EP0497642A1 - Method for manufacturing massive steel workpieces and workpieces thereby obtained - Google Patents

Method for manufacturing massive steel workpieces and workpieces thereby obtained Download PDF

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EP0497642A1
EP0497642A1 EP92400092A EP92400092A EP0497642A1 EP 0497642 A1 EP0497642 A1 EP 0497642A1 EP 92400092 A EP92400092 A EP 92400092A EP 92400092 A EP92400092 A EP 92400092A EP 0497642 A1 EP0497642 A1 EP 0497642A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
quenching
steel
block
core
less
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP92400092A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Régis BLONDEAU
Philippe Bourges
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Creusot Loire SA
Creusot Loire Industrie SA
Original Assignee
Creusot Loire SA
Creusot Loire Industrie SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Creusot Loire SA, Creusot Loire Industrie SA filed Critical Creusot Loire SA
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/001Heat treatment of ferrous alloys containing Ni

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing blocks or solid pieces of steel having at all points high mechanical tensile characteristics, good toughness and good weldability.
  • the invention also relates to the definition of a family of steels allowing the implementation of the process and the blocks or parts obtained by the process.
  • one of the best known steels, intended to make thick parts and having an elastic limit R e0,2 greater than or equal to 900 MPa has guaranteed properties in elastic limit only for thicknesses less than or equal to 4 "or 101.6 mm, its resilience is only guaranteed for temperatures greater than or equal to - 18 ° C and it is difficult to weld.
  • cryogenic steels for example 9% nickel steel.
  • Such a steel allows good resilience to be obtained up to -196 ° C., but its yield strength is limited to around 600 MPa and on thicknesses less than or equal to 50 mm; on the other hand it is very weldable.
  • the object of the present invention is therefore to propose a method for manufacturing solid steel parts and for determining a family of steels which, going beyond the limits of the current technique, makes it possible to produce blocks or parts having a compromise elastic limit, toughness at low temperature, weldability significantly improved compared to what we know how to do today and this for very massive blocks or parts.
  • the object of the present invention is a method of manufacturing a block or a solid piece of steel having at all points high tensile mechanical characteristics and good toughness and which is weldable.
  • the invention also relates to a solid piece or block of steel having a fully martensitic structure after quenching and tempering, although the quenching is carried out under conditions of implementation such that the cooling rate at the core of the piece is lower than the critical rate of martensitic transformation of steel.
  • the quenching is a quenching with water.
  • the steel used to implement the invention has a determined chemical composition by solving the mathematical programming problem in which it is sought to minimize the equivalent carbon:
  • VS eq C + Mn 6 + Cr + Mo + V 5 + Cu + Ni 15 while satisfying at least the following three constraints:
  • H Vo and T o are values that the skilled person chooses to define the mechanical characteristics he is looking for on the part.
  • Such a steel used by the process which is the subject of the invention makes it possible to obtain a martensitic structure at heart on blocks or parts whose massivity m is such that the cooling speed at heart V RC (m) during quenching is less than the critical martensitic speed V1.
  • this steel contains less than 0.01% of P and less than 0.01% of S.
  • the invention finally, relates to any block or any part manufactured by applying the method according to the invention, using a steel defined in the context of the implementation of this method.
  • Figure 1 is a diagram showing the distribution of cooling rates within two plates cooled by quenching.
  • Figure 2 is an example of a TRC (Continuous Cooling) diagram of a steel.
  • FIG. 3 represents the variation in hardness of a steel as a function of the cooling rate during a quenching.
  • FIG. 4 represents the variation of hardness inside of hardened plates.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the principle of the invention.
  • the massiveness of a block is a dimension which characterizes the heat transfers inside this block.
  • this dimension is the thickness; for a cylinder, it is the diameter; for a block of any shape, it is a dimension that a person skilled in the art knows how to determine from the drawing of the block.
  • a point of the steel block a1 whose cooling rate V R is greater than V1 (domain 1) will have a martensitic structure at the end of quenching; if this speed is between V1 and V3, the structure will be mainly bainitic; if the speed is lower than V3 the structure will be ferrite-perlite.
  • FIGS. 2 and 3 the diagrams corresponding to two steels are shown: a1 having a critical quenching speed V1 and a2, more quenching than a1, having a critical quenching speed V1 * ⁇ V1.
  • the critical quenching speed offset caused by hydrostatic constraints is not sufficient.
  • the stress system generated by the cooling and the martensitic transformation is not hydrostatic but has a strong shear component, particularly in the zone being transformed.
  • the TRC diagram of the steel taken as an example has a particularity: the point M S is approximately 380 ° and the bainitic domain of the TRC diagram comprises a plateau for the point B S of the start of bainitic transformation located at approximately 450 ° C. . There is only 70 ° C between point M S and point B S.
  • This phenomenon has the advantage of making it possible to obtain high mechanical characteristics on solid blocks with steels having very good weldability.
  • the invention consists in using the phenomenon which has just been described. It will be noted that, in all that follows, the TRC diagrams, the critical quenching rates, the temperatures at the start of transformation are the diagrams and the quantities measured under the usual conditions, that is to say in the absence of constraints.
  • the quenching conditions are determined according to the type of steel used, the targeted mechanical characteristics, the technical quenching possibilities and the geometry of the part.
  • the adjustment of the mechanical tensile and resilience characteristics is done using an income heat treatment, the conditions of which are determined on a case-by-case basis by applying the rules of the art.
  • V RC the cooling rate at the core
  • V RP the cooling speed in skin of this block or this piece
  • the steel belonging to the family concerned by the invention must therefore satisfy, for a block or a piece of massiveness m, the following system of equation: B S - M S ⁇ ⁇ log V1 ⁇ log V RP (m) log V3 ⁇ log V RC (m) and C eq minimum.
  • the mathematical programming problem that we solve will include five constraints: B S - M S ⁇ ⁇ log V1 ⁇ log V RP (m) log V3 ⁇ log V RC (m) H Vm ⁇ H V aim T vs ⁇ T o and we minimize the equivalent carbon, C eq minimum.
  • toughness can be affected by co-aggregation at the joints of the phosphorus grains accompanied by manganese, chromium, nickel. But phosphorus can be trapped inside the grains by molybdenum to as long as it does not react with carbon, these reactions taking place during tempering.
  • Such a steel has a critical martensitic speed V1 of: 71 ° C / s which corresponds to the cooling rate at the heart of a 25 mm thick plate soaked in water.
  • this steel makes it possible to obtain a martensitic structure at the heart of plates with a thickness of at least 40 mm, which, for those skilled in the art, would have required a critical quenching speed V1 of less than 28 ° C / s.
  • the invention also relates to all the blocks or parts produced using the process which is the subject of the invention using a steel according to the invention.

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Abstract

A quenching treatment for attaining the desired characteristics in at least a part of the massive block or piece is defined. The rates of cooling VRC and VRP of the block at the core and at the skin during the quenching are determined. The block is made of a steel whose chemical composition has been adjusted so as to obtain a martensitic structure at the core under the effect of deformations induced by the quenching, although the rate of cooling at the core VRC of the block or piece is lower than the critical rate of martensitic transformation. Appropriate tempering is performed after the quenching. The blocks or pieces exhibit high tensile mechanical characteristics and good tenacity at all points and are weldable. The process makes it possible to define a class of steels satisfying the conditions imposed by the quenching and exhibiting a minimum equivalent carbon. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne un procédé de fabrication de blocs ou pièces massives en acier présentant en tout point des caractéristiques mécaniques de traction élevées, une bonne ténacité et une bonne soudabilité.The present invention relates to a method for manufacturing blocks or solid pieces of steel having at all points high mechanical tensile characteristics, good toughness and good weldability.

L'invention concerne également la définition d'une famille d'aciers permettant la mise en oeuvre du procédé et les blocs ou pièces obtenues par le procédé.The invention also relates to the definition of a family of steels allowing the implementation of the process and the blocks or parts obtained by the process.

L'homme de métier sait que, au moins pour les aciers hypoeutectoïdes faiblement ou moyennement alliés, les meilleures caractéristiques mécaniques sont obtenues par un traitement thermique de trempe suivie d'un revenu qui confère au bloc ou à la pièce une structure martensitique. C'est ainsi que sont obtenus tous les blocs ou pièces à haute caractéristique mécanique et bonne ténacité.Those skilled in the art know that, at least for weakly or moderately alloyed hypoeutectoid steels, the best mechanical characteristics are obtained by a quenching heat treatment followed by tempering which gives the block or the part a martensitic structure. This is how all blocks or parts with high mechanical characteristics and good toughness are obtained.

Cependant, ce procédé présente des limites. En effet, pour un acier déterminé, l'homme de métier considère que la vitesse de refroidissement en tout point du bloc ou de la pièce au cours de la trempe doit être supérieure à une vitesse V₁ dite vitesse critique martensitique. Or, plus un bloc ou une pièce est massif, plus la vitesse de refroidissement à coeur est faible, et ceci du simple fait des lois du transfert de chaleur.However, this method has limitations. Indeed, for a given steel, the person skilled in the art considers that the cooling rate at any point of the block or of the part during the quenching must be greater than a speed V₁ called the martensitic critical speed. However, the more massive a block or a part, the lower the cooling rate at the core, and this simply because of the laws of heat transfer.

Lorsqu'il doit réaliser des blocs ou pièces très massifs, l'homme de métier est ainsi amené à augmenter la trempabilité de l'acier, c'est-à-dire à diminuer la vitesse critique martensitique et pour cela à augmenter de façon significative les teneurs en carbone et en éléments d'alliage. Mais, ce faisant, il détériore d'autant plus la soudabilité qu'il augmente les teneurs en éléments d'addition.When it is necessary to produce very massive blocks or parts, the skilled person is thus led to increase the hardenability of the steel, that is to say to decrease the critical martensitic speed and for this to increase significantly carbon and alloying content. But in doing so, it deteriorates the weldability all the more as it increases the contents of additives.

L'homme de métier peut certes améliorer la soudabilité en gardant de bonnes caractéristiques de traction en agissant sur les conditions de réalisation du traitement de revenu. Mais alors il se trouve dans l'impossibilité d'obtenir de bonnes propriétés de ténacité en particulier à basse température.Those skilled in the art can certainly improve the weldability by keeping good tensile characteristics by acting on the conditions of realization of the income processing. But then it is unable to obtain good toughness properties in particular at low temperatures.

Toutes ces contradictions induisent des limitations bien connues et nombreuses. A titre d'exemple, l'un des meilleurs aciers connus, destiné à faire des pièces épaisses et ayant une limite d'élasticité Re0,2 supérieure ou égale à 900 MPa n'a des propriétés garanties en limite d'élasticité que pour des épaisseurs inférieures ou égales à 4" soit 101,6 mm, sa résilience n'est garantie que pour des températures supérieures ou égales à - 18°C et il est difficilement soudable.All these contradictions induce well-known and numerous limitations. For example, one of the best known steels, intended to make thick parts and having an elastic limit R e0,2 greater than or equal to 900 MPa has guaranteed properties in elastic limit only for thicknesses less than or equal to 4 "or 101.6 mm, its resilience is only guaranteed for temperatures greater than or equal to - 18 ° C and it is difficult to weld.

Un autre exemple est celui des aciers cryogéniques, par exemple l'acier à 9 % de nickel. Un tel acier permet d'obtenir de bonnes résiliences jusqu'à - 196°C, mais sa limite d'élasticité est limitée à environ 600 MPa et sur des épaisseurs inférieures ou égales à 50 mm ; par contre il est bien soudable.Another example is that of cryogenic steels, for example 9% nickel steel. Such a steel allows good resilience to be obtained up to -196 ° C., but its yield strength is limited to around 600 MPa and on thicknesses less than or equal to 50 mm; on the other hand it is very weldable.

Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé de fabrication de pièces massives en acier et de détermination d'une famille d'aciers qui, en sortant des limites de la technique actuelle, permette de réaliser des blocs ou des pièces ayant un compromis limite d'élasticité, ténacité à basse température, soudabilité nettement amélioré par rapport à ce que l'on sait faire aujourd'hui et cela pour des blocs ou des pièces très massifs.The object of the present invention is therefore to propose a method for manufacturing solid steel parts and for determining a family of steels which, going beyond the limits of the current technique, makes it possible to produce blocks or parts having a compromise elastic limit, toughness at low temperature, weldability significantly improved compared to what we know how to do today and this for very massive blocks or parts.

L'objet de la présente invention est un procédé de fabrication d'un bloc ou d'une pièce massive en acier ayant en tout point des caractéristiques mécaniques de traction élevées et une bonne ténacité et qui soit soudable.The object of the present invention is a method of manufacturing a block or a solid piece of steel having at all points high tensile mechanical characteristics and good toughness and which is weldable.

Selon l'invention :

  • on définit un traitement de trempe pour atteindre les caractéristiques mécaniques voulues dans une partie au moins du bloc ou de la pièce massive,
  • on détermine les vitesses de refroidissement VRP et VRC du bloc ou de la pièce massive dans sa partie externe ou peau et dans sa partie centrale ou coeur, pendant la trempe, en fonction de la géométrie du bloc ou de la pièce.
  • on réalise le bloc ou la pièce massive en un acier dont la composition chimique pondérale a été ajustée de manière que :
    • . l'écart entre le point BS et le point MS soit inférieur à 100°C, BS étant la température de début de transformation bainitique de l'acier et MS, la température de début de transformation martensitique,
    • . la vitesse critique V₃ de début de transformation en ferrite et perlite de l'acier soit inférieure à la vitesse de refroidissement à coeur VRC du bloc ou de la pièce massive,
    • . la vitesse critique V₁ de transformation martensitique soit inférieure à la vitesse de refroidissement en peau VRP du bloc ou de la pièce massive,
    • . le carbone équivalent de l'acier soit le plus faible possible,
  • on effectue la trempe prédéterminée sur le bloc ou la pièce massive, de manière à obtenir une structure martensitique à coeur, sous l'effet de déformations induites dans la pièce, par la trempe,
  • et on complète cette trempe par un revenu approprié.
According to the invention:
  • a quenching treatment is defined to achieve the desired mechanical characteristics in at least part of the block or of the solid part,
  • the cooling rates V RP and V RC of the block or of the solid part are determined in its external part or skin and in its central part or core, during quenching, as a function of the geometry of the block or of the part.
  • the block or solid part is made of steel whose chemical composition by weight has been adjusted so that:
    • . the difference between point B S and point M S is less than 100 ° C., B S being the temperature at the start of bainitic transformation of the steel and M S , the temperature at the start of martensitic transformation,
    • . the critical speed V₃ of the start of transformation into ferrite and perlite of the steel is less than the cooling rate at the core V RC of the block or of the solid part,
    • . the critical speed V₁ of martensitic transformation is lower than the cooling speed in skin V RP of the block or of the solid part,
    • . the equivalent carbon in steel is as low as possible,
  • the predetermined quenching is carried out on the block or the solid part, so as to obtain a martensitic structure at the core, under the effect of deformations induced in the part, by the quenching,
  • and this quenching is completed by an appropriate income.

L'invention est également relative à une pièce massive ou bloc en acier ayant une structure entièrement martensitique après trempe et revenu, bien que la trempe soit réalisée dans des conditions de mise en oeuvre telles que la vitesse de refroidissement à coeur de la pièce soit inférieure à la vitesse critique de transformation martensitique de l'acier.The invention also relates to a solid piece or block of steel having a fully martensitic structure after quenching and tempering, although the quenching is carried out under conditions of implementation such that the cooling rate at the core of the piece is lower than the critical rate of martensitic transformation of steel.

De préférence, la trempe est une trempe à l'eau. L'acier permettant de mettre en oeuvre l'invention a une composition chimique déterminée en résolvant le problème de programmation mathématique dans lequel on cherche à minimiser le carbone équivalent : C eq = C + Mn 6 + Cr + Mo + V 5 + Cu + Ni 15

Figure imgb0001
tout en satisfaisant au moins aux trois contraintes suivantes : B S - M S = 245 + 204 C + 155 Si - 57 MN - 20 Ni - 53 Cr - 62 Mo ≦ Δϑ
Figure imgb0002
avec Δϑ ≦ 100°C log V₁ = 9,81 - 4,62 C eq - 0,265 Mn - 0,52 Ni + 0,425 Cr + 0,265 Mo + 0,925 V ≦ log V RP (m)
Figure imgb0003
log V₃ = 6,36 - 0,43 C eq - 0,42 Mn - 0,78 Ni - 0,19 Cr - 0,3 Mo - 2 Mo < log V RC (m).
Figure imgb0004
m représentant la massivité du bloc ou de la pièce.Preferably, the quenching is a quenching with water. The steel used to implement the invention has a determined chemical composition by solving the mathematical programming problem in which it is sought to minimize the equivalent carbon: VS eq = C + Mn 6 + Cr + Mo + V 5 + Cu + Ni 15
Figure imgb0001
while satisfying at least the following three constraints: B S - M S = 245 + 204 C + 155 Si - 57 MN - 20 Ni - 53 Cr - 62 Mo ≦ Δϑ
Figure imgb0002
with Δϑ ≦ 100 ° C log V₁ = 9.81 - 4.62 C eq - 0.265 Mn - 0.52 Ni + 0.425 Cr + 0.265 MB + 0.925 V ≦ log V RP (m)
Figure imgb0003
log V₃ = 6.36 - 0.43 C eq - 0.42 Mn - 0.78 Ni - 0.19 Cr - 0.3 MB - 2 Mo <log V RC (m).
Figure imgb0004
m representing the massiveness of the block or the part.

A ces contraintes, on peut ajouter soit séparément soit simultanément deux contraintes supplémentaires :

  • l'une relative à la dureté : H vm = 232 + 293 C + 11 Si - 9,5 Mn - 4,8 Ni + 3,8 Cr + 80 Mo + 532 V ≧ H Vo
    Figure imgb0005
  • l'autre relative à la température de transition ductile fragile :
    Figure imgb0006
To these constraints, two additional constraints can be added either separately or simultaneously:
  • one relating to hardness: H vm = 232 + 293 C + 11 Si - 9.5 Mn - 4.8 Ni + 3.8 Cr + 80 Mo + 532 V ≧ H Vo
    Figure imgb0005
  • the other relating to the brittle ductile transition temperature:
    Figure imgb0006

HVo et To sont des valeurs que l'homme de métier choisit pour définir les caractéristiques mécaniques qu'il recherche sur la pièce.H Vo and T o are values that the skilled person chooses to define the mechanical characteristics he is looking for on the part.

Ce problème de programmation mathématique est complété par des contraintes définissant le domaine de validité des formules, à savoir :

Figure imgb0007
This problem of mathematical programming is supplemented by constraints defining the domain of validity of the formulas, namely:
Figure imgb0007

Ces limitations des teneurs en éléments d'alliage de l'acier constituent des conditions préférentielles mais il est possible d'envisager l'utilisation d'intervalles de compositions plus larges.These limitations of the content of alloying elements of the steel constitute preferential conditions but it is possible to envisage the use of intervals of wider compositions.

Un tel acier mis en oeuvre par le procédé objet de l'invention permet d'obtenir une structure martensitique à coeur sur des blocs ou pièces dont la massivité m est telle que la vitesse de refroidissement à coeur VRC (m) lors de la trempe est inférieure à la vitesse critique martensitique V₁.Such a steel used by the process which is the subject of the invention makes it possible to obtain a martensitic structure at heart on blocks or parts whose massivity m is such that the cooling speed at heart V RC (m) during quenching is less than the critical martensitic speed V₁.

Pour améliorer la ténacité d'un tel acier, on peut, de préférence, ajouter au moins 0,3 % de Mo, au moins 0,07 % de V, au moins 0,015 % d'Al, et limiter la teneur en azote à au plus 0,015 %.To improve the toughness of such a steel, it is preferably possible to add at least 0.3% of Mo, at least 0.07% of V, at least 0.015% of Al, and limit the nitrogen content to at most 0.015%.

De préférence cet acier contient moins de 0,01 % de P et moins de 0,01 % de S.Preferably, this steel contains less than 0.01% of P and less than 0.01% of S.

L'invention, enfin, est relative à tout bloc ou toute pièce fabriquée en appliquant le procédé selon l'invention, en utilisant un acier défini dans le cadre de la mise en oeuvre de ce procédé.The invention, finally, relates to any block or any part manufactured by applying the method according to the invention, using a steel defined in the context of the implementation of this method.

La figure 1 est un schéma représentant la répartition des vitesses de refroidissement à l'intérieur de deux plaques refroidies par une trempe.Figure 1 is a diagram showing the distribution of cooling rates within two plates cooled by quenching.

La figure 2 est un exemple de diagramme TRC (Transformation en Refroidissement Continu) d'un acier.Figure 2 is an example of a TRC (Continuous Cooling) diagram of a steel.

La figure 3 représente la variation de dureté d'un acier en fonction de la vitesse de refroidissement au cours d'une trempe.FIG. 3 represents the variation in hardness of a steel as a function of the cooling rate during a quenching.

La figure 4 représente la variation de dureté à l'intérieur de plaques trempées.FIG. 4 represents the variation of hardness inside of hardened plates.

La figure 5 est un schéma explicatif du principe de l'invention.FIG. 5 is an explanatory diagram of the principle of the invention.

La description qui va suivre, sans être limitative, va faire mieux comprendre l'invention.The description which follows, without being limiting, will make the invention better understood.

Tout d'abord, il faut définir ce que l'on entend par massivité et les conséquences de cette massivité sur le comportement d'un bloc de métal au cours d'un traitement de trempe.First of all, it is necessary to define what is meant by massiveness and the consequences of this massiveness on the behavior of a metal block during a quenching treatment.

La massivité d'un bloc est une dimension qui caractérise les transferts de chaleur à l'intérieur de ce bloc. Pour une plaque par exemple, cette dimension est l'épaisseur ; pour un cylindre, c'est le diamètre ; pour un bloc de forme quelconque c'est une dimension que l'homme de métier sait déterminr au vu du dessin du bloc.The massiveness of a block is a dimension which characterizes the heat transfers inside this block. For a plate for example, this dimension is the thickness; for a cylinder, it is the diameter; for a block of any shape, it is a dimension that a person skilled in the art knows how to determine from the drawing of the block.

Lorsqu'un bloc préalablement chauffé à haute température est trempé, par exemple à l'eau, d'une part la vitesse de refroidissement moyenne du bloc est d'autant plus faible que le bloc est massif, et d'autre part l'écart de vitesse de refroidissement entre le coeur et la surface est d'autant plus grand que la massivité est grande. C'est ce qu'indique la figure 1. En conséquence, pour des conditions de trempe déterminées, plus le bloc sera massif, plus la vitesse de refroidissement à coeur sera faible.When a block previously heated to high temperature is quenched, for example with water, on the one hand the average cooling rate of the block is lower the more the block is massive, and on the other hand the difference the greater the massivity, the greater the cooling speed between the core and the surface. This is shown in FIG. 1. Consequently, for determined quenching conditions, the more massive the block, the lower the cooling rate at the core.

Pour étudier l'effet d'une trempe sur un bloc d'acier de massivité déterminée, l'homme de métier utilise un diagramme de Transformation en Refroidissement Continu ou diagramme TRC tel que représenté à la figure 2.To study the effect of quenching on a steel block of determined mass, the skilled person uses a Transformation in Continuous Cooling diagram or TRC diagram as shown in Figure 2.

Un point du bloc d'acier a₁ dont la vitesse de refroidissement VR est supérieure à V₁ (domaine 1) aura en fin de trempe une structure martensitique ; si cette vitesse est comprise entre V₁ et V₃, la structure sera principalement bainitique ; si la vitesse est inférieure à V₃ la structure sera de la ferrite-perlite.A point of the steel block a₁ whose cooling rate V R is greater than V₁ (domain 1) will have a martensitic structure at the end of quenching; if this speed is between V₁ and V₃, the structure will be mainly bainitic; if the speed is lower than V₃ the structure will be ferrite-perlite.

A ce diagramme TRC, on peut faire correspondre un diagramme représenté à la figure 3 et représentant une caractéristique mécanique telle que la dureté en fonction de la structure : c'est pour la martensite que cette caractéristique est la plus élevée, elle décroît lorsque l'on entre dans le domaine bainitique et arrive à un plateau inférieur pour le domaine ferrite-perlite.To this TRC diagram, it is possible to match a diagram represented in FIG. 3 and representing a mechanical characteristic such as hardness as a function of the structure: it is for martensite that this characteristic is the highest, it decreases when the one enters the bainitic domain and arrives at a lower plateau for the ferrite-pearlite domain.

Sur les figures 2 et 3, on a représenté les diagrammes correspondant à deux aciers : a₁ ayant une vitesse critique de trempe V₁ et a₂, plus trempant que a₁, ayant une vitesse critique de trempe V₁* < V₁.In FIGS. 2 and 3, the diagrams corresponding to two steels are shown: a₁ having a critical quenching speed V₁ and a₂, more quenching than a₁, having a critical quenching speed V₁ * <V₁.

En examinant simultanément les figures 1, 2 et 3, on peut voir qu'avec l'acier a₁, la plaque d'épaisseur 2e₁ sera entièrement martensitique, alors que la plaque d'épaisseur 2e₂ ne le sera, sur chaque face, que sur une profondeur p₂ < e₂. Avec l'acier a₂ par contre, les deux plaques seront entièrement martensitiques.By examining Figures 1, 2 and 3 simultaneously, we can see that with steel a₁, the thickness plate 2e₁ will be entirely martensitic, while the thickness plate 2e₂ will be, on each face, only on a depth p₂ <e₂. With a₂ steel on the other hand, the two plates will be entirely martensitic.

Ceci permet de tracer les courbes de répartition de caractéristiques mécaniques à l'intérieur des deux plaques représentées à la figure 4.This makes it possible to draw the distribution curves of mechanical characteristics inside the two plates represented in FIG. 4.

Ainsi, lorsqu'il cherche des caractéristiques mécaniques élevées sur des pièces massives, l'homme de métier est conduit à utiliser des aciers d'autant plus trempants que la pièce est massive. Mais ce faisant, il se heurte aux difficultés décrites dans l'introduction.Thus, when looking for high mechanical characteristics on massive parts, the skilled person is led to use steels that are all the more soaking as the part is massive. But in doing so, it comes up against the difficulties described in the introduction.

Or, le déposant a constaté, de façon surprenante, qu'un acier dont la composition chimique est la suivante :

C
= 0,095 %
Si
= 0,2 %
Mn
= 0,25 %
Ni
= 8 %
Cr
= 0,2 %
Mo
= 0,3 %
permet d'obtenir une structure entièrement martensitique même à coeur sur des blocs ou des plaques de 400 mm d'épaisseur trempés à l'eau alors que sa vitesse critique de trempe V₁ est d'environ 32000°C/h, ce qui correspond à une profondeur de trempe (ou massivité) de 60 mm. Selon les principes connus de l'homme de métier pour obtenir une structure martensitique à coeur d'un bloc de 400 mm d'épaisseur trempé à l'eau, il aurait fallu que la vitesse critique de trempe ait été inférieure à 700°C/h.However, the applicant has found, surprisingly, that a steel whose chemical composition is as follows:
VS
= 0.095%
Yes
= 0.2%
Mn
= 0.25%
Or
= 8%
Cr
= 0.2%
Mo
= 0.3%
makes it possible to obtain a fully martensitic structure even at its core on 400 mm thick blocks or plates soaked in water while its critical quenching speed V₁ is around 32000 ° C / h, which corresponds to a quenching depth (or massiveness) of 60 mm. According to the principles known to those skilled in the art in order to obtain a martensitic structure at the heart of a 400 mm thick block quenched with water, the critical quenching speed should have been less than 700 ° C./ h.

Le document STAHL UND EISEN, vol 96 n° 23 du 18 novembre 1976, pages 1168 à 1176, indique que des contraintes hydrostatiques importantes modifient le diagramme TRC en retardant les transformations non martensitiques, mais l'effet qui est décrit ne suffit pas à expliquer le phénomène observé.The document STAHL UND EISEN, vol 96 n ° 23 of November 18, 1976, pages 1168 to 1176, indicates that significant hydrostatic constraints modify the TRC diagram by delaying the non-martensitic transformations, but the effect which is described is not sufficient to explain the phenomenon observed.

En effet, le décalage de vitesse critique de trempe provoqué par les contraintes hydrostatiques n'est pas suffisant. De plus, dans une plaque de forte épaisseur, le système de contraintes engendré par le refroidissement et la transformation martensitique n'est pas hydrostatique mais comporte une forte composante de cisaillement particulièrement dans la zone en cours de transformation.Indeed, the critical quenching speed offset caused by hydrostatic constraints is not sufficient. In addition, in a very thick plate, the stress system generated by the cooling and the martensitic transformation is not hydrostatic but has a strong shear component, particularly in the zone being transformed.

On sait que des contraintes de cisaillement favorisent la transformation martensitique et élèvent le point MS, température de début de transformation martensitique. Cette élévation peut atteindre 80°C ou 100°C. On sait également qu'un début de transformation martensitique inhibe la transformation bainitique.We know that shear stresses favor the martensitic transformation and raise the point M S , temperature at the start of martensitic transformation. This rise can reach 80 ° C or 100 ° C. It is also known that the onset of martensitic transformation inhibits bainitic transformation.

Le diagramme TRC de l'acier pris en exemple présente une particularité : le point MS est d'environ 380° et le domaine bainitique du diagramme TRC comporte un plateau pour le point BS de début de transformation bainitique situé à environ 450°C. Il n'y a que 70°C entre le point MS et le point BS.The TRC diagram of the steel taken as an example has a particularity: the point M S is approximately 380 ° and the bainitic domain of the TRC diagram comprises a plateau for the point B S of the start of bainitic transformation located at approximately 450 ° C. . There is only 70 ° C between point M S and point B S.

Le déposant a fait l'hypothèse que les contraintes de cisaillement engendrées dans la plaque par le refroidissement et par la transformation martensitique élevaient de 80° à 100°C le point MS si bien que tout le long du plateau bainitique la transformation martensitique débute avant la transformation bainitique et inhibe cette transformation. Ainsi il est possible d'obtenir une structure martensitique même pour des vitesses de refroidissement beaucoup plus faibles que la vitesse critique de trempe V₁ et pratiquement jusqu'à des vitesse de refroidissement voisines de la vitesse critique V₃ de transformation en ferrite-perlite.The applicant has hypothesized that the shear stresses generated in the plate by the cooling and by the martensitic transformation raised the point M S from 80 ° to 100 ° C so that all along the bainitic plateau the martensitic transformation begins before bainitic transformation and inhibits this transformation. Thus it is possible to obtain a martensitic structure even for cooling rates much lower than the critical quenching speed V₁ and practically up to cooling speeds close to the critical speed V₃ of transformation into ferrite-perlite.

Ce phénomène a l'avantage de permettre d'obtenir de hautes caractéristiques mécaniques sur des blocs massifs avec des aciers ayant une très bonne soudabilité.This phenomenon has the advantage of making it possible to obtain high mechanical characteristics on solid blocks with steels having very good weldability.

Pour apprécier la soudabilité d'un acier, l'homme de métier utilise généralement le critère de carbone équivalent : C eq = C + Mn 6 + Cr + Mo + V 5 + Cu + Ni 15

Figure imgb0008
To assess the weldability of a steel, the skilled person generally uses the equivalent carbon criterion: VS eq = C + Mn 6 + Cr + Mo + V 5 + Cu + Ni 15
Figure imgb0008

Plus le carbone équivalent est faible, meilleur est la soudabilité, mais plus le carbone équivalent est faible plus la trempabilité est faible, c'est-à-dire plus la vitesse critique de trempe V₁ est grande.The lower the equivalent carbon, the better the weldability, but the lower the equivalent carbon the lower the quenchability, that is to say the greater the critical quenching speed V₁.

L'acier pris en exemple a un carbone équivalent Ceq = 0,77 et une vitesse critique de trempe V₁ de 32000°C/h. Il a permis d'obtenir sur une plaque de 400 mm d'épaisseur une structure entièrement martensitique jusqu'à coeur ayant, après un revenu réalisé entre 450°C et Ac1, une limite d'élasticité d'environ 900 MPa et une résilience à 60°C de 45 Joules.The steel taken as an example has an equivalent carbon C eq = 0.77 and a critical quenching speed V₁ of 32000 ° C / h. It made it possible to obtain on a 400 mm thick plate an entirely martensitic structure to the core having, after an income achieved between 450 ° C. and A c1 , an elastic limit of around 900 MPa and a resilience at 60 ° C of 45 Joules.

Si l'acier avait été utilisé selon les principes connus de l'homme de métier, il aurait fallu qu'il ait une vitesse critique de trempe inférieure à 700°C/h soit un carbone équivalent supérieur ou égal à 0,94, c'est-à-dire 22 % plus élevé que celui de l'acier réellement utilisé et donc correspondant à une soudabilité considérablement détériorée par rapport à celle réellement constatée.If the steel had been used according to the principles known to those skilled in the art, it would have had to have a critical quenching speed of less than 700 ° C./h, or an equivalent carbon greater than or equal to 0.94, c 'is to say 22% higher than that of the steel actually used and therefore corresponding to a considerably deteriorated weldability compared to that actually observed.

L'invention consiste à utiliser le phénomène qui vient d'être décrit. On notera que, dans tout ce qui suit, les diagrammes TRC, les vitesses critiques de trempe, les températures de début de transformation sont les diagrammes et les grandeurs mesurées dans les conditions habituelles, c'est-à-dire en l'absence de contraintes.The invention consists in using the phenomenon which has just been described. It will be noted that, in all that follows, the TRC diagrams, the critical quenching rates, the temperatures at the start of transformation are the diagrams and the quantities measured under the usual conditions, that is to say in the absence of constraints.

L'invention est donc un procédé qui consiste :

  • à tremper, par exemple à l'eau, un bloc ou une pièce massifs constitués d'un acier dont :
    • . l'écart entre le point BS et le point MS est inférieur à une certaine valeur, inférieure à 100°C,
    • . la vitesse critique martensitique V₁ est inférieure à une vitesse de refroidissement critique du bloc ou de la pièce, par exemple la vitesse de refroidissement en peau VRP imposée par la trempe.
    • . la vitesse critique de début de transformation ferrite-perlite V₃ est inférieure à la vitesse de refroidissement à coeur VRC du bloc ou de la pièce.
  • la composition chimique étant ajustée pour minimiser le carbone équivalent compte tenu des contraintes précédentes,
  • à effectuer, après trempe, un traitement thermique de revenu, à une température comprise entre 450°C et AC1 de façon à ajuster les caractéristiques mécaniques de traction et de ténacité.
The invention is therefore a method which consists of:
  • to soak, for example with water, a solid block or piece made of steel of which:
    • . the difference between point B S and point M S is less than a certain value, less than 100 ° C.,
    • . the martensitic critical speed V₁ is less than a critical cooling speed of the block or the part, for example the cooling speed in skin V RP imposed by the quenching.
    • . the critical ferrite-perlite transformation start speed V₃ is lower than the cooling rate at the core V RC of the block or of the part.
  • the chemical composition being adjusted to minimize the equivalent carbon taking into account the above constraints,
  • to carry out, after quenching, an annealing heat treatment, at a temperature between 450 ° C and A C1 so as to adjust the mechanical characteristics of traction and toughness.

Les conditions de la trempe sont déterminées en fonction du type d'acier utilisé, des caractéristiques mécaniques visées, des possibilités techniques de trempe et de la géométrie de la pièce.The quenching conditions are determined according to the type of steel used, the targeted mechanical characteristics, the technical quenching possibilities and the geometry of the part.

L'ajustement des caractéristiques mécaniques de traction et de résilience se fait à l'aide d'un traitement thermique de revenu dont les conditions sont déterminées au cas par cas en appliquant les règles de l'art.The adjustment of the mechanical tensile and resilience characteristics is done using an income heat treatment, the conditions of which are determined on a case-by-case basis by applying the rules of the art.

Si on appelle m la massivité d'un bloc ou d'une pièce, VRC la vitesse de refroidissement à coeur et VRP la vitesse de refroidissement en peau de ce bloc ou de cette pièce, pour des conditions de trempe données, l'homme de métier sait déterminer VRC (m) et VRP (m), et par la suite, on considèrera cette grandeur comme connue.If we call m the massiveness of a block or a part, V RC the cooling rate at the core and V RP the cooling speed in skin of this block or this piece, for given quenching conditions, the skilled in the art knows how to determine V RC (m) and V RP (m), and subsequently, we will consider this quantity as known.

Pour mettre en oeuvre le procédé objet de l'invention, il faut utiliser une famille d'aciers définie dans le cadre de l'invention. Cette famille va maintenant être décrite.To implement the process which is the subject of the invention, a family of steels defined in the context of the invention must be used. This family will now be described.

Tout d'abord, on exprimera la soudabilité par le critère de carbone équivalent : C eq = C + Mn 6 + Cr + Mo + V 5 + Cu + Ni 15

Figure imgb0009
First, we will express the weldability by the equivalent carbon criterion: VS eq = C + Mn 6 + Cr + Mo + V 5 + Cu + Ni 15
Figure imgb0009

A l'aide de la composition pondérale de l'acier, on peut calculer :

  • la vitesse critique de trempe martensitique V₁ log V₁ = 9,81 - 4,62 C eq - 0,265 Mn - 0,23 Ni + 0,425 Cr + 0,265 Mo + 0,925 V
    Figure imgb0010
  • la vitesse critique de transformation en ferrite-perlite V₃ log V₃ = 6,36 - 0,43 C eq - 0,42 Mn - 0,78 Ni - 0,19 Cr - 0,3 Mo - 2 M o
    Figure imgb0011
Using the weight composition of steel, we can calculate:
  • the critical martensitic quenching speed V₁ log V₁ = 9.81 - 4.62 C eq - 0.265 Mn - 0.23 Ni + 0.425 Cr + 0.265 MB + 0.925 V
    Figure imgb0010
  • the critical speed of transformation into ferrite-perlite V₃ log V₃ = 6.36 - 0.43 C eq - 0.42 Mn - 0.78 Ni - 0.19 Cr - 0.3 MB - 2 M o
    Figure imgb0011

Ces vitesses critiques sont exprimées en °C/heure.

  • la valeur du point MS, début de transformation martensitique en l'absence de contraintes : M S = 565 - 474 C - 155 Si - 33 Mn - 17 Ni - 17 Cr - 21 Mo
    Figure imgb0012
  • la valeur du point BS correspondant au plateau de température de début de transformation bainitique : B S = 810 - 270 C - 90 Mn - 37 Ni - 70 Cr - 83 Mo
    Figure imgb0013
These critical speeds are expressed in ° C / hour.
  • the value of the point M S , start of martensitic transformation in the absence of constraints: M S = 565 - 474 C - 155 Si - 33 Mn - 17 Ni - 17 Cr - 21 Mo
    Figure imgb0012
  • the value of point B S corresponding to the temperature plateau at the start of bainitic transformation: B S = 810 - 270 C - 90 Mn - 37 Ni - 70 Cr - 83 Mo
    Figure imgb0013

Des deux formules précédentes on déduit que : B S - M S = 245 + 204 C + 155 Si - 57 Mn - 20 Ni - 53 Cr - 62 Mo.

Figure imgb0014
From the two previous formulas we deduce that: B S - M S = 245 + 204 C + 155 Si - 57 Mn - 20 Ni - 53 Cr - 62 Mo.
Figure imgb0014

Les caractéristiques de l'acier peuvent être également évaluées à l'aide de formules permettant de calculer :

  • la dureté de la martensite à l'état trempé revenu (pour un revenu standard à 600 ° C pendant 1 h) : H Vm = 232 + 293 C + 11 Si - 9,5 Mn - 4,8 Ni + 3,8 Cr + 80 Mo + 532 V
    Figure imgb0015
  • la température de transition ductile/fragile lors d'un essai de résilience (après un revenu identique à celui défini ci-dessus) : T c = 162 + 530 C² - 540 Si - 161 Mn - 48 Ni - - 138 M o + 10 x H 3 vm (0,141 Mo + 0,053 Ni + 0,243 Mn + 0,710 Si - 0,408 C - 0,278)
    Figure imgb0016
Steel characteristics can also be assessed using formulas to calculate:
  • the hardness of martensite in the quenched quenched state (for a standard tempering at 600 ° C. for 1 h): H Vm = 232 + 293 C + 11 Si - 9.5 Mn - 4.8 Ni + 3.8 Cr + 80 Mo + 532 V
    Figure imgb0015
  • the ductile / brittle transition temperature during a resilience test (after an income identical to that defined above): T vs = 162 + 530 C² - 540 Si - 161 Mn - 48 Ni - - 138 M o + 10 x H 3 vm (0.141 MB + 0.053 Ni + 0.243 Mn + 0.710 Si - 0.408 C - 0.278)
    Figure imgb0016

Ces formules sont toutes valables dans le domaine de composition chimique suivant :

Figure imgb0017
These formulas are all valid in the following field of chemical composition:
Figure imgb0017

L'acier appartenant à la famille concernée par l'invention devra donc satisfaire, pour un bloc ou une pièce de massivité m au système d'équation suivant : B S - M S ≦ Δϑ

Figure imgb0018
log V₁ < log V RP (m)
Figure imgb0019
log V₃ < log V RC (m)
Figure imgb0020
et Ceq minimal.The steel belonging to the family concerned by the invention must therefore satisfy, for a block or a piece of massiveness m, the following system of equation: B S - M S ≦ Δϑ
Figure imgb0018
log V₁ <log V RP (m)
Figure imgb0019
log V₃ <log V RC (m)
Figure imgb0020
and C eq minimum.

Il s'agit d'un problème classique de programmation mathématique.This is a classic problem of mathematical programming.

De préférence on prendra Δϑ = 100°C.Preferably we will take Δϑ = 100 ° C.

Ce système d'équation peut être complété pour tenir compte :

  • soit de la dureté visée HV et on ajoutera une contrainte supplémentaire : H Vm ≧ H V visée.
    Figure imgb0021
  • soit de la température de transition souhaitée pour la résilience To et on ajoutera une contrainte : T c ≦ T o .
    Figure imgb0022
  • soit des deux contraintes précédentes.
This equation system can be completed to take into account:
  • either of the target hardness H V and an additional constraint will be added: H Vm ≧ H V aimed.
    Figure imgb0021
  • either of the desired transition temperature for the resilience T o and a constraint will be added: T vs ≦ T o .
    Figure imgb0022
  • either of the two previous constraints.

De préférence, le problème de programmation mathématique que l'on résoud comprendra cinq contraintes : B S - M S ≦ Δϑ

Figure imgb0023
log V₁ < log V RP (m)
Figure imgb0024
log V₃ < log V RC (m)
Figure imgb0025
H Vm ≧ H V visée
Figure imgb0026
T c ≦ T o
Figure imgb0027
et l'on minimisera le carbone équivalent, Ceq minimal.Preferably, the mathematical programming problem that we solve will include five constraints: B S - M S ≦ Δϑ
Figure imgb0023
log V₁ <log V RP (m)
Figure imgb0024
log V₃ <log V RC (m)
Figure imgb0025
H Vm ≧ H V aim
Figure imgb0026
T vs ≦ T o
Figure imgb0027
and we minimize the equivalent carbon, C eq minimum.

Cette résolution se faisant dans le domaine de validité des formules tel qu'il est défini plus haut.This resolution is done in the field of validity of the formulas as defined above.

De plus, la ténacité peut être affectée par une coségrégation aux joints des grains de phosphore accompagné de manganèse, chrome, nickel. Mais le phosphore peut être piégé à l'intérieur des grains par du molybdène pour autant que celui-ci ne réagisse pas avec le carbone, ces réaction ayant lieu au cours du revenu.In addition, toughness can be affected by co-aggregation at the joints of the phosphorus grains accompanied by manganese, chromium, nickel. But phosphorus can be trapped inside the grains by molybdenum to as long as it does not react with carbon, these reactions taking place during tempering.

Afin d'améliorer la ténacité de l'acier, on ajoute simultanément :

  • au moins 0,3 % de Mo pour piéger le phosphore,
  • au moins 0,070 % de V pour piéger le carbone par formation de précipités de carbures de vanadium.
  • au moins 0,015 % d'Al
  • au plus 0,015 % d'azote,
de façon, d'une part à former des nitrures d'aluminium pour contrôler le grain au cours de l'austénitisation, d'autre part à piéger suffisamment d'azote à l'aide de l'aluminium pour favoriser la réaction du vanadium avec le carbone de préférence à une réaction avec l'azote et de ce fait laisser du molybdène libre pour piéger le phosphore.In order to improve the toughness of the steel, we add simultaneously:
  • at least 0.3% of Mo to trap phosphorus,
  • at least 0.070% of V to trap the carbon by formation of precipitates of vanadium carbides.
  • at least 0.015% Al
  • at most 0.015% nitrogen,
so, on the one hand to form aluminum nitrides to control the grain during the austenitization, on the other hand to trap enough nitrogen using aluminum to promote the reaction of vanadium with carbon preferably in reaction with nitrogen and therefore leave free molybdenum to trap phosphorus.

Il est également souhaitable de limiter les teneurs en P et S.It is also desirable to limit the contents of P and S.

On aura de préférence : P < 0,01 %

Figure imgb0028
S < 0,01 %
Figure imgb0029
afin d'améliorer la résilience.We will preferably have: P <0.01%
Figure imgb0028
S <0.01%
Figure imgb0029
in order to improve resilience.

On obtient ainsi, par exemple, un acier dont la composition pondérale est :

C
= 0,101 %
Si
= 0,198 %
Mn
= 0,273 %
Ni
= 5,943 %
Cr
= 0,205 %
Mo
= 0,471 %
V
= 0,083 %
Cu
= 0,107 %
P
< 0,010 %
S
< 0,010 %.
One thus obtains, for example, a steel whose weight composition is:
VS
= 0.101%
Yes
= 0.198%
Mn
= 0.273%
Or
= 5.943%
Cr
= 0.205%
Mo
= 0.471%
V
= 0.083%
Cu
= 0.107%
P
<0.010%
S
<0.010%.

Un tel acier a une vitesse critique martensitique V₁ de : 71°C/s qui correspond à la vitesse de refroidissement à coeur d'une plaque d'épaisseur 25 mm trempée à l'eau.Such a steel has a critical martensitic speed V₁ of: 71 ° C / s which corresponds to the cooling rate at the heart of a 25 mm thick plate soaked in water.

Or cet acier permet d'obtenir une structure martensitique à coeur de plaques d'épaisseur d'au moins 40 mm, ce qui, pour l'homme de métier, aurait exigé une vitesse critique de trempe V₁ inférieure à 28°C/s.However, this steel makes it possible to obtain a martensitic structure at the heart of plates with a thickness of at least 40 mm, which, for those skilled in the art, would have required a critical quenching speed V₁ of less than 28 ° C / s.

L'acier pris en exemple a un carbone équivalent de Ceq = 0,702 %.The example steel has a carbon equivalent of C eq = 0.702%.

Si la vitesse critique V₁ avait été inférieure à 28°C/s le carbone équivalent aurait été de :
   Ceq = 0,788 soit 12 % de plus et la soudabilité aurait été détériorée d'autant.
If the critical speed V₁ had been less than 28 ° C / s, the equivalent carbon would have been:
C eq = 0.788 or 12% more and the weldability would have deteriorated by the same amount.

Après une trempe et un revenu à 620°C de l'acier pris en exemple on obtient les caractéristiques mécaniques suivantes :
   Re0,2 2 = 995 MPa, Rm = 1048 MPa,
   KCv = 81 Joules à - 85°C.
After quenching and tempering at 620 ° C of the example steel, the following mechanical characteristics are obtained:
R e0,2 2 = 995 MP a , R m = 1048 MP a ,
K Cv = 81 Joules at - 85 ° C.

Ce qui est un résultat excellent.Which is an excellent result.

De plus, pour améliorer les performances de ces aciers on peut :

  • limiter les teneurs en As, Sb, Sn pour améliorer la ténacité,
  • ajouter du Ti, Zr, Nb, B, Co, W pour améliorer les caractéristiques de traction ou augmenter la trempabilité sans modifier le carbone équivalent (c'est notamment le cas pour le B).
In addition, to improve the performance of these steels we can:
  • limit the contents of As, Sb, Sn to improve the toughness,
  • add Ti, Zr, Nb, B, Co, W to improve the traction characteristics or increase the hardenability without modifying the equivalent carbon (this is particularly the case for B).

L'invention concerne également tous les blocs ou pièces réalisées à l'aide du procédé objet de l'invention en utilisant un acier conforme à l'invention.The invention also relates to all the blocks or parts produced using the process which is the subject of the invention using a steel according to the invention.

Ces blocs ou pièces présentent après trempe et revenu une structure entièrement martensitique, bien que la vitesse de refroidissement à coeur VRC de la pièce pendant la trempe soit inférieure à la vitesse critique de de transformation martensitique.These blocks or parts have, after quenching and tempering, a fully martensitic structure, although the cooling rate at the core V RC of the part during quenching is less than the critical rate of martensitic transformation.

Claims (8)

1.- Procédé de fabrication d'un bloc ou d'une pièce massive en acier ayant en tout point des caractéristiques mécaniques de traction élevées et une bonne ténacité et qui soit soudable, caractérisé par le fait : - qu'on définit un traitement de trempe pour atteindre les caractéristiques mécaniques voulues dans une partie au moins du bloc ou de la pièce massive, - qu'on détermine les vitesses de refroidissement VRP et VRC du bloc ou de la pièce massive dans sa partie externe ou peau et dans sa partie centrale ou coeur, pendant la trempe, en fonction de la géométrie du bloc ou de la pièce. - qu'on réalise le bloc ou la pièce massive en un acier dont la composition chimique pondérale a été ajustée de manière que : . l'écart entre le point BS et le point MS soit inférieur à 100°C, BS étant la température de début de transformation bainitique de l'acier et MS, la température de début de transformation martensitique, . la vitesse critique V₃ de début de transformation en ferrite et perlite de l'acier soit inférieure à la vitesse de refroidissement à coeur VRC du bloc ou de la pièce massive, . la vitesse critique V₁ de transformation martensitique soit inférieure à la vitesse de refroidissement en peau VRP RP du bloc ou de la pièce massive, . le carbone équivalent de l'acier est le plus faible possible, - qu'on effectue la trempe prédéterminée sur le bloc ou la pièce massive, de manière à obtenir une structure martensitique à coeur, sous l'effet de déformations induites dans la pièce, par la trempe, - et qu'on complète cette trempe par un revenu approprié. 1.- Method of manufacturing a block or a solid piece of steel having at all points high mechanical traction characteristics and good toughness and which is weldable, characterized by the fact: - that a quenching treatment is defined to achieve the desired mechanical characteristics in at least part of the block or of the solid part, - that the cooling rates V RP and V RC of the block or of the solid part are determined in its external part or skin and in its central part or core, during quenching, as a function of the geometry of the block or of the part . - that the block or solid part is made of steel whose chemical composition by weight has been adjusted so that: . the difference between point B S and point M S is less than 100 ° C., B S being the temperature at the start of bainitic transformation of the steel and M S , the temperature at the start of martensitic transformation, . the critical speed V₃ of the start of transformation into ferrite and perlite of the steel is less than the cooling rate at the core V RC of the block or of the solid part, . the critical speed V₁ of martensitic transformation is less than the cooling speed in the skin V RP RP of the block or of the solid part, . the equivalent carbon in steel is as low as possible, that the predetermined quenching is carried out on the block or the solid part, so as to obtain a martensitic structure at its core, under the effect of deformations induced in the part, by the quenching, - and that this quenching is completed by an appropriate income. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la trempe est une trempe à l'eau. 2.- Method according to claim 1, characterized in that the quenching is a quenching with water. 3.- Pièce massive ou bloc en acier présentant en tout point des caractéristiques mécaniques de traction élevées et une bonne ténacité après trempe et revenu et qui présente de plus une bonne soudabilité, caractérisée par le fait que la structure de la pièce est entièrement martensitique depuis sa partie externe ou peau, jusqu'à sa partie centrale ou coeur, bien que la trempe soit réalisée dans des conditions de mise en oeuvre telles que la vitesse de refroidissement à coeur VRC de la pièce soit inférieure à la vitesse critique de transformation martensitique, la composition chimique de l'acier étant choisie et ajustée de manière que le carbone équivalent de la composition soit le plus faible possible et que la transformation martensitique puisse se produire à coeur sous l'effet de la déformation induite par la trempe. 3.- Solid piece or steel block having at all points high mechanical tensile characteristics and good toughness after quenching and tempering and which also has good weldability, characterized in that the structure of the piece is entirely martensitic since its external part or skin, up to its central part or core, although the quenching is carried out under processing conditions such that the cooling speed at core V RC of the part is less than the critical speed of martensitic transformation , the chemical composition of the steel being chosen and adjusted so that the equivalent carbon of the composition is as low as possible and that the martensitic transformation can occur at its core under the effect of the deformation induced by the quenching. 4.- Pièce selon la revendication 3 obtenue par le procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée par le fait que la composition chimique pondérale de l'acier satisfait au système de programmation mathématique suivant : B S - M S = 245 + 204 C + 155 Si - 57 Mn - 20 Ni - 53 Cr - 62 Mo ≦ Δϑ avec Δϑ = 100°C
Figure imgb0030
log V₁ = 9,81 - 4,62 C eq - 0,265 Mn - 0,52 Ni + 0,425 Cr + 0,265 Mo + 0,925 V ≦ log V RP (m)
Figure imgb0031
log V₃ = 6,36 - 0,43 C eq - 0,42 Mn - 0,78 Ni - 0,19 Cr - 0,3 Mo - 2 M o < log V RC (m).
Figure imgb0032
C eq = C + Mn 6 + Cr + Mo + V 5 + Cu + Ni 15
Figure imgb0033
minimal et en ce que :
Figure imgb0034
Figure imgb0035
4.- Part according to claim 3 obtained by the method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the chemical composition by weight of the steel satisfies the following mathematical programming system: B S - M S = 245 + 204 C + 155 Si - 57 Mn - 20 Ni - 53 Cr - 62 Mo ≦ Δϑ with Δϑ = 100 ° C
Figure imgb0030
log V₁ = 9.81 - 4.62 C eq - 0.265 Mn - 0.52 Ni + 0.425 Cr + 0.265 MB + 0.925 V ≦ log V RP (m)
Figure imgb0031
log V₃ = 6.36 - 0.43 C eq - 0.42 Mn - 0.78 Ni - 0.19 Cr - 0.3 MB - 2 M o <log V RC (m).
Figure imgb0032
VS eq = C + Mn 6 + Cr + Mo + V 5 + Cu + Ni 15
Figure imgb0033
minimal and in that:
Figure imgb0034
Figure imgb0035
5.- Pièce selon la revendication 4, caractérisée en outre en ce que sa composition chimique pondérale satisfait à la relation : H Vm = 232 + 293 C + 11 Si - 9,5 Mn - 4,8 Ni + 3,8 Cr + 80 Mo + 532 V ≧ H Vo ,
Figure imgb0036
HVm représentant la dureté de la pièce et HVo une valeur fixée à l'avance en fonction de la limite d'élasticité recherchée pour la pièce.
5.- Piece according to claim 4, further characterized in that its chemical composition by weight satisfies the relationship: H Vm = 232 + 293 C + 11 Si - 9.5 Mn - 4.8 Ni + 3.8 Cr + 80 Mo + 532 V ≧ H Vo ,
Figure imgb0036
H Vm representing the hardness of the part and H Vo a value fixed in advance as a function of the elastic limit sought for the part.
6.- Pièce selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que la composition chimique pondérale satisfait en outre la relation : T c = 162 + 530 C² - 540 Si - 161 Mn - 48 Ni - 138 M o + 10 H Vm 3 (0,141 Mo + 0,053 Ni + 0,243 Mn + 0,710 Si - 0,408 C - 0,278) ≦ T o ,
Figure imgb0037
Tc étant la température de transition ductile, fragile de l'acier et To une valeur souhaitée de la température de transition.
6.- Part according to any one of claims 4 and 5, characterized in that the chemical composition by weight also satisfies the relationship: T vs = 162 + 530 C² - 540 Si - 161 Mn - 48 Ni - 138 M o + 10 H Vm 3 (0.141 MB + 0.053 Ni + 0.243 Mn + 0.710 Si - 0.408 C - 0.278) ≦ T o ,
Figure imgb0037
T c being the ductile, brittle transition temperature of the steel and T o a desired value of the transition temperature.
7.- Pièce selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que l'acier contient en outre :
   plus de 0, 3 % de Mo
   plus de 0,07 % de V
   une proportion d'Al supérieure ou égale à 0,015 %
   une proportion d'azote inférieure à 0,015 %.
7.- Part according to any one of claims 4 to 6, characterized in that the steel also contains:
more than 0.3% of MB
more than 0.07% of V
a proportion of Al greater than or equal to 0.015%
a proportion of nitrogen less than 0.015%.
8.- Pièce selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisée en ce que l'acier contient :
   moins de 0,01 % de P
   moins de 0,01 % de S.
8.- Part according to any one of claims 3 to 7, characterized in that the steel contains:
less than 0.01% P
less than 0.01% of S.
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