Brevet FR3051803A1 — publié le 20171201

Alliage d'acier moulé, pièce et procédé de fabrication correspondants La présente invention concerne un alliage d'acier réalisé en fonderie, dont la composition comporte, entre autres, du fer (Fe), du carbone (C), du nickel (Ni) et du cobalt (Co). La présente invention trouvera son application principalement dans le domaine de la fabrication d'outillages en fonderie à partir d'un alliage d'acier, lesdits outillages étant utilisés ensuite dans le formage de pièces diverses, notamment elles-mêmes obtenues à partir d'un alliage comportant, par exemple, du titane. On connaît dans l'état de la technique des outillages réalisés en fonderie pour former des pièces en alliage de titane, à des températures allant de 400 à 1000°C. Les coefficients de dilatation de ces outillages sont relativement élevés (supérieurs à 17.10- 6 K-1). Or, de nouveaux procédés d'élaboration de pièces demandent un outillage avec un coefficient de dilatation thermique proche de celui des alliages à former, notamment pour les alliages en titane, de l'ordre de 10,3.10-6 K-1 à 830°C, dans la gamme de température utilisée par le formage. L'outillage doit également présenter une bonne tenue au fluage. En effet, une telle caractéristique permet d'éviter que les outillages ne se déforment à haute température. Pour les températures de formage au-delà de 400°C, il existe des outillages à faible coefficient de dilatation fabriqués uniquement en mécano-soudé. Cependant, ces derniers sont susceptibles de se déformer à haute température. Pour les températures de formage allant jusqu'à 400°C, on connait, dans l'état de la technique, des outillages réalisés en fonderie à partir d'un certain nombre d'alliages ayant un coefficient de dilatation thermique et une tenue mécanique acceptable, ce qui n'est pas le cas pour les températures plus élevées. On connaît ainsi la demande de brevet FR 3 025 807 également déposée par la demanderesse, et qui décrit un alliage de fonte à graphite sphéroïdal ou à graphite lamellaire, connu sous la dénomination Ferrynox N29K, et comprenant les éléments suivants : carbone (C) entre 1,2% et 3,5% - silicium (Si) entre 1,0% ou 1,2% et 3% - nickel (Ni) entre 26% et 31% - cobalt (Co) entre 15% et 20% et optionnellement : magnésium (Mg) entre 0,02% et 0,10% - manganèse (Mn) inférieur ou égal à 1,5% chrome (Cr) inférieur ou égal à 0,5% et/ou phosphore (P) inférieur ou égal à 0,12 ou 3051803 2 0,04% et/ou soufre (S) inférieur ou égal à 0,11 ou 0,03%, et/ou molybdène (Mo) inférieur ou égal à 0,5%, et/ou cuivre (Cu) inférieur ou égal à 0,5%, le reste étant du Fer et des impuretés inévitables. Cet alliage permet d'obtenir des outillages présentant un coefficient de 5 dilatation thermique intéressant, c'est-à-dire faible et stable, pour des températures allant jusqu'à 400°C. Les outillages ainsi fabriqués ont une application intéressante dans la fabrication de pièces en composite ou en matériaux thermoplastiques. Cependant, le coefficient de dilatation à des températures supérieures à 400°C est trop important. 10 Pour les températures supérieures à 400°C, il existe tout de même des alliages à faible coefficient de dilatation thermique pour des outillages réalisés en fonderie, mais leur tenue au fluage est faible. Or certains matériaux, comme des alliages de titane par exemple, ne peuvent être formés qu'à des températures supérieures à 400°C. 15 Par conséquent, les outillages utilisés pour leur formage doivent avoir non seulement un coefficient de dilatation thermique bas mais aussi une bonne tenue au fluage, afin d'éviter une déformation desdits outillages à des températures supérieures à 400°C lors du formage, par exemple, de pièces en alliage de titane. L'invention a pour but de permettre la fabrication par moulage d'une pièce en 20 acier dont la dilatation thermique est faible pour des températures élevées et notamment allant jusqu'à 1000°C, et présentant une bonne tenue au fluage. En particulier, l'invention a pour but de concevoir un alliage qui permet la fabrication d'un outillage ayant un coefficient de dilatation faible et une bonne tenue au fluage, y compris à des températures très élevées. 25 A cet effet, l'invention a pour objet un alliage en acier comprenant, en % en masse par rapport à la masse totale de l'alliage, les éléments suivants : - du carbone (C) entre 0,08% et 0,4%, - du silicium (Si) entre 0,15% et 2%, - du nickel (Ni) entre 24% et 31%, 30 - du cobalt (Co) entre 15% et 30%, - du niobium (Nb) entre 0,01% et 2,5%, le reste étant du Fer et des impuretés inévitables. Optionnellement, l'alliage de l'invention comprend du molybdène (Mo) à une teneur inférieure ou égale à 3% en masse et/ou du manganèse (Mn) à une teneur inférieure ou égale à 1,5% en masse et/ou du chrome (Cr) à une teneur inférieure ou 3051803 3 égale à 1,5% en masse et/ou du phosphore (P) à une teneur inférieure ou égale à 0,04% en masse et/ou du soufre (S) à une teneur inférieure ou égale à 0,03% en masse et/ou du cuivre (Cu) à une teneur inférieure ou égale à 0,5% en masse. Selon des modes particuliers de réalisation, l'alliage de l'invention peut 5 comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la teneur en nickel (Ni) est comprise entre minimum 24%, ou minimum 25% ou minimum 26% et maximum 30%, ou maximum 30,5% ou maximum 31% en masse ; - la teneur en cobalt (Co) est comprise entre minimum 15%, ou minimum 16% 10 et maximum 19%, ou maximum 27%, ou maximum 30% en masse ; - la teneur en niobium (Nb) est comprise entre minimum 0,01%, ou minimum 0,05% et maximum 1,5%, ou maximum 2%, ou maximum 2,5% en masse ; - la teneur en carbone (C) est comprise entre minimum 0,08%, ou minimum 0,1%, ou minimum 0,12% et maximum 0,2%, ou maximum 0,3%, ou maximum 0,4% 15 en masse ; - la teneur en silicium (Si) est comprise entre au minimum 0,15%, ou au minimum 0,2% et au maximum 1%, ou au maximum 1,5%, ou au maximum 2% en masse ; - la teneur en molybdène (Mo) est comprise entre au minimum des traces ou au 20 minimum 0,05% ou au minimum 0,5% et au maximum 1,2%, ou au maximum 1,5%, ou au maximum 3% en masse ; - la teneur en Manganèse (Mn) est comprise entre au minimum des traces ou au minimum 0,05%, ou au minimum 0,1% et au maximum 1%, ou au maximum 1,5%; - la teneur en cuivre (Cu) est inférieure ou égale à 0,5% en masse, de 25 préférence inférieure ou égale à 0,4%, de préférence inférieure ou égale à 0,3% en masse. - la teneur en chrome (Cr) est inférieure ou égale à 1,5% en masse, de préférence inférieure ou égale à 1% en masse, de préférence inférieure ou égale à 0,4% en masse, de préférence inférieure ou égale à 0,3% en masse. 30 L'invention a également pour objet une pièce fabriquée au moins en partie en un alliage d'acier, ledit alliage présentant une composition telle que définie ci-dessus. Cette pièce peut notamment consister en un outillage, dont le but est de permettre le formage d'autres pièces à partir d'alliages, par exemple à base de titane. En d'autres termes, ledit outillage fabriqué à partir de l'alliage de l'invention est 35 3051803 4 susceptible de recevoir un alliage à une température importante, entre 400 et 1000°C, et il doit avoir un coefficient de dilatation faible et une bonne résistance au fluage dans cette gamme de température. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une pièce telle que 5 définie ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : - on élabore un alliage en fonderie qui présente une composition telle que définie ci-dessus ; - on coule ledit alliage dans un moule pour obtenir ladite pièce. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va 10 suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique sur laquelle est représenté le comportement de dilatation thermique de quatre alliages (GX40CrNiSi25-20, GXX40NiCrSi38-19, Ferrynox N29K et Exemplel), dont un exemple d'alliage de l'invention (Exemple1), au moyen de l'évolution de leur coefficient de dilatation thermique moyen (en 10-6 m/m°C ou 10-6 K-1) en fonction de la 15 température (en °C) et en se référant également au tableau ci-dessous donnant les tenues au fluage de ces différents alliages. L'invention a pour objet une composition particulière d'alliage. Cet alliage permet d'obtenir des pièces dont le coefficient de dilatation thermique est faible et la tenue au fluage élevée jusqu'à une température de 1000°C. 20 La pièce est par exemple un outillage, en particulier un outillage pour former des pièces métalliques. Toutes les indications de composition sont données par la suite en % en masse de la masse totale de l'alliage. Un premier aspect de l'invention est la composition chimique de l'alliage. 25 L'alliage est un alliage d'acier moulé réalisé en fonderie. Son composant de base est le Fer (Fe). Il comporte aussi des impuretés inévitables résultant de l'élaboration dudit alliage. L'alliage comprend, outre le fer (Fe) et lesdites impuretés, du carbone (C) entre 0,08% et 0,4%, du Silicium (Si) entre 0,15% et 2%, du Nickel (Ni) entre 24% et 30 31%, du Cobalt (Co) entre 15% et 30% et du Niobium (Nb) entre 0,01% et 2,5%. La teneur en Nickel (Ni) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au moins 25% ou 26% et au plus 30% ou 30,5% en masse. La teneur en en Cobalt (Co) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au moins 16% et au plus 19% ou 27% en masse. 3051803 5 La teneur en Niobium (Nb) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au moins 0,05% et au plus 1,5% ou 2% en masse. La teneur en Carbone (C) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au moins 0,1% ou 0,12% et au plus 0,2% ou 0,3% en masse. 5 La teneur en Silicium (Si) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au moins 0,2% et au plus 1% ou 1,5% en masse. De plus, l'alliage peut comprendre du manganèse (Mn) à une teneur comprise entre des traces et 1,5%. La teneur en Manganèse (Mn) de l'alliage peut être de préférence comprise 10 entre au moins 0,05% ou au moins 0,1% et au plus 1,0% en masse. De plus, l'alliage peut comprendre du cuivre (Cu) à une teneur comprise entre des traces et 0,5% en masse. La teneur en Cuivre (Cu) de l'alliage peut être de préférence inférieure à 0,4%, plus préférentiellement encore inférieure à 0,3% en masse. 15 De plus, l'alliage peut comprendre du molybdène (Mo) à une teneur comprise entre des traces et 3%. La teneur en Molybdène (Mo) de l'alliage peut être de préférence comprise entre 0,05% ou 0,5% et au plus 1,2% ou 1,5% en masse. De plus, l'alliage peut comprendre du chrome (Cr) à une teneur comprise entre 20 des traces et 1,5%. La teneur en Chrome (Cr) de l'alliage peut être de préférence inférieure ou égale à 1% en masse, plus préférentiellement inférieure ou égale à 0,4% et, tout préférentiellement, cette teneur en chrome est inférieure ou égale à 0,3%. De plus, l'alliage peut comprendre du phosphore (P) à une teneur comprise 25 entre des traces et 0,04% en masse. De plus, l'alliage peut comprendre du soufre (S) à une teneur comprise entre des traces et 0,03% en masse. Depuis la fin du 1 9ème siècle, on connaît un alliage à base de fer à coefficient de dilatation faible qui est le Fe-Ni36. Cet alliage est connu sous l'appellation commerciale 30 INVAR 0. Dans sa composition, cet alliage comporte 36% en masse de nickel, le reste étant du fer. La courbe représentant le coefficient de dilatation des alliages fer/nickel présente une anomalie aux alentours des 36% de nickel : le coefficient de dilatation est 35 alors bien plus faible que pour les autres compositions. Cependant, ceci n'est valable 3051803 6 que pour des températures faibles, jusqu'à 130°C, au-dessus de laquelle le coefficient de dilatation de l'alliage n'est plus stable. Ainsi, la mise en oeuvre de cet alliage à des températures plus élevées n'est pas avantageuse. Divers alliages ont ensuite été développés à partir de cette base, notamment 5 avec le cobalt comme élément d'addition. Par exemple, l'acier fer/nickel/cobalt avec 32% de nickel et 5,5% de cobalt a un coefficient de dilatation plus bas que l'INVAR®, et surtout, il garde cette propriété à des températures plus élevées. Cependant, sa tenue en fluage à haute température est faible. On connaît des aciers réfractaires moulés (GX40CrNiSi25-20, GX40NiCrSi38- 10 19) permettant d'obtenir cette fois une bonne résistance en fluage à haute température (contrainte de rupture en 1000h respectivement égale à 28 et 30MPa à 900°C), mais avec un coefficient de dilatation élevé (respectivement 18,6 et 17,3.10-6 K-1 à 900°C). Selon des exemples, l'alliage comprend outre le fer (Fe) et les impuretés inévitables, uniquement les éléments suivants, dans les limites indiquées : 15 C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Co Nb Mini 0,08 0,15 traces traces traces traces 24 traces traces 15 0,01 Maxi 0,4 2 1,5 0,04 0,03 1,5 31 3 0,5 30 2,5 Exemple 1 0,14 1,49 0,14 0,014 0,008 0,12 28.22 0,0051 0,038 16,7 0,59 Exemple 2 0,13 1,1 0,4 0,015 0,007 0,11 27,79 0,01 0,045 25,1 0,64 Cet alliage est un acier moulé. Le coefficient de dilatation thermique de l'Exemple 1, comparé à des coefficients de dilatation thermique des trois alliages de l'état de la technique 20 (GX40CrNiSi25-20, GX40NiCrSi38-19, Ferrynox N29K) est indiqué sur la figure unique. Le coefficient de dilatation thermique de l'alliage présentant la composition de l'Exemple 1 est inférieur à 12,6*10-6 K-1 pour une température inférieure à 980°C. Plus généralement, on remarque que le coefficient de dilatation thermique de 25 l'alliage présentant la composition de l'exemple 1 est significativement inférieur au coefficient de dilatation des alliages normés GX40CrNiSi25-20 et GX40NiCrSi38-19, et ce dans quasiment toute la gamme de température qui a été testée, en particulier pour des températures élevées. 3051803 7 Par conséquent, l'alliage selon l'invention a un coefficient de dilatation bas à des températures comprises entre 400 et 1000°C, appliquées lors du formage de pièces en alliages de titane, ce qui est particulièrement intéressant. La tenue au fluage de l'alliage selon l'invention et présentant une composition 5 selon l'exemple 1 a également été testée, et comparée à celles des alliages GX40CrNiSi25-20 et GX40NiCrCrSi38-19 et à l'alliage connu sous l'appellation commerciale Ferrynox N29K. Plus précisément, et pour rappel, le Ferrynox N29K consiste en un alliage de fonte à graphite sphéroïdal, ou à graphite lamellaire, à faible dilatation et objet de la 10 demande brevet FR 3 025 807. La tenue au fluage est la suivante : Exemple 1 Ferrynox N29K GX40CrNiSi25-20 GX40NiCrSi38-19 Contrainte à la rupture (MPa) Contrainte à la rupture (MPa) Contrainte à la Contrainte à la rupture (MPa) rupture (MPa) 100h 1000h 100h 1000h 100h 1000h 100h 1000h à 700°C 85 68 70 52 100 80 80 à 800°C 62 46 49 33 75 50 90 50 à 900°C 39 25 21 14 47 28 48 30 à 980°C 21 14 12 8 28 16 28 17 La tenue au fluage de l'alliage d'acier selon l'invention présentant les teneurs 15 selon l'exemple 1 est beaucoup plus importante que celle de l'alliage dénommé Ferrynox N29K. Cette tenue au fluage améliorée est observée pour l'alliage de l'exemple 1 sur toutes les températures qui ont été testées et qui sont susceptibles d'être mises en oeuvre lors de la fabrication de pièces en titane, et que ce soit après 100h ou après 20 1000h d'exposition. En outre, la valeur de contrainte de rupture à 1000h d'une pièce obtenue à partir de l'alliage de l'exemple 1, à savoir 25 MPa à 900°C, est comparable aux contraintes de rupture des alliages GX40CrNiSi25-20 et GX40NiCrSi38-19, respectivement 28 et 30MPa à 900°C, tel qu'indiqué plus haut. Or, ces alliages 25 GX40CrNiSi25-20 et GX40NiCrSi38-19 sont considérés comme ayant une bonne résistance au fluage à haute température. 3051803 8 Un autre aspect de l'alliage selon l'invention est qu'il est soudable. Un second aspect de l'invention est une pièce fabriquée en un alliage tel que défini ci-dessus. La pièce est notamment un outillage. L'outillage peut comprendre seulement des portions en l'alliage selon l'invention ou être entièrement constitué de 5 cet alliage. Un troisième aspect de l'invention est le procédé de fabrication d'une pièce en un alliage selon l'invention. Tout d'abord, on élabore l'alliage en fonderie avec les compositions qui ont été décrites ci-dessus. En d'autres termes, on mélange les différents constituants dans les 10 teneurs qui ont été indiquées. Ledit alliage est ensuite coulé dans un moule de forme et de dimensions configurées pour permettre la fabrication de la pièce souhaitée, la pièce consistant par exemple en un outillage. Après l'étape de refroidissement, la pièce peut être traitée thermiquement. 15 L'alliage est notamment utilisé pour la fabrication d'outillages mis en oeuvre ensuite pour le formage de pièces métalliques (par exemple en alliage de titane). Le domaine technique peut être l'aéronautique. REVENDICATIONS1. Alliage d'acier caractérisé en ce qu'il comprend, en pourcentage en masse, les éléments suivants : - du carbone (C) entre 0,08% et 0,4%, - du silicium (Si) entre 0,15% et 2%, - du nickel (Ni) entre 24% et 31%, - du cobalt (Co) entre 15% et 30%, - du niobium (Nb) entre 0,01% et 2,5%, le reste étant du Fer et des impuretés inévitables. 2. Alliage d'acier selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre du molybdène (Mo) à une teneur inférieure ou égale à 3% en masse et/ou du manganèse (Mn) à une teneur inférieure ou égale à 1,5% en masse et/ou du chrome (Cr) à une teneur inférieure ou égale à 1,5% en masse et/ou du phosphore (P) à une teneur inférieure ou égale à 0,04% en masse et/ou du soufre (S) à une teneur inférieure ou égale à 0,03% en masse et/ou du cuivre (Cu) à une teneur inférieure ou égale à 0,5% en masse. 3. Alliage d'acier selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la teneur en nickel (Ni) est comprise entre au minimum 25% ou au minimum 26% et au maximum 30% ou au maximum 30,5% en masse. 4. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la teneur en cobalt (Co) est comprise entre au minimum 16% et au maximum 19% ou au maximum 27% en masse. 5. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la teneur en niobium (Nb) est comprise entre au minimum 0,05% et au maximum 1,5% ou au maximum 2% en masse. 3051803 10 6. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la teneur en carbone (C) est comprise entre au minimum 0,1% ou au minimum 0,12% en masse et au maximum 0,2% ou au maximum 0,3% en masse. 5 7. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la teneur en silicium (Si) est comprise entre au minimum 0,2% et au maximum 1% ou au maximum 1,5% en masse. 10 8. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la teneur en molybdène (Mo) est comprise entre au minimum 0,05% ou au minimum 0,5% et au maximum 1,2% ou au maximum 1,5% en masse. 9. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en 15 ce que la teneur en manganèse (Mn) est comprise entre au minimum 0,05% ou au minimum 0,1% et au maximum 1% en masse. 10. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que la teneur en cuivre (Cu) est inférieure ou égale à 0,4% en masse, 20 de préférence inférieure ou égale à 0,3% en masse. 11. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que la teneur en chrome (Cr) est inférieure ou égale à 1%, de préférence inférieure ou égale à 0,4%, de préférence inférieure ou égale à 25 0,3% en masse. 12. Pièce fabriquée au moins en partie en un alliage d'acier, caractérisée en ce ledit alliage présente une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. 30 13. Procédé de fabrication d'une pièce selon la revendication 12 caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : - on élabore un alliage en fonderie qui présente une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 ; - on coule ledit alliage dans un moule pour obtenir ladite pièce.