CH715564B1 - Composition of austenitic stainless steel powder without nickel and part produced by sintering of this powder. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une poudre d'acier inoxydable austénitique ayant une teneur en nickel inférieure ou égale à 0.5% en poids et une teneur en carbone spécifique qui est supérieure ou égale à 0.05% et inférieure ou égale à 0.11 % en poids. Elle se rapporte également au procédé de fabrication par métallurgie des poudres de cette poudre et à la pièce (3) issue du procédé de fabrication ayant pour caractéristique de présenter une couche désoxydée (1) en surface de la pièce (3) s'étendant sur une épaisseur e supérieure ou égale à 200 µm.The present invention relates to an austenitic stainless steel powder having a nickel content of less than or equal to 0.5% by weight and a specific carbon content which is greater than or equal to 0.05% and less than or equal to 0.11% by weight. It also relates to the method of manufacturing by powder metallurgy of this powder and to the part (3) resulting from the manufacturing method having the characteristic of having a deoxidized layer (1) on the surface of the part (3) extending over a thickness e greater than or equal to 200 μm.
Description
Domaine de l'inventionField of the invention
[0001] L'invention concerne une composition de poudre d'acier inoxydable austénitique sans nickel. Elle se rapporte également à une pièce, en particulier une pièce d'habillage en horlogerie, réalisée par frittage au moyen de cette poudre ainsi qu'au procédé de fabrication par frittage. The invention relates to a nickel-free austenitic stainless steel powder composition. It also relates to a part, in particular a cladding part in watchmaking, produced by sintering using this powder as well as to the sintering manufacturing process.
Arrière-plan de l'inventionInvention background
[0002] Le frittage de poudres en acier inoxydable est aujourd'hui très répandu. Il peut être notamment réalisé sur des ébauches obtenues par injection (Métal Injection Moulding), extrusion, pressage ou autre fabrication additive. De façon la plus traditionnelle, le frittage des aciers inoxydables austénitiques consiste à consolider et densifier une poudre d'un tel acier dans un four à haute température (1200-1400°C), sous vide ou sous atmosphère protectrice gazeuse. Les propriétés des pièces après frittage (densité, propriétés mécaniques et magnétiques, résistance à la corrosion, etc.) pour une composition de poudre donnée dépendent fortement du cycle de frittage utilisé. Les paramètres suivants sont particulièrement importants : vitesse de chauffe, température et temps de frittage, atmosphère de frittage (gaz, flux de gaz, pression) et vitesse de refroidissement. [0002] Sintering of stainless steel powders is very widespread today. It can in particular be produced on blanks obtained by injection (Metal Injection Molding), extrusion, pressing or other additive manufacturing. In the most traditional way, the sintering of austenitic stainless steels consists in consolidating and densifying a powder of such steel in an oven at high temperature (1200-1400 ° C), under vacuum or under a gaseous protective atmosphere. The properties of the parts after sintering (density, mechanical and magnetic properties, corrosion resistance, etc.) for a given powder composition strongly depend on the sintering cycle used. The following parameters are particularly important: heating speed, sintering temperature and time, sintering atmosphere (gas, gas flow, pressure) and cooling speed.
[0003] Pour les domaines comme l'horlogerie où l'esthétique est particulièrement importante, deux caractéristiques de la microstructure après frittage sont particulièrement importantes, à savoir la densité et la présence d'inclusions. La présence de porosités ou d'inclusions non métalliques, notamment des oxydes, est en effet très néfaste pour le rendu après polissage. Pour obtenir une pièce polie présentant un éclat et une couleur similaires aux aciers inoxydables corroyés, il faut donc viser une densité proche de 100% et un minimum d'inclusions non métalliques. For fields like watchmaking where aesthetics are particularly important, two characteristics of the microstructure after sintering are particularly important, namely the density and the presence of inclusions. The presence of non-metallic porosities or inclusions, in particular oxides, is indeed very harmful for the rendering after polishing. To obtain a polished part having a shine and a color similar to wrought stainless steels, it is therefore necessary to aim for a density close to 100% and a minimum of non-metallic inclusions.
[0004] En ce qui concerne la densité, on connaît des solutions pour éliminer toute porosité, du moins en surface, dans les pièces en aciers inoxydables austénitiques sans nickel mises en forme par métallurgie des poudres. Ces solutions consistent entre autres à réaliser une compression isostatique à chaud (HIP pour Hot Isostatic Pressing) sur des pièces frittées dont la porosité est fermée. With regard to density, solutions are known to eliminate any porosity, at least on the surface, in parts made of austenitic stainless steels without nickel formed by powder metallurgy. These solutions consist, among other things, of performing hot isostatic compression (HIP for Hot Isostatic Pressing) on sintered parts whose porosity is closed.
[0005] Concernant les oxydes, c'est principalement la concentration élevée en manganèse dans les aciers inoxydables austénitiques sans nickel qui est problématique pour une mise en forme par métallurgie des poudres. En effet, la grande affinité de cet élément avec l'oxygène, couplée à la surface spécifique élevée des poudres, nécessite une grande maîtrise des processus qui sont réalisés à haute température : il faut tout d'abord utiliser une poudre dont la surface des particules est la moins oxydée possible ; il faut ensuite également minimiser l'oxydation de la poudre lors du chauffage des pièces jusqu'à la température de frittage en utilisant une atmosphère très réductrice. Cependant, pour des aciers inoxydables austénitiques dans la composition desquels on introduit de l'azote afin de s'affranchir de l'utilisation de nickel, l'atmosphère de frittage doit nécessairement comporter de l'azote, avec pour conséquence qu'il n'est pas possible de travailler avec une atmosphère ne contenant que des agents réducteurs ; finalement, il est nécessaire de réduire les oxydes les plus stables à haute température et d'éliminer les produits de réduction avant fermeture de la porosité. C'est le point le plus critique car, au cours des opérations de frittage, la réduction des oxydes de manganèse s'effectue en même temps que la fermeture des pores, à une température généralement supérieure à 1200°C. Par conséquent, on obtient typiquement des pièces avec une couche bien désoxydée en surface et de nombreuses inclusions (oxydes) à cœur. En effet, à la surface des pièces, l'atmosphère du four est plus facilement renouvelée et les produits de réduction peuvent être transportés dans tout le volume du four lorsque, en début de frittage, la porosité est encore ouverte. A cœur par contre, l'atmosphère n'est pas renouvelée et les conditions ne permettent pas une réduction totale des oxydes avant fermeture de la porosité. Pour les aciers inoxydables austénitiques sans nickel, il est ainsi très difficile d'avoir une couche désoxydée dont l'épaisseur soit supérieure à 200 µm. Comme la terminaison des pièces (usinage, polissage) après frittage nécessite un enlèvement de matière qui peut être supérieur à 200 µm, des oxydes peuvent être présents à la surface des pièces terminées, ce qui est néfaste à la fois du point de vue esthétique et du point de vue de la résistance à la corrosion pour les surfaces polies.Regarding oxides, it is mainly the high manganese concentration in austenitic stainless steels without nickel which is problematic for shaping by powder metallurgy. Indeed, the great affinity of this element with oxygen, coupled with the high specific surface of the powders, requires a great mastery of the processes which are carried out at high temperature: it is first of all necessary to use a powder whose particle surface is the least oxidized possible; then the oxidation of the powder must also be minimized during the heating of the parts up to the sintering temperature by using a very reducing atmosphere. However, for austenitic stainless steels in the composition of which nitrogen is introduced in order to dispense with the use of nickel, the sintering atmosphere must necessarily contain nitrogen, with the consequence that it does not is not possible to work with an atmosphere containing only reducing agents; finally, it is necessary to reduce the most stable oxides at high temperature and to eliminate the reduction products before the porosity is closed. This is the most critical point because, during the sintering operations, the reduction of the manganese oxides is carried out at the same time as the closing of the pores, at a temperature generally above 1200 ° C. Consequently, parts are typically obtained with a well-deoxidized layer on the surface and numerous inclusions (oxides) at the core. Indeed, on the surface of the parts, the atmosphere of the oven is more easily renewed and the reduction products can be transported throughout the volume of the oven when, at the start of sintering, the porosity is still open. On the other hand, the atmosphere is not renewed and the conditions do not allow a total reduction of the oxides before the porosity closes. For nickel-free austenitic stainless steels, it is therefore very difficult to have a deoxidized layer whose thickness is greater than 200 μm. As the termination of the parts (machining, polishing) after sintering requires removal of material which may be greater than 200 μm, oxides may be present on the surface of the finished parts, which is harmful both from an aesthetic point of view and from the point of view of corrosion resistance for polished surfaces.
[0006] Il existe donc un besoin d'augmenter l'épaisseur de cette couche désoxydée pour les pièces mises en forme par frittage de poudres d'aciers inoxydables austénitiques sans nickel. There is therefore a need to increase the thickness of this deoxidized layer for the parts formed by sintering austenitic stainless steel powders without nickel.
Résumé de l'inventionSummary of the invention
[0007] La présente invention a pour objet de proposer une composition de poudre d'acier inoxydable austénitique sans nickel permettant d'obtenir, après frittage, une couche désoxydée particulièrement profonde, à savoir supérieure ou égale à 200 µm. The present invention aims to provide a composition of austenitic stainless steel powder without nickel to obtain, after sintering, a particularly deep deoxidized layer, namely greater than or equal to 200 microns.
[0008] On entend par couche désoxydée une couche présentant des oxydes de faible taille finement dispersés. Préférentiellement, le diamètre des oxydes est inférieur à 2 µm et la fraction surfacique de ces oxydes est inférieure à 0.1% dans cette couche. Ces oxydes finement dispersés n'ont pas d'impact au niveau esthétique après polissage. En dehors de cette couche désoxydée, le diamètre des oxydes peut typiquement atteindre 5 µm et la fraction surfacique des oxydes peut aller jusqu'à 1 %. By deoxidized layer is meant a layer having finely dispersed small oxides. Preferably, the diameter of the oxides is less than 2 μm and the surface fraction of these oxides is less than 0.1% in this layer. These finely dispersed oxides have no impact on the aesthetic level after polishing. Outside this deoxidized layer, the diameter of the oxides can typically reach 5 μm and the surface fraction of the oxides can range up to 1%.
[0009] Pour obtenir cette couche désoxydée de plus grande épaisseur, il est nécessaire de sélectionner une poudre d'acier inoxydable austénitique sans nickel ayant une concentration massique en carbone supérieure ou égale à 0.05% et inférieure ou égale à 0.11%. Le carbone permet en effet une réduction des oxydes les plus stables, particulièrement les oxydes de manganèse et les oxydes mixtes de manganèse et de silicium, à une température qui peut être inférieure ou égale à 1200°C. Etant donné qu'en dessous de 1200°C, la densification est faible et la porosité reste ouverte, la présence de carbone permet de désoxyder plus en profondeur, l'élimination des produits de réduction et le renouvellement de l'atmosphère à l'intérieur de la pièce étant favorisés. Cette réduction des oxydes par le carbone à haute température est communément appelée réduction carbothermique et répond, par exemple pour un oxyde de manganèse, à la réaction suivante : MnO + C → Mn + CO. To obtain this deoxidized layer of greater thickness, it is necessary to select an austenitic stainless steel powder without nickel having a carbon mass concentration greater than or equal to 0.05% and less than or equal to 0.11%. Carbon in fact allows a reduction in the most stable oxides, particularly the manganese oxides and the mixed oxides of manganese and silicon, at a temperature which can be less than or equal to 1200 ° C. Given that below 1200 ° C, the densification is low and the porosity remains open, the presence of carbon makes it possible to deoxidize more deeply, the elimination of reduction products and the renewal of the atmosphere inside of the room being favored. This reduction of oxides by carbon at high temperature is commonly called carbothermal reduction and responds, for example for a manganese oxide, to the following reaction: MnO + C → Mn + CO.
[0010] Il a été montré lors de plusieurs essais de frittage réalisés sur des poudres d'aciers inoxydables austénitiques sans nickel que la concentration en carbone doit être choisie dans la gamme spécifique 0.05-0.11% en poids. Cette concentration optimale permet d'obtenir une couche désoxydée la plus épaisse possible, tout en évitant une décarburation problématique des pièces. En effet, lorsque la concentration massique en carbone est inférieure à 0.05% en poids, la réduction carbothermique n'est pas complète et la couche désoxydée est réduite. A l'opposé, une concentration trop élevée en carbone est problématique car la décarburation provenant de la réaction avec l'hydrogène présent dans l'atmosphère de frittage ne peut pas être maîtrisée et de grosses variations de concentration en carbone entre les pièces sont observées. Avec des concentrations massiques en carbone dans la poudre d'acier inoxydable austénitique sans nickel comprises entre 0.05 et 0.11 %, les éventuelles variations de concentration en carbone sont suffisamment faibles pour ne pas influencer la microstructure et les propriétés mécaniques et physiques des pièces après frittage. It has been shown during several sintering tests carried out on austenitic stainless steel powders without nickel that the carbon concentration must be chosen in the specific range 0.05-0.11% by weight. This optimal concentration makes it possible to obtain the thickest deoxidized layer possible, while avoiding problematic decarburization of the parts. In fact, when the mass concentration of carbon is less than 0.05% by weight, the carbothermal reduction is not complete and the deoxidized layer is reduced. Conversely, too high a carbon concentration is problematic because the decarburization resulting from the reaction with the hydrogen present in the sintering atmosphere cannot be controlled and large variations in carbon concentration between the parts are observed. With mass concentrations of carbon in the nickel-free austenitic stainless steel powder of between 0.05 and 0.11%, the possible variations in carbon concentration are sufficiently small not to influence the microstructure and the mechanical and physical properties of the parts after sintering.
Brève description des figuresBrief description of the figures
[0011] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous faisant référence aux figures suivantes. la figure 1 illustre schématiquement la transition entre la couche désoxydée et le reste de la pièce selon l'invention, et les figures 2A et 2B représentent respectivement une coupe métallographique d'une pièce selon l'art antérieur et d'une pièce selon l'invention.Other features and advantages of the present invention will appear on reading the detailed description below referring to the following figures. FIG. 1 schematically illustrates the transition between the deoxidized layer and the rest of the part according to the invention, and FIGS. 2A and 2B respectively represent a metallographic section of a part according to the prior art and of a part according to the invention.
Description de l'inventionDescription of the invention
[0012] L'invention concerne une poudre d'acier inoxydable austénitique et, plus spécifiquement, une poudre d'acier inoxydable austénitique comprenant de l'azote afin de réduire, voire de s'affranchir du nickel connu pour son caractère allergène. Selon l'invention, cette poudre d'acier inoxydable austénitique comporte une teneur spécifique en carbone choisie pour optimiser la réaction carbothermique en surface de la pièce lors du frittage de cette dernière. L'invention concerne également un procédé de fabrication par métallurgie des poudres de pièces mécaniques à fonction technique et/ou esthétique et, plus spécifiquement, d'un article décoratif. Plus particulièrement, la pièce mécanique peut être une pièce d'habillage en horlogerie choisie parmi la liste non exhaustive comprenant une carrure, un fond, une lunette, un poussoir, un maillon de bracelet, un bracelet, une boucle ardillon, un cadran, une aiguille, une couronne et un index de cadran. Il peut également s'agir d'une pièce de bijouterie ou de joaillerie. The invention relates to an austenitic stainless steel powder and, more specifically, an austenitic stainless steel powder comprising nitrogen in order to reduce or even get rid of nickel known for its allergenic nature. According to the invention, this austenitic stainless steel powder has a specific carbon content chosen to optimize the carbothermic reaction at the surface of the part during the sintering of the latter. The invention also relates to a process for the manufacture by metallurgy of powders of mechanical parts with a technical and / or aesthetic function and, more specifically, of a decorative article. More particularly, the mechanical part can be a timepiece covering part chosen from the non-exhaustive list comprising a middle part, a back, a bezel, a push-piece, a bracelet link, a bracelet, a pin buckle, a dial, a hand, crown and dial index. It can also be a piece of jewelry.
[0013] La poudre d'acier inoxydable austénitique sans nickel selon l'invention comprend en poids : 10 < Cr < 25%, 5 < Mn < 20%, 1 < Mo < 5%, 0.05 ≤ C ≤ 0.11%, 0 ≤ Si < 2%, 0 ≤ Cu < 4%, 0 ≤ N < 1%, 0 ≤ O < 0.3%,le solde étant constitué par le fer et des impuretés éventuelles. Par impuretés éventuelles, on entend des éléments n'ayant pas pour but de modifier la ou les propriétés de l'alliage mais dont la présence est inévitable car ils sont issus du procédé de fabrication de la poudre. Les impuretés éventuelles telles que le B, Mg, Al, P, S, Ca, Se, Ti, V, Co, Ni, Zn, Se, Zr, Nb, Sn, Sb, Te, Hf, Ta, W, Pb et Bi peuvent notamment être chacune présentes dans une concentration massique inférieure ou égale à 0.5%. Au sens de la présente invention, on entend donc par acier inoxydable austénitique sans nickel un alliage ne contenant pas plus de 0.5% en pourcentage massique de nickel. Avantageusement, la poudre d'acier inoxydable austénitique sans nickel selon l'invention présente en outre un diamètre D90 inférieur ou égal à 150 µm. The nickel-free austenitic stainless steel powder according to the invention comprises by weight: 10 <Cr <25%, 5 <Mn <20%, 1 <Mo <5%, 0.05 ≤ C ≤ 0.11%, 0 ≤ If <2%, 0 ≤ Cu <4%, 0 ≤ N <1%, 0 ≤ O <0.3%, the balance being made up of iron and any impurities. The term “possible impurities” is understood to mean elements which are not intended to modify the properties of the alloy but whose presence is inevitable since they originate from the powder manufacturing process. Any impurities such as B, Mg, Al, P, S, Ca, Se, Ti, V, Co, Ni, Zn, Se, Zr, Nb, Sn, Sb, Te, Hf, Ta, W, Pb and Bi can in particular be each present in a mass concentration less than or equal to 0.5%. For the purposes of the present invention, the term “nickel-free austenitic stainless steel” is therefore understood to mean an alloy containing not more than 0.5% by mass percentage of nickel. Advantageously, the nickel-free austenitic stainless steel powder according to the invention also has a diameter D90 less than or equal to 150 μm.
[0014] Préférentiellement, la poudre d'acier inoxydable austénitique sans nickel selon l'invention comprend en poids : 15 < Cr < 20%, 8 < Mn < 14%, 2 < Mo < 4%, 0.05<>≤ C<>≤ 0.11%, 0 ≤ Si < 1%, 0 ≤ Cu < 0.5%, 0 ≤<>N <1%, 0 ≤ O < 0.2%,le solde étant constitué par le fer et les impuretés éventuelles telles que précitées. Preferably, the nickel-free austenitic stainless steel powder according to the invention comprises by weight: 15 <Cr <20%, 8 <Mn <14%, 2 <Mo <4%, 0.05 <> ≤ C <> ≤ 0.11%, 0 ≤ If <1%, 0 ≤ Cu <0.5%, 0 ≤ <> N <1%, 0 ≤ O <0.2%, the balance being made up of iron and any impurities as mentioned above.
[0015] Plus préférentiellement, la poudre d'acier inoxydable austénitique sans nickel selon l'invention comprend en poids : 16.5 ≤ Cr ≤ 17.5%, 10.5 ≤ Mn ≤ 11.5%, 3 ≤ Mo ≤ 3.5%, 0.05 ≤ C ≤ 0.11%, 0 ≤ Si ≤ 0.6%, 0 ≤ Cu ≤ 0.5%, 0 ≤ N < 1%, 0 ≤ O < 0.2%,le solde étant constitué par le fer et les impuretés éventuelles telles que précitées. More preferably, the nickel-free austenitic stainless steel powder according to the invention comprises by weight: 16.5 ≤ Cr ≤ 17.5%, 10.5 ≤ Mn ≤ 11.5%, 3 ≤ Mo ≤ 3.5%, 0.05 ≤ C ≤ 0.11%, 0 ≤ If ≤ 0.6%, 0 ≤ Cu ≤ 0.5%, 0 ≤ N <1%, 0 ≤ O <0.2%, the balance being made up of iron and any impurities as mentioned above.
[0016] Le procédé de fabrication de la pièce consiste à réaliser, au moyen de la poudre métallique précitée, une ébauche ayant sensiblement la forme de la pièce à fabriquer, puis à fritter cette ébauche. L'ébauche peut être réalisée par moulage par injection (MIM pour Metal Injection Molding), pressage, extrusion ou fabrication additive. Plus précisément, dans le cas du moulage par injection, l'ébauche peut être réalisée au moyen d'un mélange, aussi appelé feedstock, comprenant la poudre métallique et un système de liant organique (paraffine, polyéthylène, etc.). Ensuite, le feedstock est injecté et le liant est éliminé par dissolution dans un solvant et/ou par dégradation thermique. The manufacturing process of the part consists in producing, by means of the aforementioned metal powder, a blank having substantially the shape of the part to be manufactured, then in sintering this blank. The blank can be produced by injection molding (MIM for Metal Injection Molding), pressing, extrusion or additive manufacturing. More specifically, in the case of injection molding, the blank can be produced by means of a mixture, also called feedstock, comprising the metal powder and an organic binder system (paraffin, polyethylene, etc.). Then the feedstock is injected and the binder is removed by dissolution in a solvent and / or by thermal degradation.
[0017] L'ébauche est frittée dans une atmosphère comprenant un gaz porteur d'azote (N2par exemple) à une température comprise entre 1000 et 1500°C, de préférence à une température comprise entre 1100 et 1400°C, plus préférentiellement encore à une température comprise entre 1200 et 1300°C, pendant un temps compris entre 1 et 10 heures, de préférence pendant un temps compris entre 1 et 5 heures. Les caractéristiques du cycle de frittage, particulièrement la température et la pression partielle d'azote, dépendent notamment de la composition de l'alliage et sont fixées de façon à obtenir une structure totalement austénitique après frittage. On précisera que la teneur en azote de la pièce peut être ajustée en changeant la pression partielle en azote de l'atmosphère. En plus de l'azote, d'autres gaz peuvent être utilisés dans l'atmosphère de frittage, comme de l'hydrogène et de l'argon. The blank is sintered in an atmosphere comprising a nitrogen-bearing gas (N2 for example) at a temperature between 1000 and 1500 ° C, preferably at a temperature between 1100 and 1400 ° C, even more preferably at a temperature between 1200 and 1300 ° C, for a time between 1 and 10 hours, preferably for a time between 1 and 5 hours. The characteristics of the sintering cycle, particularly the temperature and the partial nitrogen pressure, depend in particular on the composition of the alloy and are fixed so as to obtain a completely austenitic structure after sintering. It will be noted that the nitrogen content of the room can be adjusted by changing the partial nitrogen pressure of the atmosphere. In addition to nitrogen, other gases can be used in the sintering atmosphere, such as hydrogen and argon.
[0018] Le cycle de frittage peut être réalisé en une seule étape dans les gammes de températures et de temps précitées. Il est également envisageable de réaliser le cycle de frittage en deux étapes avec une première étape dans une gamme de températures comprises entre 1000 et 1200°C pendant un temps compris entre 30 minutes et 5 heures, suivie d'une seconde étape dans une gamme de températures comprises entre 1200 et 1500°C, de préférence entre 1200 et 1300°C, pendant un temps compris entre 1 et 10 heures. Ce premier palier permet d'optimiser la réduction carbothermique des oxydes de manganèse et/ou des oxydes mixtes de manganèse et de silicium et ainsi d'obtenir une couche désoxydée plus profonde. The sintering cycle can be carried out in a single step in the aforementioned temperature and time ranges. It is also possible to carry out the sintering cycle in two stages with a first stage in a temperature range between 1000 and 1200 ° C. for a time between 30 minutes and 5 hours, followed by a second stage in a range of temperatures between 1200 and 1500 ° C, preferably between 1200 and 1300 ° C, for a time between 1 and 10 hours. This first stage makes it possible to optimize the carbothermic reduction of the manganese oxides and / or the mixed oxides of manganese and silicon and thus to obtain a deeper deoxidized layer.
[0019] Après frittage de la poudre d'acier inoxydable austénitique sans nickel selon l'invention, des traitements thermiques supplémentaires peuvent être réalisés sur les composants frittés comme, par exemple, un traitement de compression isostatique à chaud pour éliminer au maximum la porosité résiduelle. After sintering the nickel-free austenitic stainless steel powder according to the invention, additional heat treatments can be carried out on the sintered components such as, for example, a hot isostatic compression treatment to eliminate the residual porosity as much as possible. .
[0020] Un traitement thermique supplémentaire peut également consister à éliminer la porosité résiduelle en surface de l'échantillon. Ainsi, conformément à la demande EP17202337.6 publiée sous le numéro EP 3484009A1, le traitement thermique supplémentaire peut consister à traiter la pièce frittée pour transformer la structure austénitique en une structure ferritique ou biphasée ferrite + austénite en surface de la pièce, et ensuite à transformer à nouveau la structure ferritique ou biphasée ferrite + austénite en une structure austénitique de manière à former en surface de la pièce une couche plus dense. Par ailleurs, après l'étape de frittage, la pièce peut être soumise à un traitement de finition par étampage, aussi qualifié de forgeage. An additional heat treatment can also consist in eliminating the residual porosity at the surface of the sample. Thus, in accordance with application EP17202337.6 published under the number EP 3484009A1, the additional heat treatment can consist in treating the sintered part to transform the austenitic structure into a ferritic or two-phase ferrite + austenite structure on the surface of the part, and then to transform the ferritic or two-phase ferrite + austenite structure again into an austenitic structure so as to form a denser layer on the surface of the part. Furthermore, after the sintering step, the part can be subjected to a finishing treatment by stamping, also called forging.
[0021] Les pièces obtenues avec la poudre d'acier inoxydable austénitique sans nickel selon l'invention présentent, après frittage, une couche superficielle désoxydée dont l'épaisseur est d'au moins 200 µm, cette épaisseur étant de préférence supérieure ou égale à 250 µm et, plus préférentiellement, supérieure ou égale à 300 µm. Dans cette couche désoxydée, le diamètre des oxydes qui sont de forme sensiblement circulaire est inférieur à 2 µm et la fraction surfacique ou volumique totale des oxydes est inférieure à 0.1%. La figure 1 illustre schématiquement la transition entre la couche désoxydée 1 d'épaisseur e et le reste 2 de la pièce 3 comportant des oxydes 4 de taille et de fraction surfacique supérieures. La ligne de démarcation entre la couche dite désoxydée et le reste de la pièce frittée et ainsi l'épaisseur de la couche désoxydée peut être aisément déterminée en microscopie optique à partir d'une ou de plusieurs coupes métallographiques. De même, la fraction surfacique ou volumique d'oxydes peut être déterminée par analyse d'images en microscopie optique de sections polies de la pièce. La fraction surfacique correspond au rapport entre la surface occupée par les oxydes et la surface totale de la couche désoxydée analysée. La fraction volumique peut être déduite de la fraction surfacique en supposant que les oxydes sont de forme circulaire. On précisera que cette transition entre la couche désoxydée et le reste de la pièce frittée ne peut être observée que si les pièces présentent au moins en surface une porosité quasi nulle, c'est-à-dire une densité relative supérieure ou égale à 99%. En effet, en présence d'une porosité importante, il sera difficile de différencier les oxydes des pores en microscopie optique. The parts obtained with the nickel-free austenitic stainless steel powder according to the invention have, after sintering, a deoxidized surface layer whose thickness is at least 200 μm, this thickness preferably being greater than or equal to 250 µm and, more preferably, greater than or equal to 300 µm. In this deoxidized layer, the diameter of the oxides which are of substantially circular shape is less than 2 μm and the total surface or volume fraction of the oxides is less than 0.1%. FIG. 1 schematically illustrates the transition between the deoxidized layer 1 of thickness e and the rest 2 of the part 3 comprising oxides 4 of greater size and surface fraction. The line of demarcation between the so-called deoxidized layer and the rest of the sintered part and thus the thickness of the deoxidized layer can be easily determined by optical microscopy from one or more metallographic sections. Similarly, the surface or volume fraction of oxides can be determined by analysis of light microscopy images of polished sections of the part. The surface fraction corresponds to the ratio between the surface occupied by the oxides and the total surface of the deoxidized layer analyzed. The volume fraction can be deduced from the surface fraction by assuming that the oxides are circular. It will be noted that this transition between the deoxidized layer and the rest of the sintered part can only be observed if the parts have at least a near zero porosity on the surface, that is to say a relative density greater than or equal to 99%. . Indeed, in the presence of a large porosity, it will be difficult to differentiate the pore oxides by optical microscopy.
[0022] Pour illustrer l'effet du carbone sur la désoxydation des poudres d'aciers inoxydables austénitiques sans nickel, des pièces mises en forme par MIM (Metal Injection Molding) à partir de deux poudres (D90 = 16 µm) ayant des concentrations différentes en carbone ont été frittées en même temps dans le même four. Des coupes métallographiques ont été réalisées pour mesurer et comparer l'épaisseur de la couche désoxydée entre les deux pièces. Le frittage a été réalisé dans une atmosphère réductrice comprenant 75%N2et 25%H2sous une pression de 850 mbars avec un premier palier à 1200°C pendant 3 heures suivi d'un deuxième palier à 1300°C pendant 2 heures. Un échantillon comparatif a été réalisé au moyen d'une poudre comprenant 0.03% en poids de carbone. Plus précisément, il s'agit d'une poudre Fe-17Cr-11Mn-3Mo-0.5Si-0.1O-0.5N-0.03C (% en poids). Une vue en microscopie optique d'une coupe transversale de l'échantillon après polissage est représentée à la figure 2A. On observe nettement une ligne de transition entre la couche désoxydée 1 et le reste 2 de l'échantillon. L'épaisseur de la couche désoxydée est d'environ 196 µm. Des mesures réalisées sur plusieurs coupes ont montré que les valeurs sont sensiblement similaires d'une coupe à l'autre. To illustrate the effect of carbon on the deoxidation of nickel-free austenitic stainless steel powders, parts shaped by MIM (Metal Injection Molding) from two powders (D90 = 16 µm) having different concentrations carbon were sintered at the same time in the same oven. Metallographic sections were made to measure and compare the thickness of the deoxidized layer between the two parts. The sintering was carried out in a reducing atmosphere comprising 75% N2and 25% H2 under a pressure of 850 mbar with a first stage at 1200 ° C for 3 hours followed by a second stage at 1300 ° C for 2 hours. A comparative sample was carried out using a powder comprising 0.03% by weight of carbon. More specifically, it is a Fe-17Cr-11Mn-3Mo-0.5Si-0.1O-0.5N-0.03C powder (% by weight). A microscopic view of a cross section of the sample after polishing is shown in Figure 2A. A transition line is clearly observed between the deoxidized layer 1 and the rest 2 of the sample. The thickness of the deoxidized layer is approximately 196 µm. Measurements carried out on several sections have shown that the values are substantially similar from one section to another.
[0023] Un échantillon selon l'invention a été réalisé au moyen d'une poudre comprenant 0.07% en poids de carbone. Plus précisément, il s'agit d'une poudre Fe-17Cr-11Mn-3Mo-0.5Si-0.1O-0.5N-0.07C (% en poids). Une vue en microscopie optique d'une coupe transversale de l'échantillon après polissage est représentée à la figure 2B. On observe également nettement une ligne de transition entre la couche désoxydée 1 et le reste 2 de l'échantillon. L'épaisseur de la couche désoxydée est nettement supérieure, avec une valeur d'environ 335 µm. A sample according to the invention was carried out using a powder comprising 0.07% by weight of carbon. More specifically, it is a Fe-17Cr-11Mn-3Mo-0.5Si-0.1O-0.5N-0.07C powder (% by weight). A microscopic view of a cross section of the sample after polishing is shown in Figure 2B. A transition line is also clearly observed between the deoxidized layer 1 and the rest 2 of the sample. The thickness of the deoxidized layer is considerably greater, with a value of approximately 335 μm.
[0024] Des essais ont également été réalisés avec une poudre comprenant 0.18% en poids de carbone, soit une poudre Fe-17Cr-11Mn-3Mo-0.5Si-0.1O-0.5N-0.18C (% en poids). La décarburation provenant de la réaction du carbone avec l'hydrogène de l'atmosphère a engendré des différences de concentration en carbone très importantes au sein d'une même charge, c.à.d. partant d'une même composition de poudre, avec pour conséquence des différences au niveau de la microstructure des pièces. Tests have also been carried out with a powder comprising 0.18% by weight of carbon, ie a powder Fe-17Cr-11Mn-3Mo-0.5Si-0.1O-0.5N-0.18C (% by weight). The decarburization resulting from the reaction of carbon with hydrogen in the atmosphere gave rise to very large differences in carbon concentration within the same charge, i.e. starting from the same powder composition, with the consequence of differences in the microstructure of the parts.
[0025] Il va de soi que la présente invention n'est pas limitée à la description qui précède et que diverses modifications et variantes simples peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications annexées. On aura compris de ce qui précède que la présente invention s'intéresse au frittage de pièces au moyen de poudres d'aciers austénitiques inoxydables sans nickel et que son but est de procurer de telles pièces qui présentent une couche superficielle aussi épaisse que possible dépourvue au maximum de ses oxydes. Néanmoins, de tels aciers comprennent des concentrations en manganèse élevées. Or, le manganèse est un composant présentant une forte affinité pour l'oxygène et les oxydes qu'il forme ne peuvent être éliminés qu'à des températures voisines des températures de frittage. Or, à la température de frittage, la porosité se ferme rapidement, ce qui rend plus difficile l'élimination des oxydes dans lesquels le manganèse est inclus. Face à ce problème, la Demanderesse a mis en évidence que des compositions d'aciers austénitiques inoxydables sans nickel renfermant une concentration en carbone au moins égale à 0.05% en poids et n'excédant pas 0.11% en poids permettaient d'obtenir des pièces frittées avec une couche superficielle présentant une plus faible concentration en oxydes et dont l'épaisseur est supérieure à ce qui a été observé sur des pièces frittées obtenues au moyen d'aciers austénitiques inoxydables sans nickel connus. On a en effet observé que pour des concentrations en carbone comprises entre 0.05% et 0.11% en poids, la présence du carbone permet de désoxyder plus en profondeur les pièces frittées tout en évitant une décarburation problématique, cette désoxydation étant encore renforcée par le fait qu'elle puisse être effectuée à des températures inférieures à la température de frittage pour lesquelles la densité est encore faible et les pores relativement ouverts. It goes without saying that the present invention is not limited to the preceding description and that various modifications and simple variants can be envisaged without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims. It will be understood from the above that the present invention relates to the sintering of parts using powders of austenitic stainless steels without nickel and that its aim is to provide such parts which have a surface layer as thick as possible devoid of maximum of its oxides. However, such steels include high manganese concentrations. However, manganese is a component having a strong affinity for oxygen and the oxides which it forms can only be eliminated at temperatures close to the sintering temperatures. However, at the sintering temperature, the porosity closes quickly, which makes it more difficult to remove the oxides in which the manganese is included. Faced with this problem, the Applicant has demonstrated that compositions of austenitic stainless steels without nickel containing a carbon concentration at least equal to 0.05% by weight and not exceeding 0.11% by weight made it possible to obtain sintered parts with a surface layer having a lower concentration of oxides and whose thickness is greater than what has been observed on sintered parts obtained by means of known austenitic stainless steels without nickel known. It has in fact been observed that for carbon concentrations of between 0.05% and 0.11% by weight, the presence of carbon makes it possible to deoxidize more deeply the sintered parts while avoiding problematic decarburization, this deoxidation being further reinforced by the fact that it can be carried out at temperatures below the sintering temperature for which the density is still low and the pores relatively open.
Claims (20)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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CH00642/19A CH715564B1 (en) | 2019-05-16 | 2019-05-16 | Composition of austenitic stainless steel powder without nickel and part produced by sintering of this powder. |
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Publication Number | Publication Date |
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CH00642/19A CH715564B1 (en) | 2019-05-16 | 2019-05-16 | Composition of austenitic stainless steel powder without nickel and part produced by sintering of this powder. |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112981231A (en) * | 2021-01-20 | 2021-06-18 | 广东省高端不锈钢研究院有限公司 | High-manganese-nitrogen austenitic stainless steel powder and preparation method thereof |
CN114147213A (en) * | 2021-11-19 | 2022-03-08 | 江苏精研科技股份有限公司 | Preparation method for powder injection molding based on high-nitrogen nickel-free stainless steel |
-
2019
- 2019-05-16 CH CH00642/19A patent/CH715564B1/en unknown
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CN114147213A (en) * | 2021-11-19 | 2022-03-08 | 江苏精研科技股份有限公司 | Preparation method for powder injection molding based on high-nitrogen nickel-free stainless steel |
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