CA2144654A1

CA2144654A1 - Compositions d'aciers a outils

Info

Publication number: CA2144654A1
Application number: CA002144654A
Authority: CA
Inventors: Jean Bourrat
Original assignee: Individual
Current assignee: INDUSTRIELLE DE METALLURGIE AVANCEE Ste
Priority date: 1992-10-09
Filing date: 1993-10-05
Publication date: 1994-04-28
Also published as: EP0663018A1; WO1994009170A1; US5622674A; EP0663018B1; DE69311125D1; ATE153709T1; FR2696757A1; DE69311125T2; ES2104178T3; FR2696757B1

Abstract

Composition d'acier à outils comprenant, exprimée en poids, 2,5 à 5,8 % de Cr, au plus 1,3 % de V, au plus 0,8 % de Si, lorsque la teneur en Mo est comprise entre 0,75 et 1,75 % et au plus 0,35 % de Si lorsque la proportion de Mo est de 2,5 à 3,5 %, 0,3 à 0,4% en poids de C. Procédé de préparation et de mise en forme de tels aciers. Pièces ainsi obtenues.

Description

COMPOSITIO~S D'ACIERS A OUTILS

La présente inventlon concerne une fam$11e d'~clers dits ~ 3-5% en polds de chrome ~ui sont utllisés pour la fabrlcatlon d'out~llages réslst~nt ~ la chaleur et sous fortes contraintes, tels ~ue les m~trlces d'estampage et de forge~ge et les matrices de coulée sous p~ession ou de coulée statl~ue d'alltages dlvers comme les alliages d'nluminium ou de tltane.
De tels aclers conttennent en général de 3 ~ 5% en polds de chrome, blen que des teneurs de 2 à 6% puissent ~tre observées. Plus préclsément, ils c~nent essentiellement trols fam$11es de c~itions ~ul, blen ~ue dlff~rant légèrement les unes des autres, confèrent des proprlétés physlques proches, de sorte ~ue ces composltlo~s d'aclers sont mlses en oeu~re pour les m~mes applicat$ons. Il s'aglt de co~itions .en~nt, exprimes en polds, de l'ordre de 5% de Cr, 1,3% de ~o, 0,5 à 1,3% de V, ou d'autre part, 3% de Cr, 3~ de Mo, 0,5% de V, ou enfln, 5% de Cr, 3% de ~o, 0,8% de Y.
Depuis plusleurs décennles, l'utlllsation de ces aclers est généralisée dans les forges, pour la réalisatlon de pièces forgees ou m trlcées sur ~e.~es et sur pllons. et dans les fonderies d'alllages l~gers, par exemple pour la réalisatlon des matrlces pour plèces moulées en aclers ou alliages légers destln~es l'auto bile, telles ~ue carters de botes de vltesses, d'em~rayage ou de moteur.

FElJILLE DE REMPL~CEMENT

W094/09170 PCT/FR93/009 ~
214~6~ 2 Certains de ces aciers sont deslgn~s dans la nomenclature des Etats-Unis d'Amerique AISI par les dénominatlons H 11, H 12, H 13,-dans la nomenclature DIN
p~r les dénominations W-1.2343, W-1.2606 et W-1.2344. La norme française ~FA 35590 définit également des compositlons analogues.
Une teneur en sillcium, élément durcissant, ~oistne de 1% en polds confère aux pièces mécaniques des r~sistances élevées, de 1'ordre de 1800 MPa, ou plu5.
Cette résistance n'est pas recherchée dans les emplols envlsagés de forge, sauf pour des pièces très plates, et ~amais dans les matr~ces sous pression d'aluminium, pour lesquelles une dureté Rockwell C ~H~C) lnférieure ou égale ~ 48 est suff~sante.
Il est connu, en particulier pour les aciers dits 3-5% de chrome, qu'un traitement thermique de recult réussl impllque de fa~on lnéluctable un traitement thermlque de quallté réussi. Ainsi, la finesse et l'homogénéité de la microstructure du produit fini traité pour emp~oi dérivent de celles observées apres recutt. C'est pourquoi les professionnels utillsent coura~m~nt une charte de microphotographies de structures à l'état recuit, définissant les mlcrostructures conformes et les mlcrostructures non conformes.
Cet usage, géneralisé ~ l'heure actuelle, a progressivement fige les conditlons d'élab~ration, de transformatlon thermomecanique et de recuit. De plus, on s'est aperçu ~ue l'affinage de la structure de recult est condltlonné par l'homogénéisation de la structure dans le domalne de 1'aust~nite, ce qui impose d'éviter la présence de carbures primaires, et par la dlspersion coherente des précipttés de carbures secondaires ~k9C~ ~M = Cr, Fe, Mo,...) au Cours des traitements thermlques ultérieurs.

~:EUILLE DE REMPLACEME~T

2 14 4 6 ~ 4 PCT/FR93/00979 La demanderesse a pu, d'autre p~rt, montrer que cert~ines zones d'~pp~rences plus grossieres, p~rfois aigulllées d'allure b~initique, tout p~rtlculièrement ~ur les produits de forte section, présentent des teneurs plus ~lev~es en silicium.
P~rt~nt de ces considér~tlons fondamentAles, des aclers ~ux structures de recult ho gènes convenables ont été mis au polnt.
A cet effet l'lnventlon a pour ob~et deu~ types de c~yo~ltlons d'~cler ~ outils.
Le premier type de c~rncltlon d'~cier ~ outils selon l'invention c~ nd, exprlmes en polds 4,5 ~ 5,~% de Cr, 0,~5 ~ 5% de ~o, au plus 1,3X, et de préférence 0,25 ~ 0,50% de V, au plus 0,8%, et de préférence au plus 0,35% de Sl, - 0,3 ~ 0,4'~ de C, et en outre, le c~s échéant, au plus 0,8 de ~n, et/ou au plus 1,5% de W, le complément ét~nt constltué de Fe, d'~dditifs et lmpuretés h~bituels, ~i constltuant, ~ventuellem~nt, une impureté, à
r~lson de 0,5% au plus.
Le second type de c~itlon d'~cier à outils selon 1'lnvention c~,end, exprim~s en polds 2,5 ~ 5,5% de Cr, 2,5 ~ 3,5% de Mo, au plus 1,3% de V, au plus 0,35~ de Si, 0,3 ~ 0,4% de C, et en outre, le cas échéant, au plus 5% de Co, le complément ét~nt constltué de Fe, d'additifs et d'lmpuretés habituels.
~e telles compositions procur,ent une homogénéls~tion de la structure de recuit, d'aut~nt plus dlfflcile à
obtenir que la sectlon des pièces est plus importante, en supprim~nt la formatlon des zones ferritiques plus I~EUILLE DE REMPLACEMENT

21l~654 4 riches en silicium, ain~i ~ue lescarbures primaires dont la mise en solution est tou~ours difficile.
En outre, ces deux dificatlons n'occasionnent pas de révislon importante de la gamme de traitement thermique dans les do~lnes d'utllisation~ cart que l'on pourrait constater, sur les valeurs de résistance et de limlte élastlque peut facilement être compensé par un réglage de la temperature du deuxlème revenu, ~ui est ~ la port~e de tout spéciallste~
D'~utre part, l'abaissement de la teneur en silicium n'a pas ou a peu d'influence sur la tenue ~ l'oxydation de l'acier, ~usqu'~ ses températures maximales d'emploi, c'est-à-dire dans le domaine de la forge ~600-650 C).
Par contre, l'ho généité de macrostructure ~structure en bandes moins mar~u~e) et de microstructure sont des garants de ~onne tenue en service, c'est-à-dire de bonnes caractéristlques en ce qul concerne 1A ténacité, la fatigue mécanique, la fatigue thermique.
Selon un mode de réallsation préféré, les compositions selon l'invention comprennent 0,32 à 0,3~, et de façon particulièrement préférée, 0,34 à 0,36'~ en poids de C.
~n outre, les proportions en phosphore, antimoine, étain et arsenlc, exprimées en % en poids, satlsfont ~vantageusement aux relations - P ~ 0,008 %, - Sb ~ 0,002 X, - Sn ~ 0,003 %, - As ~ 0,005 %~
- la v~leur exprlmée par la relation de Bruscato B = ~10 P + 5 Sb + 4 Sn + As) x 10-Z
étant au plus égale ~ 0,10%.
Un second ob~et principal de la présente invention ~nslste en un procédé de préparatlon et de mlse en forme d'acier présentant une composition conforme ~ la descriptlon ~ui précede, procédé ~ui comporte une I~EUILLE DE REMPLACEMENT

~ 094/09170 21 ~ 1 6 S 4 PCT/FR93/00979 refusion par électrode consommable sous vide ou par électrode con~l ble sous laitier ou par ces deux moyens combinés, la mise en forme étant de préférence effectuée par transformation the~ canique telle que forgeage ou lamlnage, ou par moulage. Le procédé selon l'lnvention comporte en outre avantageusement - un traitement thermique complet par mlse en solution ~ des températures comprises entre 950 et llOO C, de préférence entre 980 et lOlO-C, puis - une trempe à l'air dans un fluide Jusqu'à la température ambiante, ou une trempe étagée entre 250 et 450'C, de préférence entre 250 et 280'C, puls - une sérle d'au molns deux revenus pour régler la dureté vlsée.
La trempe est avantageusement effectuée entre 7i50 et 280'C, c'est-à-dlre en-dessous du polnt M8 CMartensite start) dans un fluide, par exemple un bain de nitrate.
Deux revenus au molns sont reCom~n~s~ le premier au pic de durcissement secondaire (550/560'C), le second dans le domaine de survielllissement ou "overaging", c'est-a-dire ~ une température supérleure ou égale à
570'C. C'est le réglage de la température du deuxlème revenu qui confère la dureté au prodult traité.
Un troisième ob~et de l'invention est une pièce d'acier de compos$tion précédemm~nt décrite, de préférence fabriquée conformément ~ un procédé également décrit précédem~nt.
De telles pièces sont notamment de~tinées, de façon appropriée, ~ la fabrication d'outils ou de pièces mécaniques travaillant ~ hautes températures et sous fortes sollicitatlons, et, en particulier, matrices de forge, d'estampage, de coulées sous pression ou par gravité d'aciers et d'alllages divers légers tels qu'alliages d'aluminium ou de type ~amak ou d'alliages de titane.

FEUILLE DE REMPLACEMENT

PCTIFR93 / O oN~V/,593 Les exemples sui~ants illustrent la présente i~vention.
~ Les prapriétés mécaniques de deux aciers 3 et 4 selon l'invention, dont les compositions en ~ en poids sont ~ 5 consignées dans le tableau 1 oi-dessous, ont été
- comparees ~ celles des aciers 1 et 2 représentatLfs de l'art antérieur, l'acier 1 étant l'acier ~I~ W-1.2343, l'~cier 2 étant l'acier 1 ayant subi une refusion TABLEA~ 1 C a,36 0,34 Si 0,33 0,33 Mn 0,35 0,35 S t 0011 0S 00lo P 0,015 0,006 ~i 0,24 0,040 Gr 5,18 5,17 1,25 1,25 ~ 0,053 0,048 Al 0,~06 0,007 Co <0,~7 <0,020 Sn 0,0043 0,0028 As 0,077 0,004 Sb 0,009 0,008 E~emrle 1 Pour les aciers 1, 2, 3 et 4, on a mesuré à
différentes températures la résistance totale ~ la traction R {MPa~, la llmite élastique E C~Pa? à 0,2%
d'allongement, l'allongement A C%) et la strictlon ~ C%), après double revenu à 550-560'C, _ pour un niveau de résistance totale ~ la traction de 1700-1800 ~Pa Cta~leau 2), et - pour un ni~eau de résistance totale ~ la traction de 1300-1400 ~Pa Ctableau 3).

FE~L~ ~E F~E~11PLA~EME~l~

~10 94/09170 21 4 4 6 5 4 PCI`/FR93/00979 æ æ

~ ~ O

x~O 0 as ~ ~ ~ ~ ~

'1 O
X ~ S
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~ C ~ ~ ~ ~ m O~
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` ~ ~ x ~o ~ x S
~ ~ o -- ~ V~ o- ~ o-o - - - - o Y x x ~- ~ ~ ~ ~ ~ ,.-, /
/ .,~ / ~ ~ N
~ / ~

FEUILLE DE REMPLACEMENT

WO94/09170 2 ~ 4 46S 4 PCT/FR93/0097 Pour le niveau de resistance totale ~ la traction de 1700-1800 MPa, les caractéristiques des aciers selon l'invention sont légerement déficitaires. Pour le niveau de 1300-1400 MPa, les diff~rences sont estompées.
Pour les deux niveaux, les valeurs des caractéristiques ~traction rapide en température> sont identiques dès 500~550'C, c'est-~-dire dans le dom~ine d'exploitation i~dustrielle.
Il est ~ noter, de plus, ~ue les caractéristlques m~canl~ues déficitaires dans certains cas, des aciers selon l'inYentlon, =ont cependant suffisantes en matière d'outillages, où des caractéristiques supérieures ne sont ~ue rarement exigées.
~xe~le ~
On procède, sur les aciers 1, 2, 3 et 4, ~ des essais de flexion en mesurant l'énergie de rupture Cen ~oules) sur éprouvettes non criquées - E~C - de type Charpy V, c'est-~-dlre sur éprouvettes ~ entaille en V, pour un niveau de résistance totale ~ la traction R = 1300-1400 MPa ~42 + 1 H~C~. Les résultats sont consignés dans le table~u 4 ci-dessous.

Se~
~ ~ T~e~
acier

4 93 59 ~:EUILLE DE REMPLACEMENT

~o s4/usl7n 214 4 6 5 ~ rCT/~R93/00979 ~xem~le 3 On mesure t sur les mèmes aciers qu'aux e~emples précédents, l'energie de rupture ~en joules) obtenue par extrapolation pour une profondeur de fissure tendant vers ~ero, ou énergie de crique nulle - ECO -, au moyen d'éprouvettes traitées au niveau de 42 + 1 HRC.
Cet essa~ sert de ~rltère pour mesurer la sensibilité
la fissur~tion en présence d'une crique. On peut le résumer de la manière suivante.
L'eprouvette de Charpy V est prefissurée ~ fond d'entaille et rompue après préfissuration sur un mouton Charpy V de 30 Joules.
Après rupture, on peut caracteriser sur la cassure, la profondeur inltiale de la fissure de fatigue et celle de la rupture brutale. On démontre également qu'il y a proportionnalité entre energies de rupture et surfaces de rupture.
La détermination de l'energie de crique nulle se fait en extrapolant la drolte mesurant l'énergie de rupture tot~le en fonction de la profondeur de prefissuration à
p~rtir du point ~énergle O~pro~ondeur de crique = 8mm), ~usqu'à profondeur de crique nulle, c'est-à-dire, ~usqu'à l'axe des y.
L'énergie de crique nulle represente l'énergie de déchirure; elle est toujours inférieure a l'énergle de rupture sur eprouvette classique non criquee. La différence mesure l'énergie de déformation plastique localisée ~ fond d'entaille.
Certaines ~prou~ettes, après traitement pour une dureté de 42 ~RC, n'ont pas subi de vieillissement;
certaines autres ont subi un vieillissement de 50 heures a 550-G. Ces essais ont permis d'apprécier la susceptibilité à la fissuration qui decroit quand on evolue de la nuance 1 et 2 a la nuance 3 et enfin à la nuance 4. Leurs }esultats son~ consignés dans le tableau

5 ci-dessous.
FEUILLE DE REMPI~CE~NT

WO94/09170 PCT/FR93/009 ~

TAB~EAU 5 ' .
Sens LO~G TRAVERS
V~eilli Vieilli Acier Nonneilli Non~eiIIi S~ISOh S~ISOh ~1 I7~ 18 IS~ 17 2 29~ 20 l9~ 16 3 ~ 3S 23 4 ~ ~ 6I 36 En particulier, on re~rque que pour les éprouvettes en nuances 3 et 4, les valeurs de E~C et ECO sont tres proches <et le rapport est voisin de 1 pour l'acier 4, ce qui implique que 1'energie de déformation plastique localisée ~ fond d'enta$11e est faible.
Après maintien prolonge 50 heures ~ 550 , le rapport ECO~E~G est moins favorable mais les valeurs de ~CO, bien qu'amoindries, sont encore tres élevées.

FEUILLE DE REMPLACEMENT

Claims

REVENDICATIONS

1. - Composition d'acier à outils comprenant, exprimés en poids, 4,5 à 5,8 % de Cr, 0,75 à 1,75% de Mo, au plus 1.3% de V, au plus 0,8 % de Si, 0,3 à 0,4 % de C, et le cas échéant au plus 0,8 % de Mn, et/ou au plus 1,5 % de W, et/ou au plus 0,5 % de Ni, le complément étant constitué de Fe et d'impuretés inévitables, les teneurs de cette composition en P, Sb, Sn et As, exprimées en % en poids, satisfaisant aux relations P ? 0,008 %, Sb ? 0,002 %, Sn ? 0,003 %, As ? 0,005 %
la valeur exprimée par la relation de Bruscato B = < 10 P + 5 Sb + 4 Sn + As) x 1 10-Z
étant au plus égale à 0,10%.

2. - Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au plus 0,35 % en poids de Si.

3. - Composition selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend 0,25 à 0,50 % en poids de V.

4. - Composition d'acier à outils comprenant, exprimés en poids 2,5 à 5,5% de Cr, 2,5 à 3,5% de Mo, au plus 1,3% de V, au plus 0,35% de Si, 0,3 à 0,4% de C, et le cas échéant au plus 5% de Co, le complément étant constitué de Fe et d'impuretés inévitables, les teneurs de cette composition en P, Sb, Sn et As, exprimées en % en poids, satisfaisant aux relations P ? 0,008 %, Sb ? 0,002 %, Sn ? 0,003 %, As ? 0,005 %, la valeur exprimée par la relation de Bruscato B = <10 P + 5 Sb + 4 Sn + As) x 10-Z, étant au plus égale à 0,10%.

5. - Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend 0,32 à 0,38% en poids de C.

6. - Composition selon la revendication 5, caracterisée en ce qu'elle comprend 0,34 à 0,36% en poids de C.

7. - Procedé de preparation et de mise en forme d'acier de composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une refusion par électrode consommable sous vide ou par electrode consommable sous laitier ou par ces deux moyens combinés.

8. - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la mise en forme de l'acier est effectuée par transformation thermomécanique telle que forgeage ou laminage, ou par moulage.

9. - Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comporte - un traitement thermique complet par mise en solution à des températures comprises entre 950 et 1100°C, puis - une trempe à l'air ou dans un fluide jusqu'à la temperature ambiante, ou une trempe étagée entre 250 et 450°C, puis - une série d'au moins deux revenus pour régler la dureté visée.

10. - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la mise en solution est effectuée à des températures comprises entre 980 et 1010°C.

11. - Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'une trempe étagée est effectuée entre 250 et 280°C.

12. - Matrice de forgeage et d'estampage d'aciers et d'alliages légers, constituée d'un acier de composition selon l'une quelconque des revendications 1 à
6.

13. - Matrice de coulée sous pression ou par gravité d'aciers et d'alliages légers, constituée d'un acier de composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.

14. - Matrice selon la revendication 12 ou 13, caractérisée en ce qu'elle est fabriquée par un procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11.