EP0736610A1 - Acier inoxydable austénitique resulfuré à usinabilité améliorée, utilisé notamment dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse de coupe et le domaine du décolletage - Google Patents

Acier inoxydable austénitique resulfuré à usinabilité améliorée, utilisé notamment dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse de coupe et le domaine du décolletage Download PDF

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EP0736610A1
EP0736610A1 EP96400532A EP96400532A EP0736610A1 EP 0736610 A1 EP0736610 A1 EP 0736610A1 EP 96400532 A EP96400532 A EP 96400532A EP 96400532 A EP96400532 A EP 96400532A EP 0736610 A1 EP0736610 A1 EP 0736610A1
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resulfurized
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Xavier Cholin
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Ugine Savoie SA
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/42—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with copper

Definitions

  • the present invention relates to a resulfurized austenitic stainless steel with improved machinability, used in particular in the field of machining at very high cutting speed and in the area of bar turning.
  • high speed machining of austenitic stainless steels means the use of cutting speeds greater than 500 m / min.
  • the speeds which can be used on a steel are, for example, determined by turning tests with tools comprising coated carbide inserts, tests designated Vb 15 / 0.15 , which consist in determining the speed at which the wear in clearance is 0.15 mm after 15 minutes of machining. Beyond this speed, it is not conceivable to machine without risk, below industrial practice is possible.
  • European patent No. 403 332 discloses a resulfurized austenitic steel with improved machinability. This document describes a process in which it is proposed, to improve the machinability, to introduce into a steel having the following general composition: carbon less than 0.15%, silicon less than 2%, manganese less than 2%, molybdenum less than 3%, nickel between 7 and 12%, chromium between 15 and 25%, an amount of sulfur in a proportion between 0.1 and 0.4%, associated with calcium and oxygen in contents respectively greater than 30.10 -4 % and 70. 10 -4 %, the contents of calcium and oxygen satisfying the Ca / O relationship between 0.2 and 0.6.
  • the aim sought is the formation, with manganese and to a lesser extent, with chromium, of a manganese and chromium sulfide (Mn, Cr) S which generates in the form of specific inclusions a solid lubrication of the cutting tool during machining operations.
  • Mn, Cr manganese and chromium sulfide
  • the sulfur has an unfavorable effect on the resistance to corrosion and that, in spite of this, a chosen orientation is the introduction, in a resulfurized steel, of inclusions of lime silicoaluminate oxides most often associated with sulphide inclusions.
  • Such an austenitic steel has good machinability properties in the field of conventional cutting speeds, that is to say less than 500 m / min in turning.
  • the steel includes associated inclusions composed of oxides of the silicoaluminate type which preferentially coat sulfide inclusions. These inclusions are larger and more deformable than the sulfide inclusions alone. The effect of the so-called solid lubrication of the cutting tool is thereby improved.
  • the steel described in the cited document however has a drawback. In fact, sulfur considerably reduces the properties of steel from the point of view of cold deformation with the appearance of tapures, for example in drawing or drawing.
  • the object of the invention is to propose a steel with improved machinability which can be used, on the one hand in the field of machining at very high speed, with cutting cutting speeds which can exceed 700 m / min, and, d on the other hand in the field of bar turning with productivity greater than 30% than that obtained with an ordinary resulfurized austenitic stainless steel.
  • FIG. 1 presents the wear curves in clearance of resulfurized stainless steels, either without copper, or without inclusion of aluminosilicate of lime and of a resulfurized steel according to the invention, these steels being machined at very high cutting speed.
  • FIG. 2 shows the work hardening curves of a copper-free resulfurized steel and of a steel according to the invention.
  • the austenitic stainless steel according to the invention has the following composition by weight: carbon less than 0.1%, silicon less than 2%, manganese less than 2%, nickel, from 7 to 12%, chromium, from 15 to 25% , sulfur, 0.10 to 0.55%, copper, 1 to 5%, calcium greater than 35.10 -4 %, oxygen greater than 70.10 -4 %, the ratio of calcium content to oxygen content being between 0.2 and 0.6.
  • This steel is in the field of so-called resulfurized steels, the sulfur content of which and the calcium and oxygen contents in a determined ratio ensure that said steels have good machinability at cutting speeds of less than 500 m / min.
  • the machinability is improved by the joint action of a large number of inclusions, manganese sulfides and aluminosilicate oxides of lime resulting from the supply of calcium and oxygen and by the presence of copper. Copper limits the effort required to form the chip. Because of this property, the temperature at the tip of the tool remains at a bearable level for the latter. Under these conditions, the numerous inclusions of manganese sulphide and hot aluminosilicate oxides fully ensure, in combination, their role as solid lubricant to delay wear of the tool.
  • the manganese sulphides are very little substituted for chromium because of a manganese content adapted to the sulfur content, their malleability and therefore their efficiency during cutting thereby being improved.
  • the sulfur can be partially replaced by selenium and / or tellurium.
  • the resulfurized steel according to the invention which can preferably be used in the field of machining known as high cutting speeds, by the presence of a large number of malleable inclusions with a low melting point of sulfide and associated oxide, or not associated, and by the presence of a copper content according to the invention, ensures on the one hand, machining at exceptional cutting speeds and on the other hand, a conservation of the life of the tool chopped off .
  • the test consists of a turning operation, without lubrication, with an advance of 0.25 mm / revolution, a depth of cut of 1.5 mm and a cutting speed of 700 m / min.
  • the tool is disassembled regularly for measurement of draft wear. The resulting curves are shown in Figure 1.
  • Reference steels A and B are unsuitable for this type of machining. After only a few minutes of turning, the tools machining these steels are destroyed, that is to say that either their wear in relief is greater than 0.15 mm, or their edge is collapsed. It is therefore unthinkable to use, for the machining of these steels, such cutting speeds.
  • steel C according to the invention the coated tool is still in a state of machining after 20 minutes of turning, which allows, with conventional coated carbide tools to work industrially at such cutting speeds. This is due to the combined presence, in the composition of the steel, of a large quantity of sulfur, of malleable oxides with low melting point and of an optimal content of copper.
  • the machinability is improved by the presence of copper during the manufacture of bars, then by the action of inclusions of manganese sulfide and aluminosilicate oxides of lime during machining.
  • the copper reduces the hardenability, as shown in FIG. 2 in which the reference steel B and the steel C according to the invention are again compared. This low hardenability leads to the production of less hard drawn bars, in particular on the surface.
  • the reference D steel is a resulfurized steel which does not contain calcium or oxygen in its composition. in suitable proportion, and the steel E, according to the invention, in this exemplary embodiment, comprises in its composition, 1.5% copper, 62.10 -4 % calcium and 134.10 -4 % oxygen.
  • compositions of the reference steel D, and of the steel E according to the invention are described in Table 1.
  • the test consists in the production, from a drawn bar with a diameter of 5 mm, of a piece 50 mm long comprising essentially turning, with variable depth of pass from 0.5 to 1.5 mm.
  • Table 2 presents the results of a free-cutting test on a single spindle cam lathe with solid carbide tools and whole oil lubrication. The values in table 2 represent the number of parts with good quality machining before changing the tools.

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Abstract

La présente invention concerne un acier inoxydable austénitique resulfuré à usinabilité améliorée, utilisé notamment dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse de coupe et le domaine du décolletage, caractérisé en ce que sa composition pondérale est la suivante: Carbone <à 0,1%, Silicium < à 2%, Manganèse < à 2%, Nickel de 7 à 12%, Chrome, de 15 à 25%, Soufre, de 0,10 à 0,55%, Cuivre, de 1 à 5%, Calcium > à 35.10<-4> %, Oxygène > à 70.10<-4>%, le rapport de la teneur en calcium sur la teneur en oxygène étant compris entre 0,2 et 0,6. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne un acier inoxydable austénitique resulfuré à usinabilité améliorée, utilisé notamment dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse de coupe et le domaine du décolletage.
  • Pour un homme du métier, on entend par usinage à grande vitesse des aciers inoxydables austénitiques, l'utilisation de vitesses de coupe supérieures à 500 m/mn.
  • Les vitesses utilisables sur un acier sont, par exemple, déterminées par des tests de tournage avec des outils comportant des plaquettes en carbure revêtu, tests désignés Vb 15/0,15, qui consistent à déterminer la vitesse pour laquelle l'usure en dépouille est de 0,15 mm après 15 mn d'usinage. Au delà de cette vitesse, il n'est pas envisageable d'usiner sans risque, en deçà la pratique industrielle est possible.
  • Il est connu du brevet européen N° 403 332 un acier austénitique resulfuré à usinabilité améliorée. Ce document décrit un procédé dans lequel il est proposé, pour améliorer l'usinabilité, d'introduire dans un acier ayant la composition générale suivante : carbone inférieur à 0,15%, silicium inférieur à 2%, manganèse inférieur à 2%, molybdène inférieur à 3%, nickel compris entre 7 et 12%, chrome compris entre 15 et 25%, une quantité de soufre dans une proportion comprise entre 0,1 et 0,4%, associée à du calcium et de l'oxygène dans des teneurs respectivement supérieures à 30.10-4 % et 70. 10-4% , les teneurs en calcium et oxygène satisfaisant à la relation Ca/O comprise entre 0,2 et 0,6.
  • Dans ce document, le but recherché est la formation, avec le manganèse et dans une plus faible proportion, avec le chrome, d'un sulfure de manganèse et de chrome ( Mn,Cr )S qui génère sous la forme d'inclusions spécifiques une lubrification solide de l'outil de coupe pendant les opérations d'usinage.
  • Il est également précisé que le soufre a un effet défavorable sur la résistance à la corrosion et que, malgré cela, une orientation choisie est l'introduction, dans un acier resulfuré, d'inclusions d'oxydes de silicoaluminate de chaux le plus souvent associées aux inclusions de sulfures.
  • Un tel acier austénitique a de bonnes propriétés en usinabilité dans le domaine des vitesses de coupe conventionnelle, c'est-à-dire inférieures à 500 m/mn en tournage. L'acier comporte des inclusions associées composées d'oxydes de type silicoaluminate qui enrobent préférentiellement des inclusions de sulfure. Ces inclusions sont plus grandes et plus déformables que les inclusions de sulfure seules. L'effet de la lubrification dite solide de l'outil de coupe s'en trouve amélioré. L'acier décrit dans le document cité comporte cependant un inconvénient. En effet, le soufre réduit de façon conséquente les propriétés de l'acier du point de vue déformation à froid avec apparition de tapures par exemple en étirage ou tréfilage.
  • L'invention a pour but de proposer un acier à usinabilité améliorée pouvant être utilisé, d'une part dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse, avec des vitesses de coupe en tournage pouvant dépasser 700 m/mn, et, d'autre part dans le domaine du décolletage avec des productivités supérieures à 30% à celles obtenues avec un acier inoxydable austénitique resulfuré ordinaire.
  • L'invention a pour objet un acier inoxydable austénitique resulfuré à usinabilité amélioré utilisable notamment dans le domaine de l'usinage à grande vitesse de coupe et le domaine du décolletage, qui se caractérise en la composition pondérale suivante :
    • Carbone < à 0,1 %,
    • Silicium < à 2%,
    • Manganèse < à 2%,
    • Nickel de 7 à 12%,
    • Chrome, de 15 à 25%,
    • Soufre, de 0,10 à 0,55%,
    • Cuivre, de 1 à 5%,
    • Calcium > à 35.10 -4 %,
    • Oxygène > à 70.10 -4%,
    le rapport de la teneur en calcium sur la teneur en oxygène étant compris entre 0,2 et 0,6.
  • Les autres caractéristiques de l'invention sont :
    • la teneur en soufre est comprise entre 0,20 et 0,40% et, de préférence, entre 0,25 et 0,35%.
    • la teneur en cuivre est comprise entre 1,2 et 3% et, de préférence, entre 1,4 et 1,8%.
    • la composition comprend en outre moins de 3% de molybdène.
  • La description qui suit et les figures annexées, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre l'invention.
  • La figure 1 présente les courbes d'usure en dépouille d'aciers inoxydables resulfurés, soit sans cuivre, soit sans inclusion aluminosilicate de chaux et d'un acier resulfuré selon l'invention, ces aciers étant usinés à très grande vitesse de coupe.
  • La figure 2 présente les courbes d'écrouissage d'un acier resulfuré sans cuivre et d'un acier selon l'invention.
  • L'acier inoxydable austénitique selon l'invention a la composition pondérale suivante : carbone inférieur à 0,1%, silicium inférieur à 2%, manganèse inférieur à 2%, nickel, de 7 à 12%, chrome, de 15 à 25%, soufre, de 0,10 à 0,55%, cuivre, de 1 à 5%, calcium supérieur à 35.10 -4 %, oxygène supérieur à 70.10 -4%, le rapport de la teneur en calcium sur la teneur en oxygène étant compris entre 0,2 et 0,6.
  • Cet acier est du domaine des aciers dit resulfurés dont la teneur en soufre et les teneurs en calcium et en oxygène dans un rapport déterminé assurent auxdits aciers une bonne usinabilité à des vitesses de coupe inférieures à 500 m/mn.
  • Dans l'usage de l'acier selon l'invention, dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse de coupe, l'usinabilité est améliorée par l'action conjointe d'un grand nombre d'inclusions, sulfures de manganèse et oxydes aluminosilicates de chaux issus de l'apport de calcium et d'oxygène et par la présence du cuivre. Le cuivre limite les efforts nécessaires à la formation du copeau. Du fait de cette propriété, la température à la pointe de l'outil reste à un niveau supportable pour celui-ci. Dans ces conditions, les nombreuses inclusions de sulfure de manganèse et d'oxydes aluminosilicates de chaud assurent pleinement, en combinaison, leur rôle de lubrifiant solide pour retarder l'usure de l'outil. Dans l'acier selon l'invention, les sulfures de manganèse sont très peu substitués en chrome du fait d'une teneur en manganèse adaptée à la teneur en soufre, leur malléabilité et donc leur efficacité lors de la coupe s'en trouvant améliorée. Le soufre peut être partiellement remplacé par du sélénium et/ou du tellure.
  • L'acier resulfuré selon l'invention, utilisable préférentiellement dans le domaine de l'usinage dit à grande vitesses de coupe, par la présence d'un grand nombre d'inclusions malléables à bas point de fusion de sulfure et d'oxyde associées ou non associées, et par la présence d'une teneur en cuivre selon l'invention, assure d'une part, des usinages à des vitesses de coupe exceptionnelles et d'autre part, une conservation de la durée de vie de l'outil de coupe .
  • Dans un essai d'usinabilité comparatif à très grande vitesse de coupe, c'est-à-dire à plus de 500 m/mn, il est utilisé un outil en carbure revêtu TiN. Il a été comparé l'évolution de l'usure en dépouille de l'outil au cours de l'usinage de trois aciers resulfurés référencés A, B et C. Les aciers A et B sont des aciers resulfurés de référence, l'acier A ne contenant pas de calcium ni d'oxygène en proportion convenable, l'acier B ne contenant pas de cuivre dans sa composition. L'acier C, selon l'invention, dans cet exemple d'application, comporte dans sa composition, 1,5 % de cuivre, 44.10-4% de calcium et 118 10-4% d'oxygène . Les compositions des aciers A et B de référence et de l'acier C selon l'invention sont présentées dans le tableau 1 ci-dessous.
    Acier C Si Mn Mo Ni Cr S Cu Ca O
    A 0,048 0,42 1,50 0,29 8,05 17,03 0,30 1,5 10 53
    B 0,051 0,38 1,49 0,29 8,03 17,05 0,30 0,5 51 110
    C 0,050 0,43 1,50 0,31 8,10 17,04 0,30 1,5 44 118
    D 0,049 0,45 1,48 0,28 8,02 17,11 0,39 1,5 14 57
    E 0,052 0,39 1,51 0,30 8,07 17,03 0,30 1,5 62 134
  • L'essai consiste en une opération de tournage, sans lubrification, avec une avance de 0,25 mm/tour, une profondeur de passe de 1,5 mm et une vitesse de coupe de 700 m/mn. L'outil est démonté régulièrement pour la mesure de l'usure en dépouille. Les courbes qui en résultent sont présentées sur la figure 1.
  • Les aciers de référence A et B sont inaptes à ce type d'usinage. Après seulement quelques minutes de tournage, les outils usinant ces aciers sont détruits, c'est-à-dire que soit, leur usure en dépouille est supérieure à 0,15 mm, soit leur arête est effondrée. Il n'est donc pas pensable d'utiliser, pour l'usinage de ces aciers, de telles vitesses de coupe. Par contre, avec l'acier C selon l'invention, l'outil revêtu est encore en état d'usiner après 20 minutes de tournage, ce qui permet, avec des outils classiques en carbure revêtu de travailler industriellement à de telles vitesses de coupe. Ceci est dû à la présence combinée, dans la composition de l'acier, d'une grande quantité de soufre, d'oxydes malléables à bas point de fusion et d'une teneur optimale de cuivre.
  • Dans l'usage de l'acier selon l'invention, dans le domaine du décolletage, l'usinabilité est améliorée par la présence du cuivre lors de la fabrication de barres, puis par l'action des inclusions de sulfure de manganèse et d'oxydes aluminosilicates de chaux lors de l'usinage. Le cuivre diminue l'écrouissabilité, comme le montre la figure 2 sur laquelle sont à nouveau comparés l'acier B de référence et l'acier C selon l'invention. Cette faible écrouissabilité conduit à l'obtention de barres étirées moins dures, en particulier en surface.
  • L'effet des inclusions vient ensuite en complément pour favoriser le cisaillement du copeau et lubrifier l'interface outil/métal.
  • Dans un essai de production de pièces en décolletage, il a été comparé la productivité de deux d'aciers resulfurés référencés D et E. L'acier D de référence, est un acier resulfuré ne contenant pas dans sa composition de calcium ni d'oxygène en proportion convenable, et l'acier E, selon l'invention, dans cet exemple de réalisation, comporte dans sa composition, 1,5 % de cuivre, 62.10-4% de calcium et 134.10-4% d'oxygène.
  • De manière surprenante, l'action en combinaison des trois éléments cuivre, oxygène, calcium, génère un effet particulier sur l'amélioration de l'usinabilité, imprévisible lorsque ces éléments sont introduits dans la composition deux à deux ou de manière séparée.
  • Les compositions de l'acier D de référence, et de l'acier E selon l'invention, sont décrites dans le tableau 1.
  • L'essai consiste en la production, à partir d'une barre étirée d'un diamètre de 5 mm, de pièce de 50 mm de long comprenant essentiellement du tournage, à profondeur de passe variable de 0,5 à 1,5 mm. Le tableau 2 ci-dessous présente les résultats d'un essai de décolletage sur un tour monobroche à cames avec des outils en carbure monobloc et une lubrification en huile entière. Les valeurs du tableau 2 représentent le nombre de pièces ayant un usinage de bonne qualité avant changement des outils.
    Productivité Acier D Acier E
    1,82 pièce/mn 3 200 8 000
    2,30 pièce/mn 1 500 3 200
  • Dans les conditions de coupe optimisées pour un acier de référence, on peut produire 2,5 fois plus de pièces avec l'acier selon l'invention, avant d'avoir à changer les outils. Inversement, avec une productivité 30 % supérieure sur l'acier selon l'invention, la durée de vie est identique.
  • Dans un autre essai de décolletage, les deux même aciers D et E sont comparés sur une simple opération de tronçonnage, consistant à produire des axes de 4 mm de diamètre à partir d'un fil machine tronçonné sur une machine à torche. La productivité a été améliorée de 28 % avec l'acier E selon l'invention en comparaison avec l'acier D de référence ne contenant pas de calcium ni d'oxygène en proportion convenable.

Claims (6)

  1. Acier inoxydable austénitique resulfuré à usinabilité améliorée, utilisé notamment dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse de coupe et le domaine du décolletage, caractérisé en ce que sa composition pondérale est la suivante:
    - Carbone < à 0,1 %,
    - Silicium < à 2%,
    - Manganèse < à 2%,
    - Nickel de 7 à 12%,
    - Chrome, de 15 à 25%,
    - Soufre, de 0,10 à 0,55%,
    - Cuivre, de 1 à 5%,
    - Calcium > à 35.10 -4 %,
    - Oxygène > à 70.10 -4%,
    le rapport de la teneur en calcium sur la teneur en oxygène étant compris entre 0,2 et 0,6.
  2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en soufre est comprise entre 0,20 et 0,40%.
  3. Acier selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la teneur en soufre est comprise entre 0,25 et 0,35%.
  4. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en cuivre est comprise entre 1,2 et 3%.
  5. Acier selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que la teneur en cuivre est comprise entre 1,4 et 1,8%.
  6. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition comprend en outre moins de 3% de molybdène.
EP96400532A 1995-04-07 1996-03-15 Acier inoxydable austénitique resulfuré à usinabilité améliorée, utilisé notamment dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse de coupe et le domaine du décolletage Expired - Lifetime EP0736610B1 (fr)

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