Brevet FR3014114A1 — publié le 20150605

ACIER MICRO-ALLIE DOMAINE TECHNIQUE Le présent exposé concerne un acier micro-allié, une pièce moulée réalisée en cet acier et le procédé de fabrication de cette pièce. Une telle pièce moulée peut être utilisée, par exemple, comme pièce de structure dans le domaine du transport ou celui de la construction. ARRIERE PLAN Les aciers micro-alliés sont des aciers dans lesquels certains éléments, io communément appelés "éléments de micro-alliage" ou "éléments de trace", ont été introduits volontairement en très petite quantité pour que l'acier présente une haute résistance et une bonne soudabilité. Les aciers micro-alliés acquièrent leurs propriétés par un durcissement structural. Les éléments de micro-alliage participent à ce durcissement en s'associant avec 15 le carbone et l'azote dissous dans l'acier, pour former des précipités de très petite taille. Parmi les éléments de micro-alliage connus, on peut citer le niobium, le vanadium, le molybdène et le titane. L'ajout de ces éléments de micro-alliage permet, notamment, de minimiser l'ajout de carbone et de manganèse et, 20 ainsi, d'améliorer la soudabilité de l'acier. Ces aciers sont utilisés dans des domaines où leurs atouts (résistance, déformabilité, tenue au choc, soudabilité) peuvent être exploités, comme le transport, le levage ou la construction. Leur utilisation permet souvent une réduction de poids. Parmi les aciers micro-alliés, on trouve des aciers à haute limite 25 d'élasticité ou aciers "HLE", et des aciers haute résistance faiblement alliés ou aciers "HSLA" (pour "high-strength low-alloy steel"). Ces derniers présentent, en particulier, selon la nuance considérée, une limite d'élasticité minimale comprise entre 325 et 650 MPa et un allongement à la rupture minimal de 17 à 28%. 30 Les aciers micro-alliés conventionnels, lorsqu'ils sont moulés par voie de fonderie, présentent une résilience plus faible et plus variable que lorsqu'ils sont mis en oeuvre par corroyage. La résilience correspond à l'énergie de rupture d'une éprouvette entaillée en V, en flexion par choc, lors d'un essai Charpy. Ainsi, la norme EN 10293 relative aux aciers moulés d'usage général, n'intègre dans son périmètre qu'un seul acier micro-allié : l'acier G10MnMoV6. Par ailleurs, les performances mécaniques de cet acier micro-allié connu restent modestes : pour une limite d'élasticité de 330 à 380 MPa et un allongement à la rupture de 18 à 22%, l'énergie de rupture est de 60 J à température ambiante et de 27 J à une température négative de 20°C. Comparativement, dans le cas des aciers micro-alliés corroyés, des énergies de rupture de 200 J sont couramment obtenues à température ambiante. Il existe donc un besoin pour une nouvelle composition d'acier micro-allié qui permette de réaliser des pièces moulées ayant une meilleure résilience. PRESENTATION GENERALE Le présent exposé concerne un acier micro-allié pour la fabrication, par voie de fonderie, de pièces moulées. La composition de cet acier est telle que: - la teneur en bore est comprise entre 5 et 80 ppm (i.e. entre 0,0005 et 0,008 % en poids) ; - la teneur en niobium est comprise entre 100 et 3000 ppm ; et - la teneur en azote est comprise entre 5 et 200 ppm. Cette composition d'acier permet d'obtenir, par fonderie, des pièces moulées présentant une meilleure résilience, comme illustré dans la description détaillée qui suit. Dans le présent exposé, il est fait référence aux teneurs massiques. Ainsi, la "teneur" d'un élément de l'acier désigne la teneur massique de cet élément. Dans certains modes de réalisation, la teneur en bore est comprise entre 10 et 40 ppm, la teneur en azote est comprise entre 50 et 150 ppm, et la teneur en niobium est comprise entre 500 et 1500 ppm. Dans certains modes de réalisation, la teneur en bore est comprise entre 10 et 40 ppm, la teneur en azote est comprise entre 50 et 80 ppm, et la teneur en niobium est comprise entre 800 et 1200 ppm. Dans certains modes de réalisation, la teneur en bore est comprise entre 10 et 25 ppm, la teneur en azote est comprise entre 50 et 80 ppm, et la teneur en niobium est comprise entre 800 et 1200 ppm. Dans certains modes de réalisation, la teneur en zirconium est inférieure à 100 ppm et, de préférence, inférieure à 10 ppm, cet élément ayant un effet néfaste sur la résilience de l'acier lorsqu'il est employé en association avec le bore et le niobium. Dans certains modes de réalisation, le rapport de la teneur en niobium à la teneur en azote est compris entre 10 et 20. Par ailleurs, dans certains modes de réalisation, le rapport de la teneur en bore à la teneur en azote est compris entre 0,1 et 0,8. De tels rapports améliorent la résilience de l'acier. On pense que ces rapports permettent d'obtenir un tel résultat en favorisant l'apparition de nitrures de bore et de nitrures de niobium. Dans certains modes de réalisation, la composition de l'acier est telle que : - la teneur en carbone est comprise entre 0,05 et 0,15% en poids; - la teneur en silicium est comprise entre 0,2 et 0,6% en poids; - la teneur en manganèse est comprise entre 1 et 1,8% en poids; - la teneur en soufre est comprise entre 0.002 et 0,02% en poids; et - la teneur en phosphore est comprise entre 0.005 et 0,02% en poids. Il s'agit ici d'une composition typique d'acier micro-allié. Le présent exposé a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce moulée en acier, dans lequel on réalise la pièce par voie de fonderie à partir d'un acier tel que précédemment décrit. Selon un mode de mise en oeuvre, la pièce moulée est soumise aux traitements thermiques suivants, dans cet ordre : un traitement 30 d'homogénéisation, un traitement d'austénitisation, un traitement intercritique et un traitement de revenu. Un traitement intercritique est un traitement thermique comportant un chauffage et un maintien entre les températures de transformation Aci et Ac3 de l'acier, suivi d'un refroidissement. Les températures Act et Ac3 sont respectivement les températures du début et de la fin de la transformation de la ferrite à structure cubique centrée en austénite à structure cubique à faces centrées. Selon un mode de mise en oeuvre, lors du traitement de revenu, la pièce moulée est portée à une température comprise entre 620 et 670°, en particulier entre 640 et 670°, pendant au moins 1 heure. La durée du 10 maintien en température est déterminée en fonction de l'épaisseur de la pièce, cette durée devant être suffisante pour garantir l'homogénéité des températures dans la pièce. Typiquement, cette durée est augmentée d'une heure par tranche de 25 mm d'épaisseur. Le présent exposé a également pour objet une pièce moulée réalisée 15 en un acier micro-allié tel que précédemment décrit. Cette pièce peut être fabriquée suivant le procédé de fabrication précité. Une telle pièce, du fait de ses bonnes propriétés mécaniques et de sa bonne soudabilité peut être utilisée, par exemple, dans le domaine de la construction, dans le domaine ferroviaire, pour des appareils à pression ou 20 en boulonnerie. Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit. DESCRIPTION DETAILLEE Des tests comparatifs mettant en évidence les avantages de 25 l'invention sont présentés ci-après. Ces tests sont donnés à titre illustratif uniquement, l'invention ne se limitant pas aux exemples d'aciers testés ayant donné les meilleurs résultats. Une première série de tests a été réalisée sur différents aciers micro-alliés - notés R, J, K, L, M, N, P, K et U - ayant subi les mêmes traitements 30 thermiques. Ces tests illustrent l'influence des éléments de micro-alliage et de leurs teneurs sur les propriétés mécaniques de l'acier. 301 4 1 1 4 L'acier R est utilisé comme référence. Il s'agit d'un acier micro-allié G1OMnMoV6 ayant la composition suivante: -teneur massique en carbone : 0,12% -teneur massique en silicium : 0,39% -teneur massique en manganèse : 1,25% -teneur massique en soufre : 0,005% -teneur massique en phosphore : 0,01% -teneur massique en molybdène : 0,33% -teneur massique en vanadium : 0,12% Les compositions des aciers J, K, L, M, N, P, K et U se distinguent de la composition de l'acier R uniquement par leurs teneurs en molybdène (Mo) vanadium (V), niobium (Nb), zirconium (Zr), azote (N) et bore (B). Le tableau 1 annexé en figure 1 indique ces teneurs. Il s'agit de teneurs massiques, exprimées en % ou en ppm. On notera, en particulier, que contrairement à l'acier R, les aciers J, K, L, M, N, P, K et U ne contiennent pas de Mo et V et contiennent certains éléments parmi Zr, Nb et B. Des essais de traction sur éprouvette ont permis de mesurer la résistance à la traction notée Rm et exprimée en mégapascal (MPa), la limite d'élasticité à 0,2% notée Rp0.2 et exprimée en MPa, l'allongement à la rupture noté A et exprimé en pourcents (%), et l'énergie absorbée par la rupture en flexion par choc d'une éprouvette entaillée en V lors d'un essai Charpy réalisé à une température négative de -40°C. Cette énergie de rupture, qui correspond à la résilience de l'acier, est notée KV (-40°C) et exprimée en joules (J). Deux ou trois essais Charpy ont été effectués pour chaque composition d'acier. La moyenne des résiliences mesurées lors de ces trois essais, notée "Moy. KV" a ensuite été calculée. Le tableau 1 annexé donne les résultats de ces essais. D'une manière générale, on notera que les aciers J, K, N, P et U répondent tous aux exigences de la norme EN 10293 relative aux aciers moulés d'usage général. Tous ces aciers présentent donc un intérêt, même si certains d'entre eux, i.e. les aciers J et N, ont une résilience inférieure à celle de l'acier R. Les aciers K, P et U sont d'autant plus intéressants qu'ils présentent une résilience supérieure à celle de l'acier R. Ces résultats mettent également en évidence le fait que l'association niobium-bore-zirconium (aciers L et M) a un effet néfaste sur la résilience de l'acier. En outre, les meilleures résiliences sont obtenues avec l'association niobium-bore, avec une teneur en niobium relativement élevée, et une teneur modérée en azote. La meilleure résilience, à savoir 171 J en moyenne, est obtenue pour l'acier U présentant une teneur en bore relativement faible. Cette résilience est nettement supérieure à la meilleure résilience obtenue pour l'acier R de référence, à savoir 127 J. Une deuxième série de tests a été réalisée sur des pièces de compositions identiques mais ayant subi des traitements thermiques différents. Ces tests illustrent l'influence du traitement thermique intercritique sur les propriétés mécaniques de l'acier. Toutes les éprouvettes testées ont été réalisées en acier micro-allié G1OMnMoV6. Un premier lot d'éprouvettes L1 a subi les traitements thermiques suivants, dans cet ordre : un traitement d'homogénéisation de 15 heures à 1020°C, un traitement d'austénitisation de 4 heures à 980°C suivie d'une trempe à l'eau et un traitement de revenu final à 650°C de 4 heures. Un deuxième lot d'éprouvettes L2 a subi les traitements thermiques suivants, dans cet ordre : un traitement d'homogénéisation de 15 heures à 1020°C, un traitement d'austénitisation de 4 heures à 980°C suivi d'une trempe à l'eau, un traitement intercritique à 810°C de 4 heures et un traitement de revenu final à 620°C de 4 heures. Les éprouvettes des lots L1 et L2 ont ensuite subi les mêmes essais que dans la première série de tests. Le tableau 2 ci-dessous donne les résultats de ces essais. 301 4 1 1 4 7 Tableau 2 L1 L2 Rm (MPa) 826 566 Rp0.2 (MPa) 750 409 A (%) 16 30 KV -40°C (J) 18 110 Ces résultats mettent en évidence le fait que le traitement intercritique fait certes baisser les caractéristiques mécaniques statiques, mais augmente 5 considérablement l'énergie de rupture KV. Des résultats analogues seraient obtenus pour les aciers J, K, L, M, N, P, K et U précités. Une troisième série de tests a été réalisée sur des pièces de compositions identiques mais ayant subi des traitements thermiques différents. Ces tests illustrent l'influence de la température du traitement de 10 revenu final sur les propriétés mécaniques de l'acier. Toutes les éprouvettes testées ont été réalisées en un acier micro-allié ayant la même composition que l'acier P de la première série de tests. Un premier lot d'éprouvettes LL1 a subi les traitements thermiques suivants, dans cet ordre : un traitement d'homogénéisation de 15 heures à 1020°C, un traitement d'austénitisation de 15 4 heures à 980°C suivie d'une trempe à l'eau, un traitement intercritique de 4 heures à 810°C et un traitement de revenu final à 620°C de 4 heures. Un deuxième lot d'éprouvettes LL2 a subi les mêmes traitements thermiques que le lot LL1 à la différence que la température du revenu final était de 650°C. Un troisième lot d'éprouvettes LL2 a subi les mêmes traitements 20 thermiques que le lot LL1 à la différence que la température du revenu final était de 670°C. Les éprouvettes des lots LL1 à LL3 ont ensuite subi les mêmes essais que dans la première série de tests. Le tableau 3 ci-dessous donne les résultats de ces essais. Tableau 3 Acier P Température revenu final (°C) 620°C 650°C 670°C Rm (MPa) 477 465 455 Rpo.2 (MPa) 294 308 301 A (%) 32 32 29 KV -40°C (3) 105, 86 118, 132 94, 112, 128 Moyenne KV 96 125 112 Une température de revenu final à 650°C améliore donc significativement l'énergie de rupture en flexion. Des résultats analogues seraient obtenus pour les aciers J, K, L, M, N, K et U précités. Les modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes ou exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans la portée de 10 l'invention. De plus, les différentes caractéristiques de ces modes ou exemples de réalisation peuvent être utilisées seules ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons 15 spécifiques décrites dans le présent exposé. En particulier, sauf précision contraire, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou exemple de réalisation. REVENDICATIONS1. Acier micro-allié comprenant : - une teneur en bore comprise entre 5 et 80 ppm ; - une teneur en azote comprise entre 5 et 200 ppm ; et - une teneur en niobium comprise entre 100 et 3000 ppm. 2. Acier micro-allié selon la revendication 1, dans lequel : - la teneur en bore est comprise entre 10 et 40 ppm; 10 - la teneur en azote est comprise entre 50 et 150 ppm ; et - la teneur en niobium est comprise entre 500 et 1500 ppm. 3. Acier micro-allié selon la revendication 2, dans lequel : - la teneur en bore est comprise entre 10 et 40 ppm; 15 - la teneur en azote est comprise entre 50 et 80 ppm ; et - la teneur en niobium est comprise entre 800 et 1200 ppm. 4. Acier micro-allié selon la revendication 3, dans lequel : - la teneur en bore est comprise entre 10 et 25 ppm; 20 - la teneur en azote est comprise entre 50 et 80 ppm ; et - la teneur en niobium est comprise entre 800 et 1200 ppm. 5. Acier micro-allié selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le rapport de la teneur en niobium à la teneur en azote est compris 25 entre 10 et 20. 6. Acier micro-allié selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le rapport de la teneur en bore à la teneur en azote est compris entre 0,1 et 0,8. 30 301 4 1 1 4 10 7. Acier micro-allié selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la teneur en zirconium est inférieure à 100 ppm, en particulier inférieure à 10 ppm. 8. Acier micro-allié selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel : - la teneur en carbone est comprise entre 0,05 et 0,15°/0 en poids ; - la teneur en silicium est comprise entre 0,2 et 0,6% en poids ; - la teneur en manganèse est comprise entre 1 et 1,8% en poids ; - la teneur en soufre est comprise entre 0,002% et 0,02% en poids ; et - la teneur en phosphore est comprise entre 0,005% et 0,02% en poids. 9. Procédé de fabrication d'une pièce moulée en acier, dans lequel on réalise la pièce par voie de fonderie à partir d'un acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la pièce moulée est soumise aux traitements thermiques suivants, dans cet ordre : un traitement d'homogénéisation, un traitement d'a usténitisation, un traitement intercritique et un traitement de revenu. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel, lors du traitement de revenu, la pièce moulée est maintenue à une température comprise entre 620 et 670 °C, en particulier entre 640 et 670 °C, pendant au moins 1 heure. 12. Pièce moulée réalisée en un acier micro-allié selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.