Brevet FR2777023A1 — publié le 19991008

La présente invention concerne un acier de la famille dite de 3% à 5% en poids de chrome utilisée pour la fabrication d'outillages résistant à la chaleur et travaillant sous de fortes contraintes tels que les matrices d'estampage et de forgeage, les outils de filières et les moules de coulée statique ou coulée sous pression d'alliages divers comme les alliages d'aluminium, de cuivre ou de titane. De tels aciers sont alliés en chrome, molybdène et vanadium, éléments qui leur confèrent les propriétés de résistance à chaud requises. Plus précisément, ils se répartissent en trois familles de compositions dont les propriétés sont voisines, de sorte que ces trois familles sont mises en oeuvre pour les mêmes applications. II s'agit de compositions comprenant, exprimés en poids, les éléments d'alliages suivants: * 5% de chrome, 1,3% de molybdène, 0,5% à 1,3% de vanadium environ, ou * 3% de chrome, 3% de molybdène, 0,5% de vanadium environ, ou enfin * 5% de chrome, 3% de molybdène, 0,8% de vanadium environ. Certains de ces aciers sont désignés dans la nomenclature des Etats-Unis d'Amérique AISI sous les dénominations H11, H12, H13, dans la nomenclature allemande DIN sous les dénominations W1.2343, W1.2606 et W1.2344, et sont cités dans la norme française NF A 35-590. Lors de l'utilisation, la surface des outillages est mise en contact avec des matériaux chauffés à haute température, par exemple de l'aluminium liquide à 600"C / 750"C ou de l'acier destiné à être forgé et préchauffé à 1200"C. En conséquence, la surface de l'outillage est elle-même portée à haute température : il en résulte qu'un régime thermique s'établit dans l'outillage entre la partie travaillante soumise à l'échauffement et le reste de la pièce refroidie par des conditions naturelles ou forcées. Dans des conditions d'utilisation sévères mettant en jeu des températures de surface élevées et des contraintes mécaniques fortes, la destruction de l'outil devient rapide selon deux principes: - la résistance mécanique du matériau décroît régulièrement lorsque la température s'élève, - le matériau perd ses propriétés initiales qui avaient été conférées par le traitement thermique préliminaire du fait que des transformations métallurgiques se produisent sous l'effet combiné des contraintes et de la température et provoquent l'abaissement, puis l'effondrement de la résistance mécanique. On observe ainsi des détériorations rapides voire catastrophiques de ces outillages employés dans des conditions sévères, par adoucissement, fluage, déformation plastique et fatigue thermique de la surface travaillante. La présente invention a pour premier objet une composition d'acier permettant une bonne tenue en service dans lesdites conditions sévères. La composition objet de l'invention comprend, exprimés en pourcentages en poids: C 0,3-0,4% Cr 2,0-4,0% Mo 0,8-3,0% V 0,4 - 1,0% W 1,5-3,0% Co 1,0 - 5,0% Si 0-1,0% Mn 0 - 1,0% Ni 0-1,0% le complément étant principalement constitué de fer et d'impuretés inévitables. De préférence, la composition se situe dans les limites suivantes: C 0,33 - 0,37% Cr 2,58 - 3,50% Mo 1,20 - 2,20% V 0,6 - 0,9% W 1,8-2,6% Co 1,5 - 3,0% Si 0,2 - 0,5% Mn 0,2 - 0,5% Ni 0-0,3% De façon plus particulièrement préférée, la composition objet de l'invention comprend des teneurs en P, Sb, Sn et As, exprimées en pourcentages en poids, qui satisfont aux relations: P # 0,008% Sb # 0,002% Sn # 0,003% As # 0,005% tandis que la valeur exprimée par la relation de Bruscato B=(10P+5Sb+4Sn+As)x0,01 est au plus égale à 0,10% L'ensemble des éléments d'alliages dont les actions se complètent est équilibré pour donner une trempabilité suffisante nécessaire pour l'obtention de propriétés homogènes dans l'épaisseur de pièces de forte taille. Le carbone est l'élément durcissant de base, son niveau est ajusté pour obtenir une résistance mécanique suffisante, tout en évitant par un excès de concentration la formation de carbures eutectiques à la solidification. Sa teneur dans l'alliage selon l'invention est de 0,3-0,4% en poids, de préférence 0,33-0,37% en poids. Le chrome et le molybdène contribuent à la trempabilité et au durcissement après trempe et revenu par formation de carbures alliés lors des traitements thermiques de revenu. La teneur en ces éléments ne doit pas être excessive pour ne pas favoriser exagérément la formation de carbures de chrome-molybdène au détriment des carbures de vanadium et tungstène. La teneur en chrome dans l'alliage selon l'invention est de 2,04,0% en poids, de préférence 2,50-3,50% en poids, quant à celle du molybdène elle est de 0,8-3,0% en poids, de préférence 1,20-2,20% en poids. Le vanadium contribue au durcissement lors des traitements de revenu par formation de carbures spécifiques, ce qui permet d'augmenter la résistance structurale à l'échauffement, donc de décaler vers le haut les températures supérieures admissibles en service. Un excès de cet élément serait préjudiciable à la ténacité par formation de carbures eutectiques à la solidification et par le caractère ségrégant de cet élément. Sa teneur dans l'alliage selon l'invention est de 0,4-1,0% en poids, de préférence 0,6-0,9% en poids. Le tungstène, de la même manière, complète l'action du vanadium par les mêmes types de mécanismes et contribue de même au relèvement des températures compatibles d'emploi et, de la même manière, un excès serait préjudiciable à la ténacité et à l'homogénéité structurale. Sa teneur dans l'alliage selon l'invention est de 1,5-3,0% en poids, de préférence 1,82,6% en poids. Ce sont les actions complémentaires et convenablement équilibrées de ces quatre éléments carburigènes Cr, Mo, V et W qui confèrent à l'acier de l'invention des propriétés nouvelles. Le cobalt améliore la résistance mécanique à chaud. Sa teneur dans l'alliage selon l'invention est de 1,0-5,0% en poids, de préférence 1,53,0% en poids. Les teneurs du silicium et du manganèse dans l'alliage selon l'invention sont chacune de 0-1,0% en poids, de préférence 0,20-0,50% en poids. La teneur du nickel dans l'alliage selon l'invention est de 0-1,0% en poids, de préférence 0-0,30% en poids. De manière plus générale, bien que l'on ne souhaite pas être lié par une quelconque théorie, on estime ainsi que l'obtention de bonnes caractéristiques pour de tels aciers dépend de l'équilibrage des éléments d'alliage; elle résulte des propriétés individuelles de chacun des éléments, mais aussi de leur interaction. L'effet du tungstène découle de la formation de carbures, dans la composition desquels cet élément intervient. II est en compétition avec le chrome et le molybdène, sachant qu'une présominance des carbures de chrome est néfaste pour la stabilité en service. Cependant: - la nature cristallographique des carbures formés selon les aciers est encore mal connue de nos jours, - l'effet de ces carbures sur les propriétés et la stabilité structurale ne sont connus que dans les grandes lignes. L'acier de l'invention est fabriqué selon les procédés applicables aux matériaux usuels cités en référence. L'invention a également pour objet un procédé pour la préparation d'acier à outils ayant la composition définie ci-dessus, dans lequel, selon un mode de réalisation particulier, un traitement de recuit approprié est pratiqué, avant traitement thermique d'emploi, pour aboutir à une structure métallographique montrant des carbures fins et bien répartis. Dans un mode de réalisation particulier, on réalise la trempe en chauffant la pièce à une température comprise entre 102000 et 110000, de préférence entre 1040C et 107000, puis en refroidissant selon une trempe étagée à 250"C I 320"C par tout moyen adapté. Dans un mode de réalisation particulier, les propriétés recherchées sont obtenues après réalisation de deux traitements de revenu, après trempe, le premier revenu étant effectué dans l'intervalle de températures 550 C / 580"C, et le second dans l'intervalle 580 C / 680 C ajusté en fonction de la dureté d'emploi recherchée. Dans un autre mode particulier de réalisation du procédé selon l'invention, on réalise, à partir du métal produit par un procédé d'aciérie conventionnel, une refusion par électrode consommable sous vide ou par éléctrode consommable sous laitier conférant au matériau une propreté inclusionnaire améliorée et une meilleure homogénéité chimique, ce qui a pour effet d'augmenter les propriétés de ténacité et par voie de conséquence de tenue en service. L'invention va à présent être illustrée au moyen des exemples qui suivent. EXEMPLES Une coulée d'essai d'un acier A selon l'invention, dont la composition est donnée dans le tableau ci-dessous, a été réalisée afin de procéder aux différents essais: C 0,354% Cr 3,09 % Mo 1,36 % V 0,81 % W 2,26 % Co 2,00 % Si 0,31 % Mn 0,30 % Ni 0,08 % P 0,007 % le complément étant constitué de fer et d'impuretés inévitables. Les différents matériaux de référence utilisés pour ces essais sont des aciers à 5% de chrome contenant des quantités variables de molybdène et de vanadium. Les symboles utilisés dans la suite ont les significations suivantes: Rm : résistance maximum Rp0,2 : limite élastique conventionnelle à 0,2% HRC : dureté Rockwell Exemple 1 - Essais de traction à chaud Ces essais ont été réalisés à différentes températures sur l'acier A selon l'invention, ainsi que sur trois autres nuances classiques d'aciers à 5% de chrome contenant du molybdène et du vanadium. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 1 suivant. Tableau 1 Température Rm Rp0,2 Visée de Matériaux d'essai (MPa) (MPa) traitement ( C) (HRC) A 520 1092 916 5Cr 1.3Mo 0.5V 520 1088 851 46 A 918 753 5Cr 1.3Mo 0.5V 916 709 550 42 5Cr 3Mo 0.5V 842 664 5Cr 1.5Mo 1V 901 702 A 560 1028 830 5Cr 1.3Mo 0.5V 979 979 710 46 A 955 745 5Cr 1.3Mo 0.5V 600 796 552 46 Comparativement aux matériaux de référence, on observe que la résistance à chaud décrite par l'essai de traction est améliorée, en particulier dès que la température d'emploi dépasse 550 C. Exemple 2 - Essais de traction à chaud après maintien à la température Ces essais ont été réalisés à la température de 550"C, après un maintien à 550 C pendant 50 heures, sur l'acier A selon l'invention ainsi que sur les trois autres nuances précédemment décrites dans l'exemple 1. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 2 suivant. Tableau 2 Température #Rm ARpo,2 Visée de Matériaux d'essai (MPa) (MPa) traitement ( C) | | | (HRC) A -15 -13 42 5Cr 1.3Mo 0.5V -50 -40 42 550 5Cr 3Mo 0.5V -18 41 48 5Cr 1.5Mo 1V -101 -104 42 De la même manière, on observe que la résistance à chaud décrite par l'essai de traction est moins altérée par un maintien prolongé pendant 50 heures à la température d'emploi pour l'acier selon l'invention que pour les aciers de référence. Exemple 3 - Essais de rupture sous contrainte Ces essais ont été réalisés sur l'acier A selon l'invention, ainsi que sur une autre nuance d'acier à 5% de chrome, 1,2% de molybdène et 0,5% de vanadium et avaient pour but de déterminer la contrainte nécessaire pour obtenir une rupture des éprouvettes en 100 heures Les résultats sont rassemblés dans le tableau 3 suivant. Tableau 3 Température Contrainte Traité Matériaux d'essai (MPa) pour ("c) (HRC) 520 695 A 560 555 42 600 360 520 795 A 560 610 46 600 400 520 670 5Cr 1.2Mo 0.5V 560 420 46 600 195 520 795 5Cr I .2Mo 0.5V 560 425 50 600 188 De la même manière que précédemment, on observe que la tenue en fluage exprimée par la contrainte conduisant à la rupture en 100 heures, est supérieure pour l'acier selon l'invention. Exemple 4 - Essais de déformation sous contrainte Ces essais ont été réalisés sur l'acier A selon l'invention, ainsi que sur la même nuance d'acier que celle utilisée dans l'exemple 3 et avaient pour but de déterminer la contrainte nécessaire pour obtenir une déformation de 1% des éprouvettes en 100 heures. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 4 suivant. Tableau 4 Température Contrainte Traité Matériaux d'essai (MPa) pour (OC) (HRC) A 560 500 42 A 560 640 46 5Cr 1.2Mo 0.5V 560 350 46 5Cr 1.2Mo 0.5V 560 370 50 De la même manière que précédemment, on observe que la tenue en fluage exprimée par la contrainte conduisant à 1% de déformation en 100 heures, est supérieure pour l'acier selon l'invention. II va de soi que les formes de réalisation de la composition d'acier à outils selon l'invention qui ont été décrites ci-dessus ont été données à titre purement indicatif et nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent être facilement apportées par l'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Composition d'acier à outil comprenant, exprimés en pourcentages en poids: C 0,3 - 0,4% Cr 2,0 - 4,0% Mo 0,8 - 3,0% V 0,4 - 1,0% W 1,5 - 3,0% Co 1,0 - 5,0% Si 0-1,0% Mn 0 - 1,0% Ni 0-1,0% le complément étant principalement constitué de fer et d'impuretés inévitables. 2. Composition d'acier à outils selon la revendication 1 comprenant, exprimés en pourcentages en poids: C 0,33 - 0,37% Cr 2,58 - 3,50% Mo 1,20 - 2,20% V 0,60 - 0,90% 3. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les teneurs de cette composition en P, Sb, Sn et As, exprimées en pourcentages en poids, satisfont aux relations P Sb # 0,002% Sn As tandis que la valeur exprimée par la relation de Bruscato B=(10P+5Sb+4Sn+As)xO,01 est au plus égale à 0,10%. 4. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de 1,8% à 2,6% en poids de tungstène. 5. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de 1,5% à 3,0% en poids de cobalt 6. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de 0,20 % à 0,50% en poids de silicium. 7. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de 0,20 % à 0,50% en poids de manganèse. 8. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend moins de 0,30% en poids de nickel. 9. Procédé de préparation d'acier à outils de composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une trempe comprenant: - un chauffage de l'acier à des températures comprises entre 1020"C et 1100"C et - une trempe étagée à des températures comprises entre 250"C et 320"C. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte une trempe comprenant: - un chauffage de l'acier à des températures comprises entre 1040"C et 1070 C et - une trempe étagée à des températures comprises entre 250 C. et 320 C. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'acier est soumis à un revenu à des températures comprises entre 550"C et 580"C, à l'issue de l'opération de trempe. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'acier est soumis à un deuxième revenu à des températures comprises entre 580"C et 680"C, à l'issue du premier revenu. 13. Procédé de préparation d'acier à outils de composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une refusion par électrode consommable sous vide ou par électrode consommable sous laitier.