CA1070146A

CA1070146A - Procede d'elaboration d'aciers a usinabilite amelioree a partir de metal divise

Info

Publication number: CA1070146A
Application number: CA248,277A
Authority: CA
Inventors: Guy Mathern; Andre Gueussier; Roland Tricot; Jean Lefevre
Original assignee: Ugine Aciers
Current assignee: Ugine Aciers
Priority date: 1975-03-21
Filing date: 1976-03-19
Publication date: 1980-01-22
Also published as: PT64926A; PT64926B; DE2611337A1; DD123893A5; MX3386E; NL7603007A; IE43085B1; ES446085A1; ZA761678B; CH601463A5; LU74614A1; FR2304678B1; NO760924L; GB1499694A; SE7603456L; DK114776A; AT352159B; BE839790A; IE43085L; NO144325B

Abstract

Procédé d'élaboration d'aciers à usinabilité améliorée, grâce à la présence d'une ou plusieurs phases dispersées, dans lequel le ou les additifs destinés à réaliser cette dispersion sont mélangés au métal ou alliage de base à l'état divisé. Le mélange ainsi obtenu est compacté dans une gaine puis consolidé par corroyage à chaud à une température inférieure au point de fusion du métal ou alliage de base, jusqu'à obtention d'une densité pratiquement égale à la densité théorique. Ce procédé convient particulièrement à la préparation d'aciers inoxydables au soufre ou au plomb. Les inox au plomb ainsi préparés présentent, outre leurs caractéristiques d'usinabilité une grande résistance à la corrosion.

Description

4~
~a presente invention concerne un nouveau procédé
d'élaboration de produits métallurgiques compacts comportant une ou plusieuxs phases dispersées au moyen de matières de départ à
l'état divisé. Dans ce procédé, la consolidation de la charge est effectuée à l'état solide ou éventuellement avec fusion partielle.
~'invention concerne plus précisement l'élaboration ~ ;~
d'alliages métalliques et, en particulier, d'aciers dans lesquels ;
une phase disper~ée con~ère des caractéristiques spéciales d'apti-tude à l'usinage par enlè~ement de matière. Enfin, l'in~ention concerne, en particulier, un procédé de valorisation de produits ~ ~
métallurgiques à l'éta-t divisé, le plus souvent considérés comme ~' des déchets, tels que chutes de t81es~ tournures, copeaux, gre-nailles, grâce à leur consolidation, sans fusion, en métal masslf avec incorporation simu1tanée d'une phase dispersée.
De nombreuses recherches ont été faites, par le passé, en vue d'a~éliorer l'aptitude à l'usinage par enlèvement de copeau~, des aciers, à cause de l'incidence considérable des -frais d'usinage sur le prix de revient des produits ~inis. Ceci ' est vrai en particulier, pour les aciers destinés à la fabrica- '~~
tion de pièces mécaniques, pour lesquelles le poids de métal éliminé par usinage sous ~orme de copeaux, est important, souvent ' ~:~
même supérieur au poids de la pièce ~inie. Dans le cas des aciers inoxydables, de telles recherches ont une importance particulière, car la présence de fortes teneurs en chrome et en nickel, diminue beaucoup l'aptitude à l'usinage; les copeaux ont tendance ~ coller à l'outil de coupe, à se souder en quelque sorte à son ar~te, ce qui entraine une dégradation rapide, d~s que la vitesse de coupe dépasse un certain seuil; ce seuil est bien inférieur aux vitesses ~0 pratiquées couramment dans l'usinag~ des aciers ordinaires. Ces recherches ont abouti à la mise au point de nuances d'aciers, dans lesquelles l'aptitude à l'usinage a été accrue, grâce à l'intro-_ 1 -''': , , - .
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duction d'éléments spécialement choisis dont le rôle spécifique est maintenant bien connu. Parmi ce~ éléments, on peut citer des métallo~des, tels que le soufre, le sélénlum et le tellure, et aussi des métaux tels que le plomb, l'étain et le bismuth.
Il existe aujourd'hui de façon courante des nuances d'aciers normalisées dans les différents paye industriels comportant des additions de soufre, de sélénium ou de plomb. ~e tableau IJ
ci-après, nous donne quelques exemples choisis parmi les aciers de construction et parmi les aciers inoxydables.
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~0~ 6 Dans le ca~ du soufre et clu séléniu~ l'incorporation de ce~ elémen-ts est effec-tuée dans l'acier liquide a~ant la cou-lée. Au cours de la solidi~ication, on observe, suivant les cas, la séparation de sulfures ou de sélé~iure~ plu8 OU moin5 complexes. ~es quantités introduites sont, comme le montre le tableau I, de l'ordre de 0,10 % pour le~ aciers de construction et supérieures à 0,15 % pour les aciers inoxydables. Dan~ le cas du plomb, l'addition à des niveaux de teneur du même ordre de grandeur est également faite dans l'acier liquide; le plomb précipite aux joints de grains au cours de la solidi~ication.
Ces aciers au plomb ont un très grand intérêt, mai~
sont extrêmement difficiles ~ transformer à chaud. 3n effet, aux températures de travail à chaud de l'acier, les particules de plomb sont à l'état liquide et provoquent très ~acilement de~ ruptures par décohésion a chaud, m8me dans le cas où on se limite à de très faibles taux de déformation. aeci explique le .:. ~,., coût élevé de ces aciers et, par conséquent leur emploi limité.
Du point de vue aptitude à l'usinage, il a été montré
~; que l'addition de soufre, ou de sélénium, ou plus encore de plomb permet d'accroltre considérablement les per~ormances des outils de coupe. ~et accroissement se caractérise, ~oit par une durée d'utilisation accrue de l'outil à vites~e et profondeur de coupe égale, soit, à durée d'utili~ation égale, par des accroissements très importants de la vitesse ou de la profondeur de coupe9 de plus ces additions rendent les copeaux plus fragiles~
ce qui ~acilite leur dégagement et évite ou réduit le phénomène de bourrage ~ur les outils. Ce dexnier avantage est particulière-ment important dans le cas de~ travaux de perçage.
Jusqu'à maintenant, comme on vient de le voir, l'élabo-ration industrielle de ces produits a fait appel aux procédés con-ventionnel~ de la métallurgie classique avec les limitations qui en résultent, principalement au niveau de la fusion et de la tr~ns-,: ;,' - 4 - ;
7~1~6 formation à chaud. ~es inventeurs ont cherché a 9 ~ affranchir de ces limitations en mettant au point un procédé à la ~ois plu~
économique et plus souple. Il était intéressant, en particulier, de pouvoir réaliser directement de~ tubes, ronds, fils, plats et profils divers à usinabilité améliorée par l'addition d'éléments ou de composés choisis dans une gamme aussi large que possible, capables de confèrer à ces demi~produits des caractéristiques d'usinabilité adaptées à leur utilisation.
Pour atteindre ces résultats, les inventeurs ont eu l'idée inattendue de faire appel comme matiere première à des déchets de métal divisé de façon relativement grossière, tels -que des tournures9 des copeaux, des chutes de tôle, des grenail~
les, etc... ~a possibilité de consolider de tels déchets par compactage et filage est déja connueJ On peut citer, en parti-culier, le brevet GB 1 220 845, qui revendlque l'obtention de produits en acier par ~ilage à la pre~se à une température infé- ' rieure au point de fusion des déchets du même acier préalablement comprimés. ~e brevet US 3 626 578 precise les conditions néces-saires pour obtenir par le m8me procédé des produits métallurgi~
ques sains, soit en acier soit en un autre metal appartenant au groupe comprenant: ~i, Zr, Mo, Nb, ~a~ ou W.
Enfin, le brevet français 2 012 565 décrit également un procédé d'obtention à partir de copeaux de produits métallur-; giques compacts filés à la presse. Dans le mame brevet, on décrit la possibilité de modifier les caractéristiques des produits finis, en faisant subir aux copeaux préalablement comprimés jusqu'à 60 ;
à 80 % de la densité théorique, des traitements de déso~ydation, de carburation ou de nitruration; la possibilité est également envisagée de mélanger aux copeaux du métal de base, des poudres métalliques, dont la grosseur des grains est inférieure à 2 mm,afin de modifier la composition de l'alliage. ~es exemples mon~
trent, cependant, que de tels mélanges conduisent à des alliages - :
~ 5 - ~
.
de structure hétérogène, la diffusion de3 éléments d'addition ne pouvant pas se faire dans la masse durant le processu~ de consoli- :
dation à l'état solide.
Malgre les résultats décourageants obtenus ju~qu'alors, les inventeurs ont.constaté, de façon inattendue, qu'il était po~sible par mélange d'un metal ou alliage divisé avec un ou plusieurs addit'ifs convenablement choisis, suivi d'uneconsolida-tion à chaud, de réaliser une disper~ion suffisante, de la phase disper~ée, pour obtenir l'ef~et souhaité, du point de vue apti- ~:
tude à llusinage. ~es exemples non limitatifs, ci-aprè~, vont :
permettre de mieux comprendre les conditions de mise en oeuvre de l'invention.
EXEMP~ 1 Des chutes de tôle d'acier inoxyda.ble à 17 % de chrome, type AISI 430, 90US forme de morceaux de quelques cm de ~ :
long et environ 0,5 mm d'épaisseur ont été mélangées dans un mélangeur rotatif avec la quantité de eoufre pulvérulent oorre~
pondant à 0,5 % en poids du mélange. On a prélevé 9 kg de mélan-ge qu'on a compacté~ à froid à l'intérieur d'~e gaine cylindri- ~ .
~ue de 1 mm d'épaisseur et 97 mm de diamètre extérieur en acier ''~ ;
de même nuance, fermée à l'extrémité inférieure et placée à
l'intérieur de la matrice d'u~e presse verticale de 600 t. ~e compactage a été effectué au moyen d'un piston de 95 mm de dia-mère ~usqu'à obtention égale à 84 % de la den~ité théorique. ~a hauteur de remplissage des copeaux à l'intérieur de la gaine ;~
était alors de 180 m~. ~a gaine ainsi rempl:ie a ensuite été
sortie de la ~atrice, coupée au niveau de la surface supérieure -des copeaux comprimés et un cou~ercle en acier austénitique a été soudé pour fermer l'ensemble, de façon étanche. ~e lopin a ensuite été chauffé dans un four à 1250~C, puis transféré dan~ -; le container de 100 mm de diamètre d'une presse à filer d.e 800 t, aprè~ avoir été revetu d'une couche de poudre de verre destinée à
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~76~
,, servir de lubrifiant. Dans ces conditions, on a obtenu par fila-ge une barre cylindrique de 10 mm de diamètre et 14 ~ de long.
~es analyses ont montré une répartition homogène de sou~re avec une teneur moyenne de 0~5 % correspondant à la quantité introdui-te. ~a den~ité de la barre était égale à la valeur théorique.
~es examens métallurgiques ont montré que l'acier obtenu était sain, ~e ~oufre présent, sous for~e d'inclusions de sulfures était régulièrement réparti avec cependant une orientation pré-férentielle des particules dans le sens de filage. ~es essais d'usinage ont montré que l'usinabilité des barres ainsi obtenues était tout à fait comparable à celle des barre~ de la même nuance en acier au soufre obtenue~ par les procédés conventionnels.
EXEMP~E 2 On a mélangé dans les mêmes conditions que dans l'exem-ple 19 des copeaux d'usinage en acier austénitique 18-10, type -;
AISI 304, avec une quantité de poudre de plomb en grains de ' 500 ~m de diamètre moyen corre~pondant à 0,5 % en poid~ du mélan-ge. On a préle~é 9 kg de ce mélange que l'on a compacté~ à froid au moyen de la presse de 600 t dan~ une gaine en acier austéniti- ~;~2Q que de même nuance et dans les mêmes conditions que dansl'exemple a densité a atteint 81 ~0 de la densité théorique avec une hauteur de remplissage d'environ 180 mm. ~a gaine a ensuite été
re~ermée de la mame ~açon que dans l'exemple 1, puis le lopin ainsi réalisé a été préchauffé dans un four à 1300~C, puis intro~
duit dans le container de 100 mm de diamètre d'une presse de 800 ,. . ~ . :
t aprè~ avoir été revetu d'une couche de poudre de verre et enfin filé en une barre cylindrique de 10 mm de diamètre. ~es mesures ;~
de densité ont montré que celle-ci était égale à la valeur théori~
que. ~es analyses ont permis de vérifier que le plomb était ré- ~;
parti régulièrement dans la barre avec une teneur moye~ne de O,S %. ~ ~' ~es examens métallurgiques ont fait apparaître une répartition régulière de~ particules de plomb, avec cependant, une orienta-- 7 - ~ ,~
~L~17~46 tion préférentielle dans le sen~ du filage. ~e~ dimen~ions de ces particules étaient de l'ordre de 100 ~m de lon~ et 10 ~m de large. ~es essais d'usinage ont montre que l'u~inabilité de ces barres était tcut à fait comparable à celle des barres de rneme nuance, en acier au plomb obtenues par de~ procédés conven-tionnels. Il convient de noter, co~me cela a été précisé plu9 haut que l'usinabilité des aciers au plo~b eet encore bien supé-rieure, toutes choses égales, par ailleurs, à celle des aciers au soufre.
Sur la figuxe unique, on a reporté les courbes donnant la variation de l'effort axial de pénétration, en kgf, en fonc- ~ -tion de la vitesse de rotation en tours par minute dans un essai de perçage avec foret de diamètre 6 mm pour 4 aciers inoxydables ferritiques à 17 ~0 de chrome.
~a courbe 1 correspond à un acier à 17 % de chrome, type AISI 430 élaboré par ~usion et transformé de façon classi-que. ~es 3 autres courbes correspondent à des aciers obtenus par compression et filage d'un lot unique de métal de base type AISI 430 à l'état divisé sous forme de chutes de t8le, de fagon ~
analogue à celle décrite dans l'exemple 1. Dans le ca~ de la -~;
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courbe (2), aucune addition n'a été effectuée au rnétal de base.
Dans le ca~ de la courbe (3) on a mélangé avec les chutes une , :.
quantité de soufre pulvérulent correspondant à 0,25 ~ en poids ., ~ .
du mélange; enfin, dans le cas de la courbe (4), on a mélangé
avec les chutes une qua~tité de poudre de plo~b correspondant à
0,50 % en poids du mélange. -~'examen de ces courbes montre l'avantage très net ; des aciers au soufre ou au plomb, ces derniers étant de loin les meilleurs.
Par ailleurs, il a été constaté que les aciers au plomb suivant l'invention ont une excellente résistance à la cor-rosion, très supérieure à celle des aciers inoxydables au soufre.
.. . . . . :
.
1~7~6 Cette résistance à la corrosion a été évaluée à
partir de courbes de polarisation tracées en milieu }I2S04 2N
à 23~C. ~e critère utilisé est le courant de passivation: plus ce courant est élevé, plus la résista~ce à la corrosion est mauvaiseO On a comparé ain~i 4 aciers inoxydables austénitiques type 18-8 repérés de (5) à (8). ~'acier repéré (5) était un acier type AISI 304 élaboré par fusion et tra~sformé de façon classique. ~es 3 autres aciers ont été obtenus par compression et filage d'un lot unique de métal de base type AISI 304 à l'état divisé ~us forme de copeaux, de façon analogue à celle décrite dans l~exemple 2. Dans le cas de l'acier repère (6) aucune addi-tion n'a été effectuée aux copeaux du métal de ba3e. Dans le ~ ;
cas de l'acier repère (7) on a mélangé avec les copeaux une quantité de soufre pulvérulent correspondant à 0,3 ~ en poids du mélange. Enfin, dans le cas de l'acier repère (8) on a mélangé
aux copeau~ une quantité de plomb correspondant à 0,5 ~ en poids ;~
du mélange.
~es résultats obtenus après transformation sont donnés dans le tableau II~
TAB~EAU II
'~ _ _ _ _ .
REPERE DE ~'ACIER COURANT DE PASSIVA~ION
_ en A/CM2 8 1 ' ~;
On voit que la rési~tance à la corrosion de l'acier ;
au plomb obtenu par le procédé suivant l'invention est tout fait comparable à celle de l'acier obtenus par les procédés clas-siques sans addition. Par contre l'acier au soufre a une résis~
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tallce a la corrosion sensi~leme~t ir)Eerieure.
Lcs exemples qui viennellt d'être donnés, constituent des applications particulieres du procedé suivant l'invention, mais la portée cle ce procédé est beaucoup plus générale. Tout d'abord, parmi les métallo~des, on peut substituer au soufre, le sélénium ou le tellure, élémen-ts dont il est déjà connu qu'ils peuvent permet-tre des performances accrues. Le phosphore peut -~
être également utilisé. De meme, le plomb n'est pas le seul métal susceptible d'être utilisé pour favoriser l'usinabilité.
En eEfet, l'une des raisons du choix du plomb était son inso-lubilité à l'état solide dans l'acier, quand on fait appeL aux procédés métallurgiques conventionnels. A partir du moment o~
la consolidation de la charge est effectuée a l'état solide, les temps de préchauffage sont, en général, limités a des valeurs telles q.ue même les éléments solubles dans l'acier a l'état solide tels que l'aluminium, le cuivre ou le nickel, n'ont pas le temps de diffuser completement, et peuvent être conservés sous forme de particules réparties régulierement dans la matrice. Il est donc possible de substituer au plomb de tres nombreux métaux, tels que l'étain, l'arsenic, l'antimoine, le bismuth, l'aluminium, le cuivre, le nickel, le cobalt. On peut envisager aussi d'effec- -tuer des additlons mixtes constituées par plusieurs métaux ou ';
métalloides. On peut, de même, envisager d'u-tiliser comme addi-tifs des composés tels que des sulfures, des séléniures et meme certalns composés intermétalliques. De facon générale, la ~' quantité d'additifs introduite varie de 0,1 a 5~ en poids.
L'un des avantages essentiels du procédé est dû a l'utilisation de températures de transformation relativement ' basses bien inEérieures au point de fusion des aciers qui 30 permettent de disperser dans la structure des éléments ou des composés qui auraient perdu leur indiv1dualité, si on avait dû
fondre la charge~
Comme on le voit dans les exemples, le procédé $'appli-'; ''~ ' .
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7()~6 que très bien aux aciers inoxydables de divers types. Il con-~ient également aux aciers non allies ou peu alliés. Il s'ap plique aussi aux aciers résistants au fluage~ aux aciers ré-fractaires et aux superalliages. On peut également en~isager son emploi dans le ca~ des métaux ou alliages réfractaires tels que ~i, Zr, Nb, Ta, Mo, dont l'aptitude à l'usinage est particu-lièrement médiocre. ~e choix du ou des additifs à introduire dépendra évidemment des conditions d'utilisation du produit.
Il est encore possible dans ce procédé, d!:a~ustar la finesse et la répartition de la dispersion dans la rnatrice en jouant sur la grosseur des particules du métal ou alliage de ba~e, ainsi que sur la naturs~ la finesse et la quantité du ou des additifs qui donneront naissance a la phase dispersée. Pour faciliter le mélange entre le métal ou l'alliage à l'état divisé
et le ou les additifs, on peut faire appel à des substance~ vola-tiles jouan-t le role de liant telles que certaines huiles, par ;
exemple~ Ces substances liantes devront en général, être élimi~
nées par chauffage à des températures de l'ordre de 100 à 200~C, éventuellement sous pression réduite ou sous vide avant compacta~
ge ou encore après compactage, mais avant le scellement de la gaine. Il est encore possible de disperser le ou les additifs ~ ;
dans le métal ou alliage de base, en mouillant les particules ;~
solides de métal ou d'alliage de base au mo~en du ou des additifs à l'état liquide. Cette méthode peut atre utilisée chaque fois -~
que le point de fusion du ou des additifs est inférieur au point ;~
de fusion du métal ou alliage de base. Par exemple la méthode peut être facilement appliquée quand le métal de base est consti~
tué par des déchets d'acier inoxydable, et quand l'additif est un métal ou un alliage à bas point de fusion tel que Pb, Sn, Bi~
Sb, Se, Te. ~a quantité d'additif qui peut ~tre introduite par cette méthode dépend de la surface ~pécifique du métal de base ou de l'alliage, et de la température du bain. ~es déchets . . ~ , ~ 7~6 d'acier inoxydable peuvent ~tre introduits pendant un temps court dans le bain liquide contenant le ou les additifs, puis extraits et refroidis. Eventuellement l'excès de liquide peut ~tre enle-vé par exemple par centrifugation.
Afin de limiter la qu~ntité du ou des additifs il est possible d'introduire dans le bain liquide une partie seulement du lot de copeaux9 qui sera ensuite mélangee avec 10 reste du lot.
Il est po~sible aussi de pulvériser le ou le~ additifs liquides à la surface du métal ou alliage de ba3e à l'état divisé. Il est ainsi possible de contrôler plus facilement la quantité que l'on désire introduire. Cette méthode peut aussi être utilisée avec des additif~ qui ne sont pas des métaux à condition que leur point de fusion soit suf~isamment bas. C'est le cas par exemple du soufre.
Enfin, le taux de réduction au cours de l'opération de consolidation à chaud aura aussi un r81e déterminant. Cette consolidation sera faite, le plus souvent, par filage à la presse, elle pourra aussi 8tre réalisée par d'autres ~éthodes sans sor-tir du domaine de l'invention. On peut en particulier, ~aire appel à un laminage ~ chaud sous gaine, Il sera pratiquement toujours préférable de faire un premier compactage à froid ou ~ ~
éventuellement à ch~ud. Dans le cas où la char~e contient des - -métaux particulièreme~t réactifs, il pourra y avoir intérêt à
faire le premier compactage, puis le scellement sous atmosphère contrôlée ou neutre ou mieux encore sous vide.
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Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé permettant d'obtenir des métaux ou allia-ges à usinabilité améliorée grâce à la présence d'une ou plu-sieurs phases dispersées, caractérisé en ce que le ou les addi-tifs destinés à réaliser cette dispersion sont mélangés au métal ou alliage de base à l'état divisé, puis, en ce que le mélange ainsi obtenu est compacté dans une gaine, puis consolidé par corroyage à chaud à une température inférieure au point de fusion du métal ou alliage de base, jusqu'à obtention d'une densité
pratiquement égale à la densité théorique.

2. Procédé suivant 1, caractérisé en ce que le ou les additifs sont mélangés sous forme de particules avec le métal ou alliage de base.

3. Procédé suivant 1, caractérisé en ce que le ou les additifs sont mélangés à l'état liquide avec une partie au moins du métal ou alliage de base.

4. Procédé suivant 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on effectue la consolidation par corroyage à chaud par filage à la presse.

5. Procédé suivant 1, 2 ou 3,caractérisé en ce que le métal ou alliage de base divisé se trouve sous forme de tournures, copeaux, chutes de tôles, ou grenailles.

6. Procédé suivant 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que l'alliage de base divisé est un acier inoxydable ferritique, semi ferritique, austénoferritique austénitique.

7. Procédé suivant 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le ou les additifs destinés à être mélangés au métal de base sont choisis dans le groupe comprenant: S, P, Se, Te, Pb, Sn, Bi, Sb, As, Al, Cu, Ni, Co.

8. Procédé suivant 1, caractérisé en ce que le ou les additifs sont des composés contenant un ou plusieurs élements revendiqués en 7.

9. Procédé suivant 1,2 ou 3,caractérisé en ce que les quantités d'additifs introduites sont comprises entre 0,1 et 5 %.

10. Métaux ou alliages à usinabilité améliorée grâce à la présence d'une ou plusieurs phases dispersées obtenus par le procédé suivant la revendication 1.