Brevet FR2931166A1 — publié le 20091120

Acier pour forge à chaud à hautes caractéristiques mécaniques des pièces produites. L'invention concerne les aciers pour forge à chaud destinés à la fabrication de pièces à hautes caractéristiques mécaniques. Plus précisément, elle a trait à des nuances d'acier au carbone micro-allié aptes à permettre la réalisation de pièces forgées de microstructure bainitique ou essentiellement bainitique (i.e. ayant plus de 80% de bainite en volume) et présentant une résistance élevée à la rupture tout en offrant une bonne usinabilité pour un tel niveau de dureté, une bonne résilience, ainsi qu'une capacité de soudage préservée voire améliorée par rapport aux pièces forgées bainitiques existantes, le tout dans une large gamme de diamètres, plus large en tout cas que celle offerte par les nuances de ce type actuelles et sans nécessiter de revenu final après la forge. Elle trouvera ainsi à s'appliquer de façon privilégiée, mais non exclusivement, au secteur de la fabrication des moteurs à explosion, de l'industrie automobile notamment, dont on sait que certains composants travaillent à des niveaux de contraintes mécaniques de plus en plus élevés. Plus généralement, il s'agira de tout composant mécanique, fonctionnel ou d'assemblage, pour lequel sont recherchés des exigences a priori opposées que sont une résistance mécanique élevée, à savoir plus de 1100 MPa pour fixer les idées, couplée à une bonne aptitude à l'usinage malgré l'absence d'un revenu final et dotée d'une bonne résilience, ainsi que d'une aptitude au soudage. Si l'on prend l'exemple des rampes d'injection communes (plus couramment appelées "common rails"), équipant les moteurs Diesel à injection directe à haute pression du combustible, à savoir près de 2 000 bars actuellement, les aciers les plus performants utilisés pour cette application permet d'obtenir des pièces finales dotées d'une résistance à la rupture de l'ordre de 1000-1100 MPa. Cette résistance, pourtant intrinsèquement élevée, peut s'avérer néanmoins insuffisante dans la course permanente qui est menée visant à accroître toujours davantage la pression d'injection d'un carburant auto-enflammant. En outre, un tel composant tubulaire, obtenu par forgeage à chaud d'un lopin de barre laminée et perçage axial final de l'ébauche, est fonctionnellement destiné à répartir le combustible dans les injecteurs. Aussi, reçoit-il par piquage selon une génératrice les conduites qui le relient aux injecteurs, la rigidité et l'étanchéité du montage devant être assurées par soudure de chaque piquage. Ainsi, pour ne considérer qu'elle, l'industrie automobile, qui cherche à alléger constamment les véhicules qu'elle produit en même temps qu'elle s'oblige à des durées de vie de plus en plus longues des moteurs qui les équipent, exprime t'elle le besoin de pouvoir disposer aisément et à un coût le plus maîtrisé possible, de composants fonctionnels présentant une résistance mécanique de plus en plus élevée 2 en même temps qu'une aptitude au soudage au moins préservée et une bonne tenue dans le temps. On connaît, par exemple du document PCT W02007/074984 Al (Posco), une nuance d'acier qui pourrait répondre à cette attente. Cependant, et en particulier, la quantité de molybdène peut atteindre 1,5% en poids, donc des niveaux difficilement compatibles au plan économique avec des applications industrielles autres que les petites vis d'assemblage frappées à froid de structure martensitique revenue pour laquelle cette nuance connue est exclusivement proposée. L'invention vise à proposer d'abord un acier au carbone micro allié, pour la fabrication par la forge à chaud de composants devant travailler sous fortes sollicitations mécaniques, qui soit en mesure de répondre de façon économique, donc en particulier sans nécessiter de revenu final après la forge et avec une teneur en Mo contenue, à ces exigences croissantes et opposées, sans consentir pour autant sur l'usinabilité pour les niveaux de dureté atteints. Avec ce résultat en vue, l'invention a pour objet une nuance bainitique d'acier au carbone micro allié pour le forgeage à chaud de pièces mécaniques à hautes caractéristiques, caractérisée en ce que. afin de contenir sa teneur pondérale en molybdène délibérément en dessous de 0.6 % et afin de ne pas nécessiter de revenu final de la pièce forgée obtenue, sa composition chimique, outre le fer et les inévitables impuretés résiduelles provenant de l'élaboration de l'acier à partir de l'état liquide, répond à l'analyse suivante, donnée en pourcentages pondéraux: 0,005 % Ti 0,05 %, avec Ti > 3,5 N 0,001% Comme on le comprendra mieux par la suite, cette nuance d'acier, à molybdène volontairement bas d'emblée, se construit surtout autour d'un moyen carbone (pas au delà de 0,35 %), couplé à un manganèse logé dans une fourchette étroite mais avec une valeur minimale élevée (de 1,5 à 2,1%). Revenant à l'exemple des "common rails", si, comme préconisé, la nuance 40 micro alliée selon l'invention est produite sous forme de barres laminées à chaud issues 0,1 % Auparavant, il est préférable d'expliciter et de commenter les raisons pour lesquelles l'invention a porté son choix sur les gammes prémentionnées de composition pour des nuances bainitiques d'aciers micro alliés pour atteindre les prescriptions précitées: -de0,1 à 0,35%max. de C. La teneur en carbone utilisée ici l'est surtout afin de ne pas nuire à la soudabilité tout en présentant un Rm supérieur à 1100 MF'a. Pour les pièces forgées, la teneur la plus souvent adoptée par défaut sera avantageusement inférieure à 0,3%, car c'est elle qui permettra d'obtenir le meilleur rapport entre résistance mécanique (Rm) et ductilité (A%). La diminution de la teneur en carbone (en deçà des 0,35% max. dans le cas de l'invention) pourra classiquement s'accompagner d'une augmentation corrélative de la teneur en manganèse. - de 1,5 à 2,1 % de Mn. L'avantage principal du Mn est justement de pouvoir diminuer la teneur en C tout en gardant les mêmes résistances à la traction et en améliorant la ductilité. Le manganèse est essentiel pour obtenir les microstructures majoritairement bainitiques visées, lesquelles sont essentielles pour obtenir une bonne adéquation résistance/ductilité. Dans ce but, la limite inférieure de la teneur en manganèse est d'environ 1,5% et la limite supérieure est de 2,1%. A des valeurs supérieures, le manganèse tend à promouvoir la ségrégation centrale néfaste pour la résilience de l'acier. De plus, une teneur en manganèse trop élevée, en augmentant trop fortement la trempabilité de l'acier, diminue l'aptitude au soudage de l'acier en abaissant la résilience dans la ZAT (Zone Affectée Thermiquement par l'opération de soudage). -de0,3à0,6%max. de Mo. Le molybdène dans l'acier a un rôle désormais bien identifié: il augmente la trempabilité de l'acier, favorisant ainsi l'obtention de la structure bainitique désirée. En abaissant la température à laquelle apparaît ce type de structure, il favorise notamment la formation de la bainite inférieure fine. Cette microstructure est connue pour être celle qui permet en effet la meilleure adéquation "résistance-ductilité". C'est elle également qui permet, au niveau de résistance élevée et de teneur en carbone propres à ceux de l'invention, d'obtenir un acier possédant une excellente résilience, notamment à froid. Le molybdène agit également en synergie avec le niobium et le bore, favorisant alors l'effet trempant de ce dernier. Toutefois, présent à trop forte teneur, il peut avoir au contraire un rôle néfaste sur la résilience, notamment dans les zones affectées thermiquement (ZAT) lors du soudage. C'est pourquoi, il est volontairement limité à 0,6% max. par l'invention, qui se fixe par ailleurs un objectif économique corrélatif Cela étant, il ne devra pas être inférieur à 0,3% au risque d'être inefficient et empêcher l'atteinte des résultats visés par l'invention. -de 0,05à0,8%de Si. Le silicium est ajouté pour augmenter la résistance de l'acier. Il favorise également la désoxydation de l'acier lors de sa préparation à l'état liquide La limite supérieure visée est d'environ 0,8 % pour éviter le cas échéant une détérioration de la résilience dans la ZAT. Cet élément n'est qu'optionnel pour la nuance selon l'invention. - moins de 0,05 % d'Al total. L'aluminium est généralement ajouté dans l'acier pour sa désoxydation, à l'instar du Si. Il permet également d'affiner la microstructure de l'acier. L'aluminium joue également un rôle important dans la ZA.T en éliminant l'azote libre. Cet élément, également, n'est qu'optionnel pour la nuance selon l'invention. - moins de 0,6 % de Ni. Optionnel dans la nuance selon l'invention, le nickel, lorsqu'il est ajouté à des teneurs suffisantes, permet d'augmenter les propriétés mécaniques finales de l'acier sans détérioration de sa résilience, en particulier dans les ZAT du soudage. L'addition de nickel limite également le risque de fissuration à chaud induit par la présence éventuelle de cuivre. Toutefois, dans le cadre de l'invention, au delà de 0,6%, le coût de la nuance produite risque de devenir rédhibitoire. - de 0,4 à 1,5 % de Cr. Le chrome, tout comme le molybdène, est un élément déterminant de la nuance selon l'invention, sans lesquels, dans les proportions minimales retenues, les résultats visés ne seraient pas obtenus. Plus précisément, le chrome augmente la trempabilité de l'acier et favorise ainsi l'obtention de la microstructure bainitique voulue. Il contribue également à l'obtention des caractéristiques mécaniques recherchées sans avoir recours à une teneur en carbone trop élevée qui pénaliserait les conditions de la mise en forme. Il améliore encore la tenue de l'acier à la corrosion. Toutefois, à teneur trop élevée, il dégrade fortement la résilience de l'acier, notamment dans les ZAT lors du soudage. C'est pourquoi sa teneur maximale dans la nuance selon l'invention a été fixée à 1,5 %. -de 0,01 à0,35%de Cu. Le cuivre a un effet global favorable sur la tenue à la corrosion. Surtout, il permet d'augmenter la résistance de l'acier, à la fois dans la matrice métallique, mais également dans la ZAT dans le cas d'une opération de soudage. En revanche, ajouté en trop grande quantité, à l'instar du carbone, il diminue sensiblement la résilience, 6 notamment dans la ZAT. C'est pourquoi sa teneur a été limitée à 0,35 % dans l'invention. - de 0,01 à pas plus de 0,1% de Nb. Le niobium agit en synergie avec le molybdène et le bore pour élargir le domaine de la transformation bainitique. Il permet d'accroître l'effet trempant du bore en dopant la teneur efficace de ce dernier dans l'acier. La formation des carbures du type Fe23 (CB)6, qui piègent le bore et demeurent passifs quant à la trempabilité de l'acier, est rendue plus difficile sous l'action du niobium, laquelle stabilise l'austénite et ralentit la diffusion du carbone. Par ailleurs, en retardant la recristallisation de l'austénite, il favorise l'obtention d'une structure bainitique fine et homogène, favorable à la tenue aux chocs, notamment. Par ailleurs, par précipitation dans la matrice métallique, il augmente la résistance de l'acier. -de 0,05 à 0,3 % de V. Le vanadium augmente la résistance de l'acier grâce à la précipitation de carbures ou de carbonitrures. Il favorise également l'affinement de la microstructure bainitique recherchée. Ajouté en trop forte quantité, il peut cependant avoir un effet néfaste sur la qualité des pièces produites en favorisant l'apparition de fissures, notamment dans la ZAT lors d'un soudage. C'est la raison pour laquelle l'invention limite sa teneur à 0,3%. - de 0,005 à 0,05 % de Ti, avec Ti > 3.5 N. Le rôle du titane est double. Il protège le bore de l'azote. En formant des nitrures, il évite la formation de nitrures de bore (BN) qui sont inefficaces en tant qu'éléments trempant. Les nitrures de titane permettent également de limiter le grossissement du grain austénitique lors des traitements thermiques favorisant ainsi la formation de la structure bainitique fine recherchée. - pas plus de 50 ppm de B. Bien qu'optionnel dans l'invention, surtout pour les pièces de petits diamètres, le bore, même en très faible quantité, permet d'augmenter sensiblement la trempabilité des nuances à basse teneur en carbone, comme celle de l'invention. Il permet de limiter la teneur des autres éléments nécessaires pour obtenir la microstructure bainitique désirée. Le bore agit en synergie avec le molybdène et le niobium, dopant ainsi l'efficacité de ces éléments et leurs influences propres respectives aux teneurs qui sont les leurs dans l'invention. Au delà de 0,005%, on serait toutefois en situation d'excès de bore, ce qui conduirait à une formation intempestive de boro-carbures de fer qui fragiliseraient la structure.40 7 -de 0,001 à0,1 %de S. Egalement optionnel dans l'invention, le soufre se combine avec le manganèse pour former des sulfures de manganèse plastiques et ductiles. Il contribue ainsi à la bonne usinabilité de l'acier. Toutefois, il est considéré également comme un élément néfaste, car il détériore fortement la résilience du métal. Sa teneur dans l'acier est donc généralement maintenue la plus faible possible. En tous cas, elle ne doit pas outrepasser 0,1% dans l'invention, et de préférence être contenue en dessous de 0,025% -de 0,001 à 0,015 % de N. Inévitablement présent, si ce n'est qu'en élément résiduel, l'azote permet la formation de nitrures ou de carbonitrures précipités. Toutefois, présent en trop forte quantité, il peut conduire à des précipités de taille importante néfaste notamment pour la résilience de l'acier, tant dans la matrice métallique que dans la ZAT en cas de soudage. De surcroît, en présence de bore, en conduisant à la formation de précipités de nitrures de bore, il diminue d'autant la quantité de bore libre, qui seul à une action trempante. et éventuellement du Ca et des terres rares. Du calcium, jusqu'à 0,005%) et des terres rares, tels que du tellure (jusqu'à 0,01%) ou du sélénium (jusqu'à 0,03%) peuvent éventuellement être ajoutés dans l'acier pour contrôler la morphologie des inclusions non métalliques et améliorer dès lors la résilience à basse température, en particulier. On va à présent décrire un exemple de processus d'obtention industrielle d'une pièce obtenue par forgeage en acier micro-allié bainitique selon l'invention. On admettra qu'il s'agit d'une rampe creuse d'injection commune de carburant pour moteur à explosion de véhicules automobiles, étant entendu qu'il ne s'agit là que d'un exemple parmi de nombreux autres de pièces à hautes caractéristiques mécaniques réalisables par l'invention. On a produit à l'aciérie, par coulée continue, des demi-produits longs (billettes ou blooms) en un acier calmé ayant les trois compositions CRI, CR2 et CR3 données dans le tableau I ci-dessous et optimisées pour une application "rampe creuse d'injection commune" étant précisé que leur composition a été déterminée pour chacun d'eux pour obtenir les propriétés désirées avec une vitesse de refroidissement inférieure à 1 °C/sec.40 TAB. [ C % Mn S % Si Al % Nb Cr Ni Cu Ti % Mo V % B N Rm PCm % ppm ppm visée CR1 0.25 1.8 0.07 0.5 0.025 0.05 1.2 0.5 0.1 0.025 0.5 0.15 28 94 >1300 0.46 CR2 0.2 1.8 0.07 0.4 0.026 0.05 1.1 0.5 0.1 0.025 0.5 0.12 27 81 >1200 0.43 CR3 0.15 1.6 0.07 0.35 0.026 0.05 0.9 0.5 0.1 0.025 0.5 0.1 27 79 >1100 0.35 Après réchauffage au dessus de 1100 °C, les billettes sont alors laminées, selon la pratique habituelle, jusqu'à l'obtention d'un produit prêt à l'expédition en clientèle après refroidissement à l'ambiante et qui se présente sous forme de barres (ou de éventuellement en couronnes de fil-machine bobiné). La barre (ou le fil-machine) est ensuite transformée par forge à chaud, schématiquement de la manière suivante: On tronçonne la barre en lopins de longueur choisie. Après un chauffage d'austénisation, le lopin est travaillé par forgeage. Pour obtenir ensuite la structure bainitique recherchée, on laisse simplement refroidir l'ébauche à l'air. Aucun revenu final n'est nécessaire pour assurer les caractéristiques mécaniques voulues. Certes, dans le cas de pièces forgées plus volumineuses, on pourra être amené à adapter la vitesse de refroidissement en mettant en oeuvre un refroidissement contrôlé sur toute la pièce, ou sur une partie seulement de celle-ci. (air soufflé, trempe à l'eau, à l'huile, trempe polymère, etc...). Parvenue à la température ambiante, l'ébauche brute de forge est forée axialement pour lui donner sa structure tubulaire, et aussi transversalement, le cas échéant. Elle peut alors être avantageusement soumise à une opération d'usinage final (tournage...) pour lui donner ses côtes finales et un aspect lisse définitif de pièce prête à l'usage. Au besoin, la pièce peut être alors montée par soudage sans difficulté particulière, la nuance d'acier micro-alliée selon l'invention ayant été étudiée aussi dans ce but, sans obérer pour autant l'obtention de Rm finaux de 1100 à 1400 MPa et plus obtenus.. On va présenter à présent quelques précisions chiffrées, à l'aide du tableau de valeurs ci-après (TAB II), relatives à la nuance d'acier conforme à l'invention (TAB.I) en positionnant celle-ci par rapport à des nuances connues * pour forge à trempe directe à l'air, à savoir la nuance ferrito-perlitique 36MnSiV4 (notée A) et la nuance bainitique 25MnCrSiBV6 (notée B) et qui sont, toutes deux, utilisées dans le commerce entre-autres, pour la production de rampes d'injection à hautes caractéristiques. * voir l'article intitulé "Steels for High Performance Diesel Engines" de Ch. Lemaire et al. paru dans "Proceedings of International New Developments in long and foged products - Mettalurgy and Appplications" Juin 04-07, 2006, p. 29 à 36, Winter Park, Colorado (USA). TAB II nuance structure Rm Re A% Z% Résilience PCm (MPa) (Ma) (Joules) 20° 0°C -20°C C A ferrite- 1040 790 13 28 - - - -- 0.5 perlite B bainite 1030 650 12 40 - - - ~ 0.42 CRI bainite 1340 1020 15,5 58 71 64 50,5 0.49 CR2 bainite 1230 895 17,5 60,5 76 62 54,5 0.43 CR3 bainite 1108 790. 18 32 77 54 29 0.35 où PCm est l'indice de soudabilité. On rappelle que l'indice PCm est habituellement utilisé dans le domaine des pipelines où le soudage revêt une importance critique notamment en regard de son influence sur la structure et les caractéristiques mécaniques des zones affectées thermiquement par cette opération. Par exemple, une valeur de PCm maximale de 0.35 est ainsi parfois exigée pour des pipelines destinés à être soumis aux très basses températures des régions polaires. On notera que plus cette est faible, plus sera limitée l'influence négative du soudage sur la résilience, en particulier aux très basses températures. Le PCm est habituellement défini par la formule suivante (les pourcentages sont pondéraux): PCm = %C + %Si/30 + (%Mn +%Cu +%Cr)/20 + %Ni/60 + %Mo/15 + %V/10 + 5%B On constate, en observant les valeurs données par ces tableaux, que les nuances CR selon l'invention permettent d'atteindre des caractéristiques mécaniques très élevées en termes de Rm et de Re, et sensiblement plus élevées que celles atteintes par les nuances connues actuelles A ou B, tout en présentant une ductilité résiduelle plus forte (A% et Z% très élevés). On observe également que le niveau de résilience des nuances CR de l'invention est très élevé, et notamment bien plus élevé que celui des nuances connues actuellement sur le marché. On constate aussi que, grâce à la composition chimique judicieusement choisie qui est à la base de l'invention, les caractéristiques mécaniques très élevées des l0 nuances CR selon l'invention sont obtenues sans dégradation apparente de leur aptitude au soudage (PCm des nuances CR inférieur ou égal à celui de la nuance connue A). L'acier selon l'invention est donc remarquable en ce qu'il présente une bonne aptitude à la déformation mécanique, à froid ou à chaud, en même temps qu'il permet d'obtenir des pièces présentant une résistance mécanique très élevée et une bonne usinabilité, ainsi qu'une aptitude au soudage préservée. Aussi, représente t'il, tant sous forme de barres que de fils laminés à chaud, une source d'approvisionnement privilégiée pour la production par forgeage à chaud sans revenu final, donc par simple refroidissement direct après la forge, de pièces mécaniques à hautes caractéristiques, comme les rampes d'injection pour l'industrie automobile devant travailler sous contraintes cycliques, ou comme des pièces de forge de gros diamètres avec des Rm de plus de 1100 MPA pour lesquelles sont requis à la fois une bonne résilience et une bonne ductilité, et ce avec un coût, tant de fabrication que de "matière première" spécialement maîtrisé. Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples qui viennent d'être décrits, mais qu'elle s'étend à de multiples variantes et équivalents dans la mesure où est respectée sa définition donnée dans les revendications jointes. REVENDICATIONS1. Nuance d'acier bainitique au carbone micro-alliée pour le forgeage à chaud sans revenu final de pièces à hautes caractéristiques mécaniques produites, caractérisée en ce que, afin de contenir sa teneur pondérale en molybdène en dessous de 0.6 %, sa composition chimique, outre le fer et les inévitables impuretés résiduelles provenant de l'élaboration de l'acier à partir de l'état liquide, répond à l'analyse suivante, donnée en pourcentages pondéraux: 15 0,005 % 3,5 N 0,001% 2- Acier au carbone micro-allié selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se présente sous l'aspect d'une barre laminée à chaud issue de la coulée 25 continue sous forme de billettes ou de blooms. 3-Barre laminée à chaud en acier au carbone micro-allié selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle présente une aptitude à produire, par 30 forgeage à chaud, des pièces mécaniques qui comportent une microstructure bainitique ou essentiellement bainitique et présentant une limite à la rupture de plus de 1100 MPa. 35 4- Pièce mécanique pour un usage sous contraintes mécaniques élevées, caractérisée en ce qu'elle est issue d'une barre laminée selon la revendication 3 forgée. 5- Pièce mécanique selon la revendication 4 caractérisée en ce qu'elle 40 constitue une rampe commune pour moteur à injection directe haute pression. 0,1 %