EP0991789A1 - Composition d'acier a outils - Google Patents

Composition d'acier a outils

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EP0991789A1
EP0991789A1 EP99910459A EP99910459A EP0991789A1 EP 0991789 A1 EP0991789 A1 EP 0991789A1 EP 99910459 A EP99910459 A EP 99910459A EP 99910459 A EP99910459 A EP 99910459A EP 0991789 A1 EP0991789 A1 EP 0991789A1
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weight
steel
tool
temperatures
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André GRELLIER
Michel Siaut
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Aubert and Duval SA
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Aubert and Duval 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
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/30—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with cobalt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING 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
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING 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
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
    • C21D1/20—Isothermal quenching, e.g. bainitic hardening

Definitions

  • the present invention relates to a steel of the family known as 3% to 5% by weight of chromium used for the manufacture of tools resistant to heat and working under high stresses such as stamping and forging dies, tools dies and molds for static casting or die casting of various alloys such as aluminum, copper or titanium alloys.
  • Such steels are alloyed with chromium, molybdenum and vanadium, elements which give them the required heat resistance properties.
  • compositions comprising, expressed by weight, the following alloying elements: * 5% of chromium, 1, 3% of molybdenum, 0.5% to 1, 3% of vanadium approximately, or
  • the surface of the tools is brought into contact with materials heated to high temperature, for example liquid aluminum at 600 ° C / 750 ° C or steel intended to be forged and preheated to 1200X .
  • the surface of the tool is itself brought to high temperature: it follows that a thermal regime is established in the tool between the working part subjected to heating and the rest of the part cooled by conditions natural or forced. 2
  • the present invention firstly relates to a steel composition allowing good performance in service under said severe conditions.
  • composition which is the subject of the invention comprises, expressed in percentages by weight:
  • the composition is within the following limits:
  • composition which is the subject of the invention comprises contents of P, Sb, Sn and As, expressed in percentages by weight, which satisfy the relationships:
  • the set of alloying elements whose actions complement each other is balanced to give sufficient quenchability necessary for obtaining homogeneous properties in the thickness of large parts.
  • Carbon is the basic hardening element, its level is adjusted to obtain sufficient mechanical resistance, while avoiding by excess concentration the formation of eutectic carbides at the solidification. Its content in the alloy according to the invention is 0.3-0.4% by weight, preferably 0.33-0.37% by weight.
  • Chromium and molybdenum contribute to quenchability and hardening after quenching and tempering by the formation of alloyed carbides during thermal tempering treatments.
  • the content of these elements should not be excessive so as not to favor excessively the formation of chromium-molybdenum carbides to the detriment of vanadium and tungsten carbides.
  • the chromium content in the alloy according to the invention is 2.0-4.0% by weight, preferably 2.50-3.50% by weight, as for that of molybdenum it is 0.8- 3.0% by weight, preferably 1.20-2.20% by weight.
  • Vanadium contributes to hardening during tempering treatments by the formation of specific carbides, which makes it possible to increase the structural resistance to heating, therefore to shift upwards the higher temperatures admissible in service. An excess of this element would be detrimental to the toughness by the formation of eutectic carbides on solidification and by the segregating nature of this element.
  • Its content in the alloy according to the invention is 0.4-1.0% by weight, preferably 0.6-0.9% by weight.
  • Tungsten in the same way, supplements the action of vanadium by the same types of mechanisms and contributes in the same way to the raising of the compatible temperatures of use and, in the same way, an excess would be detrimental to the toughness and the structural homogeneity. Its content in the alloy according to the invention is 1.5-3.0% by weight, preferably 1.8-2.6% by weight.
  • Cobalt improves mechanical resistance when hot. Its content in the alloy according to the invention is 1.0-5.0% by weight, preferably 1.5-5.0% by weight.
  • the contents of silicon and manganese in the alloy according to the invention are each 0-1.0% by weight, preferably 0.20-0.50% by weight.
  • the content of nickel in the alloy according to the invention is 0-1.0% by weight, preferably 0-0.30% by weight. More generally, although it is not desired to be bound by any theory, it is therefore believed that obtaining good characteristics for such steels depends on the balance of the alloying elements; it results from the individual properties of each of the elements, but also from their interaction. w The effect of tungsten results from the formation of carbides, in the composition of which this element intervenes. It competes with chromium and molybdenum, knowing that a predominance of chromium carbides is harmful for stability in service. However: 15 - the crystallographic nature of carbides formed according to steels is still poorly understood today,
  • the subject of the invention is also a process for the preparation of tool steel having the composition defined above, in which, according to a particular embodiment, an appropriate annealing treatment is carried out, before heat treatment for use, to result in a metallographic structure 5 showing fine and well distributed carbides.
  • the quenching is carried out by heating the part to a temperature between 1020 ° C and 1100 ° C, preferably between 1040 ° C and 1070 ° C, then by cooling in a stepped quench at 250 ° C / 320 ° C by any suitable means.
  • the desired properties are obtained after carrying out two tempering treatments, after quenching, the first tempering being carried out in the temperature range 550 ° C / 580 ° C, and the second in the range 580 ° C / 680 ° C adjusted according to the hardness of use sought.
  • Example 3 Stress rupture tests These tests were carried out on steel A according to the invention, as well as on another steel grade with 5% chromium, 1.2% molybdenum and 0.5% of vanadium and aimed to determine the stress necessary to obtain a rupture of the test pieces in 100 hours. The results are collated in Table 3 below.

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Description

Composition d'acier à outils
La présente invention concerne un acier de la famille dite de 3% à 5% en poids de chrome utilisée pour la fabrication d'outillages résistant à la chaleur et travaillant sous de fortes contraintes tels que les matrices d'estampage et de forgeage, les outils de filières et les moules de coulée statique ou coulée sous pression d'alliages divers comme les alliages d'aluminium, de cuivre ou de titane.
De tels aciers sont alliés en chrome, molybdène et vanadium, éléments qui leur confèrent les propriétés de résistance à chaud requises.
Plus précisément, ils se répartissent en trois familles de compositions dont les propriétés sont voisines, de sorte que ces trois familles sont mises en oeuvre pour les mêmes applications. Il s'agit de compositions comprenant, exprimés en poids, les éléments d'alliages suivants : * 5% de chrome, 1 ,3% de molybdène, 0,5% à 1 ,3% de vanadium environ, ou
* 3% de chrome, 3% de molybdène, 0,5% de vanadium environ, ou enfin
* 5% de chrome, 3% de molybdène, 0,8% de vanadium environ.
Certains de ces aciers sont désignés dans la nomenclature des Etats-Unis d'Amérique AISI sous les dénominations H11 , H12, H13, dans la nomenclature allemande DIN sous les dénominations W1.2343, W1.2606 et W1.2344, et sont cités dans la norme française NF A 35-590.
Lors de l'utilisation, la surface des outillages est mise en contact avec des matériaux chauffés à haute température, par exemple de l'aluminium liquide à 600°C / 750°C ou de l'acier destiné à être forgé et préchauffé à 1200X.
En conséquence, la surface de l'outillage est elle-même portée à haute température : il en résulte qu'un régime thermique s'établit dans l'outillage entre la partie travaillante soumise à échauffement et le reste de la pièce refroidie par des conditions naturelles ou forcées. 2
Dans des conditions d'utilisation sévères mettant en jeu des températures de surface élevées et des contraintes mécaniques fortes, la destruction de l'outil devient rapide selon deux principes :
- la résistance mécanique du matériau décroît régulièrement lorsque la température s'élève,
- le matériau perd ses propriétés initiales qui avaient été conférées par le traitement thermique préliminaire du fait que des transformations métallurgiques se produisent sous l'effet combiné des contraintes et de la température et provoquent l'abaissement, puis l'effondrement de la résistance mécanique. On observe ainsi des détériorations rapides voire catastrophiques de ces outillages employés dans des conditions sévères, par adoucissement, fluage, déformation plastique et fatigue thermique de la surface travaillante. La présente invention a pour premier objet une composition d'acier permettant une bonne tenue en service dans lesdites conditions sévères.
La composition objet de l'invention comprend, exprimés en pourcentages en poids :
C 0,3 - 0,4%
Cr 2,0 - 4,0%
Mo 0,8 - 3,0%
V 0,4 - 1 ,0%
W 1 ,5 - 3,0%
Co 1 ,0 - 5,0%
Si 0 - 1 ,0%
Mn 0 - 1 ,0% Ni 0 - 1 ,0% le complément étant principalement constitué de fer et d'impuretés inévitables. De préférence, la composition se situe dans les limites suivantes :
C 0,33 - 0,37%
Cr 2,58 - 3,50%
Mo 1,20 - 2,20%
V 0,6 - 0,9%
W 1 ,8 - 2,6%
Co 1 ,5 - 3,0%
Si 0,2 - 0,5%
Mn 0,2 - 0,5% Ni 0 - 0,3%
De façon plus particulièrement préférée, la composition objet de l'invention comprend des teneurs en P, Sb, Sn et As, exprimées en pourcentages en poids, qui satisfont aux relations :
P < 0,008%
Sb ≤ 0,002%
Sn < 0,003%
As < 0,005% tandis que la valeur exprimée par la relation de Bruscato
B = (10 P + 5 Sb + 4 Sn + As) x 0,01
est au plus égale à 0, 10%.
L'ensemble des éléments d'alliages dont les actions se complètent est équilibré pour donner une trempabilité suffisante nécessaire pour l'obtention de propriétés homogènes dans l'épaisseur de pièces de forte taille.
Le carbone est l'élément durcissant de base, son niveau est ajusté pour obtenir une résistance mécanique suffisante, tout en évitant par un excès de concentration la formation de carbures eutectiques à la solidification. Sa teneur dans l'alliage selon l'invention est de 0,3-0,4% en poids, de préférence 0,33-0,37% en poids.
Le chrome et le molybdène contribuent à la trempabilité et au durcissement après trempe et revenu par formation de carbures alliés lors des traitements thermiques de revenu. La teneur en ces éléments ne doit pas être excessive pour ne pas favoriser exagérément la formation de carbures de chrome-molybdène au détriment des carbures de vanadium et tungstène. La teneur en chrome dans l'alliage selon l'invention est de 2,0- 4,0% en poids, de préférence 2,50-3,50% en poids, quant à celle du molybdène elle est de 0,8-3,0% en poids, de préférence 1 ,20-2,20% en poids.
Le vanadium contribue au durcissement lors des traitements de revenu par formation de carbures spécifiques, ce qui permet d'augmenter la résistance structurale à réchauffement, donc de décaler vers le haut les températures supérieures admissibles en service. Un excès de cet élément serait préjudiciable à la ténacité par formation de carbures eutectiques à la solidification et par le caractère ségrégant de cet élément. Sa teneur dans l'alliage selon l'invention est de 0,4-1 ,0% en poids, de préférence 0,6-0,9% en poids. Le tungstène, de la même manière, complète l'action du vanadium par les mêmes types de mécanismes et contribue de même au relèvement des températures compatibles d'emploi et, de la même manière, un excès serait préjudiciable à la ténacité et à l'homogénéité structurale. Sa teneur dans l'alliage selon l'invention est de 1 ,5-3,0% en poids, de préférence 1 ,8- 2,6% en poids.
Ce sont les actions complémentaires et convenablement équilibrées de ces quatre éléments carburigènes Cr, Mo, V et W qui confèrent à l'acier de l'invention des propriétés nouvelles.
Le cobalt améliore la résistance mécanique à chaud. Sa teneur dans l'alliage selon l'invention est de 1 ,0-5,0% en poids, de préférence 1 ,5-3,0% en poids. Les teneurs du silicium et du manganèse dans l'alliage selon l'invention sont chacune de 0-1 ,0% en poids, de préférence 0,20-0,50% en poids. La teneur du nickel dans l'alliage selon l'invention est de 0-1 ,0% en poids, de préférence 0-0,30% en poids. 5 De manière plus générale, bien que l'on ne souhaite pas être lié par une quelconque théorie, on estime ainsi que l'obtention de bonnes caractéristiques pour de tels aciers dépend de l'équilibrage des éléments d'alliage ; elle résulte des propriétés individuelles de chacun des éléments, mais aussi de leur interaction. w L'effet du tungstène découle de la formation de carbures, dans la composition desquels cet élément intervient. Il est en compétition avec le chrome et le molybdène, sachant qu'une présominance des carbures de chrome est néfaste pour la stabilité en service. Cependant : 15 - la nature cristallographique des carbures formés selon les aciers est encore mal connue de nos jours,
- l'effet de ces carbures sur les propriétés et la stabilité structurale ne sont connus que dans les grandes lignes. L'acier de l'invention est fabriqué selon les procédés applicables aux 20 matériaux usuels cités en référence.
L'invention a également pour objet un procédé pour la préparation d'acier à outils ayant la composition définie ci-dessus, dans lequel, selon un mode de réalisation particulier, un traitement de recuit approprié est pratiqué, avant traitement thermique d'emploi, pour aboutir à une structure 5 métallographique montrant des carbures fins et bien répartis.
Dans un mode de réalisation particulier, on réalise la trempe en chauffant la pièce à une température comprise entre 1020°C et 1100°C, de préférence entre 1040°C et 1070°C, puis en refroidissant selon une trempe étagée à 250°C / 320°C par tout moyen adapté. 30 Dans un mode de réalisation particulier, les propriétés recherchées sont obtenues après réalisation de deux traitements de revenu, après trempe, le premier revenu étant effectué dans l'intervalle de températures 550°C / 580°C, et le second dans l'intervalle 580°C / 680°C ajusté en fonction de la dureté d'emploi recherchée.
Dans un autre mode particulier de réalisation du procédé selon l'invention, on réalise, à partir du métal produit par un procédé d'aciérie conventionnel, une refusion par électrode consommable sous vide ou par électrode consommable sous laitier conférant au matériau une propreté inclusionnaire améliorée et une meilleure homogénéité chimique, ce qui a pour effet d'augmenter les propriétés de ténacité et par voie de conséquence de tenue en service. L'invention va à présent être illustrée au moyen des exemples qui suivent. EXEMPLES
Une coulée d'essai d'un acier A selon l'invention, dont la composition est donnée dans le tableau ci-dessous, a été réalisée afin de procéder aux différents essais :
C 0,354 %
Cr 3,09 %
Mo 1 ,36 %
V 0,81 %
W 2,26 %
Co 2,00 %
Si 0,31 %
Mn 0,30 %
Ni 0,08 %
P 0,007 % le complément étant constitué de fer et d'impuretés inévitables.
Les différents matériaux de référence utilisés pour ces essais sont des aciers à 5% de chrome contenant des quantités variables de molybdène et de vanadium. Les symboles utilisés dans la suite ont les significations suivantes :
Rm : résistance maximum
Rpo,2 : limite élastique conventionnelle à 0,2% HRC : dureté Rockwell Exemple 1 - Essais de traction à chaud
Ces essais ont été réalisés à différentes températures sur l'acier A selon l'invention, ainsi que sur trois autres nuances classiques d'aciers à 5% de chrome contenant du molybdène et du vanadium. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 1 suivant.
Tableau 1
Température Rm Rp0,2 Visée de
Matériaux d'essai (MPa) (MPa) traitement
(°C) (HRC)
A 1092 916
520 46 5Cr 1.3Mo 0.5V 1088 851
A 918 753
5Cr 1.3Mo 0.5V 916 709
550 42 5Cr 3Mo 0.5V 842 664 5Cr 1.5Mo 1V 901 702
A 1028 830
560 46 5CM.3Mo 0.5V 979 710
A 955 745
600 46 5Cr 1.3Mo 0.5V 796 552
Comparativement aux matériaux de référence, on observe que la résistance à chaud décrite par l'essai de traction est améliorée, en particulier dès que la température d'emploi dépasse 550°C.
Exemple 2 - Essais de traction à chaud après maintien à la température
Ces essais ont été réalisés à la température de 550°C, après un maintien à 550°C pendant 50 heures, sur l'acier A selon l'invention ainsi que sur les trois autres nuances précédemment décrites dans l'exemple 1. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 2 suivant. Tableau 2
Température ΔRm ΔRpo,2 Visée de
Matériaux d'essai (MPa) (MPa) traitement (X) (HRC)
A -15 -13 42
5Cr 1.3Mo 0.5V -50 -40 42
550
5Cr 3Mo 0.5V -18 -41 42
5Cr 1.5Mo 1V -101 -104 42
De la même manière, on observe que la résistance à chaud décrite par l'essai de traction est moins altérée par un maintien prolongé pendant 50 heures à la température d'emploi pour l'acier selon l'invention que pour les aciers de référence.
Exemple 3 - Essais de rupture sous contrainte Ces essais ont été réalisés sur l'acier A selon l'invention, ainsi que sur une autre nuance d'acier à 5% de chrome, 1 ,2% de molybdène et 0,5% de vanadium et avaient pour but de déterminer la contrainte nécessaire pour obtenir une rupture des eprouvettes en 100 heures. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 3 suivant.
Tableau 3
Température Contrainte Traité
Matériaux d'essai (MPa) pour
(X) (HRC)
520 695
A 560 555 42
600 360
520 795
A 560 610 46
600 400
520 670
5Cr 1.2Mo 0.5V 560 420 46
600 195
520 795
5Cr 1.2Mo 0.5V 560 425 50
600 188
De la même manière que précédemment, on observe que la tenue en fluage exprimée par la contrainte conduisant à la rupture en 100 heures, est supérieure pour l'acier selon l'invention.
Exemple 4 - Essais de déformation sous contrainte
Ces essais ont été réalisés sur l'acier A selon l'invention, ainsi que sur la même nuance d'acier que celle utilisée dans l'exemple 3 et avaient pour but de déterminer la contrainte nécessaire pour obtenir une déformation de 1% des eprouvettes en 100 heures. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 4 suivant. 10
Tableau 4
Température Contrainte Traité
Matériaux d'essai (MPa) pour
(X) (HRC)
A 560 500 42
A 560 640 46
5Cr 1.2Mo 0.5V 560 350 46
5Cr 1.2Mo 0.5V 560 370 50
De la même manière que précédemment, on observe que la tenue en fluage exprimée par la contrainte conduisant à 1% de déformation en 100 heures, est supérieure pour l'acier selon l'invention.
Il va de soi que les formes de réalisation de la composition d'acier à outils selon l'invention qui ont été décrites ci-dessus ont été données à titre purement indicatif et nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent être facilement apportées par l'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims

11REVENDICATIONS
1. Composition d'acier à outil comprenant, exprimés en pourcentages en poids :
C 0,3 - 0,4%
Cr 2,0 - 4,0%
Mo 0,8 - 3,0%
V 0,4 - 1 ,0%
W 1,5-3,0%
Co 1,0-5,0%
Si 0-1,0%
Mn 0-1,0% Ni 0 - 1 ,0% le complément étant principalement constitué de fer et d'impuretés inévitables.
2. Composition d'acier à outils selon la revendication 1 comprenant, exprimés en pourcentages en poids :
C 0,33 - 0,37%
Cr 2,58 - 3,50%
Mo 1,20-2,20%
V 0,60 - 0,90%
3. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les teneurs de cette composition en P, Sb, Sn et As, exprimées en pourcentages en poids, satisfont aux relations
P < 0,008%
Sb < 0,002% 12
Sn < 0,003%
As < 0,005% tandis que la valeur exprimée par la relation de Bruscato
B = (10 P + 5 Sb + 4 Sn + As) x 0,01
est au plus égale à 0,10%.
4. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comprend de 1 ,8% à 2,6% en poids de tungstène.
5. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comprend de 1 ,5% à 3,0% en poids de cobalt.
6. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comprend de 0,20 % à 0,50% en poids de silicium.
7. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comprend de 0,20 % à 0,50% en poids de manganèse.
8. Composition d'aciers à outils selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comprend moins de 0,30% en poids de nickel.
9. Procédé de préparation d'acier à outils de composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une trempe comprenant :
- un chauffage de l'acier à des températures comprises entre 1020X et HOOX et
- une trempe étagée à des températures comprises entre 250X et 320X.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte une trempe comprenant : - un chauffage de l'acier à des températures comprises entre 1040X et 1070X et
- une trempe étagée à des températures comprises entre 250X et 320X. 13
11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'acier est soumis à un revenu à des températures comprises entre 550X et 580X, à l'issue de l'opération de trempe.
12. Procédé selon la revendication 11 , caractérisé en ce que l'acier est soumis à un deuxième revenu à des températures comprises entre
580X et 680X, à l'issue du premier revenu.
13. Procédé de préparation d'acier à outils de composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une refusion par électrode consommable sous vide ou par électrode consommable sous laitier.
EP99910459A 1998-04-02 1999-03-30 Composition d'acier a outils Expired - Lifetime EP0991789B1 (fr)

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EP0991789A1 true EP0991789A1 (fr) 2000-04-12
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