Brevet FR2756298A1 — publié le 19980529

ACIER ET PROCEDE POUR LA FABRICATION D'UNE PIECE DE MECANIQUE AYANT UNE STRUCTURE BAINITIQUE La présente invention est relative à un acier pour la fabrication de pièces mécaniques ayant des caractéristiques mécaniques élevées, une bonne tenue au choc et une bonne usinabilité. De nombreuses pièces mécaniques sont fabriquées par usinage d'un produit sidérurgique laminé soumis, avant usinage, à un traitement thermique de trempe et revenu destiné à conférer à l'acier les propriétés mécaniques souhaitées. Le produit sidérurgique pouvant être, notamment, une barre ronde ou carrée, un plat, un tube sans soudure ou une tôle. Selon cette technique, pour obtenir de très hautes caractéristiques mécaniques telle qu'une résistance à la traction supérieure à 1000 MPa, on utilise un acier faiblement allié (dont la somme des teneurs en éléments d'alliage, en % en poids, est inférieure à 8 %) contenant de 0,25% à 0,45% en poids de carbone, et un ou plusieurs éléments d'alliage tels que le nickel, le chrome et le molybdène, de façon à ce qu'il ait une trempabilité suffisante pour que la trempe effectuée sur le produit sidérurgique avant le revenu, conduise à une structure martensitique. Cette technique présente plusieurs inconvénients. D'une part la trempe engendre des risques de tapures qui rend délicate la fabrication du produit sidérurgique, et cela, d'autant plus que les caractéristiques mécaniques recherchées sont élevées. D'autre part, la nécessité d'un revenu effectué après la trempe allonge le processus de fabrication, ce qui augmente les coûts. Enfin, la relativement forte teneur en carbone, nécessaire pour obtenir de telles caractéristiques mécaniques, rend l'usinage difficile, notamment parce qu'au cours du revenu des carbures très durs peuvent se former. On fabrique également des pièces de mécaniques par usinage d'un produit sidérurgique laminé en acier contenant en poids de 0,35 à 0,50% de carbone, de 1,3 à 1,6% de manganèse, de 0,5 à 1,2% de silicium et de 0, 08 à 0,15% de vanadium. Dans ce cas, le produit sidérurgique est refroidit lentement après laminage de façon à présenter une structure ferritoperlitique. Cette technique a l'avantage d'être plus économique que la précédante, mais elle présente plusieurs inconvénients. Tour d'abord il est très difficile d'obtenir de très hautes caractéristiques mécaniques: la résistance Rm est limitée à 1000 MPa et le ratio limite d'élasticité sur résistance à 0,70, et beaucoup plus souvent à 0,65, ce qui réduit les possibilités d'utilisation notamment lorsque la tenue des pièces est calculée par référence à la limite d'élasticité. Par ailleurs la tenue au choc est faible, tout particulièrement lorsque la résistance avoisine 1000 MPa. La ductilité est, également, faible puisque la striction Z n'excède 2 2756298 pas 45% dans les meilleurs des cas. En second lieu les difficultés d'usinage sont similaires à celles de la technique précédente en raison des teneurs en carbone nécessaires pour obtenir des niveaux de résistance voisins de 1000 MPa. On fabrique aussi des pièces de mécaniques par usinage d'un produit sidérurgique laminé en acier contenant en poids de 0,15 à 0,40% de carbone, plus de 1,9% de manganèse ou plus de 1,5% de chrome (les teneurs en ces éléments pouvant atteindre 4 %), refroidi lentement après laminage pour obtenir une structura bainitique. Cette technique présente l'inconvénient de ne pas permettre d'obtenir de façon fiable et régulière une résistance à la traction supérieure à 1000 MPa. De plus, elle conduit à la formation de bandes dures souvent ségrégées ayant une structure martensitique qui rendent l'usinage difficile. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un moyen pour fabriquer une pièce de mécanique en acier dont une partie au moins présente à la fois une résistance à la traction supérieure à 1000 MPa, une très bonne ductilité, facile à usiner et ne nécessitant pas de traitement thermique de revenu. A cet effet, I'invention a pour objet un acier pour la fabrication d'une pièce de mécanique ayant sur au moins une de ses parties une structure bainitique, et, à 20 C, une résistance à la traction Rm > 1000 MPa, un rapport limite d'élasticité sur résistance à la traction RpO,2 / Rm > 0, 78, une striction Z > 55 % et une résilience Mesnager Km > 45 J/cm2, dont la composition chimique comprend, en poids: 0,06% 1% 0,025% P 0% 0,003% 0% 0% 0% 0,0008% 0,0060% éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi Te jusqu'à 0,010%, Se jusqu'à 0,025%, Bi jusqu'à 0,13%, Pb jusqu'à 0,090%, Ca jusqu'à 0,0040% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique satisfaisant en outre les relations: Mn + Cr + Mo > 2,1% 0,015% 0,020% Mn/S > 12 n0 L'invention concerne également un procédé pour la fabrication d'un produit sidérurgique tel que, par exemple, une barre ronde ou carrée, un tube sans soudure, un plat ou une tôle, ayant une structure bainitique, et, à 20 C, une résistance à la traction Rm > 1000 MPa, un rapport limite d'élasticité sur résistance à la traction RpO,2 / Rm > 0,78, une striction Z > 55 % et une résilience Mesnager Km > 45 J/cm2, selon lequel: - on approvisionne un demi produit, par exemple un bloom, un lingot ou une billette, en acier conforme à l'invention, - on chauffe le demi produit jusqu'à une température supérieure à 1 000 C et on le lamine pour former un produit sidérurgique qu'on laisse refroidir naturellement jusqu'à une température comprise entre 920 C et 980 C, - et on refroidit le produit sidérurgique à une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 17 C/s et 150 C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Bs - 400 C, Bs étant la température de début de transformation bainitique de l'acier à la vitesse effective de refroidissement, puis on le laisse refroidir jusqu'à la température ambiante. Pour fabriquer le produit sidérurgique, on peut également, directement après laminage, le refroidir à une vitesse de refroidissement moyenne supérieure ou égale à 0,5 C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Ms - 350 C, puis le réchauffer jusqu'à une température supérieure à Ac3 et, de toutes façons, comprise entre 910 C et 1000 C, et le refroidir à une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 17 O C/s et 150 C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Bs - 450 C, avant de le laisser refroidir jusqu'à la température ambiante. L'invention concerne aussi un produit sidérurgique constitué d'un acier selon l'invention, ayant une structure bainitique et dont les caractéristiques mécaniques à 20 C sont: Rm > 1000 MPa RpO,2 / Rm > 0, 78 4 2756298 Z>55% Km > 45 J/cm2 De préférence, la section droite transversale du produit sidérurgique a une épaisseur comprise entre 10 mm et 50 mm. s L'invention concerne enfin, un procédé de fabrication d'une pièce de mécanique en acier dont les caractéristiques mécaniques à 20 C sont: Rm > 1000 MPa Rp0,2 / Rm > 0,78 Z > 55 % Km > 45 J/cm2 selon lequel on approvisionne un produit sidérurgique selon l'invention et on effectue un usinage L'invention va maintenant être exposée de façon plus précise mais non limitative et illustrée par les exemples qui suivent. Pour fabriquer de façon fiable et sans trop de difficultés d'usinage une pièce de mécanique en acier dont les caractéristiques mécaniques à 20 C sont: Rm > 1000 MPa RpO,2 / Rm > 0,78 Z > 55% Km > 45 J/cm2 on utilise un acier au quel on confère une structure bainitique et dont la composition chimique comprend, en poids: - de 0,06 % à 0,11 % de carbone pour obtenir une structure bainitique ayant les caractéristiques mécaniques requises, et exempte de gros carbures défavorables à l'usinabilité, - de 1% à 1,7% de manganèse, pour obtenir une bonne coulabilité et une bonne santé interne notamment en coulée continue, pour fixer le soufre ajouté pour améliorer l'usinabilité et pour augmenter la trempabilité; le rapport Mn/S doit être supérieur ou égal à 12, - de 0,15% à 0,40% de silicium pour obtenir une désoxydation suffisante, notamment lorsque la teneur en aluminium est faible, - de 0, 025% à 0,10% de soufre pour améliorer l'usinabilité, - moins de 0,025% de phosphore pour ne pas détériorer la résilience, - moins de 0,25% de nickel pour éviter la formation de martensite; cet élément est considéré comme un résiduel apporté par les matières premières au cours de l'élaboration de l'acier; sa teneur peut, éventuellement, être égale à 0%, 2756298 - moins de 0,25 % de cuivre afin d'éviter de diminuer la tenue au choc et la ductilité; cet élément est considéré comme un résiduel apporté par les matières premières lors de l'élaboration; sa teneur peut, éventuellement, être égale à 0%, - de 0,5% à 1,20% de chrome pour augmenter la trempabilité sans durcir excessivement la bainite pour ne pas détériorer l'usinabilité, - de 0,08% à 0,13% de molybdène pour augmenter la trempabilité en synergie avec le bore, et, en particulier, augmenter le domaine d'existence de la structure bainitique, io - de 0% à 0,035% de titane, de 0% à 0,10% de vanadium et de 0% à 0,06% de niobium, la somme des teneurs en ces trois éléments étant comprise entre 0,015% et 0,13% afin d'obtenir une structure entièrement bainitique dans toute la masse du produit sidérurgique, - de 0,003% à 0,035% d'aluminium, la somme AI + Ti étant supérieure à 0,02% afin d'obtenir un grain suffisamment fin pour obtenir la résilience souhaitée, - de 0,0008% à 0, 0040% de bore pour augmenter la trempabilité et éviter la formation de ferrite, - de 0,0060 à 0,011% d'azote pour former des nitrures d'aluminium, de titane ou de vanadium, sans former des nitrures de bore, - éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi Te jusqu'à 0,010%, Se jusqu'à 0,025%, Bi jusqu'à 0,13%, Pb jusqu'à 0,090%, Ca jusqu'à 0, 0040% pour améliorer l'usinabilité, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. En outre, et afin de garantir une résistance à la traction supérieure à 1000 MPa, la composition chimique doit satisfaire la relation: Mn + Cr + Mo > 2,1% Cet acier est coulé sous forme d'un demi produit tel qu'un lingot, un bloom, une billette ou une brame qui est laminé à chaud après réchauffage à une température supérieure à 1000 C et inférieur e ou égale à 1250 OC pour former un produit sidérurgique tel qu'une barre de section ronde ou carrée, un plat, un tube sans soudure ou une tôle. En fin de laminage, le produit sidérurgique est soumis à un traitement thermique pour lui conférer une structure bainitique ayant les caractéristiques mécaniques souhaitées, à savoir: Rm > 1000 MPa RpO,2 / Rm > 0,78 Z>55% Km > 45 J/cm2 6 2756298 La pièce de mécanique est alors usinée dans le produit sidérurgique, et il n'est pas besoin de faire un traitement thermique supplémentaire. Le traitement thermique effectué en fin de laminage peut être réalisé, au moins, de deux façons distinctes: - soit, en fin de laminage, on laisse le produit sidérurgique refroidir naturellement jusqu'à une température comprise entre 920 C et 980 C et on le refroidit à une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 17 C/s et C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Bs- 400, Bs étant la température de début de transformation bainitique de l'acier à la vitesse de lo refroidissement effective, puis on le laisse refroidir jusqu'à la température ambiante, - soit, en fin de laminage, on refroidit le produit sidérurgique à une vitesse de refroidissement moyenne supérieure ou égale à 0,5 C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Ms - 350, on réchauffe alors le produit sidérurgique jusqu'à une température supérieure à Ac3, et, de préférence, comprise entre 910 OC et 980 C, et on le refroidit à une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 17 C/s et 150 C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Bs - 450, puis on le laisse refroidir jusqu'à la température ambiante. Le premier mode de réalisation à l'avantage de ne pas comporter de réchauffage après laminage. Le deuxième mode de réalisation comporte un réchauffage supplémentaire mais il a l'avantage d'entraîner un affinage plus important du grain, ce qui est favorable notamment à la tenue au choc et à la ductilité. Enfin, pour que la structure soit entièrement bainitique de façon à obtenir avec fiabilité l'ensemble des caractéristiques mécaniques, il est préférable que la dimension caractéristique du produit sidérurgique, c'est à dire, soit le diamètre, soit l'épaisseur, qui détermine la répartition des vitesses de refroidissement dans la masse, soit comprise entre 10 mm et 50 mm. A titre de premier exemple, on a fabriqué une pièce mécanique consistant en un axe plein de forme généralement cylindrique de diamètre 50 mm, avec un acier conforme à l'invention dont la composition chimique comprenait, en poids: C = 0,061% Mn = 1,57% Si = 0,28% S = 0,025% P = 0,004% Ni = 0,11% Cr = 0,80% Mo = 0,12% Cu = 0,21% AI = 0,025% Ti = 0,016% V= 0,08% Nb = 0,01% B = 0,0040% 1o N = 0,0080% remplissant donc les conditions: Mn + Cr + Mo = 2,50% >2,1% V+Nb + Ti =0,11 soit> 0,015%et 0,020% Mn/S = 62 > 12 Pour fabriquer la pièce on a laminé l'acier sous forme d'une barre ronde de 49 mm de diamètre, après l'avoir réchauffé à 1180 C. La température de fin de laminage était de 1020 C. On a laissé la barre refroidir à l'air jusqu'à 950 C, puis on l'a refroidie jusqu'à 32 C (soit, Bs-584 C) à la vitesse de refroidissement moyenne de 19 C/s. La structure était entièrement bainitique et homogène sur toute la section. Les caractéristiques mécaniques déterminées sur l'axe mécanique étaient à 20 C: Rm = 1047 MPa RpO,2/Rm = 0, 792 Z = 71% Km = 176J/cm2 L'usinage par enlèvement de copeaux à l'aide d'un outil comportant une plaquette carbure revêtue de Ti(C,N) + A1203, jusqu'à 48 mm pour la parie principale et 46 mm pour la partie restante, n'a pas présenté de difficultés particulières. A titre de deuxième exemple, on a fabriqué une pièce de forme généralement plate, d'épaisseur 25 mm, destinée à être fixée par boulonnage et, de ce fait, nécessitant le perçage de trous, en un acier selon l'invention dont la composition chimique comprenait, en poids: C = 0,083% Mn = 1,341% Si = 0,29% 8 2756298 S = 0,081% P = 0,010% Ni = 0,14% Cr = 0,808% Mo = 0,105% Cu = 0, 182% AI = 0,028% Ti = 0,015% V = 0,081% Nb = 0,030% B = 0,0021% N = 0,011% remplissant donc les conditions: Mn + Cr + Mo = 2,25%> 2,1% V+Nb + Ti = 0,126,soit> 0,015%et 0,020% Mn/S = 16, 5 > 12 L'acier a été laminé à chaud et la température de fin de laminage était de 1010 C, puis il a été refroidit à partir de 980 C jusqu'à.58 C, soit Ms - 405 C, à la vitesse moyenne de refroidissement de 0,75 C/s, avant d'être réchauffé à la température de 940 C, soit Ac3 + 72 C, puis refroidit jusqu'à 28 C, soit Bs - 601 C, à la vitesse moyenne de refroidissement de 39 C/s. Les caractéristiques mécaniques obtenues à 20 C étaient les suivantes: Rm = 1087 MPa Rpo,2 / Rm = 0,804 Z=59% KMésnager = 74 J/cm2 et la structure était bainitique. Après usinage sans difficultés par découpage pour mise à longueur, on a usiné, sans difficultés également, les trous de fixation de diamètre 10 mm avec un foret de diamètre 10 mm comportant des plaquettes en acier rapide allié HSCO 6-5-2-5 revêtu de TiN. La facilité d'usinage a été évaluée en mesurant les efforts spécifiques de coupe axiaux ka et les couples spécifiques découpe tangentiels kt observés avec la pièce qui vient d'être décrite, et en les comparant aux mêmes grandeurs, mesurées dans les mêmes conditions d'usinage, sur une pièce 9 2756298 identique, mais réalisée en acier selon l'art antérieur et dont la composition chimique comprenait, en poids: C =0,42 % Mn = 1,03 % Si =0,17% Ni = 0,22 % Cr= 1,09 % Mo= 0,3 % Cu = 0,25 % AI = 0,023 % N = 0,01 % P = 0,018 % l'acier a été laminé à chaud, puis soumis à un traitement thermique de trempe à l'huile suivi d'un revenu. Les températures d'austénitisation et de revenu ont dû être ajustées, la première à 875 C et la seconde à 590 C, pour obtenir la même dureté qu'avec l'acier selon l'invention, à savoir 330 HB. En prenant comme base 100 les valeurs de ka et kt obtenues avec l'acier selon l'art antérieur, avec l'acier selon l'invention, on a obtenu ka = 90, soit un gain de 10 %, et kt = 76, soit un gain de 24 %. Ces résultats montrent que l'acier et le procédé selon l'invention permettent de fabriquer des pièces à hautes caractéristiques facilement usinables. Ces pièces peuvent être pleines ou creuses puisque le procédé s'applique aussi bien à la fabrication de barres pleines que de tubes. Les pièces peuvent présenter les caractéristiques mécaniques élevées en tous leurs points. Mais elles peuvent, également, ne présenter de telles caractéristiques que sur une partie seulement. C'est le cas, notamment, lorsque les pièces sont réalisées par assemblage, par exemple par soudage, d'au moins deux éléments différents ayant des caractéristiques mécaniques différentes. 2756298 REVENDICATIONS 1 - Acier pour la fabrication d'une pièce de mécanique ayant sur au moins une de ses parties une structure bainitique, et, à 20 C, une résistance à la traction Rm > 1000 MPa, un rapport limite d'élasticité sur résistance à la traction RpO,2 / Rm > 0,78, une striction Z > 55 % et une résilience Mesnager Km > 45 J/cm2, caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en poids: 0,06% 1% 0,025% P 0% 0,003% 0% 0% 0% 0,0008% 0,0060% éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi Te jusqu'à 0,010%, Se jusqu'à 0,025%, Bi jusqu'à 0,13%, Pb jusqu'à 0,090%, Ca jusqu'à 0, 0040% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique satisfaisant en outre les relations: Mn + Cr + Mo > 2,1% 0,015% 0,020% Mn/S > 12 2 - Procédé pour la fabrication d'un produit sidérurgique ayant une structure bainitique, et, à 20 C, une résistance à la traction Rm > 1000 MPa, un rapport limite d'élasticité sur résistance à la traction RpO,2 / Rm > 0,78, une striction Z > 55 % et une résilience Mesnager Km > 45 J/cm2, caractérisé en ce que: - on approvisionne un demi produit en acier selon la revendication 1 11 2756298 - on chauffe le demi produit jusqu'à une température supérieure à 1000 C et on le lamine pour former un produit sidérurgique qu'on laisse refroidir naturellement jusqu'à une température comprise entre 920 C et 980 C, et on refroidit le produit sidérurgique à une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 17 C/s et 150 C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Bs - 400, Bs étant la température de début de transformation bainitique de l'acier à la vitesse de refroidissement effective, puis on le laisse refroidir jusqu'à la température ambiante. 3 - Procédé pour la fabrication d'un produit sidérurgique ayant une structure bainitique, et, à 200C, une résistance à la traction Rm > 1000 MPa, un rapport limite d'élasticité sur résistance à la traction RpO,2 / Rm > 0,78, une striction Z > 55 % et une résilience Mesnager Km > 45 J/cm2, caractérisé en ce que: - on approvisionne un demi produit en acier selon la revendication 1 - on chauffe le demi produit jusqu'à une température supérieure à 1 000 C et on le lamine pour former un produit sidérurgique, - directement après laminage, on refroidit le produit sidérurgique à une vitesse de refroidissement moyenne supérieure ou égale à 0,5 C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Ms - 350, Ms étant la température maximale de début de transformation martensitique de l'acier, - on réchauffe le produit sidérurgique jusqu'à une température comprise entre 910 C et 980 C, et de' toutes façons supérieure à Ac3, et on le refroidit à une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 17 C/s et 150 C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Bs- 450, puis on le laisse refroidir jusqu'à la température ambiante. 4 - Produit sidérurgique caractérisé en ce qu'il est constitué d'un acier selon la revendication 1, en ce qu'il a une structure bainitique et en ce que ses caractéristiques mécaniques à 20 C sont: Rm > 1000 MPa RpO,2 / Rm > 0,78 Z>55% Km > 45 J/cm2 - Produit sidérurgique selon la revendication 4 caractérisé en ce que sa section droite transversale à une épaisseur comprise entre 10 mm et mm. 12 2756298 6 - Procédé de fabrication d'une pièce de mécanique en acier dont les caractéristiques mécaniques à 20 C sont: Rm > 1000 MPa RpO,2 / Rm > 0,78 Z>55% Km > 45 J/cm2 caractérisé en ce qu'on approvisionne un produit sidérurgique fabriqué par le procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3 et en ce qu'on effectue un usinage.