CH619270A5 - Boron steel with high hardness and toughness characteristics - Google Patents

Description

L'invention a pour objet un acier au bore ayant, à l'état trempé ou à l'état cémenté et trempé, des caractéristiques de dureté et de ténacité élevées, grâce à des teneurs optimales en bore soluble et en bore insoluble. Cet acier peut être utilisé pour toutes sortes d'emplois et, plus particulièrement, dans les domaines qui concernent les aciers de construction, de traitement et de cémentation.

L'invention a également pour objet un procédé d'élaboration de cet acier qui permet de conférer à cet acier simultanément des caractéristiques améliorées de trempabilité et de ténacité grâce à des additions contrôlées de B, AL et N.

L'invention a également pour objet l'utilisation de cet acier pour la fabrication de pièces mécaniques présentant une grande dureté et une grande ténacité.

L'influence du bore sur les caractéristiques mécaniques des aciers est connue depuis longtemps. C'est ainsi qu'en 1921, le brevet U.S. 1 159 388 enseigne l'addition de petites quantités de bore pour améliorer la trempabilité de l'acier. Depuis cette date, un nombre considérable d'études ont été publiées qui ont donné des enseignements très souvent contradictoires sur les quantités de bore qu'il convient d'introduire dans les aciers, les conditions dans lesquelles cette introduction doit être faite, et son effet sur les propriétés de ces aciers.

Il existe cependant un ensemble de résultats montrant l'action de quelques dizaines de ppm de bore sur la trempabilité des aciers et on peut citer, parmi les travaux faisant le point sur cette question, celui de R. SCHERER et K. BUNGARDT (Revue de Métallurgie L no. 2,1953, p. 73-94), relatif à la trempabilité des aciers de cémentation et de traitement au bore. Ce travail montre que des quantités de bore de l'ordre de 30 à 40 ppm permettent, soit d'augmenter de façon sensible la trempabilité des aciers en question, soit de maintenir leur trempabilité en réduisant leurs teneurs en éléments d'addition. L'existence d'interactions entre le bore et l'azote présent dans l'acier a été signalée par différents auteurs, tels que, par exemple, T. G. DIGGES et F.M. REINHART (Trans. ASM, 1948-40 p. 1124-1145).

Ces auteurs montrent que, dans les aciers à forte teneur en azote, l'effet des additions de bore est en quelque sorte neutralisé par cet élément. Ils l'expliquent par une réaction entre le bore et l'azote qui donne un composé insoluble dans l'acide sulfurique 1 /I, sans effet sur la trempabilité. Pour éviter cette action défavorable de l'azote, leurs essais montrent qu'on peut le fixer par du titane ou du zirconium qui ont, pour cet élément, une affinité supérieure à celle du bore. Ce résultat peut être obtenu en introduisant le bore dans l'acier sous forme d'alliages complexes contenant, en général, plusieurs éléments fortement réducteurs tels que Mn, Si, Al, Ti et Zr. Ces éléments protégeant le bore contre l'oxydation et la nitruration, son action sur l'aptitude à la trempe de l'acier atteint alors le maximum d'efficacité.

La demande de brevet néerlandais 130 179, déposée le 20 mars 1963 (demande prioritaire no. ST 18 989 du 21 mars 1962 en République Fédérale d'Allemagne) concerne des aciers contenant à la fois du bore et de l'azote dans lesquels la formation de nitrure de bore permet d'améliorer la ténacité. Selon cette publication, il est possible, dans ces aciers en ajustant les teneurs en bore et en azote libre, d'avoir, d'une part, du bore sous forme de BN insoluble qui augmente la ténacité et, d'autre part, un excès de bore appelé bore dissout qui augmente la trempabilité.

Il résulte des exemples que la quantité d'azote, dit libre, est calculée en déduisant de l'azote total la quantité d'azote qui est liée à l'aluminium présent dans le métal liquide sous forme de nitrure.

Il est revendiqué, dans ce brevet, l'addition de 0,0001 à 0,03 % de bore dans une masse fondue d'acier calmé contenant encore 0,001 à 0,03% d'azote libre.

Beaucoup plus récemment, le problème de la teneur optimale en bore soluble, seul actif pour accroître la trempabilité des aciers, a été réexaminé par Ryuichi HABU et coll. (Tetsu to Hagahe, September 1074-60, no. 10, p. 1470-1482) dans le cas des aciers faiblement alliés contenant de l'aluminium. Les calculs de ces chercheurs, confirmés par leurs expériences, tendent à montrer que le bore réduit le nitrure d'aluminium, même en présence d'un très large excès d'aluminium pour former du nitrure de bore. Tant que la totalité du nitrure d'aluminium n'a pas été réduite par le bore, il n'existe, selon les auteurs, à l'état dissous, qu'une petite quantité de bore, c'est le bore soluble qui est présent à des teneurs ne dépassant pratiquement pas 6 à 7 ppm, tant qu'il y a de l'azote disponible. Pour ces auteurs, il n'y a donc pas d'azote libre et le nitrure d'aluminium joue un rôle de tampon; c'est seulement lorsque ce nitrure a été entièrement réduit par le bore que la quantité de bore soluble peut s'accroître et dépaser la dizaine de ppm. Toujours selon ces auteurs, la teneur optimale en bore soluble, pour favoriser la trempe, est de 3 à 5 ppm, et, pour atteindre ces niveaux, il faut une forte teneur en Al de l'ordre de 0,06 à 0,08 %, en présence de teneurs en N2 comprises entre 0,004 et 0,012%. Dans la pratique, selon les mêmes auteurs, il suffira d'introduire une dizaine de ppm de bore dans un tel acier pour obtenir automatiquement 3 à 5 ppm de bore soluble. Des quantités de bore total plus grandes sont sans inconvénient tant qu'il reste du nitrure d'aluminium en excès.

Ces derniers résultats sont en contradiction avec l'essentiel de l'enseignement du brevet NL. 130 179 selon lequel seul l'azote libre, c'est-à-dire celui qui n'est pas lié à l'aluminium, est disponible pour former du nitrure de bore.

D'autres auteurs: H. TREPPSCHUH et coli (Stahl und Eisen, 2 Novembre 1967, vol. 87, no. 22 p. 1355-1368) estiment que, à l'état liquide, le bore fixe l'azote contenu dans

S

10

15

25

10

35

40

45

50

55

60

65

3

619 270

l'acier, même en présence d'un excès d'aluminium. Si, donc, on désire avoir du bore soluble, il faut utiliser des additions d'éléments dénitrurants efficaces tels que le titane et le zirconium. Cependant, selon les mêmes auteurs, à température plus basse dans le métal solide, l'affinité de l'Ai pour l'azote devient s supérieure à celle du bore et il peut y avoir réversion et réduction par l'aluminium d'une partie du nitrure de bore. Les résultats présentés par les auteurs montrent que, pour obtenir un peu moins de 10 ppm de bore en solution solide, en présence d'azote et en l'absence de dénitrurants, il faut une addition m d'aluminium dans l'acier de 1,2 kg/tonne, soit 0,12%, quantité bien supérieure à la pratique courante.

Devant ces résultats contradictoires, l'homme de l'art n'arrive pas à dégager un enseignement lui permettant de prévoir l'effet des additions de bore et d'ajuster celles-ci en fonction i s d'un résultat à atteindre. Ceci explique les échecs rencontrés dans l'utilisation du bore dans les aciers, la relative médiocrité et la dispersion des résultats obtenus avec, pour conséquence, un manque de confiance des utilisateurs dans ces nuances d'aciers. En effet, les efforts de promotion de nuances d'aciers contenant :o moins d'éléments d'addition coûteux et rares tels que Cr, Ni, Mo etc ... et présentant une aussi bonne trempabilité grâce à l'addition de bore, ont été compromis par la grande irrégularité des résultats obtenus.

Dans le cas, par exemple, des aciers cémentés, utilisés dans l'industrie automobile, cette irrégularité s'est traduite soit par des déformations de pièces de dureté trop faible, soit par des fissurations intergranulaires dues à des composés fragiles riches en bore.

La présente invention permet, de façon tout à fait imprévue, m l'obtention de nouveaux aciers au bore qu'il est possible de préparer avec une très grande sécurité et une très grande reproductibilité et qui présentent des caractéristiques parfaitement définies à l'avance, combinant une meilleure trempabilité et une ténacité considérablement accrue par rapport à celles des aciers antérieurement connus.

A cet effet, l'acier selon l'invention est caractérisé en ce qu'il contient 30 à 100 ppm de bore total, 40 à 220 ppm d'azote et en ce que la somme équivalente à l'aluminium, So, est comprise entre 200 et 800 ppm, cette somme étant exprimée par la m relation:

ténacité. L'élaboration de ces aciers présente également l'avantage d'une mise en œuvre simple qui ne nécessite pas de traitements coûteux par des agents renforçateurs spéciaux tels que le titane ou le zirconium.

Le procédé d'élaboration de l'acier conforme à l'invention est caractérisé en ce que l'on ajuste, après désoxydation les teneurs en bore total Bt, en azote, en aluminium et, le cas échéant, en V et/ou Nb et/ou Ta, de façon à satisfaire les relations (1) et (2).

Les inventeurs ont, tout d'abord, estimé que les contradictions observées dans les travaux antérieurs pouvaient s'expliquer, en partie, par l'utilisation de méthodes d'analyse imprécises, ou systématiquement faussées par des étalonnages défectueux.

Il est connu, en effet, que le dosage précis de teneurs de l'ordre de grandeur de la partie par million présente de grosses difficultés que les laboratoires d'aciéries n'ont pas l'habitude de résoudre. De même, les inventeurs ont pensé que les données de la thermodynamique étaient insuffisantes pour prévoir les réactions possibles entre des éléments susceptibles d'interaction tels que le bore, l'aluminium et l'azote.

A partir de ces hypothèses de travail, ils ont eu l'idée simple mais inattendue qu'il devait être possible de découvrir une relation entre les teneurs en aluminium, en azote et en bore qui expliquerait, dans une large mesure, les phénomènes constatés et, surtout, qui permettrait de prévoir les caractéristiques des aciers en fonction de ces trois éléments et, à partir de là, de mettre au point de nouveaux aciers à caractéristiques améliorées.

Les essais effectués ont totalement justifié cette idée de départ et ont permis d'établir une relation qui, lorsqu'elle est satisfaite, à l'obtention d'un effet optimal du bore en ce qui concerne à la fois la trempabilité et la ténacité. Il s'agit d'une relation linéaire très simple entre les teneurs en bore total Bt, en azote et en aluminium exprimées en ppm, qui se trouvent dans l'acier.

Cette relation est la suivante:

s°-ai+r9 + s"4+6-7

(1)

10 N- 17 Bt-Al = —300±200 ppm On doit, de plus, avoir:

200 < Al < 800 ppm 30 < Bt < 100 ppm 40 < N < 220 ppm

(3)

(4)

(5)

(6)

dans laquelle Al, V Nb et Ta sont les teneurs en ppm de ces éléments, et en ce que la relation:

10 N -17 Bt —So = -300±200 ppm (2)

est satisfaite, Bt et N étant respectivement les teneurs en bore total et en azote exprimées en ppm et So étant calculée par la relation indiquée plus haut.

Dans cet acier, la présence de V et/ou NB et/ou Ta est facultative. Cet acier se caractérise non seulement par sa teneur en bore total, mais encore par la présence simultanée, à des niveaux optimaux, de bore efficace pour la trempabilité et de bore efficace pour la ténacité.

Ce sont des aciers de tous types, tels que des aciers de construction, des aciers de cémentation, des aciers de traitement dans lesquels on obtient des caractéristiques améliorées de façon contrôlée et reproductible de trempabilité et de ténacité.

Ces nouveaux aciers peuvent être produits industriellement de façon plus économique que des aciers à plus fortes teneurs en éléments d'addition coûteux qu'ils peuvent remplacer grâce à des performances au moins égales du point de vue dureté et limite élastique, et, en général, supérieures du point de vue

Comme le montreront les exemples, ces relations ne sont valables que si certaines conditions expérimentales sont réunies. Tout d'abord, N, Bt et Al sont respectivement les teneurs exprimées en parties par million d'azote total, de bore total et d'aluminium total. On entend par aluminium total celui qui est présent dans l'acier à l'état dissout ou combiné. Une fraction se trouve sous forme d'inclusions d'alumine qui n'ont pas eu le temps de décanter. L'aluminium ainsi fixé n'a plus d'action sur l'équilibre bore azote. L'expérience montre qu'il s'agit là d'une cause d'erreur qui peut être négligée dans l'exploitation de la relation ci-dessus, à condition que les prélèvements pour analyse soient effectués, soit sur le métal solidifié après moulage, soit sur le métal liquide à la fin de la période de décantation juste avant le moulage. Dans la pratique, la quantité d'aluminium ainsi fixée sous forme d'alumine est de l'ordre de 10 à 30 ppm.

Par ailleurs, les essais ont montré que l'aluminium pouvait être remplacé, au moins partiellement, par du vanadium, du niobium ou, du tantale qui jouent un rôle similaire vis à vis de l'azote et du bore. Ce remplacement doit être effectué dans le rapport des poids atomiques de ces différents éléments. Il en résulte que, si on exprime les teneurs en aluminium, vanadium,

55

60

619 270

4

niobium et tantale en ppm, on peut définir une somme équivalente à l'aluminium, So, exprimée en ppm, telle que:

So = Al +

+ Nb

+

Ta

1,9 3,4 6,7

(1)

Cette valeur So peut donc être substituée à la teneur en Aluminium exprimée en ppm dans la relation qui a été définie plus haut qui s'écrit alors:

10 N - 17 Bt — So = — 300 ± 200

(2)

On remarque que si V=0, Nb=0 et Ta=0, simultanément, on a alors So=Al et on est ramené à la relation initiale. Cette relation (2) est donc la forme généralisée de la relation (3).

De même façon que précédemment, les trois fourchettes de teneurs doivent être réalisées:

200 < So < 800 ppm 30 < Bt < 100 ppm 40 < N < 220 ppm

(7)

(5)

(6)"

Bien que la valeur maximale de Al soit de 800 ppm, il suffit, le plus souvent, d'introduire dans les aciers suivant l'invention des teneurs en Al ne dépassant pas 400 ppm ; il en est de même ,. pour la valeur de So qui ne dépasse pas, le plus souvent,

400 ppm.

Pour l'azote, les quantités qui pourraient être éventuellement fixée par des dénitrurants très puissants tels que le titane ou la zirconium ne sont pas prises en compte dans la relation. Au cas où on serait conduit à utiliser de telles additons il faudrait donc, pour l'application de la relation ci-dessus, déduire l'azote qui serait fixé par ces éléments sous forme de nitrures stables.

Souvent, il n'est pas nécessaire, pour la mise en œuvre du ^ procédé selon l'invention, de modifier la teneur en azote présente dans le bain d'acier qui se trouve naturellement dans une fourchette de l'ordre de 40 à 100 ppm.

Cependant, dans le cas des élaborations au four à arc basique, il arrive que la teneur en azote soit supérieure à la valeur désirée pour la mise en œuvre du procédé suivant l'invention. On peut alors abaisser cette teneur par dégazage sous vide, par exemple, ou bien, ce qui n'est pas sans inconvénient, par des additions soigneusement ajustées d'éléments dénitrurants, tels que le titane ou le zirconium, en général sous forme de ferro- 4 s aliages. Un accroissement de teneur en azote peut être obtenu, au contraire, par diverses méthodes: barbottage de N2, introduction d'un ferro-alliage nitruré, de cyanamide calcique etc...

Bien que la teneur en azote des aciers suivant l'invention puisse atteindre jusqu'à 220 ppm, cette teneur est limitée, le plus j0 souvent, à des valeurs inférieures à 150 ppm.

On entend par bore total Bt, le bore qui est effectivement présent dans le métal liquide. La métode d'analyse qui est décrite plus loin permet de le déterminer. Il faut cependant savoir que dans ce bore total ainsi dosé, il peut exister de petites 55 quantités sous forme d'oxyde de bore si cet élément a été introduit sans précautions et si le bain métallique n'a pas été correctement désoxydé au préalable. Cet oxyde est sans effet aussi bien pour la trempabilité que pour la ténacité de l'acier. Si on a pris la précaution d'introduire l'aluminium dans les condi- (,o tions qui on été précisées, avant d'introduire le bore, l'expérience montre que les quantités de bore susceptibles d'être oxydées dans le bain métallique sont négligeables et n'entraînent pas d'incertitudes dans l'exploitation de la relation entre le bore, l'azote et l'aluminium. Le bore peut être introduit dans le bain (,5 d'acier liquide sous forme de ferrobore, dans le four ou dans la poche de coulée, ou, éventuellement, en cours de dégazage ou encore, enfin, dans la lingotière.

Sauf cas particulier, il faut éviter d'introduire le bore au moyen de mélanges dits renforçateurs (intensifiers) qui ont pour but de désoxyder et dénitrurer le bain. Ces mélanges comportent des désoxydants et des dénitrurants qui auront, en général, pour effet d'éliminer l'azote et, s'ils contiennent de l'aluminium, d'accroître encore la teneur en cet élément, ce qui pourra empêcher de satisfaire la relation donnée plus haut, à moins de faire de nouvelles additions d'azote. Il convient de remarquer que, dans la plupart des cas, la teneur en bore des aciers suivant l'invention est sensiblement inférieure à 100 ppm et ne dépasse guère 60 ppm.

Bien que les bases théoriques de l'invention ne soient pas encore parfaitement élucidées, les études analytiques très approfondies qui ont été faites ont montré que, en réalisant des aciers conformes à l'invention, c'est-à-dire en ajustant à la fin de l'élaboration de l'acier, dans les conditions précisées plus haut, les teneurs en bore, azote et aluminium, de façon à satisfaire la relation (3) ou la relation généralisée (2) et en respectant les fourchettes de teneur données plus haut, on obtient dans cet acier une teneur en bore soluble de 15 à 50 ppm et également 15 à 50 ppm de bore insoluble. Le bore soluble, tel qu'il est défini dans ce procédé, est celui qui est dosé par la méthode suivante: attaque dans un bêcher en quartz de 100 ml de 100 mg d'acier pour les teneurs en B supérieures à 50 ppm et de 250 mg pour les teneurs inférieures, par un mélange de 20 ml de S04H27N+10 ml de P04H39N en bain-marie bouillant. Lorsque l'attaque semble s'arrêter, on la prolonge de 15 min. on refroidit, on ajoute 5 ml de H202 à 55 volumes, on chasse l'excès par maintien de 10 min. en bain-marie bouillant, on laisse refroidir et aon ajuste à 50 ml en ballon jaugé. Le bore présent dans la solution est dosé, suivant une méthode connue de l'homme de l'art, telle que l'absorption lumineuse à 6500 Â du complexe triple bore fluorure de méthylène extrait par le dichloroéthane.

La teneur en bore total Bt est dosée après mise en solution complète de l'échantillon.

La méthode de dosage consiste en une attaque sulfurique à fumées blanches. Les vapeurs issues de l'attaque sont recueillies après condensation et réunies à la solution d'attaque initiale. Le bore est ensuite dosé dans la solution par une méthode comparable à celle décrite plus haut. Par définition, la teneur en bore insoluble est la différence entre les teneurs en bore total et en bore soluble déterminées de la façon qui vient d'être décrite.

Les exemples ci-après décrivent un certain nombre de cas de mise en œuvre du procédé suivant l'invention. Ce procédé s'applique en réalité aux aciers élaborés par toute méthode, étant donné que le procédé suivant l'invention consiste en un réglage d'un certain nombre de paramètres de composition de l'acier, qui doit être effectué en fin d'élaboration dans le four lui-même, ou, éventuellement, dans la poche de coulée.

Exemple 1

On a élaboré quatre coulées repérées 1A, 1B, IC et 1D. Les trois coulées 1A, IC et 1D étaient conformes à la norme AFNOR 19 NCDB 2 qui concerne un acier au nickel chrome molybdène comportant une addition de bore de 8 à 50 ppm environ. La coulée 1B était conforme à la norma AFNOR 20 NCD 2 qui concerne un acier sans bore dont les fourchettes de composition pour les autres éléments d'addition sont identiques à celles de l'acier 19 NCDB 2. Les conditions opératoires ont été les suivantes:

Coulée 1A

L'acier type 19 NCDB 2 a été élaboré au four à arc basique de façon connue. Ensuite, le métal a été brassé dans la poche de coulée avec un laitier contenant approximativement 50% de CaO et 50% de A1203. L'AI a été ajouté sous forme de FeAl

619 270

C

0,24

Mo

0,20

Si

0,31

S

0,030

Mn

0,84

P

0,020

Ni

0,70

Al

0,030

Cr

0,67

o2

0,0025

dans le jet de basculage et le B a été ajouté sous forme de ferrobore. Le métal a ensuite été dégazé sous vide. Après coulée en lingotières, laminage en blooms et forgeage en petits profils, des échantillons ont été prélevés pour analyses chimiques et mesures des caractéristiques mécaniques.

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

N2 0,0080

B total 0,0050

B soluble 0,0025

B insoluble 0,0025

Cet acier est conforme à l'invention: les teneurs en N2, B total et Al vérifient la relation (3) et les fourchettes de composition (4), (5) et (6). Les teneurs en B soluble et B insoluble trouvées correspondent au résultat qui était visé.

Coulée IB

L'acier de type 20 NCD 2 a été élaboré au four à arc basique de façon connue. Ensuite, le métal a été brassé avec un laitier à 50% de CaO et 50% de A1203. L'AI a été ajouté sous forme de FeAl dans le jet de basculage. Il n'y a pas eu addition de B. Le métal a ensuite été dégazé sous vide. Après coulée en lingotières, laminage en blooms et forgeage en petits profils, des échantillons ont été prélevés pour analyses chimiques et mesures des caractéristiques mécaniques.

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

C

0,21

Mo

0,20

n2

0,0135

Si

0,26

S

0,010

B total

0,0055

Mn

0,85

P

0,010

B soluble

0,0012

Ni

0,58

Al

0,027

B insoluble

0,0043

Cr

0,57

o2

0,0035

C

0,22

Cr

0,55

Al

0,034

Si

0,31

Mo

0,25

o2

0,0025

Mn

0,77

S

0,030

N2

0,0090

Ni

0,63

P

0,011

B

0

Cet acier n'est donc pas conforme à l'invention puisqu'il ne îs contient pas de B.

Coulée 1C

L'acier de type 19 NCDB 2 a été élaboré au four à arc basique de façon connue. Le métal n'a pas été brassé. L'AI a été 4ii ajouté sous forme de FeAl dans le jet de basculage. Le métal a été ensuite dégazé sous vide. Le B a été ajouté en lingotières sous forme d'un alliage de type grainal contenant Ti, Zr, Al.

Après coulée en lingotières, laminage en blooms et forgeage en petits profils, des échantillons ont été prélevés pour analyses 45 chimiques et mesures des caractéristiques mécaniques.

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

Cet acier n'est pas conforme à l'invention car il ne satisfait 1 pas à la relation (3).

La trempabilité des aciers correspondants à ces quatre coulées a été évaluée de façon classique par le tracé des courbes JOMINY. Les courbes sont représentées en traits pleins sur la figure unique avec, en abscisse, les distances en mm et, en ordonnée, les duretés exprimées en unités ROCKWELL C.

Sur la même figure, on a reporté en traits interrompus la courbe de trempabilité d'un acier classique sans bore à teneur en nickel environ 6 fois plus élevée, l'acier conforme à la norme AFNOR 18 NC 13, pour lequel la teneur en nickel était de 1 3,25%.

La courbe 1 correspond à l'acier provenant de la coulée 1 A, seul conforme à l'invention, qui présente la trempabilité la plus élevée, supérieure même à celle de l'acier type 18 NC 13 dont la forte teneur en nickel augmente de façon importante le prix de revient. Les résultats les plus médiocres sont ceux obtenus avec les aciers des coulées IB (courbe 2) et 1D (courbe 4). Ceci est logique car la coulée IB est exempte de bore et la coulée 1D, bien qu'elle ait une teneur on bore du même ordre de grandeur que celle des coulées 1A et 1C, a une teneur trop faible en bore soluble seul efficace pour la trempabilité. La coulée 1C (courbe 3) qui présente une forte teneur en bore soluble a cependant une trempabilité un peu inférieure à celle de la coulée 1 A. Ceci s'explique car il semble que l'effet du bore soluble passe par un optimum vers 20 à 30 ppm.

La ténacité de ces mêmes aciers a été évaluée par mesure de l'effort de fissuration d'éprouvettes cémentées et trempées. Le type d'essai effectué est celui qui est décrit dans l'article de H. BRUGGER et G. KRAUS: Arch. Eisenhiittenw., 32, no. 8 (1961), p. 529.

Le tableau ci-après donne, d'une part, les valeurs des efforts de fissuration en KN ainsi déterminés et, d'autre part, les dimensions des grains selon l'échelle ASTM mesurées sur des échantillons des mêmes coulées après un essai Mac Quaid qui comporte un traitement de cémentation de 10 heures à 925° C.

C

0,20

Mo

0,19

n2

0,0125

Si

0,42

S

0,039

Ti

0,065

Mn

0,71

p

0,012

B total

0,0065

Ni

0,54

Al

0,040

B soluble

0,0060

Cr

0,58

o2

0,0025

B insoluble

0,0005

Tableau l No de la coulée

Type de l'acier (AFNOR)

EFFORT DE FISSURATION en KN

GROSSEUR DU GRAIN après essai Me QUAID-échelle ASTM

Cet acier n'est donc pas conforme à l'invention car le titane < présent fixe l'azote sous forme de TIN. Comme il y a un excès de titane par rapport à la stoechiométrie, il ne reste plus d'azote disponible pour interagir avec le bore et l'aluminium.

1A

19 NCDB 2

61

6-8

IB

20 NCD 2

47

7-8

1C

19 NCDB 2

56

4-6

ID

19 NCDB 2

52

6-8

18 NC 13

60

7-8

Coulée ID

L'acier type 19 NCDB 2 a été élaboré au four à arc basique de façon connue. Ensuite, le métal a été brassé avec un laitier à 50% de CaO et 50% de A1203. L'AI a été ajouté sous forme de FeAl dans le jet de basculage et le B a été ajouté sous forme de ferrobore. Le métal n'a pas été dégazé. Après coulée en lingotières, laminage en blooms et forgeage en petits, profils, des échantillons ont été prélevés pour analyses chimiques et mesures des caractéristiques mécaniques.

On voit que l'acier selon l'invention correspondant à la coulée 1A présente la ténacité maximale pratiquement égale à celle de l'acier fortement allié 18 NC 13 qu'il peut donc remplacer dans ce type d'application ce qui entraîne une économie très appréciable.

Les trois autres coulées, non conformes à l'invention, ont des ténacités inférieures soit par manque de trempabilité due à l'absence de bore, c'est le cas des coulées IB sans bore et ID à bore soluble trop faible, soit, malgré une trempabilité suffisante du

(i5

619 270

6

à une teneur en bore insoluble trop faible, c'est le cas de la coulée 1C. Dans cette dernière, on observe, de plus, l'existence d'un grain grossier après essai Me Quaid. Ce mauvais contrôle du grain, malgré une teneur normale en aluminium, est une conséquence du piégeage de l'azote par le titane.

Une cinquième coulée a été réalisée. Cet acier du même type que celui des coulées 1 A, IC et ID a été élaboré de la même façon que la coulée 1 A.

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

C

0,20

Mo

0,21

B total

0,0028

Si

0,23

S

0,036

B soluble

0,0011

Mn

0,91

P

0,009

B insoluble

0,0017

Ni

0,61

Al

0,035

Cr

0,55

n2

0,0100

Cet acier n'est pas conforme à l'invention car ses teneurs en Al, B total et N2 ne vérifient pas la relation (3).

Les essais ont montré que la trempabilité était analoque à celle de la coulée de même nuance sans B (exemple no. IB). En outre, sa ténacité est insuffisante.

Exemple 2

On a élaboré un acier type 18 MCDB 6 (désignation AFNOR) de la même façon que la coulée de l'exemple 1 A.

Sa composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

C

0,19

Mo

0,20

N2

0,0115

Si

0,36

S

0,007

B total

0,0070

Mn

1,39

P

0,013

B soluble

0,0025

Ni

0,28

Al

0,030

B insoluble

0,0045

Cr

1,03

o2

0,0030

Cet acier est donc conforme à l'invention: les teneurs en N2, Bore total et Al vérifient bien la relation (3) et les fourchettes de composition (4), (5) et (6).

On a comparé cet acier à un acier de même nuance sans bore élaboré dans des conditions semblables. Les mesures de trempabilité Jominy et les mesures de ténacité ont été faites dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, pour la nuance comportant du bore.

La nuance avec bore présentait une dureté J 40 (mesurée en éprouvette Jominy â 40 mm de l'extrémité trempée) supérieure de 15 unités RC à la nuance sans bore. De même la ténacité de la nuance avec bore était supérieure de 7 KN à celle de la nuance sans bore.

Exemple 3

On a élaboré deux coulées repérées 3A et 3B, d'acier de type 16 MCB 5 au four à arc basique de façon connue:

Coulée 3A

Le métal a été brassé avec laitier à 50% de CaO et 50% de A1203. L'AI a été ajouté sous forme de FeAl dans le jet de basculage et le B a été ajouté sòus forme de ferrobore en lingotières. Le métal n'a pas été dégazé. Après coulée en lingotières, laminage en blooms et forgeage en petits profils, des échantillons ont été prélevés pour analyses chimiques et mesures des caractéristiques mécaniques.

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

C

0,17

Mo

0,03

N2

0,0130

Si

0,24

S

0,0035

B total

0,0090

Mn

1,25

P

0,016

B soluble

0,0025

Ni

0,29

Al

0,020

B insoluble

0,0065

Cr

0,93

o2

0,0040

Cet acier est conforme à l'invention: les teneurs en N2, B total et AI vérifient la relation ( 1 ) et les fourchettes de teneur (4), (5) et (6). Les teneurs en B soluble et B insoluble se trouvent dans les limites prévues. On constate cependant que la s teneur en Al correspond au minimum acceptable.

On a comparé cet acier à un acier de même nuance sans bore élaboré dans des conditions semblables. La nuance avec bore avait une dureté J 20 (mesurée sur éprouvette Jominy à 20 mm de l'extrémité trempée) supérieure de 12 unités RC à la nuance io sans bore. La ténacité de la nuance avec bore était supérieure de 5 KN à celle de la nuance sans bore.

Coulée 3B

Le métal a été traité de la même façon que pour la coulée , 3 A, à ceci près que l'Ai n'a pas été ajouté sous forme de FeAl, mais de Al pur.

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

0,16

Cr

1,06

Al

0,105

0,29

Mo

0,02

N2

0,0155

1,30

S

0,029

B total

0,050

0,12

P

0,023

Les teneurs en Al, B total et N2 vérifient bien la relation (3) mais la teneur en Al est supérieure à la fourchette de teneur (4). Bien que la trempabilité et la ténacité soient satisfaisantes, on observe un grain mal contrôlé: 2 à 6 ASTM après essai Mac QUAID.

Exemple 4

On a élaboré un acier de type 20 MB 5 (Norme AFNOR) au four à arc basique de façon connue. Ensuite, le métal a été brassé avec un laitier à 50% de CaO et 50% de A1203. Le métal a ensuite été dégazé sous vide. L'AI et le B ont été ajoutés sous vide, sous forme de Al pur et FeB. Après coulée en lingotières, laminage' en blooms et forgeage en petits profils, des échantillons ont été prélevés pour analyses chimiques et mesures des caractéristiques mécaniques.

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

0,19

Cr

0,15

Al

0,027

0,18

Mo

0,03

n2

0,0075

1,19

S

0,009

B total

0,0040

0,15

P

0,008

45 Cet acier est conforme à l'invention : les teneurs en N2, B total et Al vérifient bien la relation (3) et les fourchettes (4), (5) et (6). La trempabilité de cet acier est conforme à celle prescrite par la norme AFNOR no. NF A 35—551. La ténacité (mesurée sur éprouvette trempée) est excellente (KCU= 150 J/cm2 à la so température ambiante) supérieure au minimum prescrit par la norme (90 J/cm2).

Exemple 5

On a élaboré un acier de type 21B 3 (Norme AFNOR) de la ss même façon que l'acier de l'exemple no. 4.

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

C

0,22

Cr

0,09

Al

0,033

Si

0,22

Mo

0,02

n2

0,0070

Mn

0,82

S

0,0011

Ni

0,19

P

0,008

B total

0,0035

Cet acier est conforme à l'invention: les teneurs en N2, B total et Al vérifient bien la relation (1) et les fourchettes. La (,5 trempabilité de cet acier est conforme à celle prescrite par la norme AFNOR no. NF A 35—551. Le ténacité est bonne (KCU=140 J/cm2, à la température ambiante), supérieure au minimum prescrit par la norme (100 J/cm2).

C

,Si

Mn Ni

.m

3 5

Si

Mn

Ni

7

619 270

Exemple 6

Trois coulées d'acier type 16 NCDB 2 (Norme AFNOR) ont été élaborées au four à haute fréquence de façon connue. Le métal n'a pas été brassé. Il a été dégazé sous vide. L'AI et le B ont été ajoutés sous vide, sous forme Al pur et FeB. Après coulée en lingotières, laminage en blooms et forgeage en petits profils, des échantillons ont été prélevés pour analyses chimiques et mesures des caractéristiques mécaniques. Ces coulées sont repérées 6A, 6B et 6C.

Coulée 6 A

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

C

0,16

Mo

0,22

n2

0,0130

Si

0,30

S

0,013

B total

0,0045

Mn

0,42

P

0,008

B soluble

0,0025

Ni

0,60

Al

0,075

B insoluble

0,0020

Cr

0,77

o2

0,0007

Cet acier est conforme à l'invention: les teneurs en N2, B total et Al vérifient bien la relation (3) et les fourchettes de teneurs (4), (5) et (6). Les teneurs en B soluble et B insoluble sont aussi conformes à la description de l'invention. On a comparé cet acier à un acier de même nuance sans bore élaboré dans des conditions semblables. La nuance avec bore a une dureté J 20 supérieure de 10 unités RC à la nuance sans bore. La ténacité est meilleure que celle de la même nuance sans B: la température de transition à l'essai KCV est de 70° C plus basse. Le grain est bien contrôlé: 6-8 ASTM après essai Mac QUAID.

Coulée 6B

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

c

0,12

Mo

0,22

. n2

0,0065

Si

0,30

S

0,015

b total

0,0045

Mn

0,55

P

0,011 -

b soluble

0,0025

Ni

0,61

Al

0,010

b insoluble

0,0020

Cr

0,75

o2

0,0020

Cet acier n'est pas conforme à l'invention car si les teneurs en Al, B total et N2 vérifient bien la relation (3), la teneur est trop faible et se trouve en dehors de la fourchette de teneur (4).

La trempabilité et la ténacité sont analogues à celles de l'acier de la coulée 6A mais la teneur en Al est trop faible. II en résulte un grossissement important du grain après essai Mac QUAID: 3-8 ASTM.

Coulée 6C.

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

C

0,13

Mo

0,22

n2

0,0060

Si

0,35

S

0,013

B total

0,0065

Mn

0,51

P

0,019

B soluble

0,0050

Ni

0,59

Al

0,043

B insoluble

0,0010

Cr

0,60

o2

0,0007

Cet acier n'est pas conforme à l'invention car les teneurs en Al, B total et N2 ne vérifient pas la relation (3). La trempabilité est correcte, mais la ténacité insuffisante: en effet, la température de transition KCV est de 20° C, c'est-à-dire du même ordre que la nuance correspondante sans bore. Ceci peut s'expliquer par une teneur trop faible en bore insoluble.

Exemple 7

On a élaboré un acier type 16 MCB 5 au four à haute fréquence de façon connue. Le métal n'a pas été brassé. Il a été dégazé sous vide. On a introduit sous vide, non seulement du FeAl, en relativement petite quantité, mais du FeV. On a ensuite ajouté de le même façon du FeB.

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

C

0,17

Cr

1,05

Al

0,10

S Si

0,30

Mo

0,014

V

0,040

Mn

1,29

S

0,021

n2

0,0110

Ni

0,09

P

0,003

B total

0,0070

, (l Cet acier est conforme à l'invention car ses teneurs en B total, N2, Al et V vérifient la relation (2) et sont à l'intérieur des fourchettes (5), (6) et (7). Sa trempabilité et sa ténacité sont analogues à celles de l'acier de même nuance de l'exemple no. 3 A. En outre, le grain est bien contrôlé (ASTM>5) tant que la température d'austénisation ne dépasse pas 875° C. Au-delà, le grain grossit, ce qui est bien connue pour les aciers au V.

Exemple 8

On a élaboré un acier de type 16 MCB 5 de la même façon :n que dans l'exemple 7, si ce n'est qu'on a remplacé l'addition de FeV par une addition de FeNb.

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

C

0,18

Cr

1,03

Al

0,011

Si

0,31

Mo

0,014

Nb

0,101

Mn

1,30

S

0,022

n2

0,0090

Ni

0,10

P

0,004

B

0,0040

Cet acier est conforme à l'invention car ses teneurs en B total, N2 et Nb vérifient la relation (2) et sont à l'intérieur des fourchettes (5), (6) et (7). Sa trempabilité et sa ténacité sont analogues à celles de l'acier de même nuance de l'exemple no. 3 A. En outre, le grain est bien contrôlé (ASTM>5) jusqu'à 950° C.

35

Exemple 9

On a élaboré un acier de type 38 MB 5 (Norme AFNOR) au four à arc basique de façon connue. Ensuite, le métal été brassé avec un laitier à 50% de CaO et 50% de A1203. Le métal a

4o ensuite été dégazé sous vide. L'AI et le B ont été ajoutés sous vide, sous forme de Al pur et FeB. Après coulée en lingotières, laminage en blooms et forgeage en petits profils, des échantillons ont été prélevés pour analyses chimiques et mesure des caractéristiques mécaniques.

45 La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

C

0,39

Cr

0,20

Al

0,020

Si

0,18

Mo

0,02

n2

0,0050

Mn

1,21

S

0,012

B total

0,0040

Ni

0,25

P

0,009

Cet acier est conforme à l'invention: les teneurs N2, B total et Al vérifient bien la relation (1) et les fourchettes (4), (5) et (6). La trempabilité de cet acier est conforme à celle prescrite par la norme AFNOR no. NF A 35-551. La ténacité, mesurée sur éprouvette trempée et revenue à 550° C, 1 h., est excellente (KCU= 105 J/cm2 à la température ambiante), supérieure au minimum prescrit par la norme qui est de 50 J/cm2.

(,0 Exemple 10

On a élaboré un acier de type 38 B3 (Norma AFNOR) de la même façon que l'acier de l'exemple no. 9.

La composition chimique pondérale (en %) est la suivante:

C

0,39

Cr

0,20

Al

0,026

Si

0,29

Mo

0,03

n2

0,0065

Mn

0,82

S

0,023

B total

0,0035

Ni

0,16

P

0,030

619 270

Cet acier est conforme à l'invention: les teneurs en N2, B total et Al vérifient la relation (3) et les fourchettes (4), (5) et (6). La trempabilité de cet acier est conforme à celle prescrite par la norme AFNOR no. NF A 35-551. La ténacité, mesurée

8

sur éprouvette trempée et revenue à 550° C, 1 h. est très bonne: KCU=85 J/mm2 à la température ambiante, supérieure au minimum prescrit par la norme qui est de 60 J/cm2.

C

1 feuille dessins

Claims (6)

619 270

1,9 3,4 6,7 (1)

dans laquelle Al, V, Nb et Ta sont les teneurs en ppm de ces éléments, et en ce que la relation:

10 N -17 Bt- So = -300±200 ppm (2)

est satisfaite, Bt et N étant respectivement les teneurs en bore total et en azote exprimées en ppm et So étant calculée par la relation indiquée plus haut.

1. Acier au bore caractérisé en ce qu'il contient 30 à 100 ppm de bore total, 40 à 220 ppm d'azote et en ce que la somme équivalente à l'aluminium, So, est comprise entre 200 et 800 ppm, cette somme étant exprimée par la relation:

So=Al +-¥• + — +

2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient 30 à 60 ppm de bore total, 40 à 150 ppm d'azote, et en ce que la valeur de So est comprise entre 200 et 400 ppm.

2

REVENDICATIONS

3. Acier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est exempt d'agents dénitrurants très puissants tels que Ti ou Zr.

4. Procédé d'élaboration de l'acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on ajuste, après désoxydation, les teneurs en bore total Bt, en azote, en aluminium et en V et/ou Nb et/ou Ta, de façon à satisfaire les relations (1) et (2).

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on proscrit l'utilisation de dénitrurants très puissants tels que Ti ou Zr.

6. Utilisation de l'acier selon la revendication 1 pour la fabrication de pièces mécaniques à l'état trempé, ou cémenté et trempé.