, et de préférence à moins de 0,009 % en poids. L'oxygène est la cause fondamentale de l'oxydation superficielle qui doit être empêchée par la présente invention De même que l'azote, l'oxygène est contenu dans la composition du fait que l'oxygène de l'air s'y dissout pendant la fabrication des aciers L'oxygène dissous est éliminé en majeure partie de la composition par un traitement de désoxydation La teneur en oxygène est limitée à un maximum de 0,003 % en poids Au-delà de 0,003 % en poids, on ne peut guère s'attendre à la réduction de l'oxydation superficielle La teneur en oxygène est de préférence inférieure à 0,0025 % en poids. Le bore est un élément bon marché qui agit à la place d'éléments d'alliage coûteux pour produire des effets d'amélioration de la trempabilité des aciers. L'addition de bore, même en très petite proportion, apporte des effets avantageux Il faut ajouter au moins 0,0005 % en poids de bore à la composition En excès de 0,003 % en poids, le bore peut ne plus être efficace et agir au contraire en réduisant la ténacité Par conséquent, la teneur en bore est limitée à un minimum de 5 0,0005 % en poids et à un maximum de 0,003 % en poids, et de préférence entre 0,0015 % en poids et 0,0025 % en poids. Selon la présente invention, le rapport du titane à l'azote est également limité à un minimum de 3,4 et à un maximum de 6 La formation de BN sous l'action d'azote libre peut être évitée lorsque ce rapport est d'au moins 3,4 Cependant, l'effet n'augmente plus au-delà de 6. La présente invention sera mieux comprise en considérant les exemples d'aciers au bore et les exemples comparatifs d'aciers classiques donnés ci-dessous Il est toutefois entendu que ces exemples sont destinés à illustrer la présente invention et non à en limiter le cadre. Dans les exemples de la présente invention, on a employé un procédé classique bien connu dans le domaine technique auquel se rapporte l'invention pour fabriquer les aciers Les compositions respectives d'aciers au bore A et B de la présente invention et d'aciers classiques sont décrites au Tableau 1. TABLEAU i Composition (% en poids) Exemple C Si Mn Ni Cr Mo B Ti AI N BS 708 M 20 0 19 0 27 0 82 0 12 1 10 0 19 t * * * * AISI 4320 0 21 0 23 0 61 1 61 0 44 0,19 * * * * * Demande de brevet 0 20 0 21 1 05 0 31 O 0022 0 059 0 026 0 0076 O 0027 N* 90-19454 Présente A O 21 0 13 0 74 0 51 O 0019 0 03 0 020 O 0085 O 0025 Invention B 0 23 0 09 0 51 0 75 0 0021 0 03 0 023 0 0071 0 0023 * Non mesuré Co 0 % O 1 rw c O N) Les courbes Jominy respectives pour les aciers susmentionnés sont présentées sur les Figures 1 & 5 Si l'on compare les courbes Jominy en considérant la dureté à la distance Jominy de 13 mm à partir de l'extrémité5 refroidie, on peut se rendre compte que les aciers A et B de la présente invention ont une dureté et une résistance mécanique équivalentes à celles des aciers classiques. Les Figures 6 à 10 sont des photographies respectives en microscopie optique montrant les profondeurs d'oxydation superficielle des aciers mentionnés ci-dessus L'épaisseur de la couche superficielle oxydée est de 17,5 pm dans le cas de la Figure 6, de 20 pm dans le cas de la Figure 7, de 15 pm dans le cas de la Figure 8, de 8,7 pm dans le cas de la15 Figure 9 et de 7,5 pm dans le cas de la Figure 10 D'après ces résultats, on peut constater que l'épaisseur de la couche superficielle oxydée dans les aciers A et B de la présente invention n'est sensiblement pas supérieure à 50 % de celle observée dans les aciers classiques. Chaque échantillon utilisé dans l'essai précédent a été préparé après avoir été soumis à un traitement thermique comprenant une cémentation à 9250 C pendant 4 heures, une trempe à 8500 C dans l'huile à 60 C, puis un revenu à 180 C pendant 2 heures. En se référant à la Figure 11, on voit représenté un diagramme de transformation en refroidissement continu (diagramme TRC) de l'acier B selon la présente invention. En utilisant un tel diagramme dans un traitement thermique, il est possible d'obtenir des aciers ayant les propriétés désirées selon la présente invention. Comme cela ressort de la description précédente, les aciers au bore pour roues d'engrenage cémentées selon la présente invention contiennent une petite proportion de bore qui est substitué à des éléments d'alliage coûteux, en réduisant ainsi le coût en matières par comparaison avec les aciers au Cr-Mo et les aciers au Ni-Cr-Mo classiques Les aciers au bore de la présente invention offrent également des améliorations en réduisant la déformation thermique, l'oxydation superficielle à la cémentation, la trempabilité, la résistance mécanique et la résistance à la fatigue par rapport aux aciers5 faiblement alliés et aux aciers au bore qui sont classiquement utilisés pour les roues d'engrenage cémentées. Bien que les formes de réalisation préférées de l'invention aient été décrites à titre illustratif, il va de soi que diverses modifications, additions et substitutions sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. il REVENDICATIONS 1 Acier au bore, caractérisé en ce qu'il est constitué de 0,18 % à 0, 35 % de C, 0,06 % à 0,15 % de Si, 0,50 % à 1,00 % de Mn, 0,40 % à 0,90 % de Cr, 0,01 % à 0,05 % de Ai, 0,01 % à 0,04 % de Ti, au plus 0,012 % de N, au plus 0,003 % de 0, 0,0005 % à 0,0030 % de B et le reste de Fe et d'impuretés inévitables dans la fabrication de l'acier, le rapport de Ti à N étant de 3,4 à 6,0 et tous les pourcentages étant basés sur le poids de l'acier. 2 Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'oxydation superficielle est réduite à moins de 10 pm par 0,09 % à 0,15 % de Si. 3 Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'oxydation superficielle est réduite à moins de 10 pm par 0,50 % à 1,00 % de Mn. 4 Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'oxydation superficielle est réduite à moins de 10 pm par 0,40 % à 0,90 % de Cr. 5 Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient 0,02 % à 0,03 % de Al, 0,02 % à 0,03 % de Ti, moins de 0,010 % de N, moins de 0,0025 % de 0, 0,0015 % à 0,0025 * de B, et le reste de Fe et d'impuretés inévitables dans la fabrication de l'acier, le rapport de Ti à N étant de 3,4 à 6,0 et tous les pourcentages étant25 basés sur le poids de l'acier.