Brevet FR3064282A1 — publié le 20180928

Acier, procédé pour la fabrication de pièces mécaniques en cet acier, et pièces ainsi fabriquées La présente invention concerne l'utilisation d'un acier de composition déterminée pour la fabrication d'une pièce mécanique, typiquement une pièce sécable, et notamment pour la fabrication d'une bielle sécable pour moteur à combustion interne, et le procédé d'obtention de cette pièce. Certaines pièces mécaniques, telles que les bielles de moteur à combustion interne, sont constituées de deux éléments séparables assemblés par des moyens de fixation tels que des vis. Si, historiquement, dans le cas des bielles, les deux parties étaient fabriquées indépendamment puis usinées et assemblées, le développement du procédé de casse contrôlée s'est généralisé sur les quinze dernières années. Ce procédé, par lequel une seule pièce est désormais formée, par exemple par forgeage, puis cassée de manière contrôlée avant un réassemblage à l'aide de moyens de fixation, a permis une simplification considérable des chaînes de fabrication. Pour les pièces sécables fabriquées en acier, comme c'est souvent le cas pour les moteurs à combustion interne modernes, des nuances spécifiques sont utilisées (par exemple la nuance dite C70S6) ou ont été développées spécialement pour cet usage. Par exemple, le document EP-B1-0 779 375 décrit un procédé de fabrication d'une pièce sécable et l'acier utilisé à cet effet, ce dernier ayant une composition spécifiquement ajustée pour rendre l'acier apte à l'opération de casse contrôlée. De même, le document EP-B1-1 051 531 s'applique au même domaine technique, et décrit une nuance conçue pour améliorer les performances des pièces fabriquées, notamment par l'utilisation d'une addition de vanadium significative (0,20-0,50 % en poids). D'autres solutions ont été développées pour proposer des aciers adaptés à la fabrication de pièces forgées sécables telle que les bielles. On peut citer, notamment, les documents EP-B2-0 856 590, EP-B1-1 070 153, EP-A1-1 243 665, US-A-2006/000088, JP-A-2002356743. Il convient de noter deux points importants sur l'ensemble des aciers décrits dans les documents précédemment cités. Tout d'abord, l'ensemble des aciers des documents précités ont une structure ferrito-perlitique avec, dans certains cas, un taux de ferrite contrôlé. D'autre part, ces nuances sont spécifiquement conçues pour ne pas nécessiter de traitement thermique après le forgeage. 3064282 2 Ces nuances sont ainsi mises en oeuvre dans un procédé comportant typiquement les étapes suivantes : Dans un premier temps, on approvisionne un lopin obtenu par sciage ou cisaillage d'une barre laminée. 5 Puis on réchauffe le lopin à des températures typiquement comprises entre 1050 et 1280°C. Puis on donne à la pièce ainsi chauffée la forme souhaitée, par forgeage. Puis on laisse la pièce se refroidir, le plus souvent à l'air. Puis on procède à un nettoyage, par exemple par sablage, et à l'usinage de la 10 pièce. Enfin, on procède à la casse contrôlée de la pièce, et à son réassemblage, avec éventuellement des opérations d'usinage de finition. Dans la très grande majorité des procédés, les caractéristiques mécaniques sont obtenues à la fin du refroidissement, et peuvent d'ailleurs être modulées par l'utilisation 15 d'un refroidissement accéléré (utilisation de ventilateurs pour obtenir une convection forcée) ou ralenti (mise en caisse de la pièce) par rapport à un refroidissement naturel à l'air libre et calme. Dans de très rares cas et sur des applications très spécifiques, un traitement thermique de trempe et revenu peut être utilisé, pour atteindre des caractéristiques mécaniques supérieures, mais de telles gammes de fabrication ne sont 20 pas compatibles avec la fabrication de bielles sécables. Afin de répondre aux sollicitations toujours plus élevées rencontrées par les pièces mécaniques dans les moteurs à combustion interne, les aciers spéciaux pour la fabrication de pièces forgées ont subi une évolution constante. Dans le cas des aciers ferrito-perlitiques, l'utilisation de teneurs en vanadium de l'ordre de 0,2-0,3% a permis 25 d'atteindre des niveaux élevés de caractéristiques mécaniques sans pour autant nécessiter de traitement thermique (EP-B1-1 051 531). Ainsi, par exemple, sur les bielles sécables pour l'automobile (de section typique équivalente à un cylindre de 10 à 25 mm de diamètre) utilisant les nuances ferrito-perlitiques 36MnV4S ou 46MnVS6mod (K. Lipp and H. Kauffman, Schmiede- und Sinterschmiede-Werkstoffe für PKW-Pleuel, MTZ, 30 2011), on mesure des limites d'élasticité pouvant atteindre 850 MPa, contre 600-650 MPa sur des matériaux plus conventionnels. Ceci s'accompagne, bien entendu, de valeurs élevées de résistance mécanique, mais avec pour contrepartie une diminution importante de l'usinabilité. Les nuances de ce type ont toutefois atteint leurs limites pour ce type d'application. Une première limitation réside dans le fait que les propriétés mécaniques 3064282 3 citées précédemment ne peuvent être obtenues que sur des pièces de dimensions modestes (bielles pour moteurs de véhicules légers par exemple), et elles diminuent rapidement avec l'augmentation de la dimension des composants. Ainsi, la nuance 36MnV4S, qui permet d'obtenir une limite élastique conventionnelle Rp0.2 de 850 MPa sur 5 une bielle automobile (K, Lipp and H, Kauffman, Schmiede- und Sinterschmiede- Werkstoffe für PKW-Pleuel, MTZ, 2011), présente une Rp0.2 de 700 MPa sur une barre de diamètre 55 mm. Une seconde limitation tient à la grande sensibilité aux conditions de refroidissement des résultats obtenus avec ces nuances (déjà reflétée dans la sensibilité aux dimensions de la pièce), lorsqu'elles sont utilisées au maximum de leurs 10 performances. De ce fait, s'il est possible, en laboratoire, d'obtenir des valeurs de Rp0.2 atteignant 900-940 MPa, ces résultats sont difficilement transposables à une production industrielle. Les solutions techniques actuelles pour la fabrication de pièces sécables, et en particulier de bielles, sont donc aujourd'hui limitées aux niveaux de performances 15 mentionnés ci-dessus. Une évolution à première vue évidente pour l'homme de métier consisterait, par exemple, à augmenter encore les teneurs en V. Ceci serait toutefois peu efficace car seul le vanadium en solution solide avant refroidissement peut contribuer au durcissement par précipitation. Or, à des teneurs supérieures à 0,35-0,40%, il devient difficile d'effectuer 20 une remise en solution complète des précipités contenant du V, même pour les températures de forgeage communément utilisées (de l'ordre de 1250°C). Le but de l'invention est de proposer une nuance et un procédé de fabrication de pièces sécables permettant de dépasser les limitations soulignées ci-dessus avec en particulier : 25 - la possibilité d'obtenir des caractéristiques mécaniques élevées, se traduisant par un bénéfice mesurable sur les performances en fatigue et en tassement ; - la possibilité d'obtenir ces caractéristiques mécaniques de manière robuste, c'est-à-dire de rendre ces caractéristiques peu sensibles aux fluctuations des paramètres du procédé de mise en forme. 30 A cet effet, l'invention a pour objet un acier pour pièce sécable mise en forme à chaud, caractérisé en ce que sa composition consiste en, exprimée en pourcentages pondéraux : 35 - 0,15% C 0,40% ; de préférence 0,20% C 0,35% ; - 0,60% Mn 1,80% ; de préférence 0,80% Mn 1,60% ; - Traces Cr 1,60% ; 3064282 4 - Traces Mo 0,40% ; - Traces Ni 1,50% ; de préférence traces Ni 1,0% ; mieux traces REVENDICATIONS1.- Acier pour pièce sécable mise en forme à chaud, caractérisé en ce que sa composition consiste en, exprimée en pourcentages pondéraux : - 0,15% C 0,40% ; de préférence 0,20% C 0,35% ; - 0,60% Mn 1,80% ; de préférence 0,80% Mn 1,60% ; - Traces Cr 1,60% ; - Traces Mo 0,40% ; - Traces Ni 1,50% ; de préférence traces Ni 1,0% ; mieux traces Ni 0,60% ; - Traces Cu 0,80% ; - 0,02% V 0,70% ; - Traces Nb 0,08% ; - Traces Si 1,20 % ; de préférence traces Si 0,60% ; - Traces Al 0,10%; - Traces B 0,010%, - Traces Ti 0,10`)/0 ; - Traces S 0,15% ; de préférence 0,005% S 0,15% ; - Traces P 0,10% ; - Traces Ca 0,010% ; - Traces Te 0,030% ; - Traces Se 0,050% ; - Traces Bi 0,10% - Traces Pb 0,20% ; - Traces N 0,025% ; - Traces 0 0,008% ; le reste étant du fer et des impuretés liées à l'élaboration ; et pour laquelle les relations suivantes sont vérifiées : * V' = V% + 2 Nb% + Ce/0/5 k 0,18% ; Bs = 830 - 2700% - 90Mn% - 37Ni% - 70Cr% - 83 Mo% - 50Cu% - 100V% Bslim, avec Bs,;, calculé comme suit : Bs,;, = 530 + 330 (V' - 0,18), si 530 + 330 (V' - 0,18) est inférieur à 600 ; Bsli, = 600, si 530 + 330 (V' - 0,18) est supérieur ou égal à 600. 3064282 25 2.- Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que Ti k 3,5 N% si B 0,0010%. 3.- Acier selon la revendication 2, caractérisé en ce que traces N 0,010%. 4.- Acier selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que sa 5 microstructure comporte au moins 60% d'un mélange de ferrite bainitique et de carbures ou d'austénite résiduelle, le reste de la microstructure comportant au plus 40% de martensite et/ou de ferrite pro-eutectoïde et/ou de perlite, la présence de ferrite proeutectoïde et/ou de perlite étant limitée à au plus 10%. 5.- Procédé de fabrication d'une pièce mécanique, caractérisé en ce que : 10 - on met en forme à chaud en phase austénitique un demi-produit en acier dont la composition consiste en, exprimée en pourcentages pondéraux : * 0,15% C 0,40% ; de préférence 0,20% C 0,35% ; * 0,60% Mn 1,80% ; de préférence 0,80% Mn 1,60% ; * Traces Cr 1,60% ; 15 * Traces Mo 0,40% ; * Traces Ni 1,50% ; de préférence traces Ni 1,0% ; mieux traces Ni 0,60% ; * Traces Cu 0,80% ; * 0,02% V 0,70% ; 20 * Traces Nb 0,08% ; * Traces Si 1,20 % ; de préférence traces Si 0,60% ; * Traces Al 0,10%; * Traces B 0,010%, * Traces Ti 0,10% ; 25 * Traces S 0,15% ; de préférence 0,005% S 0,15% ; * Traces P 0,10% ; * Traces Ca 0,010% ; * Traces Te 0,030% ; * Traces Se 0,050% ; 30 * Traces Bi 0,10`)/0 * Traces Pb 0,20% ; * Traces N 0,025 ; * Traces 0 0,008% ; le reste étant du fer et des impuretés liées à l'élaboration ; et pour laquelle les relations suivantes sont vérifiées : 3064282 26 * V' = V°/0 + 2 Nir/o + Ce/0/5 k 0,18%; * Bs = 830 - 2700% - 90Mn% - 37Ni% - 70Cr% - 83 Mo% - 50Cu% - 100V% Bs,,,, avec Bsin calculé comme suit : Bs,;, = 530 + 330 (V' - 0,18), si 530 + 330 (V' - 0,18) est inférieur à 600 ; 5 Bs,;, = 600, si 530 + 330 (V' - 0,18) est supérieur ou égal à 600 ; - on réalise un refroidissement à l'air calme, ou à l'air pulsé, ou sous un capot ou en caisse dudit demi-produit, de préférence à des vitesses de refroidissement supérieures ou égales à 0,3 °C/s dans l'intervalle 750-550 °C etcomprises entre 0,1 et 5 °C/s dans l'intervalle 550-300 °C ; 10 - on réalise au moins un revenu dudit demi-produit refroidi à une température Trev comprise entre 450 et 680°C pendant une durée totab de 15 min à 10 h. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que Ti k 3,5 N% si B 0,0010%. 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que traces N 0,010%. 15 8.- Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'on réalise après le refroidissement suivant la mise en forme à chaud une mise en forme du demi-produit, par exemple par usinage ou conformage, qui rapproche les dimensions du demi-produit des dimensions définitives précises du produit sans modifier sa microstructure. 9.- Procédé selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'on réalise 20 après le revenu une mise en forme du demi-produit, par exemple par usinage ou conformage, qui confère au demi-produit les dimensions définitives précises du produit sans modifier sa microstructure. 10.- Procédé selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'on procède à une casse contrôlée de ladite pièce mécanique, qui est une pièce mécanique sécable. 25 11.- Procédé selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu'on procède à au moins un traitement thermique supplémentaire ultérieurement audit revenu , ledit traitement supplémentaire ayant un paramètre de revenu inférieur à celui dudit revenu. 12.- Pièce mécanique en acier, caractérisée en ce que : 30 - sa composition consiste en, exprimée en pourcentages pondéraux : * 0,15% C 0,40% ; de préférence 0,20% C 0,35% ; * 0,60% Mn 1,80% ; de préférence 0,80% Mn 1,60% ; * Traces Cr 1,60% ; * Traces Mo 0,40% ; 3064282 27 * Traces Ni 1,50% ; de préférence traces Ni 1,0% ; mieux traces Ni 13.- Pièce mécanique selon la revendication 12, caractérisée en ce que Ti k 3,5 N% si B k 0,0010%. 14.- Pièce mécanique selon la revendication 13, caractérisée en ce que traces N 0,010%. 15.- Pièce mécanique selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisée en ce 35 qu'il s'agit d'une pièce sécable. 3064282 28 16.- Pièce mécanique selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'il s'agit d'une bielle de moteur à explosion.