EP1426459A1 - Acier pour construction mécanique, procédé de mise en forme à chaud d'une pièce de cet acier et piéce ainsi obtenue - Google Patents

Acier pour construction mécanique, procédé de mise en forme à chaud d'une pièce de cet acier et piéce ainsi obtenue Download PDF

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EP1426459A1
EP1426459A1 EP03292974A EP03292974A EP1426459A1 EP 1426459 A1 EP1426459 A1 EP 1426459A1 EP 03292974 A EP03292974 A EP 03292974A EP 03292974 A EP03292974 A EP 03292974A EP 1426459 A1 EP1426459 A1 EP 1426459A1
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EP
European Patent Office
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traces
steel
piece
temperature
cooling
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03292974A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marc Robelet
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ASCO INDUSTRIES
Original Assignee
Ascometal SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/007—Semi-solid pressure die casting
    • 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
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/13—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by hot working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur
    • 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
    • C21D2281/00—Making use of special physico-chemical means

Definitions

  • the invention relates to the steel industry, and more specifically, the manufacturing steel parts which can be used, in particular, in construction mechanical and shaped by the process called "thixoforgeage".
  • Thixoforgging belongs to the category of setting processes forms metals in a semi-solid state.
  • This process consists in carrying out a significant deformation on a heated plot between solidus and liquidus.
  • the steels used for this process are those conventionally used for hot forging which are made, if necessary, beforehand undergoing a metallurgical operation consisting of globalize the classically dendritic primary structure. Indeed, this primary dendritic structure is not suitable for Thixoforging.
  • the micro-segregation existing between dendrites and the inter-dendritic spaces will cause the steel to melt preferably in these inter-dendritic spaces.
  • the liquid phase will, initially, be ejected at the start of the application of the effort. It will therefore be necessary to deform the solid phase and a largely liquid residue separated from the solid phase, which will result in increased effort.
  • the result obtained is bad: significant segregation, internal faults.
  • Thixoforging allows, compared to conventional methods of hot forging, in a single deformation operation, parts of complex geometry which may have thin walls (1 mm or less), and this with very little shaping efforts. Indeed, under the action of external efforts, steels suitable for an operation of thixoforgeage behave like viscous fluids.
  • the heating temperature and the amount of liquid phase formed are important parameters of the thixoforging process. Ease to get the "right" temperature and dispersion interval possible around this temperature to limit variations in the amount of liquid phase depend on the solidification interval. More this the longer the interval, the easier it is to adjust the heating parameters.
  • this measured solidification interval is 110 ° C for a C38 grade and 172 ° C for the 100Cr6 grade. So it's a lot easier to work with this last shade which has, moreover, a low solidus temperature: 1315 ° C.
  • the aim of the invention is to propose new steel grades better suited to thixoforging than those conventionally used, in that they would lower the shaping temperature, therefore provide less thermal stress on deformation tools, and in this that they would improve the behavior of steel during thixoforging. These new shades should not, moreover, degrade the properties mechanical parts obtained.
  • the Mn% / Si% ratio is greater than or equal to 0.4.
  • Steel may also contain traces ⁇ P% ⁇ 0.200%, traces ⁇ Bi ⁇ 0.200%, traces ⁇ Sn ⁇ 0.150%, traces ⁇ As ⁇ 0.200%, traces ⁇ Sb ⁇ 0.150%, with P% + Si% + Sn% + As% + Sb% ⁇ 0.200%.
  • Said thixoforgging preferably takes place in an area of temperatures where the fraction of liquid matter present in the plot is between 10 and 40%.
  • Said cooling is preferably carried out in calm air, or at a speed lower than that which would provide a natural air cooling.
  • the invention essentially consists in significantly increase the silicon content of steel grades usually used to make parts by thixoforgging.
  • a higher Mn% / Si% ratio must be respected or equal to 0.4.
  • the fluidity is high because of a high content of silicon, (for example 1% or more)
  • too low a manganese content gives the metal insufficient mechanical properties during cooling during continuous casting, hence a risk of the appearance of cracks.
  • Such cracks may also appear, for the same reasons, during cooling after thixoforging, especially since large variations in the thickness of the part lead to significant differences in local cooling rates. We thus create constraints likely to favor the appearance of cracks if the mechanical properties of steel are insufficient.
  • this addition of silicon is combines with an addition of other elements which, like silicon, can segregate at grain boundaries: phosphorus, bismuth, tin, arsenic, antimony.
  • the material is two-phase, which results in a very different behavior during deformation: solid particles are included in liquid, and if there are contacts (called bridges) between the solid particles, the very low forces required to break them are only not causes of ruin of the material.
  • the carbon content of the steels according to the invention can vary between 0.35% and 2.5%. On this condition, we can obtain metallic structures, mechanical properties and desirable properties of use for thixoforged steel parts usable in mechanical engineering. Content carbon must be chosen according to the intended use.
  • the silicon content of the steels of the invention can vary between 0.60 and 3%. Like carbon, silicon lowers temperatures by solidus and liquidus and broaden the solidification interval. It also has an effect synergetic on the segregation of other elements. It also allows to improve the fluidity of the metal. For the reasons we have said, it is preferable that the Mn% / Si% ratio is greater than or equal to 0.4.
  • the manganese content can be between 0.10 and 2.5%. She must be adjusted according to the required mechanical properties, in conjunction with carbon and silicon contents. It has relatively little influence on liquidus and solidus temperatures. Obtaining a Mn% / Si% ratio optimal may lead to a significant increase in the content of manganese together with the silicon content compared to the steels of reference, all other things being equal.
  • the chromium content can be between traces and 4.5%.
  • the molybdenum content can be between traces and 4.5%.
  • the nickel content can be between traces and 4.5%.
  • the vanadium content is between traces and 0.5%.
  • this element allows to obtain steels with very high mechanical characteristics which can substitute steels rich in chromium and / or molybdenum and / or nickel, more expensive.
  • the copper content can be between traces and 4.0%. This element increases mechanical characteristics, improves the corrosion resistance and lower solidus temperature. It should be noted that if copper is present in high quantities (0.5% and more), the nickel and / or silicon are present in sufficient quantity to avoid problems with hot rolling or forging. It is considered that if Cu% ⁇ 0.5%, Cu% ⁇ Ni% + 0.6 Si% must be present.
  • the aluminum and calcium contents, deoxidizing elements, are between traces and, respectively, 0.060% for aluminum and 0.050% for calcium.
  • Boron a quenching element, has its content between traces and 0.010%.
  • the sulfur content is between traces and 0.200%.
  • a high content promotes the machinability of the metal, especially if added elements such as tellurium (up to 0.020%), selenium (up to 0.040%) and lead (up to 0.070%). These machinability elements have little influence on the solidus and liquidus temperatures. When sulfur is added in significant quantity, it is good to have an Mn% / S% ratio of at least 4 so that the hot rolling takes place without forming defects.
  • Niobium and titanium when added, allow control the grain size. Their maximum admissible contents are 0.050%.
  • these elements can be present alone or in combination. If they are alone (i.e. the other elements of the list are only present in trace amounts), so that a significant effect is obtained, there must be at least 0.050% phosphorus, or 0.050% bismuth, or 0.050% tin, or 0.050% arsenic or 0.050% antimony.
  • the sum of the elements phosphorus, bismuth, tin, arsenic and antimony should preferably be greater than 0.050% and should not exceed 0.200% to avoid the above problems during hot rolling or forging to obtain the piece intended to undergo thixoforging.
  • arsenic is added during the preparation of the liquid metal, all necessary precautions must be taken so that toxic fumes given off are captured so as not to intoxicate the staff of the steelworks.
  • the presence of arsenic results most often the addition of copper or tin, which arsenic accompanies generally as an impurity.
  • arsenic is an element very strongly segregating, it is necessary to take it into account to ensure that excessive conjugation with the other segregating elements, it does not lead not to the harmful effects of hot processing which have been mentioned.
  • Table 1 shows the compositions of a first pair formed by a reference steel and a steel according to the invention which is derived therefrom.
  • Composition of a reference steel and a steel according to the invention (in% by weight) VS mn Yes Cr MB Or Cu S P Ti al Reference 0962 0341 0237 1.5 0017 0089 0161 0.01 0009 0002 0037 Invention 1111 1005 1.53 1.44 0003 0164 0137 0008 0003 0.0027 0039
  • the manganese content has been significantly increased to restore a Mn% / Si% ratio in accordance with the preferential requirements of the invention.
  • FIG. 1 represents the proportion of liquid phase as a function of the temperature in these two steels.
  • the solidus temperatures measured are 1315 ° C for steel of reference and 1278 ° C. for the steel of the invention.
  • Table 2 shows the compositions of a second pair formed by a reference steel and another steel according to the invention which is derived therefrom.
  • Composition of a reference steel and a steel according to the invention (in% by weight) VS mn Yes Cr MB Or Cu P S al Reference 0377 0825 0.19 0167 0039 0113 0143 0007 0009 0022 Invention 0385 1385 0.65 0193 0029 0087 0110 0008 0051 0025
  • FIG. 2 represents the proportion of liquid phase as a function of the temperature in these two steels.
  • This interval is of the order of 30 ° C, and its magnitude is widened by 8 ° C, which is favorable to less stress on tools during thixoforgging. Again, this effect could be accentuated (in particular by widening this interval) with an addition additional segregating elements other than silicon.
  • the thixoforging operation on the steels of the invention must be preceded by a globalization heat treatment of the primary plot structure if such a globular structure is not already present, or if it cannot be obtained during heating bringing the room having to undergo thixoforging at the appropriate temperature.
  • a globalization heat treatment of the primary plot structure if such a globular structure is not already present, or if it cannot be obtained during heating bringing the room having to undergo thixoforging at the appropriate temperature.
  • the whether or not to carry out such a preliminary heat treatment depends including the history of the plot, in particular deformations and treatments that he suffered.
  • the thixoforgée piece does not present such variations of large section, it may be tolerable to perform air cooling breath. Such cooling can be favorable for obtaining a structure homogeneous metallurgy in the part section and good mechanical characteristics.

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Abstract

L'invention a pour objet un acier pour construction mécanique, caractérisé en ce que sa composition est, en pourcentages pondéraux : 0,35 <= C <= 2,5% ; 0,10% <= Mn <= 2,5% ; 0,60% <= Si <= 3,0% ; traces <= Cr <= 4,5% ; traces <= Mo <= 2,0% ; traces <= Ni <= 4,5% ; traces <= V <= 0,5% ; traces <= Cu <= 4% avec Cu <= Ni % + 0,6 Si %, si Cu >= 0,5% ; traces <= Al <= 0,060% ; traces <= Ca <= 0,050% ; traces <= B <= 0,01% ; traces <= S <= 0,200% ; traces <= Te <= 0,020% ; traces <= Se <= 0,040% ; traces <= Pb <= 0,070% ; traces <= Nb <= 0,050% ; traces <= Ti <= 0,050% ; le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. L'invention a également pour objet un procédé de mise en forme à chaud d'une pièce d'acier, caractérisé en ce que on se procure un lopin d'acier de la composition précédente, on réchauffe le lopin à une température comprise entre le solidus et le liquidus afin d'obtenir une phase liquide et une phase solide globulaire, on réalise une mise en forme par thixoforgeage dudit lopin pour obtenir ladite pièce, et on effectue un refroidissement de ladite pièce. L'invention concerne enfin une pièce d'acier ainsi obtenue. <IMAGE>

Description

L'invention concerne la sidérurgie, et plus précisément, la fabrication de pièces en acier pouvant être, notamment, utilisées en construction mécanique et mises en forme par le procédé appelé « thixoforgeage ».
Le thixoforgeage appartient à la catégorie des procédés de mise en forme des métaux à l'état semi-solide.
Ce procédé consiste à réaliser une déformation importante sur un lopin chauffé entre le solidus et liquidus. Les aciers utilisés pour ce procédé sont ceux classiquement utilisés pour la forge à chaud auxquels on fait, si nécessaire, préalablement subir une opération métallurgique consistant à globuliser la structure primaire classiquement dendritique. En effet, cette structure primaire dendritique n'est pas adaptée aux opérations de thixoforgeage. Au cours du chauffage jusqu'à des températures comprises entre le solidus et le liquidus, la micro-ségrégation existante entre les dendrites et les espaces inter-dendritiques va entraíner la fusion de l'acier préférentiellement dans ces espaces inter-dendritiques. Lors de l'opération de mise en forme de cet enchevêtrement de liquide et de solide, la phase liquide va, dans un premier temps, être éjectée lors du début de l'application de l'effort. Il faudra donc déformer la phase solide et un résidu de liquide en grande partie séparé de la phase solide, ce qui entraínera une augmentation des efforts. Pour une opération de déformation dans ces conditions, le résultat obtenu est mauvais : ségrégations importantes, défauts internes.
En revanche, lorsque le thixoforgeage est effectué sur un acier à structure globulaire, porté à l'état semi-solide par un chauffage à une température comprise entre le liquidus et le solidus, les particules globulaires solides sont réparties de façon uniforme dans la phase liquide. En optimisant le choix de la proportion solide/liquide, on peut obtenir un matériau présentant une vitesse de déformation élevée sous l'effet d'une importante contrainte de cisaillement. Il présente donc une très haute déformabilité.
Il est cependant possible, dans certains cas, d'obtenir la structure globulaire désirée au cours du chaufffage préalable au thixoforgeage, sans avoir recours à une opération de globulisation de la structure primaire séparée. C'est le cas, notamment, lorsqu'on opère sur des lopins issus de barres laminées provenant de blooms de coulée continue ou de lingots. Les multiples réchauffages et les déformations importantes subis par l'acier ont alors conduit à une structure très imbriquée et diffuse où une structure primaire est pratiquement impossible à révéler. Elle permet d'obtenir une structure globulaire de la phase solide pendant le chauffage préalable au thixoforgeage.
Le thixoforgeage permet, par rapport aux procédés classiques de forgeage à chaud, de réaliser en une seule opération de déformation des pièces de géométrie complexe pouvant présenter des parois minces (1 mm ou moins), et ce avec de très faibles efforts de mise en forme. En effet, sous l'action d'efforts externes, les aciers adaptés pour une opération de thixoforgeage se comportent comme des fluides visqueux.
Pour les aciers de construction mécanique, dont la teneur en carbone peut varier de 0,2% à 1,1%, la température de chauffage nécessaire à la déformation par le procédé de thixoforgeage est, par exemple, de 1430°C + 50°C = 1480°C pour une nuance C38 (température de solidus mesurée + 50°C pour obtenir le bon rapport phase liquide/phase solide nécessaire à la déformation) et de 1315°C + 50°C = 1365°C pour une nuance 100Cr6.
La température de chauffage et la quantité de phase liquide formée sont des paramètres importants du procédé de thixoforgeage. La facilité d'obtention de la « bonne » température et l'intervalle de dispersion envisageable autour de cette température pour limiter les variations de la quantité de phase liquide dépendent de l'intervalle de solidification. Plus cet intervalle est grand, plus il est facile de régler les paramètres de chauffage.
Par exemple, cet intervalle de solidification mesuré est de 110°C pour une nuance C38 et de 172°C pour la nuance 100Cr6. Il est donc beaucoup plus facile de travailler avec cette dernière nuance qui présente, de plus, une température de solidus basse : 1315 °C.
Les températures de mise en forme très élevées et les vitesses de déformation importantes qui sont utilisées dans le procédé de thixoforgeage, conduisent à solliciter thermiquement les outils de déformation dans des conditions fréquemment extrêmes. Ceci conduit à utiliser pour ces outillages des alliages ayant de très hautes caractéristiques mécaniques à chaud, ou des matériaux céramiques. Les difficultés de réalisation de certaines géométries ou d'outils (inserts) de volume importants et les coûts de réalisation de ceux-ci peuvent freiner le développement du procédé de thixoforgeage.
Le but de l'invention est de proposer de nouvelles nuances d'acier mieux adaptées au thixoforgeage que celles classiquement utilisées, en ce qu'elles permettraient d'abaisser la température de mise en forme, donc de procurer une moindre sollicitation thermique des outils de déformation, et en ce qu'elles amélioreraient le comportement de l'acier lors du thixoforgeage. Ces nouvelles nuances ne devraient pas, par ailleurs, dégrader les propriétés mécaniques des pièces obtenues.
A cet effet, l'invention a pour objet un acier pour construction mécanique, caractérisé en ce que sa composition est, en pourcentages pondéraux :
  • 0,35 ≤ C ≤ 2,5%
  • 0,10% ≤ Mn ≤ 2,5%
  • 0,60% ≤ Si ≤ 3,0%
  • traces ≤ Cr ≤ 4,5%
  • traces ≤ Mo ≤ 2,0%
  • traces ≤ Ni ≤ 4,5%
  • traces ≤ V ≤ 0,5%
  • traces ≤ Cu ≤ 4% avec Cu ≤ Ni % + 0,6 Si %, si Cu ≥ 0,5%
  • traces ≤ Al ≤ 0,060%
  • traces ≤ Ca ≤ 0,050%
  • traces ≤ B ≤ 0,01 %
  • traces ≤ S ≤ 0,200%
  • traces ≤ Te ≤ 0,020%
  • traces ≤ Se ≤ 0,040%
  • traces ≤ Pb ≤ 0,070%
  • traces ≤ Nb ≤ 0,050%
  • traces ≤ Ti ≤ 0,050%
   le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
De préférence, le rapport Mn%/Si% est supérieur ou égal à 0,4.
L'acier peut contenir également traces ≤ P%≤ 0,200%, traces ≤ Bi ≤ 0,200 %, traces ≤ Sn ≤ 0,150%, traces ≤ As ≤ 0,200 %, traces ≤ Sb ≤ 0,150 %, avec P % + Si % + Sn % +As % + Sb % ≤ 0,200 %.
L'invention a également pour objet un procédé de mise en forme à chaud d'une pièce d'acier, caractérisé en ce que :
  • on se procure un lopin d'acier de la composition précédente ;
  • on lui applique éventuellement un traitement thermique lui procurant une structure primaire globulaire ;
  • on le réchauffe à une température intermédiaire entre sa température de solidus et sa température de liquidus, dans des conditions telles que la fraction solide présente une structure globulaire ;
  • on réalise un thixoforgeage dudit lopin pour obtenir ladite pièce ;
  • et on effectue un refroidissement de ladite pièce.
Ledit thixoforgeage a de préférence lieu dans une zone de températures où la fraction de matière liquide présente dans le lopin est comprise entre 10 et 40%.
Ledit refroidissement est de préférence effectué à l'air calme, ou à une vitesse inférieure à celle que procurerait un refroidissement naturel à l'air.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste essentiellement à augmenter sensiblement la teneur en silicium des nuances d'acier habituellement utilisées pour fabriquer des pièces par thixoforgeage.
En effet, cet ajout de silicium permet d'abaisser la température de solidus et, dans une moindre mesure, la température de liquidus. En conséquence, on diminue la température à laquelle le thixoforgeage de l'acier peut être réalisé, à fraction liquide égale. De plus, on augmente l'ampleur de l'intervalle de solidification, ce qui va dans le sens d'une plus grande facilité de la réalisation du thixoforgeage puisque la précision sur la température de l'opération devient moins critique. D'autre part, le silicium a la propriété d'améliorer la fluidité du métal.
De préférence, il faut respecter un rapport Mn%/Si% supérieur ou égal à 0,4. En effet, si la fluidité est élevée à cause d'une forte teneur en silicium, (par exemple 1% ou davantage), une teneur en manganèse trop faible procure au métal des propriétés mécaniques insuffisantes au cours du refroidissement lors de la coulée continue, d'où un risque d'apparition de fissures. De telles fissures peuvent également apparaítre, pour les mêmes raisons, lors du refroidissement suivant le thixoforgeage, d'autant plus que les fortes variations d'épaisseur de la pièce conduisent à des écarts notables sur les vitesses de refroidissement locales. On crée ainsi des contraintes susceptibles de favoriser l'apparition de fissures si les propriétés mécaniques de l'acier sont insuffisantes.
Selon une variante de l'invention, cette addition de silicium se conjugue à une addition d'autres éléments qui, comme le silicium, peuvent ségréger aux joints de grains : phosphore, bismuth, étain, arsenic, antimoine.
L'invention sera mieux décrite à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées suivantes :
  • la figure 1 qui montre la proportion de phase liquide en fonction de la température dans un premier acier de référence et dans un premier acier selon l'invention qui en dérive ;
  • la figure 2 qui montre la proportion de phase liquide en fonction de la température dans un second acier de référence et dans un second acier selon l'invention qui en dérive.
Pour diminuer les sollicitations des outils lors du thixoforgeage et rendre celui-ci plus facile, l'homme du métier dispose d'une première solution qui consiste, comme on l'a dit, à abaisser les températures de travail grâce à un ajout de carbone. Cette solution permet d'abaisser les températures de liquidus et de solidus. Elle présente cependant l'inconvénient d'influer sensiblement sur les propriétés mécaniques de l'acier.
Les inventeurs ont imaginé qu'un effet bénéfique sur les sollicitations des outils de forgeage pouvait être obtenu par l'ajout d'éléments présentant une forte tendance à la ségrégation aux joints de grains : silicium, phosphore, bismuth, étain, arsenic et antimoine.
Cette forte ségrégation n'est habituellement pas recherchée.
En effet la fusion de telles zones ségrégées à une température plus basse que le solidus, généralement appelée température de brûlure, est néfaste aux opérations de formage à chaud classiques, laminage et forgeage.
Pour une température de forgeage ou de laminage donnée, inférieure à la température de solidus pour la matrice du métal à déformer, la présence de zones liquides dues à des éléments ségrégeants à bas points de fusion, même avec de très faibles volumes (quelques %), aux joints de grains solides va conduire à la désagrégation de la matière mise en forme. C'est la partie solide qui pilote les mécanismes de déformation pour ces procédés de mise en forme, et les efforts nécessaires à la mise en forme conduisent à des ruptures de matière (totales ou partielles) néfastes à la réalisation du produit et à ses propriétés. Dans le cas où la phase liquide est supérieure à 10%, ce qui est le cas dans le thixoforgeage, le matériau est biphasé, ce qui entraíne un comportement très différent lors de la déformation : les particules solides sont incluses dans du liquide, et s'il existe des contacts (appelés ponts) entre les particules solides, les efforts très faibles nécessaires à leurs ruptures ne sont pas des causes de ruine du matériau.
Dans le cas du thixoforgeage où la température de brûlure est largement dépassée, la fusion des zones ségrégées crée des poches liquides qui favorisent et accélèrent la formation de la phase liquide au sein de l'acier. On a donc intérêt à la favoriser.
Grâce à l'invention on peut ainsi obtenir la quantité de phase liquide nécessaire au bon déroulement du thixoforgeage à une température inférieure à celle habituellement nécessaire lorsqu'on ne procède pas à l'ajout d'au moins un des éléments cités précédemment, et notamment de silicium.
La teneur en carbone des aciers selon l'invention peut varier entre 0,35% et 2,5%. A cette condition, on peut obtenir des structures métalliques, des propriétés mécaniques et des propriétés d'usage désirables pour des pièces d'acier thixoforgées utilisables en construction mécanique. La teneur en carbone doit être choisie en fonction de l'utilisation envisagée.
La teneur en silicium des aciers de l'invention peut varier entre 0,60 et 3%. Comme le carbone, le silicium permet d'abaisser les températures de solidus et de liquidus et d'élargir l'intervalle de solidification. Il a aussi un effet synergétique sur la ségrégation des autres éléments. Il permet également d'améliorer la fluidité du métal. Pour les raisons que l'on a dites, il est préférable que le rapport Mn%/Si% soit supérieur ou égal à 0,4.
La teneur en manganèse peut être comprise entre 0,10 et 2,5%. Elle doit être ajustée en fonction des propriétés mécaniques requises, en liaison avec les teneurs en carbone et silicium. Elle influe relativement peu sur les températures de liquidus et de solidus. L'obtention d'un rapport Mn%/Si% optimal peut conduire à devoir augmenter sensiblement la teneur en manganèse conjointement à la teneur en silicium par rapport aux aciers de référence, toutes choses étant égales par ailleurs.
La teneur en chrome peut être comprise entre des traces et 4,5%.
La teneur en molybdène peut être comprise entre des traces et 4,5%.
La teneur en nickel peut être comprise entre des traces et 4,5%.
Le réglage des teneurs en chrome, molybdène et nickel permet d'assurer les propriétés mécaniques des pièces réalisées : résistance à la rupture, limite d'élasticité et résilience.
La teneur en vanadium est comprise entre des traces et 0,5%. Pour certaines applications où la résilience n'est pas importante, cet élément permet d'obtenir des aciers à très hautes caractéristiques mécaniques pouvant se substituer à des aciers riches en chrome et/ou molybdène et/ou nickel, plus coûteux.
La teneur en cuivre peut être comprise entre des traces et 4,0%. Cet élément permet d'augmenter les caractéristiques mécaniques, d'améliorer la tenue à la corrosion et d'abaisser la température de solidus. Il faut noter que si le cuivre est présent en quantités élevées (0,5% et davantage), il faut que le nickel et/ou le silicium soient présents en quantité suffisante pour éviter des problèmes au laminage à chaud ou au forgeage. On considère que si Cu% ≥ 0,5%, il faut que Cu% ≤ Ni% + 0,6 Si%.
Les teneurs en aluminium et calcium, éléments désoxydants, sont comprises entre des traces et, respectivement, 0,060% pour l'aluminium et 0,050% pour le calcium.
Le bore, élément trempant, a sa teneur comprise entre des traces et 0,010%.
La teneur en soufre est comprise entre des traces et 0,200%. Une teneur élevée favorise l'usinabilité du métal, en particulier si on lui adjoint des éléments tels que le tellure (jusqu'à 0,020%), le sélénium (jusqu'à 0,040%) et le plomb (jusqu'à 0,070%). Ces éléments d'usinabilité n'ont que peu d'influence sur les températures de solidus et de liquidus. Lorsque du soufre est ajouté en quantité notable, il est bon d'avoir un rapport Mn%/S% d'au moins 4 pour que le laminage à chaud s'effectue sans formation de défauts.
Le niobium et le titane, lorsqu'ils sont ajoutés, permettent de maítriser la taille des grains. Leurs teneurs maximales admissibles sont de 0,050%.
En ce qui concerne les éléments ségrégeants autres que le silicium dont la présence peut être conseillée, ces éléments peuvent être présents seuls ou en combinaison. S'ils sont seuls (c'est-à-dire que les autres éléments de la liste ne sont présents qu'à l'état de traces), pour qu'un effet significatif soit obtenu, il doit y avoir au moins 0,050% de phosphore, ou 0,050% de bismuth, ou 0,050% d'étain, ou 0,050% d'arsenic ou 0,050% d'antimoine.
La somme des éléments phosphore, bismuth, étain, arsenic et antimoine doit être de préférence supérieure à 0,050% et ne doit pas dépasser 0,200% pour éviter les problèmes précités lors du laminage à chaud ou du forgeage permettant d'obtenir le lopin destiné à subir le thixoforgeage.
Bien entendu, en cas d'addition d'arsenic lors de l'élaboration du métal liquide, toutes les précautions nécessaires doivent être prises pour que les vapeurs toxiques dégagées soient captées de manière à ne pas intoxiquer le personnel de l'aciérie. Dans les faits, la présence d'arsenic résulte le plus souvent de l'addition de cuivre ou d'étain, que l'arsenic accompagne généralement à titre d'impureté. Comme l'arsenic est un élément très fortement ségrégeant, il est nécessaire de le prendre en compte pour s'assurer qu'en conjugaison excessive avec les autres éléments ségrégeants, il ne conduise pas aux effets néfastes à la transformation à chaud qui ont été cités.
Le tableau 1 expose les compositions d'un premier couple formé par un acier de référence et un acier selon l'invention qui en dérive.
Composition d'un acier de référence et d'un acier selon l'invention (en % pondéraux)
C Mn Si Cr Mo Ni Cu S P Ti Al
Référence 0.962 0.341 0.237 1.5 0.017 0.089 0.161 0.01 0.009 0.002 0.037
Invention 1.111 1.005 1.53 1.44 0.003 0.164 0.137 0.008 0.003 0.0027 0.039
Par rapport à l'acier de référence, on voit qu'outre l'addition très importante de silicium, la teneur en manganèse a été sensiblement augmentée pour rétablir un rapport Mn%/Si% conforme aux exigences préférentielles de l'invention.
La figure 1 représente la proportion de phase liquide en fonction de la température dans ces deux aciers.
Les températures de solidus mesurées sont de 1315°C pour l'acier de référence et 1278°C pour l'acier de l'invention.
Les températures de liquidus mesurées sont respectivement de 1487°C et 1460°C. Les intervalles de solidification pour ces deux aciers ont donc des largeurs respectives de 172°C et 182°C. D'autre part, l'intervalle de températures dans lequel la fraction liquide de l'acier est comprise entre 10 et 40% et qui est habituellement considéré comme le plus favorable au thixoforgeage est :
  • pour l'acier de référence, de 1370 à 1422°C ;
  • pour l'acier de l'invention, de 1328 à 1388°C.
On observe donc un abaissement de l'ordre de 30 à 40°C de cet intervalle, et un élargissement de 8°C de son ampleur, toutes choses qui vont dans le sens d'une moindre sollicitation des outils lors du thixoforgeage, et d'une plus grande facilité d'obtention de conditions favorables au bon déroulement de l'opération. Cet effet serait accentué si on ajoutait également d'autres éléments ségrégeants que le silicium dans les limites qui ont été dites.
Le tableau 2 expose les compositions d'un second couple formé par un acier de référence et un autre acier selon l'invention qui en dérive.
Composition d'un acier de référence et d'un acier selon l'invention (en % pondéraux)
C Mn Si Cr Mo Ni Cu P S Al
Référence 0.377 0.825 0.19 0.167 0.039 0.113 0.143 0.007 0.009 0.022
Invention 0.385 1.385 0.65 0.193 0.029 0.087 0.110 0.008 0.051 0.025
Par rapport à l'acier de référence, là encore la teneur en manganèse a été augmentée dans l'acier selon l'invention et pour les mêmes raisons que dans l'exemple précédent, mais dans des proportions moindres puisque la teneur en silicium de cet acier se situe dans le bas de la gamme exigée par l'invention.
La figure 2 représente la proportion de phase liquide en fonction de la température dans ces deux aciers.
Les températures de solidus mesurées sont de 1430°C pour l'acier de référence et de 1415°C pour l'acier de l'invention. Les températures de liquidus mesurées sont respectivement de 1528°C et 1515°C. Les intervalles de solidification pour ces deux aciers ont donc des largeurs respectives de 98°C et 100°C. D'autre part, l'intervalle de température dans lequel la fraction liquide de l'acier est comprise entre 10% et 40% est :
  • pour l'acier de référence, de 1470°C à 1494°C ;
  • pour l'acier de l'invention, de 1437°C à 1469°C.
L'abaissement de cet intervalle est de l'ordre de 30°C, et son ampleur est élargie de 8°C, ce qui est favorable à une moindre sollicitation des outils lors du thixoforgeage. Là encore, cet effet pourrait être accentué (notamment par un élargissement de cet intervalle) avec une addition supplémentaire d'éléments ségrégeants autres que le silicium.
A propos de la détermination des températures de solidus et de liquidus à prendre en compte pour la mise en oeuvre de l'invention, il faut remarquer qu'elles peuvent ne pas toujours coïncider avec celles que l'on calcule à partir de la composition de l'acier à l'aide des formules disponibles classiquement dans la littérature. En effet, ces formules sont valables dans le cas d'un passage de l'acier liquide à l'acier solide lors d'une solidification et d'un refroidissement de l'acier, et pour des vitesses de refroidissement de quelques degrés par minutes.
Dans le cas de mesures effectuées en vue d'une application au thixoforgeage les mesures doivent être effectuées en partant de l'acier solide et en allant vers l'acier liquide, c'est-à-dire dans le cas d'un réchauffage puis d'une fusion de l'acier. Les essais sont également réalisés avec des conditions d'augmentation de la température de l'ordre de plusieurs dizaines de degrés par minute, correspondant aux conditions de chauffage préalables à l'opération de thixoforgeage.
La réalisation de l'opération de thixoforgeage sur les aciers de l'invention doit être précédée d'un traitement thermique de globulisation de la structure primaire du lopin si une telle structure globulaire n'est pas déjà présente, ou si elle ne peut être obtenue lors du chauffage amenant la pièce devant subir le thixoforgeage à la température adéquate. Comme on l'a dit, la nécessité ou non de procéder à un tel traitement thermique préalable dépend notamment de l'histoire du lopin, en particulier des déformations et traitements thermiques qu'il a subis.
L'obtention d'une telle structure globulaire avant thixoforgeage, pour un acier de composition et d'histoire données, peut être vérifiée si on refroidit brutalement le lopin avant d'avoir procédé à son thixoforgeage. On observe alors la structure telle qu'elle était avant le refroidissement.
En ce qui concerne l'opération de refroidissement de la pièce suivant son thixoforgeage, ce refroidissement doit être effectué à l'air calme, et non de manière forcée, dans le cas, fréquent pour ce genre de pièces, où la pièce présente des variations de section très importantes, par exemple lorsque des parois fines (1 à 2mm) sont raccordées à des zones épaisses (5 à 10mm ou davantage). L'utilisation d'air soufflé est, dans ce cas, à proscrire car on risque alors d'introduire des contraintes résiduelles très importantes entre parois fines et zones épaisses. Il en résulterait des défauts de surface dégradant les propriétés de la pièce thixoforgée.
Dans certains cas, il peut être nécessaire de ralentir le refroidissement des pièces pour favoriser l'homogénéité structurale des différentes parties de la pièce. On peut, en effet, faire passer la pièce dans un tunnel régulé en température dans l'intervalle 200-700°C par exemple.
Mais si la pièce thixoforgée ne présente pas de telles variations de section importantes, il peut être tolérable de réaliser un refroidissement à l'air soufflé. Un tel refroidissement peut être favorable à l'obtention d'une structure métallurgique homogène dans la section de la pièce et de bonnes caractéristiques mécaniques.

Claims (5)

  1. Procédé de mise en forme à chaud d'une pièce d'acier, caractérisé en ce que :
    on se procure un lopin d'acier de la composition :
    0,35 ≤ C ≤ 2,5%
    0,10% ≤ Mn ≤ 2,5%
    0,60% ≤ Si ≤ 3,0%, avec de préférence Mn%./Si%. ≥ 0,4
    traces ≤ Cr ≤ 4,5%
    traces ≤ Mo ≤ 2,0%
    traces ≤ Ni ≤ 4,5%
    traces ≤ V ≤ 0,5%
    traces ≤ Cu ≤ 4% avec Cu ≤ Ni %+ 0,6 Si %, si Cu ≥ 0,5%
    traces ≤ Al ≤ 0,060%
    traces ≤ Ca ≤ 0,050%
    traces ≤ B ≤ 0,01 %
    traces ≤ S ≤ 0,200%
    traces ≤ Te ≤ 0,020%
    traces ≤ Se ≤ 0,040%
    traces ≤ Pb ≤ 0,070%
    traces ≤ Nb ≤ 0,050%
    traces ≤ Ti ≤ 0,050%
    optionnellement : traces ≤ P% ≤ 0,200%, traces ≤ Bi ≤ 0,200%, traces ≤ Sn ≤ 0,200%, traces ≤ As ≤ 0,200%, traces ≤ Sb ≤ 0,200%, avec P % + Bi % + Sn % +As % + Sb% ≤ 0,200 %, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
    on lui applique éventuellement un traitement thermique lui procurant une structure primaire globulaire ;
    on le réchauffe à une température intermédiaire entre sa température de solidus et sa température de liquidus, dans des conditions telles que la fraction solide présente une structure globulaire ;
    on réalise un thixoforgeage dudit lopin pour obtenir ladite pièce.
    et on effectue un refroidissement de ladite pièce.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit thixoforgeage a lieu dans une zone de températures où la fraction de matière liquide présente dans le lopin est comprise entre 10 et 40%.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit refroidissement est effectué à l'air calme.
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on effectue ledit refroidissement à une vitesse inférieure à celle que procurerait un refroidissement naturel à l'air.
  5. Pièce d'acier caractérisée en ce qu'elle est obtenue par un procédé de mise en forme à chaud selon l'une des revendications 1 à 4.
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