Brevet FR2827875A1 — publié le 20030131

L'invention concerne le domaine de la sidérurgie, et, plus précisément, celui des aciers pour pièces mécaniques telles que des pignons. Les aciers pour pignonnerie doivent avoir une grande résistance à la fatigue de contact. La plupart du temps, ils subissent un traitement de cémentation ou de carbonitruration pour leur procurer une dureté superficielle et une résistance mécanique suffisantes, tout en leur conservant une bonne ténacité à coeur grâce, notamment, à une teneur en carbone de l'ordre de 0,10 à 0,30% seulement. Dans la couche cémentée, cette teneur en carbone peut aller jusqu'à 1 % environ. Le document US-A-5,518, 685 décrit des aciers pour pignonnerie destinés à être cémentés. Ils contiennent principalement, en pourcentages pondéraux, 0,18 à 0,25% de C, 0,45 à 1% de Si, 0,40 à 0,70% de Mn, 0,30 à 0,70% de Ni, 1,0 à 1,5% de Cr, 0,30 à 0,70% de Mo, jusqu'à 0,50% de Cu, 0,015 à 0,030% d'AI, 0,03 à 0,30% de V, 0,010 à 0,030% de Nb, jusqu'à 15 ppm d'O, de 100 à 200 ppm de N. Ils subissent après cémentation un traitement de trempe-revenu évitant la formation de ferrite à coeur. Les teneurs en Si et Mn sont ici maintenues dans des limites relativement basses, pour éviter une oxydation intergranulaire lors du traitement de cémentation. Le document JP-A-4-21757 décrit des aciers pour pignonnerie destinés à être cémentés par plasma ou sous pression réduite, puis grenaillés. Leur composition est, en pourcentages pondéraux, 0,10 à 0,30% de C, 0,25 à 1,50% de Si, 0,2 à 2% de Mn, jusqu'à 0,015% de P, jusqu'à 0,020% de S, jusqu'à 2% de Cr, de 0,2 à 1% de Mo, avec Si + Mo compris entre 0,6 et 2%, 0,010 à 0,060% d'AI, de 50 à 250 ppm de N et jusqu'à 15 ppm d'O. Ces aciers ont une haute résistance à la pression superficielle subie par le pignon, dont la durée de vie est ainsi élevée. Cependant, les utilisateurs de pignons, par exemple pour des boites de vitesses de véhicules, sont confrontés au problème suivant. On observe à la longue l'apparition de jeux entre les diverses pièces constituant le système mécanique auquel sont intégrés les pignons. Ces jeux dégradent les fonctionnalités des pièces, en augmentant leurs sollicitations cycliques, les vibrations, les nuisances sonores, et endommagent prématurément les pièces. Ces jeux sont liés aux modifications dimensionnelles des pièces, qui se produisent soit lors de leurs traitements thermiques et/ou thermochimiques, soit lors de leurs utilisations suite à des déformations plastiques en service. Pour éviter ou limiter les déformations plastiques en service, suivant la pièce et les sollicitations, il est parfois suffisant d'agir sur les propriétés de la couche superficielle correspondant à la zone où les contraintes exercées sont au plus haut niveau, en particulier en pignonnerie. Mais les propriétés du substrat (l'acier qui a subi la cémentation) vis à vis des déformations permanentes en cours de cyclage influencent aussi les déformations plastiques en service de la pièce. Le but de l'invention est de procurer aux utilisateurs d'aciers pour pignonnerie des matériaux présentant une faible déformation en service, de manière à minimiser l'apparition de jeux, par conservation des cotes et de la géométrie des pièces concernées. A cet effet, l'invention a pour objet un acier pour pièces mécaniques, caractérisé en ce que sa composition est, en pourcentages pondéraux : - 0,12 # C # 0,30% - 0,8 # Si # 1,5% - 1,0 # Mn # 1,6% - 0,4 # Cr # 1,6% - 0 # Mo # 0,30% - 0 # Ni # 0,6% - 0 Al AI s 0 06% - OCu Il peut également contenir au moins un élément sélectionné parmi suivants jusqu'à 0,02% de Te, jusqu'à 0,04% de Se, jusqu'à 0,07% de Pb, jusqu'à 0,05% de Ca, jusqu'à 0,08% de Bi. L'invention a également pour objet une pièce mécanique, caractérisée en ce qu'elle est réalisée en un acier du type précédent qui a subi un traitement de cémentation ou de carbonitruration. De préférence, cette pièce est en un acier du type précédent qui a subi un traitement de cémentation basse pression. L'invention consiste à ajuster la composition de l'acier, notamment ses teneurs en Si et Mn, pour obtenir une déformation plastique cyclique en service de l'ensemble de la pièce aussi faible que possible. La déformation plastique en service dépend à la fois des efforts exercés sur la pièce et du matériau utilisé. Elle est liée d'une part aux caractéristiques mécaniques intrinsèques du matériau, en particulier à l'évolution de la limite d'élasticité au cours du cyclage, c'est-à-dire la limite d'élasticité dynamique, et d'autre part à la stabilité structurale en service, en particulier à la stabilité thermique ou mécanique de l'austénite résiduelle souvent présente dans les matériaux utilisés. Celle-ci est susceptible de se transformer en martensite lors d'un échauffement de la pièce. Les inventeurs ont déterminé des conditions de composition chimique d'un acier pour pièces cémentées ou carbonitrurées permettant de minimiser la déformation plastique produite à chaque cycle de sollicitation en service. Elles ont été établies en procédant à une première série d'essais de compression et à des mesures de stabilité de l'austénite sur des aciers dont la composition reproduisait celle de la couche superficielle obtenue après une cémentation d'aciers selon l'invention. Ces résultats ont ensuite été complétés par des essais réalisés sur des échantillons en tous points conformes à l'invention, qui ont montré que ces aciers étaient aptes à constituer des pièces cémentées ayant, à coeur, les propriétés mécaniques souhaitées, notamment une faible déformation rémanente lors de sollicitations cycliques. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures suivantes : - la figure 1 qui montre le taux de déformation rémanente subie lors d'essais de fatigue-compression par deux échantillons d'aciers simulant l'invention et un acier de référence, en fonction de la teneur en silicium de l'acier et du nombre de cycles de déformation ; - la figure 2 qui montre ce même taux de déformation rémanente après 106 cycles pour différents aciers simulant l'invention et aciers de référence, en fonction de leurs teneurs en silicium et manganèse. - la figure 3 qui montre le taux de déformation rémanente subie lors d'essais de fatigue-compression par un échantillon d'acier selon l'invention et un échantillon de référence à basse teneur en silicium, en fonction du nombre de cycles de déformation. Selon l'invention, les aciers doivent avoir la composition suivante. Tous les pourcentages sont des pourcentages pondéraux. Leur teneur en carbone doit être comprise entre 0,12 et 0,3%, ce qui correspond sensiblement aux teneurs habituellement rencontrées sur les aciers pour pignonnerie. La cémentation ou la carbonitruration doit porter, comme il est classique, cette teneur à plus de 0,5%, généralement entre 0,7 et 1% dans leur couche superficielle. Le traitement de cémentation est effectué de manière classique, de préférence en atmosphère non oxydante pour éviter des problèmes d'oxydation du Si et du Mn. Une cémentation basse pression est un procédé particulièrement indiqué. On doit avoir une teneur en Mn suffisamment élevée entre 1 et 1,6% pour donner à l'acier une trempabilité permettant une moindre déformation aux traitements thermiques et/ou thermochimiques. En l'associant à une teneur en Si comprise entre 0,8 et 1,5% on agit, de plus, sur les déformations plastiques pouvant être provoquées par les sollicitations cycliques en service. Les résultats expérimentaux présentés plus loin permettront de préciser les avantages de cette gamme de teneurs en Si et Mn. On peut déjà dire qu'une teneur en Si trop faible a pour effet une déformation rémanente trop importante lors d'efforts cycliques. Une teneur trop élevée est susceptible d'entraîner dans la couche de cémentation la formation d'îlots de ferrite préjudiciables aux propriétés mécaniques requises. Elle rendrait également plus difficile la mise en forme à chaud ou à froid de la pièce. Une teneur en Mn trop faible est également néfaste à la déformation rémanente lors d'efforts cycliques, car la faible quantité d'austénité résiduelle procure une stabilité structurelle insuffisante lors des déformations. Une teneur en Mn trop forte provoque une teneur en austénite résiduelle trop importante, ayant pour conséquence des caractéristiques mécaniques de ductilité trop faibles et des déformations rémanentes trop élevées. Le teneur en chrome doit être comprise entre 0,4 et 1,6%, de manière à procurer une bonne trempabilité à l'acier et des propriétés mécaniques à coeur suffisantes en termes de dureté et de résistance. Une teneur supérieure à 1,6% n'est plus nécessaire de ce point de vue, et rend, de plus, l'élaboration de l'acier plus difficile. Le molybdène optionnellement présent permet d'ajuster la trempabilité de l'acier. Au-dessus de 0,30%, l'addition devient trop coûteuse et superflue pour obtenir l'ajustement de la trempabilité. La teneur en nickel doit être comprise entre 0% (ou la teneur résultant naturellement d'une élaboration sans ajout de Ni) et 0,6%. L'ajout de Ni permet d'obtenir une meilleure tenue aux chocs qui peut se révéler importante lors du montage de l'ensemble mécanique auquel la pièce est intégrée. Au-delà de 0,6%, on n'obtient pas d'effet supplémentaire et le coût de l'acier est inutilement accru. La teneur en aluminium doit être comprise entre des traces résultant de l'élaboration et 0,06%. Cet élément désoxydant n'est pas indispensable, la désoxydation que permettent d'obtenir le silicium et le manganèse étant suffisante. De plus, si l'élaboration et la coulée ne sont pas assez soignées, il y a un risque d'une présence excessive d'inclusions d'alumine constituant des sites d'amorçage pour les fissures de fatigue, lorsque des quantités d'AI significatives sont ajoutées. Cependant, si les conditions d'élaboration et de coulée sont bien maîtrisées, il peut être intéressant d'ajouter de l'AI pour éviter une croissance des grains excessive lors de la cémentation, ce qui est favorable à une moindre propagation des fissures. La teneur en cuivre, résultant de l'élaboration de l'acier, ne doit pas dépasser 0,30% pour ne pas dégrader la ductilité et la ténacité du matériau à coeur. La teneur en soufre peut être comprise entre de simples traces et 0,10%. Cet élément peut être rajouté si on désire améliorer l'usinabilité de l'acier. La teneur en phosphore ne doit pas dépasser 0,03%, afin de ne pas causer de ségrégation excessive aux joints de grains lors du revenu, ce qui fragiliserait l'acier. La teneur en niobium peut être comprise entre de simples traces résultant de l'élaboration et 0,050%. Un ajout de niobium permet d'obtenir une taille de grains plus homogène qui favorise l'homogénéité de la déformation plastique en service et minimise encore cette déformation. Au delà de 0,050%, l'effet du niobium n'augmente plus, et une addition à des teneurs plus élevées augmenterait inutilement le coût de l'acier. Par ailleurs, il est envisageable d'ajouter à l'acier un ou plusieurs éléments permettant d'améliorer son usinabilité, à savoir du tellure (jusqu'à 0,02%), du sélénium (jusqu'à 0,04%), du plomb (jusqu'à 0,07%), du calcium (jusqu'à 0,05%), ou du bismuth (jusqu'à 0,08%) Des essais ont été réalisés sur des échantillons d'acier massifs dont les compositions sont reportées dans le tableau 1. Les échantillons 11 à 16 sont une première série d'échantillons d'acier qui ne sont pas conformes à l'invention, en ce qu'ils ont une teneur en carbone supérieure à la limite exigée. Mais, comme on l'a dit, leur composition simule celle de la couche cémentée d'aciers qui seraient, à coeur, conformes à l'invention. Ils permettent d'évaluer aisément si cette composition serait adaptée à la résolution du problème posé, ce que des expériences similaires réalisées sur des échantillons d'acier selon l'invention cémentés ou carbonitrurés ne permettraient pas de réaliser avec la même évidence. Le tableau 1 donne également la composition de divers échantillons de référence, non conformes à l'invention et ne la simulant pas, mais permettant d'apprécier l'aptitude aux déformations plastiques en service (déstabilisation de l'austénite résiduelle sous sollicitations cycliques) en fonction des éléments Mn et Si, pour des couches cémentées d'analyses proches de celles obtenues sur l'acier de l'invention. Pour tous les échantillons du tableau 1, la teneur en Ni était inférieure à 0,25%, la teneur en AI inférieure à 0,050%, la teneur en Cu inférieure à 0,2% et la teneur en N inférieure à 150 ppm, sachant que cette teneur en azote n'a rien d'impératif et pourrait être nettement supérieure sans sortir de l'esprit de l'invention. En effet une teneur en azote élevée n'est pas rédhibitoire pour les types d'acier en cause. Tableau 1 : Compositions des échantillons de la première série d'essais (en % pondéraux) --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------l l No échantillon c Mn Si Cr Mo S P 1 0, 98 0, 30 0, 20 1, 50-0, 008 0, 010 2 0, 985 0, 345 1, 04 1, 49 0, 017 0, 009 0, 007 CI) 3 0, 95 0, 263 1, 51 1, 57 0, 020 0, 006 0, 012 4 0, 97 0, 297 2, 06 1, 52 0, 019 0, 006 0, 008 : 5 0, 95 1, 02 0, 50 1, 61 0, 021 0, 004 0, 011 (/) 6 0, 95 1, 02 2, 50 1, 57 0, 021 0, 007 0, 011 g 7 0, 94 2, 11 0, 45 1, 60 0, 020 0, 008 0, 011 8 0, 97 2, 05 1, 51 1, 54 0, 019 0, 008 0, 011 w W 9 0, 96 2, 07 2, 51 1, 61 0, 021 0, 007 0, 011 10 0, 77 1, 26 0, 25 1, 06 0, 107 0, 029 0, 018 11 0, 78 1, 27 0, 85 1, 06 0, 108 0, 031 0, 019 ru 12 0, 77 1, 25 1, 45 1, 05 0, 106 0, 031 0, 013 S J3 13 0, 97 1, 10 1. 08 1, 52 0, 023 0, 010 0, 008 M C r~ (D ≈14 0, 83 1, 02 0, 98 1, 39 0, 003 0, 009 0, 008 0 > 15 0, 88 1, 08 0, 88 1, 49 0, 003 0, 010 0, 007 us 16 0, 86 1, 06 1, 07 1, 53 0, 002 0, 008 0, 007 w Une première expérience a consisté à évaluer, pour ces divers échantillons, la stabilité de l'austénite résiduelle. D'une part, on a mesuré la température à laquelle 50% du volume d'austénite résiduelle a été déstabilisée en martensite. D'autre part, on a mesuré le pourcentage d'austénite résiduelle déstabilisée à 350 C, qui est une température de toute façon supérieure à celle qu'atteignent les aciers de l'invention dans leurs utilisations privilégiées envlsagees. Tableau 2 : Mesures de stabilité de l'austénite résiduelle envisagées. Tableau 2 : Mesures de stabilité de l'austénite résiduelle N'échantillon Température de % d'austénite résiduelle déstabilisation (OC) déstabilisée à 350 C 1 200 > 95 2 325 30 t. : I 350 35 4 325 25 L- 5 200 > 90 Q) (/) 6 400 60 8 400 15 425 35 16 375 On notera que d'une manière générale, les échantillons présentant la meilleure stabilité de l'austénite résiduelle sont ceux qui contiennent le plus de Si, la teneur en Mn exerçant également une influence en second rang. Les échantillons de référence 6, 8 et 9, qui ont au moins une des teneurs en Mn et Si au dessus de ce qu'exige l'invention, présentent de très bonnes caractéristiques de stabilité structurelle, mais avec les inconvénients que l'on a signalés plus haut. Les échantillons 12,13 et 14 simulant l'invention ont une stabilité de l'austénite résiduelle très bonne. Celles des échantillons 11 et 16 sont moins bonnes. Mais l'échantillon 11, du fait de sa relativement faible teneur en silicium par rapport aux précédents, a une quantité d'austénite résiduelle faible au départ. Ce relatif manque de stabilité structurelle ne compromet donc pas l'obtention des propriétés recherchées pour les aciers de l'invention. Concernant l'échantillon 16, c'est principalement sa teneur relativement élevée en chrome qui fait que sa quantité initiale d'austénite résiduelle est faible, et qu'on peut formuler à son propos les mêmes commentaires que pour l'échantillon 11. Sur la figure 1, on a représenté la déformation rémanente subie lors d'un essai de fatigue-compression par un échantillon d'acier mis sous forme d'un plot cylindrique de diamètre 7mm et de hauteur 12mm en fonction du nombre de cycles, pour une contrainte de 2000 Mpa, à température ambiante, et pour différentes teneurs en Si. Cet essai a concerné les échantillons 10,11 et 12 du tableau 1, pour lesquels la teneur en Mn était de 1,25% environ, et la teneur en Si respectivement de 0,25%, 0,85% et 1,45%. On voit que pour l'échantillon de référence 10 à 0,25% de Si, la S 106 déformation rémanente va de 0, 42% après 5000 cycles à 0, 75% après 106 cycles. En revanche, cette déformation rémanente est nettement plus faible pour les aciers simulant les aciers de l'invention. Pour l'échantillon 11 à 0,85% de Si, la déformation rémanente va de 0, 21% après 5000 cycles à 0, 32% après 6 1 106 cycles. Pour l'échantillon 12 à 1, 45% de Si, la déformation rémanente va de 0,18% après 5000 cycles à 0,24% après 106 cycles. La figure 2 illustre la déformation rémanente subie par divers échantillons, mis sous la forme précédemment citée, après 106 cycles, en fonction du couple (Si%, Mn%). On a reporté sur la figure les numéros des échantillons concernés, qui peuvent se répartir sur trois courbes, correspondant à des teneurs en Mn de l'ordre de 0,3%, 1% et 2%. Les meilleurs résultats sont obtenus avec les échantillons de référence, 2,3, 5,6 et avec les échantillons 13,14, 15 et 16 simulant l'invention, à savoir des déformations rémanentes inférieures à 0,8%. Cependant, on a vu que les échantillons 2,3 et 5 avaient par ailleurs une stabilité de l'austénite résiduelle insuffisante, alors que l'échantillon 6 a une teneur en Si excessive, risquant d'aboutir à la formation d'îlots de ferrite et rendant la mise en forme de la pièce difficile. Les échantillons 13,14, 15,16 à 1% de Mn et 1% de Si environ donnent de bons résultats à tous points de vue. La figure 3 illustre la déformation rémanente subie par deux échantillons d'une deuxième série d'essais, mis sous la forme précédemment citée, pour une contrainte de 1000 MPa, à température ambiante. Ces échantillons avaient les compositions reportées dans le tableau 3. Tableau 3 : Compositions des échantillons de la deuxième série d'essais (en % pondéraux) C Mn Si Cr Mo S P échantillon de référence 0,23 1,27 0,22 1,09 0,10 0,030 0,016 échantillon selon l'invention 0,23 1,32 0,95 1,11 0,10 0,032 0,016 L'échantillon à 0,95% de silicium était donc en tous points conforme à l'invention. L'échantillon de référence n'en différait que par sa plus faible teneur en silicium. On voit sur la figure 3 que l'élévation de la teneur en silicium jusqu'à une valeur conforme à l'invention procure la déformation rémanente faible souhaitée pour le coeur des pièces cémentées réalisées à partir des aciers de l'invention. Ces essais montrent que le meilleur compromis entre les différentes propriétés exigées, pour les pièces mécaniques cémentées devant être résistantes à la fatigue de contact et ne se déformer que très peu durant les traitements thermochimiques et durant leur utilisation, est obtenu pour les aciers simulant la couche cémentée des aciers selon l'invention. Cela justifie la gamme de compositions imposée aux aciers selon l'invention, qui subissent une cémentation ou une carbonitruration lorsqu'ils sont utilisés pour fabriquer des pièces mécaniques. REVENDICATIONS 1. Acier pour pièces mécaniques, caractérisé en ce que sa composition est, en pourcentages pondéraux : -------------------- - 0, 12 s C s 0, 30% - 0, 8 s Si s 1, 5% - 1, 0 s Mn s 1, 6% - 0, 4 s Crs 1, 6% - 0 s Mo - 0 # Al # 0,06% - 0 # Cu # 0,30% - 0 # S # 0,10% - 0 # P # 0,03% - 0 s Nb s 0, 050% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. 2. Acier pour pièces mécaniques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient au moins un élément sélectionné parmi jusqu'à 0,02% de Te, jusqu'à 0,04% de Se, jusqu'à 0,07% de Pb, jusqu'à 0,05% de Ca, jusqu'à 0,08% de Bi. 3. Pièce mécanique, caractérisé en ce qu'elle est réalisée en un acier du type selon l'une des revendications 1 à 2 qui a subi un traitement de cémentation ou de carbonitruration. 4. Pièce mécanique selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle a subi un traitement de cémentation basse pression.