Brevet FR2847908A1 — publié le 20040604

i L'invention concerne la métallurgie, et plus précisément le domaine des aciers destinés à la fabrication des pièces devant résister à d'importantes sollicitations. Souvent, de telles pièces sont réalisées en un acier trempé et revenu 5 ou, dans la mesure du possible, en acier forgé à structure ferrito-perlitique qui est censé offrir un meilleur compromis technico-économique, mais dont les performances mécaniques sont tout de même limitées. Des aciers à structure ferrito-perlitique souvent employés à cet effet sont des types XC70, 45Mn5, 3OMnSiV6 et 38MnSiV5, et subissent après 10 laminage ou forgeage un simple refroidissement en ligne à l'air calme. Leur méthode de mise en oeuvre est donc relativement économique, mais leur durée de vie en présence de fortes sollicitations est limitée. On a déjà proposé de réaliser de telles pièces en acier bainitique à partir d'une nuance de type 25MnSiCrVBS, le refroidissement après forgeage ou 15 laminage ayant lieu à l'air. Les performances de tenue sont sensiblement améliorées par rapport aux exemples précédents, mais restent relativement limitées par rapport à ce qu'il est possible d'atteindre sur un acier trempé et revenu. Le but de l'invention est de proposer une association entre une nuance 20 d'acier et un procédé de fabrication d'une pièce, présentant des avantages économiques par rapport aux associations existantes sans que les performances métallurgiques soient altérées, voire en améliorant ces performances. La pièce ainsi fabriquée devra résister à d'importantes sollicitations en fatigue. Dans le cas des pièces forgées, ce procédé de fabrication devrait, en particulier, être 25 adaptable sur toute ligne de forgeage. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en acier, caractérisé en ce que: - on élabore et on coule un acier de composition, en pourcentages pondéraux, 0,06% De préférence, l'acier contient de 5 à 50 ppm de B. De préférence, l'acier contient de 0,005 à 0,04% de Ti. Si du B est présent, la teneur en Ti est de préférence égale à au moins 10 3,5 fois la teneur en N de l'acier. De préférence, l'acier contient de 0,005 à 0,06% de Nb. De préférence, l'acier contient de 0,005 à 0,2% de S. Dans ce cas, de préférence, l'acier contient au moins un des éléments Ca jusqu'à 0,007%, Te jusqu'à 0,03%, Se jusqu'à 0,05%, Bi jusqu'à 0,05% et Pb 15 jusqu'à 0, 1%. Selon une variante de l'invention, la teneur en C de l'acier est comprise entre 0,06 et 0,20%. La teneur en Mn de l'acier est alors de préférence comprise entre 0,5 et 1,5%, et la teneur en Cr est de préférence comprise entre 0,3 et 1,2%. La teneur en Ni de l'acier peut être alors de préférence comprise entre des traces et 1%. La teneur en Ni de l'acier peut alors également être comprise entre 2 et 4,5%, et la teneur en AI est alors comprise entre 1 et 2%. Le revenu de précipitation est dans le cas général effectué de 25 préférence entre 425 et 6000C. Lorsque l'acier contient 0,5 à 3,5% de Cu, le revenu de précipitation est de préférence effectué entre 425 et 5000C pendant 1 à 10h. Lorsque l'acier contient 0,5 à 2% de V, le revenu de précipitation est effectué de préférence entre 500 et 6000C pendant plus d'1 h. Lorsque l'acier contient de 2 à 4,5% de Ni et 1 à 2% d'AI, le revenu de précipitation est effectué de préférence entre 500 et 5500C pendant plus d'1 h. Ladite déformation à chaud peut être un laminage. Ladite déformation à chaud peut être un forgeage. L'invention concerne également une pièce en acier obtenue par le procédé précédent. Comme on l'aura compris, l'invention consiste en la combinaison d'une nuance d'acier et d'un procédé de traitement suivant la coulée comprenant une 5 étape de mise en forme à chaud de la pièce, un refroidissement contrôlé pouvant être effectué à l'air calme ou à l'air pulsé et un revenu de précipitation précédant ou suivant l'usinage de la pièce. La composition de l'acier choisie garantit que, quel que soit le mode de refroidissement, les résultats de tenue en fatigue des pièces fabriquées à partir de cet acier seront suffisants pour répondre aux 10 exigences des utilisateurs. L'opération de mise en forme à chaud peut consister en un ou des laminages, ou en un laminage suivi d'un forgeage, ou en un forgeage seul. L'essentiel est que la dernière déformation à chaud amène l'acier entre 1100 et 1300'C, et que le refroidissement contrôlé ait lieu à partir de cette température. Les caractéristiques chimiques de l'acier et ses traitements thermiques postérieurs à la coulée visent à l'obtention d'une microstructure bainitique, et également à l'obtention de caractéristiques mécaniques optimisées. Cette microstructure bainitique doit pouvoir être obtenue à la suite d'un refroidissement à l'air calme, mais doit aussi être compatible avec un refroidissement à l'air puisé. 20 De cette façon, les pièces concernées par l'invention pourront être produites sur toute installation existante, que celle-ci permette après forgeage ou laminage un refroidissement à air pulsé, ou qu'elle ne permette qu'un refroidissement à l'air calme. Ainsi, une installation de forgeage initialement conçue pour traiter des pièces en acier à microstructure ferrito-perlitique pourra sans difficultés, et sans 25 adaptations particulières, traiter des pièces à microstructure bainitique selon l'invention. Les aciers à microstructure bainitique précédemment employés pour ces usages exigeaient un refroidissement à air pulsé, et ne pouvaient donc pas toujours être traités sur des installations de conception courante. Selon l'invention, on commence donc par élaborer un acier dont la 30 composition sera détaillée et justifiée plus loin, puis on le coule, en lingots ou en continu suivant le format de la pièce finale, et le plus généralement on le lamine de manière à obtenir un demi-produit. On peut ensuite effectuer une opération de forgeage du demi-produit. La dernière déformation à chaud est effectuée à 1100-1300 C et est 35 suivie par un refroidissement contrôlé à l'air dans la chaude de laminage ou de forge, à l'air calme ou à l'air pulsé. On obtient ainsi une ébauche de la pièce. Par le terme " ébauche ", il doit être compris que l'on désigne ici une barre, ou un demi-produit sous une autre forme, à partir duquel la pièce définitive sera obtenue par usinage, et ceci indépendamment du mode de déformation à chaud pratiqué: laminage, forgeage ou leur combinaison. On effectue ensuite un revenu de précipitation. Celui-ci se situe soit avant, soit après l'usinage de la pièce à partir de ladite ébauche. Les fourchettes analytiques exigées sont les suivantes pour les différents éléments chimiques devant ou pouvant être présents (tous les pourcentages sont pondéraux). La teneur en carbone est comprise entre 0,06 et 0,250/o. Cette teneur permet de gouverner le type de microstructure obtenu. A moins de 0,06%, la microstructure obtenue ne serait pas intéressante pour les objectifs visés. Audelà de 0,25%, en combinaison avec les autres éléments, on n'obtiendrait pas une microstructure suffisamment bainitique après refroidissement à l'air calme. La teneur en manganèse est comprise entre 0,5 et 2%. Cet élément ajouté à plus de 0,5% procure sa trempabilité au matériau, et permet d'obtenir un domaine bainitique large quel que soit le mode de refroidissement. Une teneur supérieure à 2% serait cependant susceptible de provoquer des ségrégations trop importantes. La teneur en silicium est comprise entre des traces et 3%. Cet élément, non obligatoire à proprement parler, est avantageux en ce qu'il durcit la bainite par son passage en solution solide. De plus, au cas o du cuivre serait présent en quantité relativement importante, le silicium permet d'éviter les problèmes associés à cette présence de cuivre lors de la mise en forme à chaud. 25 Une teneur supérieure à 3% peut cependant poser des problèmes d'usinabilité du matériau. La teneur en nickel est comprise entre des traces et 4,5%. Cet élément non obligatoire favorise la trempabilité et la stabilisation de l'austénite. Si la teneur en aluminium le permet, il peut former des précipités de NiAI très 30 durcissants, procurant au métal des caractéristiques mécaniques élevées. Au cas o du cuivre serait présent en quantité relativement importante, le nickel peut jouer le même rôle que le silicium. Au-delà de 4,5%, l'addition de nickel est inutilement coteuse au vu des objectifs métallurgiques visés. La teneur en aluminium est comprise entre des traces et 3%. Cet 35 élément non obligatoire est un désoxydant fort, et même ajouté à faible teneur, il permet de limiter la quantité d'oxygène dissous dans l'acier liquide, donc d'améliorer la propreté inclusionnaire de la pièce si on a su éviter des réoxydations trop importantes lors de la coulée. A forte teneur, comme on l'a dit, il est susceptible de former des précipités de NiAI si du nickel est présent en grande quantité. Il n'est pas utile que la teneur en aluminium dépasse 3%. La teneur en chrome, élément non obligatoire, est comprise entre des 5 traces et 1,2%. Comme le manganèse, le chrome contribue à l'amélioration de la trempabilité. Son addition devient inutilement coteuse au-delà de 1,2%. La teneur en molybdène est comprise entre des traces et 0,30%. Cet élément, non obligatoire, empêche la formation de ferrite à gros grains et permet d'obtenir plus assurément la structure bainitique. Son addition est inutilement 10 coteuse au-delà de 0,30%. La teneur en vanadium est comprise entre des traces et 2%. Cet élément, non obligatoire, sert à durcir la bainite par son passage en solution solide. A forte teneur, il permet également d'obtenir un durcissement par précipitation de carbures et/ou de carbonitrures. Son addition est inutilement 15 coteuse au-delà de 2%. La teneur en cuivre est comprise entre des traces et 3,5%. Cet élément, non obligatoire, peut améliorer l'usinabilité et, en précipitant, provoquer un durcissement secondaire du matériau. Mais au-delà de 3,5% il rend la mise en forme à chaud de la pièce problématique. Comme on l'a dit, il est conseillé de lui 20 associer une teneur en nickel ou en silicium significative pour minimiser les problèmes de mise en forme à chaud. Audelà de 3,5% son addition est de toute façon inutilement coteuse. Par ailleurs, il faut que l'une au moins des trois conditions suivantes soit respectée: - une teneur en cuivre comprise entre 0,5 et 3,5% - une teneur en vanadium comprise entre 0,5 et 2% - une teneur en nickel comprise entre 2 et 4,5% et une teneur en aluminium comprise entre 1 et 2%. Les éléments que l'on vient de citer sont ceux dont le rôle 30 métallurgique est ou peut être le plus important pour l'invention, mais d'autres éléments que l'on va citer peuvent aussi être optionnellement présents pour améliorer certaines propriétés de l'acier. La teneur en bore peut être comprise entre 5 et 50ppm. Il peut améliorer la trempabilité, mais doit être en solution solide pour être efficace. 35 Autrement dit, on doit éviter que tout le bore ou presque ne se retrouve sous la forme de nitrures ou carbonitrures de bore. A cet effet, il est conseillé d'associer à l'addition de bore une addition de titane, de préférence dans une proportion telle que 3,5 x N% Ti%. A cette dernière condition, on peut capter tout l'azote dissous et éviter la formation de nitrures ou de carbonitrures de bore. La teneur minimale en titane, à cet effet, est de 0,005%, pour les teneurs en azote les plus basses usuellement rencontrées. Il est cependant conseillé de ne pas dépasser 5 une teneur en titane de 0,04%, sinon on obtient des nitrures de titane de taille trop élevée. Le titane a également pour fonction de limiter le grossissement du grain austénitique à haute température, et peut, pour cela, être ajouté indépendamment du bore, à une teneur comprise entre 0,005 et 0,04%. Du niobium peut également être ajouté, à des teneurs comprises entre 0, 005 et 0,06%. Lui aussi peut précipiter sous forme de carbonitrures dans l'austénite, et peut ainsi apporter un durcissement du matériau. Enfin, de manière classique, on peut améliorer l'usinabilité du matériau par une addition de soufre (de 0,005% à 0,2%), à laquelle on peut aussi associer 15 une addition de calcium (jusqu'à 0,007%), et/ou de tellure (jusqu'à 0,03%) et/ou de sélénium (usqu'à 0,05%), et/ou de bismuth (jusqu'à 0,05%) et/ou de plomb jusqu'à 0,1%). Une fois obtenu après laminage le demi-produit ayant la composition précédemment citée, on procède ou non à un forgeage de l'ébauche de la pièce20 selon les procédés habituels. On la chauffe jusqu'à 1100-1300'C, puis on exécute les déformations donnant naissance à l'ébauche de pièce. En l'absence de forgeage, le laminage doit se terminer à une température de 1100-1300'C. Puis immédiatement après le laminage, ou après le forgeage si cette 25 opération a été effectuée, on effectue un refroidissement contrôlé de la pièce, soit à l'air calme, soit à l'air puisé. De manière générale, on impose à la pièce un refroidissement à une vitesse inférieure ou égale à 30C/s entre 600 et 3000C. Selon l'invention, et ce avant ou après l'usinage de la pièce qui lui confère ses dimensions définitives, on procède à un durcissement par 30 précipitation au moyen d'un revenu; pour cela trois options sont possibles, et peuvent d'ailleurs être combinées: - la précipitation de cuivre, si la teneur en cuivre est comprise entre 0,5 et 3,5%; - la précipitation de vanadium si sa teneur est comprise entre 0,5 et 35 2%; la précipitation de NiAI si la teneur en nickel est comprise entre 2 et 4, 5% et la teneur en aluminium comprise entre 1 et 2%. De manière générale, le revenu de précipitation est effectué de préférence entre 425 et 6000C. Mais la température du revenu et sa durée sont optimalement à adapter aux caractéristiques visées. A titre d'exemple, la précipitation du cuivre est obtenue de préférence par un traitement à 425-500OC 5 pendant 1 à 10h. La précipitation de vanadium est de préférence obtenue par un traitement à 500-600C pendant plus d'1h. La précipitation de NiAI est de préférence obtenue par un traitement à 500-550'C pendant plus d'l h. Ce revenu peut être effectué: - soit après l'usinage de façon à avoir un métal pas trop dur pendant 10 l'usinage; soit après le refroidissement contrôlé à l'air et avant l'usinage; on réalise alors l'usinage sur une pièce à hautes caractéristiques mécaniques, ce qui le rend particulièrement précis. Grâce à ce revenu, on peut obtenir des caractéristiques mécaniques 15 élevées pour le produit obtenu. Typiquement, la résistance à la traction Rm va de 1000 à 1300 MPa et la limite d'élasticité Re est de l'ordre de 900 MPa ou davantage. Optimalement, on limite la teneur en carbone à 0,060,2%, de manière à obtenir une bainite de dureté limitée à 300-330 Hv3O-. Optimalement, la teneur 20 en manganèse doit être comprise entre 0,5 et 1, 5%, la teneur en chrome entre 0,3 et 1,2%, et la teneur en nickel peut soit aller jusqu'à 1 % si on ne vise qu'une bonne trempabilité, soit aller de 2 à 4% si on recherche une précipitation de NiAI comme on l'a vu. Dans ce dernier cas, la teneur en aluminium est comprise entre 1 et 2%. Pour ces aciers, les caractéristiques de traction (limite d'élasticité, résistance) du produit obtenu après laminage ou forgeage et refroidissement à l'air contrôlé ne sont pas particulièrement élevées: typiquement la résistance à la traction Rm est de l'ordre de 750-1050 MPa et la limite d'élasticité Re de l'ordre de 500 à 75OMPa. Mais ces aciers présentent une bonne usinabilité. A titre d'exemples de mise en oeuvre de l'invention et d'exemple comparatif, on peut citer les essais suivants, Exemple 1 (invention) Cet exemple est représentatif de la variante de l'invention pour laquelle on peut utiliser une teneur en carbone relativement basse, et o on 35 réalise le durcissement par précipitation grâce à une addition de cuivre. La composition de l'acier est la suivante, exprimée en 10-3% pondéraux: C Mn Si S P Ni Cu Cr Mo AI Ti B N 1500 300 85 10 1500 2500 280 50 25 - - 6 Après forgeage à chaud à une température de 1250-1200 C et refroidissement à l'air calme (vitesse de refroidissement moyenne de 1 C/s entre 5 700 et 300 C) une microstructure bainitique est obtenue avec une dureté modérée de 265Hv30, procurant une résistance inférieure à 900 MPa. Avec ce niveau de caractéristiques mécaniques, I'usinabilité ne pose pas de problèmes. Ensuite, un revenu à 450 C, avec une durée de maintien d'une heure, permet d'augmenter les caractéristiques de résistance pour atteindre plus de 340Hv30 10 de dureté, procurapt une résistance de 1100MPa. Exemple 2 (invention) Cet exemple est représentatif de la variante de l'invention pour laquelle on peut utiliser une teneur en carbone relativement basse, et o on 15 réalise le durcissement par précipitation grâce à une addition de vanadium. La composition de l'acier est la suivante, exprimée en 10-3% pondéraux: C Mn Si S P Ni Cu Cr Mo AI Ti V 1230 250 80 20 150 200 205 50 30 - 820 Après forgeage à chaud à une température de 1250-1200 C et refroidissement à l'air calme (en moyenne l C/s entre 700 et 300 C) d'une pièce de forge de diamètre équivalent à 15mm, une microstructure majoritairement bainitique est obtenue avec déjà une dureté importante de 300-320Hv30, 25 procurant une résistance de 1000MPa environ, qui est actuellement la limite haute permettant encore une usinabilité correcte sur des moyens d'usinage classiques. Après un revenu de 2h à 580 C, le durcissement par le vanadium permet d'atteindre une dureté de l'ordre de 400Hv30, correspondant à une résistance supérieure à 1200MPa. Exemple 3 (invention) Cet exemple est représentatif de la variante de l'invention pour laquelle on peut utiliser une teneur en carbone relativement basse, et o on réalise le durcissement par précipitation grâce à des additions conjuguées de nickel et d'aluminium. La composition de l'acier est la suivante, donnée en 10-3% pondéraux: C Mn Si S P Ni Cu Cr Mo AI Ti B N 95 1150 200 80 10 3000206 220 60 1500- 3 3 Après forgeage à chaud à une température de 1250-1200 C et refroidissement à l'air calme (vitesse de refroidissement moyenne de l C/s entre 10 700 et 300 C) une microstructure bainitique est obtenue avec une dureté modérée de 240Hv30, procurant une résistance inférieure à 800 MPa. Avec ce niveau de caractéristiques mécaniques, l'usinabilité ne pose pas de problèmes. Ensuite, un revenu à 520 C, avec une durée de maintien de 10 heures, permet d'augmenter les caractéristiques de résistance pour atteindre plus de 370Hv30 15 de dureté, procurant une résistance de l'ordre de 1200MPa. Exemple 4 (référence) La composition de l'acier est la suivante, donnée en 10-3% pondéraux: C Mn Si S P Ni Cu Cr Mo AI Ti V B 230 1500 700 80 11 150 150 800 70 20 25 190 3 Après forgeage à chaud à 1250 - 1200 C et refroidissement à l'air calme d'une pièce de diamètre équivalent à 25 mm, une microstructure majoritairement bainitique est obtenue avec une dureté voisine de 320 Hv30, 25 procurant une résistance de 1050Mpa environ. Un revenu d'une heure entre 300 et 450 C ne permet pas d'augmenter significativement la résistance. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce en acier, caractérisé en ce que: on élabore et on coule un acier de composition, en pourcentages pondéraux, 0,06% 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier contient de 5 à 50 ppm de B. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'acier 20 contient de 0,005 à 0,04% de Ti. 4. Procédé selon les revendications 2 et 3 prises ensemble, caractérisé en ce que la teneur en Ti est égale à au moins 3,5 fois la teneur en N de l'acier. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que 25 I'acier contient de 0,005 à 0,06% de Nb. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'acier contient de 0,005 à 0,2% de S. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'acier contient au moins un des éléments Ca jusqu'à 0,007%, Te jusqu'à 0,03%, Se 30 jusqu'à 0,05%, Bi jusqu'à 0,05% et Pb jusqu'à 0,1%. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la teneur en C de l'acier est comprise entre 0,06 et 0,20%. IFi 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la teneur en Mn de l'acier est comprise entre 0,5 et 1,5%, et en ce que la teneur en Cr est comprise entre 0,3 et 1,2%. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la teneur en Ni de l'acier est comprise entre des traces et 1 %. 11. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la teneur en Ni de l'acier est comprise entre 2 et 4,5%, et en ce que la teneur en AI est comprise entre 1 et 2%. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce 10 que le revenu de précipitation est effectué entre 425 et 6000C. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'acier contient 0,5 à 3,5% de Cu et en ce que le revenu de précipitation est effectué entre 425 et 5000C pendant 1 à 1 Oh. 14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'acier 15 contient 0,5 à 2% de V et en ce que le revenu de précipitation est effectué entre 500 et 6000C pendant plus d'1 h. 15. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'acier contient de 2 à 4,5% de Ni et 1 à 2% d'AI et en ce que le revenu de précipitation est effectué entre 500 et 5500C pendant plus d'1 h. 16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que ladite déformation à chaud est un laminage. 17. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que ladite déformation à chaud est un forgeage. 18. Pièce en acier, caractérisée en ce qu'elle a été obtenue par le 25 procédé selon l'une des revendications 1 à 17.