EP0123632A1 - Process for the production of steels with high machinability - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne les procédés d'élaboration d'aciers à haute usinabilité, comportant des inclusions globulaires permettant de grandes vitesses de coupe, au moyen d'outils en carbure(s).The invention relates to methods for producing steels with high machinability, comprising globular inclusions allowing high cutting speeds, using carbide tools.
Le procédé suivant l'invention consiste à introduire dans un acier liquide qui a été soigneusement désoxydé à l'aluminium, et désulfuré, des additions de calcium et de soufre, effectuées au moyen de fil fourré, les teneurs obtenues étant de 20 à 100 ppm de calcium et 150 à 500 ppm de soufre.The process according to the invention consists in introducing into a liquid steel which has been carefully deoxidized with aluminum, and desulphurized, additions of calcium and sulfur, carried out by means of cored wire, the contents obtained being from 20 to 100 ppm of calcium and 150 to 500 ppm of sulfur.
Les aciers élaborés par ce procédé présentent une aptitude particulière à l'usinage à grande vitesse au moyen d'outils de coupe en carbure(s).
Description
Le procédé qui fait l'objet de l'invention concerne les aciers à haute usinabilité.The process which is the subject of the invention relates to steels with high machinability.
Il est Bien connu que l'usinabilité des aciers dépend notamment de la nature et de la morphologie des inclusions présentes dans le métal. Ce sont essentiellement des oxydes et des sulfures. Les oxydes ont une action défavorable sur l'outil de coupe, par contre, les sulfures peuvent jouer un rôle favorable de lubrifiant.It is well known that the machinability of steels depends in particular on the nature and the morphology of the inclusions present in the metal. They are mainly oxides and sulfides. Oxides have an unfavorable action on the cutting tool, on the other hand, sulphides can play a favorable role as a lubricant.
Dans le cas de l'usinage à vitesse de coupe modérée au moyen d'outils en acier à coupe rapide, ce sont les sulfures qui jouent un rôle essentiel et on utilise des aciers dont les teneurs en soufre peuvent varier de 0,07 à 0,33 %.In the case of machining at moderate cutting speed using high-speed steel tools, it is the sulphides which play an essential role and steels are used whose sulfur contents can vary from 0.07 to 0 , 33%.
Dans le cas de l'usinage à grande vitesse de coupe au moyen d'outils en carbure(s),les hautes teneurs en soufre-n'ont pas d'effet particulièrement favorable. Parcontre, on a constaté que les inclusions d'oxydes sont particulièrement nocives, car elles entraînent une usure de l'outil de coupe. Il est possible de réduire la nocivité de ces inclusions par des moyens connus. On peut, en particulier, en diminuer la quantité grâce à une bonne désoxydation et à une bonne décantation. On peut aussi rendre ces inclusions, généralement à base d'alumine, globulaires par l'addition d'éléments alcalino- terreux tels que le calcium, ou d'autres éléments..On peut enfin s'arranger pour que ces inclusions globulaires restantes comportent une certaine quantité de soufre combiné qui en réduit la nocivité. Dans ce cas, la teneur en soufre n'est généralement pas supérieure à celle qui est habituellement présente dans l'acier, c'est-à-dire inférieure à 500 ppm (parties par million en masse), et généralement de l'ordre de 150 à 500 ppm. Dans cet intervalle, on cherche souvent à viser une fourchette de teneur en soufre plus étroite, pour un usage et une nuance donnés, ce qui présente de sérieuses difficultés.In the case of machining at high cutting speed using carbide tools, the high sulfur contents have no particularly favorable effect. On the other hand, it has been found that the inclusions of oxides are particularly harmful, because they lead to wear of the cutting tool. It is possible to reduce the harmfulness of these inclusions by known means. We can, in particular, reduce the amount through good deoxidation and good decantation. We can also make these inclusions, generally alumina-based, globular by the addition of alkaline earth elements such as calcium, or other elements. We can finally arrange for these remaining globular inclusions to include a certain amount of combined sulfur which reduces its harmfulness. In this case, the sulfur content is generally not greater than that which is usually present in the steel, that is to say less than 500 ppm (parts per million by mass), and generally of the order from 150 to 500 ppm. In this interval, it is often sought to target a narrower sulfur content range, for a given use and grade, which presents serious difficulties.
De façon plus générale, l'expérience a montré qu'il est difficile d'élaborer de façon reproductible des aciers à faible teneur en inclusions, ces inclusions étant rendues peu nocives par leur forme globulaire et par la présence de petites quantités de soufre combiné.More generally, experience has shown that it is difficult to reproducibly produce steels with a low content of inclusions, these inclusions being made little harmful by their shape. globular and by the presence of small amounts of combined sulfur.
Ces difficultés sont dues en particulier au fait qu'il est difficile de bien contrôler les teneurs en soufre de l'acier après désoxydation, qu'il n'est pas non plus facile de contrôler avec précision les additions éventuelles de soufre effectuées à l'acier, et enfin que le rendement des additions de calcium comme agent permettant de rendre les inclusions globulaires manque de reproductibilité.These difficulties are due in particular to the fact that it is difficult to properly control the sulfur contents of the steel after deoxidation, that it is also not easy to control with precision the possible additions of sulfur carried out steel, and finally that the yield of calcium additions as an agent making it possible to make globular inclusions lacks reproducibility.
On a recherché la possibilité de mettre au point un procédé d'élaboration d'aciers à haute usinabilité particulièrement aptes à l'usi, nage à grande vitesse au moyen d'outils de coupe en carbure(s), par addition de soufre et de calcium, dans des conditions permettant d'obtenir une grande efficacité de l'action combinée du calcium et du soufre ainsi qu'une excellente reproductibilité des résultats, tout en règlant la teneur en soufre à l'intérieur de fourchettes de composition étroites, cette teneur ne dépassant pas la limite supérieure de teneur en soufre couramment admise dans les aciers ne comportant pas d'addition volontaire de soufre.We looked for the possibility of developing a process for developing steels with high machinability which are particularly suitable for machining, swimming at high speed using carbide cutting tools, by adding sulfur and calcium, under conditions making it possible to obtain a high efficiency of the combined action of calcium and sulfur as well as an excellent reproducibility of the results, while regulating the sulfur content within narrow ranges of composition, this content not exceeding the upper limit of sulfur content commonly accepted in steels without voluntary addition of sulfur.
On a recherché en particulier la possibilité de développer une méthode d'introduction dans l'acier liquide du calcium et du soufre, qui permette d'ajuster avec beaucoup de précision les quantités de calcium apportées à l'acier sous forme métallique, ainsi que les quantités correspondantes de soufre, afin d'obtenir du point de vue usinabilité, de façon reproductible, des résultats optimaux.In particular, the possibility of developing a method of introducing calcium and sulfur into liquid steel was investigated, which makes it possible to adjust with great precision the amounts of calcium supplied to the steel in metallic form, as well as the corresponding amounts of sulfur, in order to obtain reproducible machinability optimum results.
Le procédé qui fait l'objet de l'invention apporte une solution particulièrement avantageuse au problème qui se pose.The process which is the subject of the invention provides a particularly advantageous solution to the problem which arises.
Il consiste à élaborer de façon conventionnelle un acier non allié, ou allié, ou inoxydable, puis à effectuer une addition d'aluminium afin d'abaisser la teneur en oxygène de l'acier au-dessous de 100ppm, à effectuer ensuite ou simultanément une désulfuration poussée par un laitier basique afin d'abaisser la teneur en soufre de l'acier au-dessous de 100 ppm, puis à effectuer,en fil fourré,des additions de calcium et de soufre afin d'atteindre dans l'acier une teneur en calcium de 20 à 100 ppm, et une teneur en soufre de 150 à 500 ppm. On effectue avantageusement le traitement par l'aluminium de façon à obtenir une teneur résiduelle en aluminium dissout dans l'acier, comprise entre 150 et 500 ppm. La teneur en oxygène est de préférence abaissée au-dessous de 50 ppm et,de préférence également, la désulfuration est effectuée jusqu'à obtenir une teneur en soufre inférieure à 50 ppm. On peut effectuer les additions de calcium et de soufre soit de façon successive, le calcium étant introduit en premier, soit simultanément.It consists of conventionally developing unalloyed, or alloyed, or stainless steel, then adding aluminum in order to lower the oxygen content of the steel below 100 ppm, then performing a simultaneous desulphurization pushed by a basic slag in order to lower the sulfur content of the steel below 100 ppm, then to carry out, in cored wire, additions of calcium and sulfur in order to reach in the steel a content calcium from 20 to 100 ppm, and a sulfur content from 150 to 500 ppm. Advantageously, the treatment with aluminum is carried out to obtain a residual content of aluminum dissolved in the steel, between 150 and 500 ppm. The oxygen content is preferably lowered below 50 ppm and, preferably also, the desulfurization is carried out until a sulfur content of less than 50 ppm is obtained. The calcium and sulfur additions can be carried out either successively, the calcium being introduced first, or simultaneously.
L'addition de calcium est effectuée au moyen d'un fil fourré contenant de façon avantageuse un alliage de calcium en grains ou poudre, tel qu'un silico-calcium.The addition of calcium is carried out by means of a cored wire advantageously containing a calcium alloy in grains or powder, such as a silico-calcium.
L'addition de soufre est effectuée au moyen d'un fil fourré contenant avantageusement de la fleur de soufre ou un sulfure.The addition of sulfur is carried out by means of a cored wire advantageously containing flower of sulfur or a sulphide.
En cas d'addition simultanée de calcium et de soufre, on peut utiliser plusieurs fils fourrés,ou un seul fil fourré contenant à la fois du calcium et du soufre dans les proportions voulues.If calcium and sulfur are added simultaneously, several cored wires may be used, or a single cored wire containing both calcium and sulfur in the desired proportions.
Le procédé permet en particulier d'obtenir de façon reproductible des aciers pour lesquels l'écart entre la teneur en soufre obtenue et la teneur visée ne dépasse pas + 40 ppm.The process makes it possible in particular to reproducibly obtain steels for which the difference between the sulfur content obtained and the targeted content does not exceed + 40 ppm.
Le procédé suivant l'invention permet, grâce aux additions très précises de calcium et de soufre ainsi effectuées, d'obtenir des inclusions globulaires finement réparties qui confèrent de façon reproductible à l'acier, une haute usinabilité. Ces aciers conviennent en particulier pour l'usinage à grande vitesse au moyen d'outils de coupe en carbure(s).The process according to the invention makes it possible, thanks to the very precise additions of calcium and sulfur thus carried out, to obtain finely distributed globular inclusions which confer reproducible manner on steel, high machinability. These steels are particularly suitable for high speed machining using carbide cutting tools.
De façon détaillée, le procédé suivant l'invention peut avantageusement être mis en oeuvre de la façon suivante :
- on élabore de façon conventionnelle un acier, tel qu'un acier allié ou non allié de type courant ;
- on effectue en fin d'élaboration, une désoxydation de cet acier au moyen d'aluminium, dont la quantité est déterminée pour obtenir une teneur résiduelle en aluminium dissout dans l'acier d'environ 150 à 500 ppm, cette teneur résiduelle visée étant d'autant plus forte, à l'intérieur de ces limites, que la teneur en carbone est plus faible.
- a steel is produced in a conventional manner, such as an alloyed or unalloyed steel of common type;
- at the end of production, a deoxidation of this steel is carried out using aluminum, the quantity of which is determined in order to obtain a residual content of aluminum dissolved in the steel of approximately 150 to 500 ppm, this targeted residual content being d 'The stronger, within these limits, the lower the carbon content.
La désulfuration est ensuite effectuée par exemple au moyen d'un laitier basique qui peut être constitué par exemple par de la chaux ou par une composition alumine-calcique. Pour permettre une désulfuration très poussée, il faut brasser le métal liquide au contact du laitier, par exemple par insufflation d'un gaz neutre à travers ce métal, ou par tout autre moyen. Les teneurs finales en soufre et oxygène doivent être, de préférence, inférieures à 50 ppm pour chacun de ces éléments.The desulfurization is then carried out for example by means of a basic slag which can consist, for example, of lime or by an alumina-calcium composition. To allow very thorough desulfurization, the liquid metal must be stirred in contact with the slag, for example by blowing a neutral gas through this metal, or by any other means. The final sulfur and oxygen contents should preferably be less than 50 ppm for each of these elements.
On effectue ensuite l'introduction du calcium dans l'acier liquide au moyen d'un fil fourré tel que, par exemple, celui qui est décrit dans le FR 2.476.542. Ce fil est constitué d'une enveloppe, généralement en acier doux, de quelques dixièmes de mm d'épaisseur, qui entoure l'âme qui contient le calcium à l'état divisé sous forme de métal ou d'alliage. L'introduction du fil fourré est effectuée de préférence à une vitesse relativement rapide en général de l'ordre de 1 à quelques mètres par seconde. On ajuste cette vitesse,en fonction du contenu du fil fourré en calcium par unité de longueur et de la quantité à introduire, de façon que la durée de cette introduction ne dépasse pas quelques minutes. On fait pénétrer le fil de haut en bas à travers le bain métallique, sous un angle proche de préférence de 90° par rapport à l'horizontale. Il est ainsi possible de faire pénétrer le calcium très profondément dans l'acier liquide, ce qui accroît considérablement l'efficacité de l'addition. La quantité de calcium ainsi introduite dans le bain d'acier liquide sous forme de métal ou d'alliage, est, de préférence, comprise entre 150 et 600 g/t, ce qui permet, après réduction des oxydes encore présents dans le métal, l'obtention d'une teneur en calcium comprise de préférence entre 20 et 80 ppm. On homogénéise de préférence par agitation le bain d'acier liquide ainsi additionné de calcium avant l'addition de soufre. Cette dernière addition est effectuée au moyen d'un fil fourré contenant soit du soufre en fleur, soit un sulfure tel que le sulfure de fer ou de manganèse, sous forme pulvérulente ou granulaire. L'enveloppe est généralement en acier doux de quelques dixièmes de mm d'épaisseur, comme dans le cas de l'addition de calcium. L'introduction du soufre est effectuée comme celle du calcium à vitesse relativement grande.The calcium is then introduced into the liquid steel by means of a cored wire such as, for example, that which is described in FR 2,476,542. This wire consists of an envelope, generally made of mild steel, a few tenths of a mm thick, which surrounds the core which contains the calcium in the divided state in the form of metal or alloy. The introduction of the cored wire is preferably carried out at a relatively rapid speed in general of the order of 1 to a few meters per second. This speed is adjusted as a function of the content of the calcium-filled wire per unit of length and of the quantity to be introduced, so that the duration of this introduction does not exceed a few minutes. The wire is made to penetrate from top to bottom through the metal bath, at an angle preferably close to 90 ° relative to the horizontal. It is thus possible to penetrate the calcium very deep into the liquid steel, which considerably increases the efficiency of the addition. The amount of calcium thus introduced into the bath of liquid steel in the form of a metal or an alloy is preferably between 150 and 600 g / t, which allows, after reduction of the oxides still present in the metal, obtaining a calcium content preferably between 20 and 80 ppm. The liquid steel bath thus added with calcium is preferably homogenized by stirring before the addition of sulfur. This latter addition is carried out by means of a cored wire containing either sulfur in bloom or a sulphide such as iron or manganese sulphide, in pulverulent or granular form. The envelope is generally made of mild steel a few tenths of a mm thick, as in the case of the addition of calcium. The introduction of sulfur is carried out like that of calcium at relatively high speed.
On cherche à obtenir dans l'acier liquide, une teneur en soufre comprise entre 150 et 500 ppm. Le rendement d'introduction est en général supérieur à 90Z grâce à l'utilisation de fil fourré, ce qui permet d'ajuster avec beaucoup de précision l'addition de soufre.It is sought to obtain in liquid steel, a sulfur content of between 150 and 500 ppm. The introduction yield is generally greater than 90Z thanks to the use of cored wire, which allows the addition of sulfur to be adjusted with great precision.
Dans la pratique, en effectuant des additions de fleur de soufre, on peut admettre un rendement de l'ordre de 95%.In practice, by making sulfur flower additions, it is possible to accept a yield of the order of 95%.
Après introduction du soufre, l'acier est coulé soit en lingots,soit au moyen d'une installation de coulée continue. On doit prendre le maximum de précautions pour éviter la réoxydation des jets d'acier liquide au cours de cette opération de coulée.After the sulfur has been introduced, the steel is cast either in ingots or by means of a continuous casting installation. Maximum care must be taken to avoid reoxidation of the liquid steel jets during this casting operation.
Les exemples ci-après décrivent de façon non limitative deux modes d'élaboration d'un acier à haute usinabilité par le procédé suivant l'invention :The examples below describe, without limitation, two modes of production of a steel with high machinability by the process according to the invention:
On se propose d'appliquer le procédé suivant l'invention à la préparation d'un acier correspondant à la norme AISI 1045 et contenant en % en masseIt is proposed to apply the process according to the invention to the preparation of a steel corresponding to standard AISI 1045 and containing in% by mass
2°) Coulée du métal en poche magnésie, une partie du manganèse pouvant être ajoutée dans la poche sous forme de ferro-manganèse. Désoxydation par addition d'aluminium dans le jet de coulée (1,5 kg/t soit 120 kg). Mise en place sur le métal d'un laitier de chaux (8kg/ t de poudre de chaux anhydre, soit 640 kg).2 °) Pouring of metal into a magnesia pocket, part of the manganese can be added to the pocket in the form of ferro-manganese. Deoxidation by addition of aluminum in the casting stream (1.5 kg / t or 120 kg). Placement on the metal of a lime slag (8kg / t of anhydrous lime powder, or 640 kg).
Dès le début de la coulée, brassage du métal par insufflation d'argon. Prise d'un échantillon d'acier 1 minute après la fin de la coulée. La composition de l'acier est alors en % en masse :
- C = 0,40 ; Si = 0,12 ; Mn = 0,61 ;
- en ppm A1 = 520 ; S = 100.
- C = 0.40; If = 0.12; Mn = 0.61;
- in ppm A1 = 520; S = 100.
3°) Brassage du métal par l'argon pendant 20 minutes. Réglage de la composition par addition de fonte et ferro manganèse.3) Brewing of the metal with argon for 20 minutes. Adjustment of the composition by addition of cast iron and ferro manganese.
On obtient alors la composition suivante, en % en masse :
- C = 0,44 ; Si = 0,11 ; Mn = 0,72
- en ppm : Al = 250 ; S = 40 ; 02 = 25
- C = 0.44; If = 0.11; Mn = 0.72
- in ppm: Al = 250; S = 40; 0 2 = 25
4°) Introduction dans le métal d'un fil fourré contenant 180 g au mètre de silico-calcium à 31% en masse de calcium. Ce fil est introduit à la vitesse de 120 m/minute, soit 6,7 kg/minute de calcium pendant 3 minutes, soit une addition de 0,25 kg de calcium par tonne d'acier liquide.4 °) Introduction into the metal of a cored wire containing 180 g per meter of silico-calcium at 31% by mass of calcium. This wire is introduced at a speed of 120 m / minute, or 6.7 kg / minute of calcium for 3 minutes, or an addition of 0.25 kg of calcium per tonne of liquid steel.
On maintient un brassage léger de l'acier liquide par l'argon pendant 3 minutes, après la fin de l'injection.A light stirring of the liquid steel is maintained with argon for 3 minutes, after the end of the injection.
Un échantillon prélevé après ces 3 minutes a la composition suivante :
- en % en masse
- en ppm
- in% by mass
- in ppm
5°) Resulfuration par injection dans l'acier, après les 3 minutes de brassage léger suivant l'addition de calcium, d'un fil fourré contenant 135 g au mètre de fleur de soufre. La vitesse d'injection est de 90 m/minute et l'introduction de soufre dure 1 minute et 20 secondes ; soit une addition totale de 16,2 kg de soufre ou 200 ppm.5 °) Resulfurization by injection into steel, after 3 minutes of light stirring following the addition of calcium, of a cored wire containing 135 g per meter of flower of sulfur. The injection speed is 90 m / minute and the introduction of sulfur lasts 1 minute and 20 seconds; or a total addition of 16.2 kg of sulfur or 200 ppm.
6°) Le métal est coulé en ronds de 223 mm de diamètre par coulée continue rotative, en passant préalablement dans un répartiteur comportant un revêtement basique. La composition finale du produit coulé est la suivante:
- en % en masse
- en ppm
- in% by mass
- in ppm
7°) Ces ronds sont laminés en tubes mécaniques de 180 mm de diamètre extérieur et de 20 mm d'épaisseur.7 °) These rounds are rolled into
Les tubes ainsi obtenus présentent une usinabilité; au moyen d'outils de coupe en carbure(s), très supérieure à celle des aciers courants de même composition.The tubes thus obtained have machinability; using carbide cutting tools, much superior to that of common steels of the same composition.
Ce gain d'usinabilité est illustré dans la figure unique qui compare, pour la même analyse de référence indiquée plus haut (norme AISI 1045), :
- - un acier A élaboré selon là procédure qui vient d'être décrite ;
- - un acier B élaboré normalement dans le même four à arc de 80t avec des matières premières analogues mais n'ayant été ni resulfuré, ni traité par le calcium au moyen de fil fourré. La teneur en S de 0,018/0,025% a été obtenue directement par brassage modéré et de plus courte durée avec un laitier moins riche en chaux (300Kg de chaux ajoutée en poche après coulée en poche au lieu de 640 Kg).
- - A steel produced according to the procedure which has just been described;
- - B steel produced normally in the same 80t arc furnace with analogous raw materials which have not been resulfurized or treated with calcium by means of cored wire. The S content of 0.018 / 0.025% was obtained directly by moderate brewing and of shorter duration with a slag less rich in lime (300Kg of lime added to the bag after pouring into a bag instead of 640 Kg).
On a figuré en abscisse selon l'axe T la durée en minutes pour une usure frontale d'outils de 0,4 mm et en ordonné selon l'axe V la vitesse de coupe en mètres par minute.The duration in minutes on the abscissa along the axis T was shown for a frontal wear of tools of 0.4 mm and on the ordinate along the axis V the cutting speed in meters per minute.
Les courbes A et B de la figure unique donnent ainsi pour chaque acier correspondant à l'état normalisé la vitesse de coupe en mètres par minute qui permet une durée de coupe déterminée correspondant à une usure frontale de l'outil de 0,4 mm. Il s'agit d'un essai de chariotage réalisé à sec avec un outil carbure ISO-P30, l'avance étant de 0,4 mm par tour et la profondeur de passe de 2 mm.The curves A and B of the single figure thus give for each steel corresponding to the normalized state the cutting speed in meters per minute which allows a determined cutting time corresponding to a frontal wear of the tool of 0.4 mm. This is a dry run test carried out with an ISO-P30 carbide tool, the feed being 0.4 mm per revolution and the depth of the pass 2 mm.
Plus la vitesse de coupe est élevée pour une durée de vie donnée, plus grande est l'usinabilité de l'acier.The higher the cutting speed for a given service life, the greater the machinability of the steel.
On mesure ainsi l'efficacité de la technique d'élaboration proposée.The effectiveness of the proposed processing technique is thus measured.
x Le même acier que dans l'exemple 1 est élaboré dans des conditions similaires, mais en effectuant les additions finales de calcium et de soufre à l'aide d'un fil fourré contenant un mélange de fleur de soufre et de silico-calcium à 30% en masse de calcium.x The same steel as in Example 1 is produced under similar conditions, but by making the final additions of calcium and sulfur using a cored wire containing a mixture of flowers of sulfur and of calcium-calcium at 30% by mass of calcium.
Ce mélange contient 20% de soufre et 80% de silico-calcium. Ce fil fourré pèse 170g au mètre. Il est introduit à 120 m par minute pendant 4 minutes en donnant des résultats similaires à ceux de l'exemple 1.This mixture contains 20% sulfur and 80% silico-calcium. This cored wire weighs 170g per meter. It is introduced at 120 m per minute for 4 minutes, giving results similar to those of Example 1.
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