Brevet FR2784692A1 — publié le 20000421

La présente invention concerne un acier de construction cémentable peu allié et économique, utilisable notamment pour la fabrication de pièces de pignonnerie pour boîtes de vitesses automobiles, ainsi que pour d'autres applications telles que la fabrication de transmissions mécaniques ou de réducteurs, par exemple. En effet, ces ensembles de transmission d'une énergie mécanique sont constitués de pignons dentés disposés sur des arbres, le mouvement étant transmis d'un arbre à l'autre par association de couples de pignons choisis respectivement sur l'un et l'autre arbre. Les pignons sont réalisés en un acier présentant un compromis adapté de propriétés entre ténacité et résistance mécanique. L'acier doit tre suffisamment tenace pour ne pas se rompre lors d'événements fortuits, ou de régimes transitoires conduisant à des chocs ou à de fortes variations instantanées de l'effort supporté. Mais ces propriétés de base ne sont pas suffisantes au niveau des dentures dont la surface supporte des sollicitations sévères. C'est pourquoi ces dentures subissent un traitement de surface par cémentation, suivi d'un traitement thermique de trempe, avec ou sans revenu de détente. On obtient ainsi un matériau de base résistant et tenace et une surface de denture résistante à la fatigue de contact. Les aciers traditionnellement utilisés pour ces applications se répartissent entre les familles chrome-molybdène (Cr Mo 4, soit 1% en poids de chrome), nickel-chrome (Ni Cr 6, soit 1,5% en poids de nickel) ou manganèse-chrome (Mn Cr 5, soit 1,25% en poids de manganèse), familles qui sont partiellement décrites dans la norme NFA 03.151 et le projet de norme EN 10084. Dans chaque famille, les aciers s'échelonnent selon des teneurs en carbone variant de 0,10% à 0,35% en poids, le choix du carbone gouvernant la résistance en sous-couche de la pièce pour l'application ciblée. Par voie de conséquence, l'utilisateur de t'acier doit, pour fabriquer une pièce selon les propriétés recherchées, choisir de manière cohérente l'acier et son mode de mise en oeuvre en fonction de la trempabilité de ce matériau. La trempabilité d'une nuance d'acier donnée, c'est-à-dire la dureté que l'on peut espérer après trempe en fonction des vitesses de trempe, peut tre déterminée au moyen d'un test appelé essai Jominy. Ce test consiste à austénitiser une éprouvette cylindrique normalisée, puis à la refroidir avec un jet d'eau qui vient frapper son extrémité inférieure, de bas en haut. Après refroidissement, on effectue des mesures de dureté en des points situés à des distances croissantes de l'extrémité refroidie et qu'on identifie par les termes J1, J3, J5, etc. La courbe Jominy obtenue à l'aide de ces mesures est caractéristique de la nuance d'acier. D'autres documents généraux, comme l'annexe A de la norme EN 10083-1, indiquent quel est le point de la courbe Jominy représentatif de l'application que l'on considère. Tous les aciers des familles précitées présentent une courbe Jominy avec une zone à forte décroissance, et cela d'autant plus que leur teneur en carbone est basse, ce qui signifie que, lorsque le point représentatif de l'application traverse cette zone, les propriétés de dureté des pièces subissent une forte variation. Les courbes Jominy sont fortement dépendantes de la composition et mme des variations de compositions dans les bandes normalisées. Les données disponibles dans les documents normatifs sont, pour les cas critiques, complétées par des spécifications particulières convenues entre l'aciériste et l'utilisateur. En particulier, des aciers de la famille 25 Cr Mo 4 ou 25 Mn Cr 5, communément utilisés pour des applications avec une visée de dureté sous-jacente de 450 à 500 HV (dureté Vickers), présentent une courbe Jominy fortement décroissante entre les points J5 et J15, ce qui présente des inconvénients. Le premier inconvénient est la forte dépendance entre la dureté obtenue in fine en sous-couche et la taille de la pièce, ce qui peut obliger l'utilisateur à employer des aciers différents pour des pièces de différentes tailles. Le second inconvénient est la forte dépendance entre la dureté obtenue in fine en sous-couche et le milieu de trempe utilisé, lui-mme découlant des moyens industriels disponibles : trempe en milieu liquide (huile), trempes au gaz dans différentes conditions de pression. Le troisième inconvénient est la génération de contraintes et de déformations sur les pièces du fait que les transformations métallurgiques ne sont pas simultanées entre différents points de la pièce, en raison des gradients de températures lors des refroidissements. En outre, à l'état cémenté, tous ces aciers peu alliés présentent une ténacité médiocre, ce qui signifie qu'en présence de chocs ou d'efforts instantanés violents, une rupture brutale peut se produire. Des aciers à la fois résistants et tenaces ont été développés pour des applications plus critiques, par exemple sur des pièces aéronautiques. La nuance 16 Ni Cr Mo 13 définie par la norme AIR 9160 C, ou par la norme NF A 35-565, est représentative de cette classe d'aciers plus alliés, en particulier en nickel, et d'un prix inévitablement supérieur. Les objectifs de la présente invention sont donc de mettre à disposition un acier : -restant peu allié afin de maintenir un prix de revient bas, -offrant une ténacité améliorée par rapport aux aciers de référence, -pouvant tre fabriqués par les moyens industriels habituellement disponibles, et -présentant une trempabilité plus progressive que les aciers de référence, trempabilité s'illustrant par une courbe Jominy faiblement décroissante selon le tableau suivant : Distances à t'extrémité (mm) J3 J7 J11 J25 Dureté Rockwell C (HRC) 47 45 43 36 A cet effet, l'invention a pour premier objet une composition d'acier de construction cémentable comprenant, exprimés en % en : 0, 16 ci 0, 25% de C, 0, 90 à 1,40% de Cr, 0,90 à 1, 50% de Mn, 0, 30 à 1, 10% de Ni, 0,010 à 0,050% de Al, et, le cas échéant, au plus 0,20% de Mo, au plus 0,40% de Si, au plus 0,40% de Cu, au plus 0,050% de S, le reste étant constitué de fer et des impuretés dues à l'élaboration, les quantités d'éléments d'alliage étant équilibrées pour que la valeur exprimée par la relation suivante : KC = 8, 34 x % C + 0, 60 x % Si + % Mn-1, 69 x % S + 0, 30 x % Ni + 0, 64 x % Cr + 2, 55 x % Mo + 0, 37 x % Cu soit comprise entre 4,00 et 4,65, de préférence entre 4,20 et 4,45, ce qui améliore l'allure de la courbe Jominy. Les divers éléments d'alliages remplissent chacun des rotes divers. Le carbone fixe la dureté sous pleine trempe et, par voie de conséquence, la dureté au point J3. Sa concentration respecte de préférence l'intervalle 0, 20%-0,24% en poids. Le manganèse, le silicium, le nickel, le chrome, le carbone contribuent de manière positive à l'augmentation de la trempabilité. Le chrome est de préférence ajusté entre 1,00% et 1,30% en poids. Le molybdène, ajouté à une concentration inférieure à 0,20% en poids et de préférence entre 0,04% et 0,12% en poids, complète les éléments cidessus pour ajuster la trempabilité. Le nickel est intentionnellement ajouté de préférence entre 0,50% et 0,90% en poids pour son effet favorable sur la ténacité. Le manganèse est maintenu au-dessus de 0,90% en poids pour son action favorable vis-à-vis de la fatigue de contact, mais un excès au delà de 1,50% en poids serait préjudiciable à la ténacité. Sa concentration est réglée de préférence entre 1,10% et 1,40% en poids. L'aluminium est ajouté à un niveau supérieur à 0, 010% en poids pour éviter le grossissement du grain lors de la cémentation et de la trempe. Un excès au delà de 0,050% en poids conduirait à de la fragilisation et à des difficultés d'élaboration de l'acier. On vise de préférence une concentration de 0,015% à 0,030% en poids. Le soufre peut-tre soit maintenu à un bas niveau, ce qui confère les propriétés mécaniques les meilleures, soit fixé dans l'intervalle 0,020% à 0,050% en poids pour améliorer l'usinabilité sans trop handicaper les propriétés d'emploi. On vise de préférence une concentration de 0, à 0,040% en poids. Le cuivre est un élément résiduel qui contribue à la trempabilité : il est limité à 0,40% en poids et de préférence à 0,25% en poids maximum. Un second objet de l'invention est un procédé de fabrication de pièces cémentées et traitées comprenant les opérations suivantes : a-constitution d'une charge destinée à obtenir une composition conforme à la présente invention, telle que décrite ci-dessus, b-fusion de ladite charge dans un four à arc, c-réchauffage et transformation à chaud du lingot, d-traitement thermique d'homogénéisation de la structure et d'affinement du grain, e-cémentation, f-usinage des pièces, et g-traitement thermique d'emploi. La cémentation, étape e du procédé selon l'invention, peut tre effectuée en utilisant des moyens conventionnels, le cycle de cémentation étant à définir par l'homme du métier en fonction de la profondeur de durcissement recherchée, d'une façon tout à fait classique. Dans un mode de réalisation préféré, cette étape e de cémentation est réalisée sous pression réduite entre 850 et 900 C, en deux étapes successives suivies d'un retour à la température ambiante. La première étape est destinée à enrichir en carbone la couche superficielle des pièces, à l'aide d'hydrocarbures, et le seconde est une étape de diffusion sous vide. Dans un mode de réalisation préféré, l'étape g de traitement thermique d'emploi comprend une austénitisation entre 800 et 900 C, puis une trempe entre 800 et 900 C, suivie d'un revenu entre 150 et 200 C. Un troisième objet de l'invention est constitué par les pièces cémentées et traitées réalisées avec l'acier de cémentation selon l'invention, et plus particulièrement des pignons dentés tels que décrits cidessus. Ces pièces peuvent tre fabriquées avantageusement au moyen du procédé de fabrication selon l'invention, mais également par tout autre procédé choisi en fonction de l'application finale. Les exemples de réalisation de l'invention qui suivent montrent que la combinaison des différents éléments de la composition selon l'invention, dans les proportions en poids indiquées précédemment, conduit à un acier répondant aux différents buts recherchés. Exemples Les symboles utilisés dans la suite ont les significations : Rm = résistance maximale R pO. 2 = limite élastique conventionnelle à 0,2% de déformation A = allongement Z = striction HV = dureté Vickers HRC = dureté Rockwell C KV = énergie de rupture en flexion par choc sur éprouvette à entaille en V. Les exemples présentés ci-dessous ont été réalisés, en ce qui concerne la nuance selon l'invention, avec une coulée industrielle dont la composition, exprimée en % en poids, est la suivante : 0,209% de C, 1,08% de Cr, 1,21% de Mn, 0,72% de Ni, 0, 029% de Al, 0,065% de Mo, 0,359% de Si, 0, 105% de Cu, 0, 028% de S, le complément étant constitué de fer et d'impuretés résiduelles. Exemple 1-Courbes Jominy La coulée industrielle élaborée selon les indications ci-dessus a permis d'obtenir les résultats suivants, sur des éprouvettes Jominy trempées à 850 C, comparativement à des compositions de référence : Point Invention Référence Référence Référence Jominy 25 Mn Cr 5 29 Mn Cr 5 27 Cr Mo 4 (HRC) (HRC) (HRC) (HRC) J3 46, 5 48 50, 5 49, 5 J7 45, 5 44 47 46 J1144394341 J15 42 35 39 37 J25 36, 5 30, 5 34 32, 5 Exemple 2-Traitement thermique Pour évaluer la réponse au traitement thermique dans la masse des pièces, des barres de diamètres respectifs 20 et 35 mm, ayant subi un traitement thermique comprenant une trempe à 850 C dans l'huile suivie d'un revenu à 180/200 C, ont fourni les résultats ci-dessous : Invention Référence Référence Référence 25MnCr5 29MnCr5 27CrMo4 Diamètre 20 mm Traction Rm (MPa) 1525 1551 1640 1627 R pO, 2 (MPa) 1180 1186 1252 1257 A (%) 12, 6 9,6 9, 7 9, 6 Z (%) 56 43 43 46 Dureté HV 485 505 520 525 Flexion par choc Charpy V-KV (J) 98 28 30 42 Diamètre 35 mm Traction Rm (MPa) 1497 1164 1208 1207 R pO, 2 (MPa) 1147 821 840 863 A (%) 12, 3 13,5 12, 4 12 Z (%) 55 48 43 45 Dureté HV 472 418 400 412 Flexion par choc Charpy V-KV (J) 81 33 33 41 Ces résultats montrent que : -les caractéristiques mécaniques obtenues sont très peu dépendantes de la dimension de la pièce trempée, ceci en comparaison avec les nuances actuellement connues et destinées à cette application, -l'acier objet de l'invention présente des valeurs de ductilité (striction lors de l'essai de traction, énergie de rupture et ténacité) supérieures à celles des aciers de référence à niveau de résistance comparable, ceci dans des proportions inattendues compte-tenu de l'actuel état de la technique. Exemple 3-Ténacité à l'état cémenté La ténacité à l'état cémenté peut tre mesurée par rupture en flexion par choc, à l'aide d'un mouton pendule instrumenté, d'un appendice en forme de dent de pignon, usiné en extrémité d'un barreau de diamètre 25 mm. La force maximale enregistrée au niveau du couteau du mouton pendule constitue alors un critère de ténacité significatif pour le classement des matériaux. Trois séries d'éprouvettes ont été testées, la première étant réalisée dans la nuance selon l'invention et les deux autres dans des nuances de référence, à savoir les nuances 25 Mn Cr 5 et 16 Ni Cr Mo 13. Les trois séries d'éprouvettes testées ont été préalablement entièrement cémentées sous pression réduite à 880 C, pendant une durée totale efficace de 85 minutes, répartie en une première séquence de 55 minutes d'enrichissement en carbone par un hydrocarbure, suivie d'une seconde séquence de 30 minutes de diffusion sous vide, puis retour à la température ambiante. Les éprouvettes réalisées dans les nuances 25 Mn Cr 5 et 16 Ni Cr Mo 13 ont ensuite fait l'objet d'un traitement thermique d'emploi classique, tandis que les éprouvettes réalisées dans la nuance selon l'invention ont été austénitisées à 850 C, trempées à l'huile puis revenues à 180 C pendant 2 heures. Les résultats obtenus sont les suivants, pour une moyenne de six mesures : Force maximale (kN) Acier selon l'invention 68,2 Acier 25 Mn Cr 5 43,7 Acier 16 Ni Cr Mo 13 69,1 La ténacité de l'acier selon l'invention s'avère en conséquence supérieure à celle de l'acier de référence 25 Mn Cr 5, et se situe à un niveau très proche de celui de l'acier 16 Ni Cr Mo 13, qui est beaucoup plus riche en éléments d'alliages. Les compositions d'acier selon l'invention sont plus particulièrement destinées à la fabrication de pignons dentés, mais peuvent naturellement tre utilisées pour toutes les pièces soumises à des contraintes similaires. II va égaiement de soi que les formes de réalisation des différents objets de l'invention qui ont été décrites ci-dessus ont été données à titre purement indicatif et nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent tre facilement apportées par l'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Composition d'acier de construction cémentable comprenant, exprimés en % en poids, 0, 16 à 0, 25% de C, 0, 90 à 1,40% de Cr, 0, 90 à 1,50% de Mn, 0, 30 à 1,10% de Ni, 0, 010 à 0, 050% de Al, et, le cas échéant, au plus 0,20% de Mo, au plus 0,40% de Si, au plus 0,40% de Cu, au plus 0, 050% de S, le complément étant constitué de fer et d'impuretés résiduelles, la valeur exprimée par la relation suivante : KC = 8,34 x %C + 0, 60 x %Si + %Mn-1, 69 x /aS + 0, 30 x %Ni + 0,64 x % Cr + 2,55 x % Mo + 0,37 x % Cu étant comprise entre 4,00 et 4,65. 2. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur de KC est comprise entre 4,20 et 4,45. 3. Composition d'acier de construction cémentable selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de 0, 20 à 0, 24% en poids de carbone. 4. Composition d'acier de construction cémentable selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de 1,00 à 1,30% en poids de chrome. 5. Composition d'acier de construction cémentable selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de 0,04 à 0, 12% en poids de molybdène. 6. Composition d'acier de construction cémentable selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de 0,50 à 0,90% en poids de nickel. 7. Composition d'acier de construction cémentable selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de 1, 10 à 1,40% en poids de manganèse. 8. Composition d'acier de construction cémentable selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de 0,015 à 0,030% en poids d'aluminium. 9. Composition d'acier de construction cémentable selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au plus 0,25% en poids de cuivre. 10. Composition d'acier de construction cémentable selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de 0,02 à 0,04% en poids de soufre. 11. Procédé de fabrication de pièces cémentées et traitées, comprenant les opérations suivantes : a-constitution d'une charge destinée à obtenir une composition chimique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, b-élaboration de ladite charge dans un four à arc, c-réchauffage et transformation à chaud du lingot, d-traitement thermique d'homogénéisation de la structure et d'affinement du grain, e-cémentation, f-usinage des pièces et g-traitement thermique d'emploi. 12. Procédé de fabrication de pièces cémentées et traitées selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cémentation (étape e) est réalisée sous pression réduite entre 850 et 900 C en deux étapes successives suivies d'un retour à la température ambiante et en ce que le traitement thermique d'emploi (étape g) comprend une austénitisation entre 800 et 900 C, puis une trempe entre 800 et 900 C, suivie d'un revenu entre 150 et 200 C. 13. Pièces d'acier, en particulier pignons dentés, ayant une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 14. Pièces d'acier, en particulier pignons dentés, obtenues par le procédé selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12.