Brevet FR2958660A1 — publié le 20111014

Acier pour pièces mécaniques à hautes caractéristiques et son procédé de fabrication L'invention concerne les aciers pour pièces mécaniques à hautes caractéristiques, 5 obtenues par forgeage à chaud ou usinage sur barres. Certaines nuances d'acier permettent d'obtenir des caractéristiques mécaniques élevées sur une pièce forgée ou une barre brute de laminage, sans utilisation d'un refroidissement contrôlé ou d'un traitement thermique ultérieur. Elles reposent sur l'obtention d'une microstructure homogène bainitique. 10 De telles nuances sont déjà proposées, telles que celles faisant l'objet des documents EP-B1-0 787 812 ou EP-A-1 426 453, qui sont utilisées industriellement pour la production de pièces forgées pour moteur à explosion. Toutefois, pour obtenir des caractéristiques mécaniques élevées sur les pièces décrites dans ces documents, il est nécessaire, à moins de se limiter à des diamètres de l'ordre de 20 mm, d'utiliser des 15 teneurs en carbone supérieures ou égales à 0,25%. S'il est aujourd'hui possible de garantir une résistance à la traction de l'ordre de 1200 MPa après un refroidissement naturel, grâce, notamment à des nuances telles que celles décrites dans EP-A-1 426 453, l'obtention de ces caractéristiques mécaniques se fait souvent au prix d'une résilience inférieure ou égale à 30 J.cm-2. 20 Le but de l'invention est de proposer une nouvelle nuance d'acier pour pièces mécaniques qui, associée à des traitements thermiques et thermomécaniques adéquats, permet d'obtenir simultanément des propriétés mécaniques (résistance à la traction Rm, limite élastique Re, rapport Re/Rm, allongement à la rupture A, striction Z) avantageuses, et une résilience KCU améliorée par rapport aux aciers connus pour ce même usage. 25 A cet effet, l'invention a pour objet un acier pour pièces mécaniques à hautes caractéristiques, caractérisé en ce que sa composition, en pourcentages pondéraux, est : - 0,05% De préférence, 0,5% 5 V 5 0,3%. De préférence, 0,005% De préférence, la structure de l'acier est bainitique et contient au plus 20% au total de martensite et/ou ferrite et/ou perlite. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce d'acier telle qu'une pièce mécanique à hautes caractéristiques, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - on prépare un lopin ou une barre d'acier dont la composition est conforme à ce qui a été dit précédemment ; - on réalise un formage à chaud du lopin ou de la barre dans le domaine austénitique, par forgeage ou laminage ; - on refroidit le lopin ou la barre formé à chaud à une vitesse lui conférant une 30 structure bainitique renfermant au plus 20% au total de martensite et/ou de perlite et/ou de ferrite ; - et on procède éventuellement à un ou plusieurs usinages pour conférer à la pièce ses dimensions et son état de surface définitifs. Avant ou après le ou les usinages, on peut procéder à un revenu effectué entre 35 200 et 350 CC pendant 30 minutes à 4 heures. Le lopin ou la barre formé à chaud peut être refroidi naturellement à l'air calme. Le lopin ou la barre formé à chaud peut être refroidi à l'air soufflé. Comme on l'aura compris, l'invention repose sur une composition et sur son association à une structure métallurgique, celle-ci pouvant être obtenue par des moyens simples tels qu'un refroidissement à l'air calme ou soufflé. Les nuances de la présente invention permettent d'obtenir, en se basant sur un carbone dit « bas-moyen », et en abaissant le point de début de transformation principalement par l'incorporation de chrome et de manganèse, des résistances à la traction de l'ordre de 1200 MPa ou plus, pour des résiliences d'au moins 40 J.cm"2, pouvant même atteindre 70 J.cm-2. Toutefois, ces nuances offrent, dans la chaude de forge ou à l'état brut de laminage, des rapports Re/Rm de l'ordre de 0,6, et donc des limites d'élasticité significativement inférieures à celles obtenues sur des nuances trempées-revenues de même résistance mécanique. Mais, comme on va le démontrer, il est aussi possible, selon l'invention, par un revenu ultérieur à basse température, d'augmenter très significativement (de l'ordre de 25%) la limite d'élasticité, sans pour autant augmenter la résistance mécanique. Ce type de revenu est à distinguer des revenus parfois utilisés sur les aciers micro-alliés, conduits vers 550-650'C et qui permettent la précipitation d e carbures d'alliage. En effet, alors que ces derniers s'accompagnent souvent d'une perte importante de résilience, les revenus à basse température exécutés dans le cadre de l'invention ont un effet bénéfique sur la résilience (jusqu'à l'augmenter de 30% environ). On va à présent justifier le choix des gammes de composition pour les divers éléments de la nuance selon l'invention. Toutes les teneurs sont données en pourcentages pondéraux. La teneur en C est comprise entre 0,05 et 0,25%. Cet intervalle, dit « bas-moyen carbone» car sa limite supérieure se situe dans la zone basse des teneurs considérées comme des moyens carbones et sa limite inférieure appartient au domaine des bas carbones, permet une microstructure et dureté très homogènes même en présence de ségrégations. En particulier pour les teneurs en carbone inférieures à 0,2%, la dureté de microstructures martensitiques éventuellement présentes dans les zones ségrégées, n'est que légèrement supérieure à celle de la microstructure bainitique. De plus, ces teneurs en carbone permettent des ductilités et résiliences supérieures à celles obtenues, à même niveau de résistance mécanique, pour des teneurs supérieures à 0,25%. La teneur en Mn est comprise entre 1,2 et 2%. Le manganèse est utilisé, conjointement avec le chrome, comme principal élément pour abaisser la température de début de formation de la bainite (Bs) lors d'un refroidissement continu. Dans la mesure où une teneur en carbone relativement basse est utilisée, des teneurs relativement élevées en Mn sont requises, qui de plus doivent contribuer à satisfaire la condition imposée aux teneurs en C, Mn, Cr pour le calcul de Bs (voir plus loin). Le manganèse est limité à 2% pour éviter des problèmes de ségrégations trop prononcés. La teneur en Cr est comprise entre 1,2 et 2,5%. Dans la présente invention, Cr est utilisé au même titre que Mn, pour abaisser la température de début de transformation bainitique Bs. Les teneurs en C, Mn et Cr doivent de plus être telles que 830 û 270 C% û 90 10 Mn%û70 Cr% V est compris entre des traces et 0,3%, de préférence entre 0,05 et 0,3%. L'ajout de vanadium permet un durcissement supplémentaire ; toutefois, à l'encontre de ce qui se passe avec les aciers ferrito-perlitiques, ce durcissement ne semble pas se faire par précipitation; il est en effet démontré expérimentalement qu'après une déformation à chaud (forgeage à chaud ou laminage) et un refroidissement naturel, seule une très faible fraction du vanadium est sous forme précipitée. Tout comme le molybdène, le vanadium renforce l'austénite par précipitation et solution solide, et il peut donc indirectement contribuer à la finesse de la structure bainitique, d'où son effet durcissant. Son addition est limitée à 0,3% pour des raisons économiques. Cu est compris entre des traces et 1%. Il peut éventuellement être utilisé pour 25 contribuer au durcissement, mais entraînerait des difficultés de mise en oeuvre pour des teneurs supérieures à 1%. Al est compris entre des traces et 0,1%, de préférence entre 0,005 et 0,1%. Al est optionnellement ajouté pour assurer la désoxydation de l'acier et éviter la croissance excessive des grains austénitiques lors d'un maintien à haute température (par exemple 30 un traitement de cémentation) qui serait effectué sur la pièce ultérieurement à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. B est compris entre des traces et 0,005%, de préférence entre 0,0005 et 0,005%. Cet élément optionnel peut être utilisé pour les pièces de gros diamètres, particulièrement si la teneur en Mo est basse, afin de garantir l'homogénéité de la structure (limiter la 35 présence de ferrite). Dans ce cas, sera préférable de coupler l'addition de B avec une addition de Ti qui captera l'azote pour former de nitrures et éviter la formation de nitrures de bore. Ainsi tout le bore sera disponible pour jouer son rôle d'homogénéisateur de la structure. On devra alors avoir traces S est compris entre des traces et 0,1%. Comme il est bien connu, cet élément peut, le cas échéant, être laissé à un niveau relativement élevé, voire ajouté volontairement, pour améliorer l'usinabilité de l'acier. On lui confère alors une teneur de 0.005 à 0,1%. De préférence, on accompagne alors cette présence significative de S par une addition de Ca jusqu'à 0,006%, et/ou de Te jusqu'à 0,03%, et/ou de Se jusqu'à 0,05%, et/ou de Bi jusqu'à 0,05% et/ou de Pb jusqu'à 0,1%. Cette amélioration de l'usinabilité peut être recherchée en particulier pour les applications où la pièce est sollicitée en fatigue, ou pour les applications où ses propriétés mécaniques sont améliorées, au moins localement, par une mise en précontrainte suffisante pour empêcher la propagation des fissures (galetage des vilebrequins, autofrettage des rails d'injection à haute pression). Les autres éléments contenus dans l'acier selon l'invention sont du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, présentes à des teneurs habituelles. Les gammes préférentielles citées pour divers éléments sont indépendantes les unes des autres. Un acier qui se situerait dans une seule ou certaines de ces gammes préférentielles et pas dans les autres serait donc à considérer comme faisant partie de l'invention. Industriellement, la pièce peut être produite par un formage à chaud d'un lopin ou d'une barre présentant la composition décrite précédemment, tel qu'un forgeage à chaud ou un laminage à chaud, ou par un usinage d'une barre prête à l'emploi. Dans le premier cas, le procédé industriel fait intervenir une étape de mise en forme à chaud effectuée en phase austénitique (typiquement 1100-1250t), suivie d'un refroidissement naturel. Un des points importants de l'invention est la possibilité d'obtenir des caractéristiques mécaniques élevées sans utilisation de traitements thermiques après le forgeage ou le laminage, ni contrôle particulier très contraignant de la vitesse du refroidissement qui peut être effectué naturellement, à l'air calme. Néanmoins, si les installations le permettent, une adaptation du refroidissement pourra dans certains cas être utilisée, soit du fait du diamètre des pièces (avec des pièces de grandes dimensions, un refroidissement trop lent peut conduire à une apparition de ferrite et/ou de perlite en trop grande quantité), soit pour obtenir des caractéristiques mécaniques supérieures à celles qui seraient obtenues par un refroidissement naturel. Un refroidissement par air soufflé peut suffire à atteindre cet objectif. On devra cependant faire attention à ce que le refroidissement ne soit pas trop rapide au point de provoquer une apparition massive de martensite De plus, un traitement thermique de revenu à basse température (200 à 350 `C pour des durées de 30 minutes à 4 heures) permet d'obtenir, sur les nuances selon l'invention, une augmentation très significative de la limite d'élasticité sans augmentation de la dureté et sans diminution de la résilience. Selon les pièces concernées, plusieurs opérations d'usinage peuvent prendre place à la suite du forgeage ou du laminage et avant ou après le revenu pour obtenir les dimensions et caractéristiques de surface précises de la pièce finale. Les caractéristiques mécaniques étant obtenues par refroidissement naturel, elles sont également susceptibles d'être atteintes en partant d'une barre laminée à chaud prête à l'emploi, si celle-ci présente déjà la structure métallurgique recherchée (essentiellement bainitique) qui sera décrite plus loin. La composition des aciers de l'invention est telle que la probabilité de l'obtention naturelle de la structure visée après un simple refroidissement à l'air de la barre laminée à chaud dans des conditions usuelles n'est pas négligeable, si les dimensions de la barre conduisent à une vitesse de refroidissement adéquate. On présente par la suite des résultats obtenus avec des compositions d'acier selon l'invention et des compositions de référence. Ces résultats sont obtenus sur des coulées de laboratoire forgées en ronds de 40 mm, ou sur des coulées industrielles forgées en ronds de diamètre équivalent. Afin de permettre une comparaison significative des résultats, les caractéristiques mécaniques sont évaluées après une austénitisation à 10001 suivie d'un refroidissement naturel à l'air calme ou d'un refroidissement forcé à l'air soufflé. On ajoute de plus, à titre de référence, deux nuances bainitiques permettant d'obtenir des caractéristiques mécaniques élevées dans la chaude de forge, et déjà utilisées sur des vilebrequins, rails et autres pièces forgées à haute résistance mécanique : échantillons A (correspondant à EP-B-O 787 812) et B (correspondant à EPA-1 426 453). Les compositions de ces échantillons sont exposées dans le Tableau 1, ainsi que leur température de début de transformation bainitique Bs calculée comme précédemment exposé sur la base des teneurs en C, Mn et Cr.35 E c h C% Mn% Cr% Si% Ni% Mo% V% Autres Bs (t) A (Ref.) 0,25 1,52 0,84 0,80 0,17 0,10 0,19 Ti, B 567 B (Ref.) 0,29 1,13 1,15 0,80 0,20 0,12 0,18 Nb, Ti, B 570 C (Inv.) 0,18 1,62 1,51 0,18 0,17 0,19 0,09 530 D (Inv.) 0,16 1,68 1,54 0,94 0,06 0,20 0,09 Ti, B 528 E( Inv.) 0,21 1,78 1,38 1,06 0,10 0,19 0,09 Ti, B 517 F (Inv.) 0,18 1,60 1,54 0,86 0,96 0,19 0,20 Ti, B 530 G (Inv.) 0,18 1,53 1,45 0,97 0,10 0,17 0,09 Ti, B 542 Tableau 1 : Compositions et Bs des échantillons testés Les teneurs en Ti, Nb et B sont typiquement de 0,030%, 0,025% et 0,003% respectivement lorsque ces éléments sont présents. Le Tableau 2 présente les caractéristiques mécaniques mesurées sur les produits obtenus à partir de ces échantillons. Il convient ici de souligner que les résultats obtenus, en valeur absolue, ne doivent être analysés que dans le contexte précis auquel ils se réfèrent. En effet, il est fréquent d'observer des écarts dans les propriétés mécaniques obtenues sur des pièces forgées ou laminées de même composition mais de dimensions différentes, allant en général dans le sens d'une augmentation des caractéristiques mécaniques à diamètre équivalent. La hiérarchie entre les nuances examinées demeurera néanmoins identique pour des échantillons ayant tous les mêmes dimensions, qui seraient différentes de celles des exemples cités ici. La mention « AS » après la référence de l'échantillon signifie que le refroidissement a, dans son cas, été conduit à l'air soufflé. Ech. Structure Re Rm Re/Rm A Z (%) KCU (MPa) (MPa) (%) (J.cm-2) A bainite 666 1114 0,60 19 39 39 B bainite 739 1226 0,60 18 41 27 A-AS bainite 694 1119 0,62 14 30 32 C bainite 738 1185 0,62 15 53 50 D bainite 709 1173 0,60 14 44 44 D-AS bainite 759 1203 0,63 15 57 69 E bainite 796 1303 0,61 15 39 47 E-AS Bainite + 10% 989 1344 0,74 12 46 58 martensite F bainite 745 1213 0,61 17 49 44 F-AS bainite 774 1238 0,63 16 50 50 G bainite 769 1212 0,63 17 51 Tableau 2 : Caractéristiques mécaniques des échantillons après austénitisation et refroidissement Les caractéristiques mécaniques des exemples d'aciers selon l'invention C à G montrent donc une augmentation significative de la résistance mécanique par rapport aux nuances bainitiques moyen carbone A et B dont la teneur en carbone relève de la catégorie moyen-haut carbone. Les limites d'élasticité sont supérieures de 60 à 130 MPa et les résistances mécaniques de 70 à 190 MPa, toutes choses étant égales par ailleurs. Elles permettent également une augmentation de la résilience allant jusqu'à environ 100% par rapport aux nuances moyen-haut carbone (C : 50 J/cm2 contre 39 J/cm2 pour A, 32 J/cm2 pour A-As et 27 J/cm2 pour B), toujours toutes choses étant égales par ailleurs. Comme l'indique le Tableau 3, la structure est bainitique dans l'ensemble des cas, à l'exception de la coulée E-AS refroidie à l'air soufflé. En témoigne d'ailleurs le rapport Re/Rm qui s'établit à une valeur de 0.6 environ, typique d'une structure bainitique, sauf dans le cas de E-AS où de la martensite est présente et où Re/Rm prend une valeur plus élevée. Une présence de martensite n'est pas en elle-même rédhibitoire, dans la mesure où les caractéristiques mécaniques restent très élevées (en particulier si la résilience demeure supérieure à 40 J/cm2). Par contre, dans la mesure où la fraction de martensite formée est très sensible aux conditions exactes de refroidissement, on peut s'attendre à une dispersion importante des caractéristiques mécaniques sur des pièces réalisées dans des conditions industrielles pour lesquelles la maîtrise du refroidissement de la pièce ne peut être toujours optimale. Il est donc préférable de se fixer pour objectif de limiter la présence totale de martensite, de ferrite et de perlite à au plus 20%. Il faut toutefois souligner le rôle important de la dimension des pièces dans l'analyse des caractéristiques mécaniques : ainsi, si la nuance E refroidie à l'air soufflé présente de la martensite sur un rond de 40 mm de diamètre, on a constaté qu'elle permet, à l'inverse, de garantir une structure bainitique homogène sur diamètres de 50 à 300 mm. 10 Si une valeur de Re particulièrement élevée est recherchée, il est possible d'appliquer à la pièce un revenu à basse température, avant ou après l'usinage final. Comme le montre le Tableau 3, un tel revenu permet d'obtenir une limite d'élasticité supérieure de jusqu'à 200 MPa à celle obtenue après normalisation, et ce en conservant, voire en augmentant, la résilience (jusqu'à +25%) et sans augmentation de la résistance à la traction. L'usinabilité n'en sera pas affectée. On constate de plus que les résultats obtenus varient peu dans une plage de température de 250-350'C pour le revenu. Un traitement industriel pourra donc être réalisé aisément sans qu'une maîtrise très précise des conditions du revenu soit nécessaire. Ech. Traitement Re Rm Re/Rm A (%) Z (%) KCU (MPa) (MPa) (J.cm"Z) F sans revenu 745 1213 0,61 17 49 44 revenu 940 1184 0,79 12 59 59 300t, 2h revenu 937 1165 0,80 15 60 57 350t, 2h C sans revenu 738 1185 0,62 15 53 50 revenu 897 1156 0,78 15 58 250t, 2h revenu 920 1144 0,80 14 60 300'C, 2h revenu 912 1138 0,80 14 56 350'C, 2h Tableau 3 : Caractéristiques mécaniques obtenues après revenu REVENDICATIONS1. Acier pour pièces mécaniques à hautes caractéristiques, caractérisé en ce que sa composition, en pourcentages pondéraux, est : -0,05%5C50,25%; -1,2%5Mn 2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que traces 3. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que 0,8 4. Acier selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que Ni 5. Acier selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que 0,04% 5 Mo 5 0,5%. 6. Acier selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que 0,05% 7. Acier selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que 0,005% 8. Acier selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que 0,0005% 5 B _ 3,5 N%. 9. Acier selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que 0,005% 5 Ti 10. Acier selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que 0,005% 11. Acier selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que sa structure est bainitique et contient au plus 20% au total de martensite et/ou ferrite et/ou perlite. 12. Procédé de fabrication d'une pièce d'acier telle qu'une pièce mécanique à hautes caractéristiques, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - on prépare un lopin ou une barre d'acier dont la composition est conforme à l'une des revendications 1 à 10 ; - on réalise un formage à chaud du lopin ou de la barre dans le domaine austénitique, par forgeage ou laminage ; - on refroidit le lopin ou la barre formé à chaud à une vitesse lui conférant une structure bainitique renfermant au plus 20% au total de martensite et/ou de perlite et/ou de ferrite ; - et on procède éventuellement à un ou plusieurs usinages pour conférer à la pièce ses dimensions et son état de surface définitifs. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, avant ou après le ou les usinages, on procède à un revenu effectué dans une gamme de température de 200 à 350t pendant 30 minutes à 4 heures. 14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que le lopin ou la barre formé à chaud est refroidi naturellement à l'air calme. 15. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que le lopin ou la barre formé à chaud est refroidi à l'air soufflé.25