EP0371840B1 - Acier doux pour décolletage et son mode d'élaboration - Google Patents

Acier doux pour décolletage et son mode d'élaboration Download PDF

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EP0371840B1 EP89403078A EP89403078A EP0371840B1 EP 0371840 B1 EP0371840 B1 EP 0371840B1 EP 89403078 A EP89403078 A EP 89403078A EP 89403078 A EP89403078 A EP 89403078A EP 0371840 B1 EP0371840 B1 EP 0371840B1
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur

Definitions

  • the present invention relates to the field of mild steels for bar turning with improved cutting performance.
  • Free-cutting steels are intended for the machining of various parts by means of quick-cutting machine tools, such as lathes.
  • One of the main qualities required for this type of steel is to cause the least possible wear of the cutting tool. Indeed, low wear allows high cutting speeds, going hand in hand with high productivity of the machine, or a long life of the cutting tool.
  • composition of steels for bar turning is conventionally chosen so that within them, the presence of numerous inclusions of manganese sulfide is observed, the role of which is to improve the machinability performance, in particular by facilitating chip fragmentation and limiting wear of cutting tools. This is the reason why bar turning steels contain high sulfur (0.1 to 0.3% and more by weight) and manganese (up to 1.5%) contents.
  • Another way to improve the machinability of a steel consists in leaving its sulfur content at an ordinary level, but in controlling the composition of the inclusions of oxides of so as to make them deformable. Furthermore, lead is added to the steel, so as to complex with it the remaining sulphides.
  • the object of the invention is to provide a mild steel for bar turning whose machinability performance is at least equal to that of lead grades of the S250Pb and S300Pb type without the addition of this element being necessary.
  • the carbon content is less than or equal to 0.16%, and even preferably to 0.09% which is the most commonly accepted content for mild free cutting steels.
  • a subject of the invention is also a method for producing such a steel in the liquid state for free cutting, characterized in that, after addition of silicon and manganese to the metal bath, the latter is stirred in a metallurgical container in the presence of a slag whose composition, expressed in weight percentages, is CaO: 20 to 55%; SiO2: 35 to 65%; Al2O3: 15 to 40%; with CaO% If close to 1.
  • the addition of silicon is accompanied by the addition of 0.1 to 0.3 kg of aluminum per tonne of steel to facilitate obtaining the desired composition for the oxides.
  • the invention makes it possible to obtain a mild steel for bar turning with high machinability performance without having to add to the liquid metal lead or an element with an expensive or polluting equivalent function.
  • the manganese sulphide inclusions are thus enveloped by a layer of high plasticity, consisting of oxides whose average composition is situated in a well-defined range. This range corresponds to the plastic domain of the CaO-SiO2-Al2O3 ternary diagram, the oxide MnO being assimilated to CaO oxide.
  • the grades according to the invention are distinguished from mild steels for bar turning S250 and S300 conventionally used (and defined by standard NF-A-35561) by the presence of silicon in significant quantities.
  • silicon and, in general, strong deoxidizers such as aluminum) captures dissolved oxygen in the metal to form hard inclusions, the presence of which in significant quantities in steels for bar turning can be prohibitive. This is why the standards for the most frequent free cutting steels impose very low silicon levels.
  • this slag composition In order to obtain this slag composition by means of additions as standardized as possible, it it is preferable to pour the metal into the treatment bag, leaving only a small amount of slag from the primary production furnace (converter or electric furnace) to enter the latter. This can be achieved by means of known devices for retaining slag in the oven, or by means of transferring the metal from pocket to pocket.
  • the liquid steel is then stirred in the treatment bag, for a sufficient time (30 minutes or more), with the aim of eliminating as much as possible the inclusions of pure silica which have been formed during the deoxidation of the metal.
  • this stirring makes it possible to put the liquid metal in thermodynamic equilibrium with the slag, so that the remaining oxidized inclusions have the desired composition, defined above.
  • This mixing is carried out by means known, such as blowing gas or applying an electromagnetic field to metal. During this production, the compositions of the metal and the slag are checked, and any necessary corrections are made.
  • the deoxidation of the metal can be carried out partially with aluminum, at the rate of an addition of 0.1 to 0.3 kg per tonne of liquid metal, which accompanies the addition of silicon. This makes it possible to reduce the amount of inclusions of pure silica formed at this time, and to facilitate obtaining the composition targeted for the oxides.
  • this addition must be carried out towards the end of the preparation, preferably by insufflation. of powder or unwinding of cored wire.
  • the usual amount added is 150 g of calcium per tonne of steel.
  • the ingot or continuous casting of the metal is then carried out according to the same methods as for the conventional grades of steel for bar turning, as well as the subsequent working and metallurgical treatment which makes it possible to obtain a product ready for processing.
  • the lifetime of a high-speed steel tool, during the machining of a mild free-cutting steel according to the invention, of composition 0.1% of C, 0.97% of Mn , 0.06% P, 0.30% S, 0.17% Si, 70 ppm Te, 9 ppm Ca, and without Pb, is 60 minutes for a cutting speed of 150m / min.
  • a P30 carbide tool allows, for an equal tool life, to triple the cutting speed during the machining of steel according to the invention which has just been cited, with respect to the machining of an S300 Pb steel.

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Description

  • La présente invention concerne le domaine des aciers doux pour décolletage à performances de coupe améliorées.
  • Les aciers pour décolletage sont destinés à l'usinage de pièces diverses au moyen de machines-outils de coupe rapide, telles que des tours. L'une des principales qualités exigées pour ce type d'aciers est de provoquer la plus faible usure possible de l'outil de coupe. En effet une faible usure autorise des vitesses de coupe élevées, allant de pair avec une haute productivité de la machine, ou une longue durée de vie de l'outil de coupe.
  • La composition des aciers pour décolletage est classiquement choisie de façon qu'en leur sein, on observe la présence de nombreuses inclusions de sulfure de manganèse ayant pour rôle d'améliorer les performances d'usinabilité, notamment en facilitant la fragmentation des copeaux et en limitant l'usure des outils de coupe. C'est la raison pour laquelle les aciers pour décolletage contiennent des teneurs élevées en soufre (de 0,1 à 0,3 % et plus en poids) et en manganèse (jusqu'à 1,5 %).
  • Lorsqu'une usinabilité particulièrement élevée est recherchée, il est possible d'utiliser un acier doux pour décolletage pris, par exemple, dans la norme NF-A-35561 parmi les nuances S250, S250Pb, S300 ou S300Pb. Ces nuances se caractérisent :
    • par des teneurs en silicium tolérées très faibles (moins de 0,05 % et de préférence moins de 0,02 %), pour éviter la présence d'inclusions dures de silice qui détérioreraient l'outil de coupe ;
    • par l'ajout éventuel au métal d'une quantité importante de plomb (0,20 à 0,30 %) dont le rôle est d'accentuer l'effet lubrifiant des inclusions de sulfure de manganèse lors de la coupe.
  • Une autre voie pour améliorer l'usinabilité d'un acier consiste à laisser sa teneur en soufre à un niveau ordinaire, mais à contrôler la composition des inclusions d'oxydes de manière à les rendre déformables. Par ailleurs on ajoute du plomb à l'acier, de manière à complexer avec lui les sulfures subsistants. Le document US 3938649 présente une telle solution, et préconise de former des inclusions d'oxydes de composition (en % pondéraux) SiO₂ = 40-60 %, Al₂O₃ = 5-25 %, MnO = 10-30 %, ces constituants représentant à eux seuls au moins 85 % de chaque inclusion. Par ailleurs on doit ajouter à l'acier 0,02 à 0,10 % en poids de plomb.
  • Cet ajout de plomb présente cependant de sérieux inconvénients. Tout d'abord, il est difficile de réaliser l'addition et la dissolution du plomb dans l'acier liquide de façon suffisamment homogène. En raison de sa densité élevée, il a tendance à s'accumuler dans le fond des récipients métallurgiques. Surtout, sa température de vaporisation particulièrement basse provoque, lors de son introduction dans le métal liquide, la formation de fumées d'oxydes de plomb hautement toxiques. La protection des opérateurs nécessite l'emploi d'un système de captation des fumées à la station de traitement du métal, ainsi qu'une surveillance médicale du personnel assurant le fonctionnement de l'installation.
  • On comprend donc qu'il serait très souhaitable de remplacer le plomb, dans ce type de nuances d'acier, par un matériau présentant des propriétés de coupe équivalentes, sans inconvénients de fabrication.
  • Des éléments tels que le bismuth pourraient être substitués au plomb. Mais leur coût très élevé rend leur utilisation difficilement envisageable dans la production de masse d'aciers pour décolletage.
  • Le but de l'invention est de proposer un acier doux pour décolletage dont les performances d'usinabilité sont au moins égales à celles des nuances au plomb de type S250Pb et S300Pb sans qu'une addition de cet élément soit nécessaire.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un acier doux pour décolletage, caractérisé en ce que :
    • sa composition est C ≦ 0,25 %, Mn = 0,8-1,5 %, P ≦ 0,1 % ; S=0,15-0,40 % ; Si=0,05-0,40 % optionnellement Ca = 5-50 ppm ; optionnellement Te = 5-200 ppm, optionnellement Pb = 0,05-0,30 %, exprimés en % pondéraux, le reste étant du fer et des impuretés inévitables ;
    • et en ce que les inclusions de sulfure de manganèse sont, après corroyage du métal, entourées d'une couche d'oxydes plastique de composition moyenne du type : SiO₂ : 35 à 45 % ; Al₂O₃ : 10 à 20 % ; CaO : 15 à 25 % ; MnO : 10à 20 %, également exprimés en % pondéraux.
  • Avantageusement, la teneur en carbone est inférieure ou égale à 0,16 %, et même préférentiellement à 0,09 % qui est la teneur la plus couramment admise pour les aciers doux de décolletage.
  • L'invention a également pour objet une méthode d'élaboration à l'état liquide d'un tel acier pour décolletage, caractérisée en ce que, après addition de silicium et de manganèse au bain métallique, celui-ci est brassé dans un récipient métallurgique en présence d'un laitier dont la composition, exprimée en pourcentages pondéraux, est CaO : 20 à 55 % ; SiO₂ : 35 à 65 % ; Al₂O₃ : 15 à 40 % ; avec CaO% SiO₂
    Figure imgb0001
     voisin de 1. Optionnellement, l'addition de silicium est accompagnée de l'addition de 0,1 à 0,3 kg d'aluminium par tonne d'acier pour faciliter l'obtention de la composition recherchée pour les oxydes.
  • Comme on l'aura compris, l'invention permet d'obtenir un acier doux pour décolletage à performances d'usinabilité élevées sans avoir recours à une addition dans le métal liquide de plomb ou d'un élément de fonction équivalente coûteux ou polluant. Dans le métal corroyé, les inclusions de sulfure de manganèse sont ainsi enveloppées par une couche à plasticité élevée, constituée d'oxydes dont la composition moyenne est située dans une gamme bien déterminée. Cette gamme correspond au domaine plastique du diagramme ternaire CaO-SiO₂-Al₂O₃, l'oxyde MnO étant assimilé à l'oxyde CaO.
  • Sur le plan de la composition pondérale, les nuances selon l'invention se distinguent des aciers doux pour décolletage S250 et S300 classiquement employés (et définis par la norme NF-A-35561) par la présence de silicium en quantités significatives. Comme on l'a vu précédemment, le silicium (et, de façon générale, les désoxydants forts tels que l'aluminium) capte l'oxygène dissous dans le métal pour former des inclusions dures, dont la présence en quantités significatives dans les aciers pour décolletage peut être rédhibitoire. C'est pourquoi les normes concernant les aciers pour décolletage les plus fréquents imposent des niveaux de silicium très bas.
  • Allant à l'encontre des idées communément admises et consacrées par les normes, les inventeurs ont montré que des quantités significativement importantes de silicium pouvaient, sous certaines conditions, être présentes dans un acier doux pour décolletage à usinabilité élevée, sans pour autant que les propriétés d'emploi des produits en soient défavorablement affectées. Pour certaines applications, ces nouvelles nuances au silicium s'avèrent même encore plus performantes que les nuances classiques enrichies en plomb.
  • Cette incorporation de silicium au métal doit impérativement aller de pair avec un mode d'élaboration qui permette :
    • d'éliminer une grande partie des inclusions formées lors de l'introduction du silicium dans l'acier liquide, notamment les inclusions de silice pure ;
    • de transformer les inclusions oxydées subsistantes en inclusions plastiques, dont le comportement lors de la solidification du métal et des corroyages ultérieurs est analogue à celui du plomb dans les nuances d'acier au plomb pour décolletage.
  • L'incorporation éventuelle de 5 à 200 ppm de tellure a pour but de limiter la déformabilité à chaud des sulfures. Cela permet d'éviter qu'après le corroyage, les sulfures ne prennent une forme exagérément allongée qui détériorerait notablement l'isotropie des propriétés mécaniques du métal. Ce rôle peut également être assuré par du calcium. Toutefois, cet élément ne doit être ajouté qu'en quantités limitées et déterminées, pour éviter que les inclusions d'oxydes n'aient une teneur en CaO trop importante qui serait préjudiciable à leur déformabilité.
  • L'élaboration de ces nuances peut être effectuée de la manière suivante. Au moment de la coulée de métal dans un récipient métallurgique, par exemple une poche de traitement, les additions de silicium, carbone, manganèse, soufre et éventuellement tellure nécessaires à l'obtention de la composition désirée pour le métal sont effectuées. Sont également ajoutées les matières minérales telles que de la chaux, de la wollastonite et de l'alumine, nécessaires à l'obtention d'un laitier dont la composition se situe dans la gamme : CaO : 20 à 55 % ; SiO₂ : 35 à 65 % ; Al₂O₃ : 15 à 40 %. D'autre part le rapport des teneurs en CaO et SiO₂ dans ce laitier, qui exprime son indice de basicité, doit être de préférence voisin de 1. Afin d'obtenir cette composition de laitier au moyen d'additions aussi standardisées que possible, il est préférable de couler le métal dans la poche de traitement en ne laissant pénétrer dans cette dernière qu'une faible quantité de laitier issu du four d'élaboration primaire (convertisseur ou four électrique). Cela peut être réalisé au moyen des dispositifs connus de rétention du laitier dans le four, ou au moyen d'un transvasement du métal de poche à poche. L'acier liquide est ensuite brassé dans la poche de traitement, pendant une durée suffisante (30 minutes et plus), dans le but d'éliminer autant que possible les inclusions de silice pure qui ont été formées pendant la désoxydation du métal. D'autre part, ce brassage permet de mettre le métal liquide en équilibre thermodynamique avec le laitier, de façon que les inclusions oxydées subsistantes aient la composition voulue, définie précédemment. Ce brassage est effectué par des moyens connus, tels qu'une insufflation de gaz ou l'application au métal d'un champ électromagnétique. Au cours de cette élaboration, les compositions du métal et du laitier sont contrôlées, et les corrections éventuelles nécessaires sont effectuées.
  • La désoxydation du métal peut être effectuée partiellement à l'aluminium, à raison d'un ajout de 0,1 à 0,3 kg par tonne de métal liquide, qui accompagne l'addition de silicium. Cela permet de réduire la quantité d'inclusions de silice pure formées à ce moment, et de faciliter l'obtention de la composition visée pour les oxydes.
  • Si une addition de calcium s'avère utile pour obtenir plus aisément la composition désirée pour les inclusions d'oxydes, ou si on désire limiter la plasticité des sulfures, cette addition doit être effectuée vers la fin de l'élaboration, de préférence par insufflation de poudre ou déroulement de fil fourré. La quantité habituellement ajoutée est de 150 g de calcium par tonne d'acier.
  • La coulée en lingots ou en continu du métal est ensuite effectuée selon les mêmes modalités que pour les nuances classiques d'acier pour décolletage, de même que les corroyages et traitement métallurgiques ultérieurs qui permettent d'obtenir un produit prêt à la transformation.
  • A titre d'exemple, la durée de vie d'un outil en acier rapide, lors de l'usinage d'un acier doux de décolletage selon l'invention, de composition 0,1 % de C, 0,97 % de Mn, 0,06 % de P, 0,30 % de S, 0,17 % de Si, 70 ppm de Te, 9 ppm de Ca, et sans Pb, est de 60 minutes pour une vitesse de coupe de 150m/min. Ces résultats sont similaires à ceux enregistrés lors de l'usinage d'un acier doux au plomb pour décolletage S 300 Pb.
  • D'autre part, pour des vitesses de coupe supérieures à 200 m/min, un outil carbure P30 permet, pour une durée de vie de l'outil égale, de tripler la vitesse de coupe lors de l'usinage de l'acier selon l'invention qui vient d'être cité, par rapport à l'usinage d'un acier S300 Pb.
  • L'ajout de silicium et la formation d'inclusions oxydées plastiques peut non seulement se substituer à une addition de plomb, comme on vient de le décrire, mais encore intervenir en sus d'une telle addition. Les quantités de plomb ajoutées pourraient alors être plus faibles que celles habituellement employées. Elles s'éléveraient à 0,05 à 0,30 %.
  • De même, des variantes dans l'élaboration et la coulée du métal liquide, ainsi que dans les premières transformations du métal, peuvent être imaginées. Par exemple, les opérations de mise à nuance peuvent être effectuées sous vide, afin de diminuer les teneurs en gaz dissous dans le métal. L'essentiel est que les ajouts d'éléments et les modifications apportées au mode d'élaboration ne contrarient pas l'obtention de la composition pondérale du métal et des propriétés des inclusions conformes à l'invention revendiquée.

Claims (5)

  1. Acier doux pour décolletage, caractérisé
    - en ce que sa composition exprimée en pourcentages pondéraux est :
    C ≦ 0,25 % ; Mn : 0,8 à 1,5 % ; P ≦ 0,1 % ; S : 0,15 à 0,40 % ; Si : 0,05 à 0,40 % ; optionnellement Ca : 5 à 50 ppm ; optionnellement Te : 5 à 200 ppm ; optionnellement Pb : 0,05 à 0,30 % ; le reste étant du fer et des impuretés inévitables ;
    - et en ce que les inclusions de sulfure de manganèse sont, après corroyage du métal, entourées d'une couche d'oxydes plastique de composition moyenne suivante, exprimée en pourcentages pondéraux, SiO₂ : 35 à 45 % ; Al₂O₃ : 10 à 20 % ; CaO : 15 à 25 % ; MnO : 10 à 20 %
  2. Acier doux pour décolletage selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa teneur pondérale en carbone est inférieure ou égale à 0,16 % environ.
  3. Acier doux de décolletage selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa teneur pondérale en carbone est inférieure ou égale à 0,09 % environ.
  4. Procédé d'élaboration à l'état liquide d'un acier doux pour décolletage dont la composition pondérale correspond à celle définie dans l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que :
    - 1) on ajoute au bain métallique du silicium et du manganèse
    - 2) et on brasse le métal liquide dans un récipient métallurgique en présence d'un laitier de composition, exprimée en pourcentages pondéraux :
    CaO : 20 à 55 % ; SiO₂ : 35 à 65 % ; Al₂O₃ : 15 à 40 % avec CaO% SiO₂%
    Figure imgb0002
     voisin de 1.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'addition de silicium au bain métallique est accompagnée d'une addition de 0,1 à 0,3 kg d'aluminium par tonne d'acier.
EP89403078A 1988-12-01 1989-11-08 Acier doux pour décolletage et son mode d'élaboration Expired - Lifetime EP0371840B1 (fr)

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