FR2478675A1 - Acier inoxydable a ressort, du type trempant par precipitation - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN ACIER INOXYDABLE A RESSORT DU TYPE TREMPANT PAR PRECIPITATION. SELON L'INVENTION, IL CONTIENT, EN POURCENTAGE PONDERAL, 0,03C0,08, 0,3SI2,5, MN 4,0, 5,0NI 9,0, 12,0CR17,0 0,1CU2,5, 0,2TI1,0 ET AL 1,0, LE RESTANT ETANT DU FER ET DES IMPURETES, LES ELEMENTS ETANT DE PLUS AJUSTES DE FACON QUEA17(CTI)0,70(MN) 1 (NI)0,60(CR) 0,76 (CU) - 0,63(AL) 20,871REPRESENTE MOINS DE 42,0: (CF DESSIN DANS BOPI) NE REPRESENTE PAS PLUS DE 2,7 ETHV205 TI-3(CN) 205AL-2(N) 57,5(SI)20,5(CU)20SOIT ENTRE 120 ET 210, CET ACIER TEL QUE TRAITE EN SOLUTION ET EVENTUELLEMENT LEGEREMENT TRAVAILLE A FROID AYANT UNE STRUCTURE MARTENSITIQUE SENSIBLE. L'ACIER A UNE BONNE APTITUDE AU TRAVAIL MECANIQUE AVANT VIEILLISSEMENT ET, QUAND IL EST DURCI PAR VIEILLISSEMENT, IL PRESENTE UNE DURETE ET UNE SOLIDITE AMELIOREES AINSI QU'UNE PERFORMANCE DE RESSORT AMELIOREE ET ISOTROPE. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A LA FABRICATION DE RESSORTS DE DIVERSES FORMES.

Description

La présente invention se rapporte à un acier inoxydable à ressort du type

trempant par précipitation, qui a une excellente aptitude au traitement, y compris une bonne aptitude à la-mise en forme et au découpage, grâce à son niveau réduit de durcissement quand il est travaillé à froid et qui présente, quand il est durci par vieillissement, une forte résistance et autres performances souhaitables pour un ressort, qui sont sensiblement

isotropes.-

Comme acier inoxydable typique à ressort, on peut mentionner les deux espèces qui suivent: (a) acier inoxydable du type trempant au travail représenté par l'acier SUS 301, et (b) acier inoxydable du type trempant par

précipitation représenté par l'acier 17-7PH.

L'acier inoxydable du type trempant au travail (a) ci-dessus est basé sur l'utilisation de la dureté de la

martensite elle-même qui a été induite par travail à froid.

En conséquence, afin d'obtenir des propriétés suffisantes pour un matériau de ressort, comme une forte valeur limite d'élasticité, une forte limite de fatigue et une forte dureté, il faut un travail intensif à froid afin de former des quantités appréciables de martensite. Comme la formation de martensite est affectée de façon néfaste par les hautes températures, le travail à froid doit être effectué à une allure lente pour éviter une augmentation de la température

du matériau, ce qui conduit à une faible productivité.

Des variations inévitables des compositions d'une charge à une autre, ont pour résultat des variations de la stabilité de la phase d'austénite, et ce fait ne permet pas de former facilement une quantité constante de martensite par une quantité constante de travail à froid,

ce qui conduit à des variations des propriétés du produit.

Par ailleurs, le travail intensif à froidgnécessaire pour obtenir la forte résistance,est coûteux. Dans le cas o un matériau EH ayant une dureté d'au moins Hv 490 comme cela est prescrit dans la norme japonaise JIS G4313 doit être préparé, il faut un travail à froid avec une réduction par laminage d'au moins 50%, et le matériau ainsi travaillé à froid a une mauvaise aptitude à la mise en forme et pose un problème parce que quand un tel matériau est fabriqué pour un élément'de ressort par découpage, les outils de

découpage s'usent trop rapidement.

L'acier 17-7PH (b) ci-dessus mentionné est un acier du type trempant par précipitation et par conséquent, on ne rencontre pas les difficultés mises en cause dans l'acier SUS 301, afin d'obtenir une forte résistance. Cependant, cet acier a une structure d'une phase sensiblement austénitique, à l'état comme s'il avait été traité en solution,cette phase devant être convertie en phase de martensite par travail à froid. En conséquence, on rencontre des difficultés dans le procédé de fabrication comme dans le cas de l'acier SUS 301. Par ailleurs, afin d'obtenir une dureté finalé d'au moins Hv 490 après durcissement par vieillissement, un travail à froid avec une réduction par laminage d'au moins 40% est requis, et le matériau ainsi travaillé à froid présente une dureté d'au moins environ Hv 400, présentant de mauvaises aptitudes à la mise en forme et au découpage. Par ailleurs, l'acider 17-7PH contient une quantité appréciable de S -ferrite du fait de sa teneur relativement élevée en Ai, et en conséquence, il y a réduction du rendement dans les étapes de travail

à chaud, ce qui rend la fabrication coûteuse.

Comme on l'a décrit ci-dessus, les types connus

d'acier inoxydable à ressort souffrent de limites incompa-

tibles parce que une tentative pour obtenir une dureté finale accrue nécessite un laminage intensif à froid, avec pour résultat une dureté trop élevée et de mauvaises aptitudes à la mise en forme et au découpage après avoir été travaillé à froid, tandis qu'une tentative pour améliorer les aptitudes à la mise en forme et au découpage du matériau tel que travaillé à froid, donne une dureté finale insuffisante après vieillissement. Par ailleurs, la dureté finale que l'on peut obtenir d'un élément de ressort fait des types connus d'acier inoxydable à ressort, est encore insatisfaisante en comparaison avec les difficultés mises en cause dans le processus de fabrication. On a précédemment développé un acier inoxydable à ressort ayant dçle meilleures aptitudesau travail et au traitement, en comparaison à celles des aciers SUS 301 et 17-7PH, et qui présente une structure de martensite à l'état d'avoir été traité en solution ou à l'état d'avoir

été traité en solution puis légèrement travaillé à froid.

On a proposé un tel acier dans la demande de brevet au Japon N0 51-131610, cédée à la même demanderesse et intitulée "Stainless Steel for Spring Having Improved Forming Workability and Processability and Exhibiting Improved Increase in Hardness by Aging" (voir publication

du brevet japonais N 53-57114, publié le 24 Mai. 1978).

L'objet de ce brevet japonais N 51-131610 est un acier inoxydable contenant, en pourcentage pondéral, pas plus de 0,03% de C, 0,5 à 2,5% de Si, pas plus de 3,0% de Mn, 5,0 à 9,0% de Ni, 140 à 17,0% de Cr, 0,5 à 2, 5% de Cu, 0,3 à 1,0% de Ti, pas plus de 1,0% de Al et pas plus de 0,03% de Ni, le restant étant du fer et des impuretés inévitables, les contenus en Mn, Ni, Cr, Cu, Si, Ti et Al étant de plus ajustés de façon que la valeur de A définie par l'équation (i): (i) A= 0,70 x (Mn%) + 1 x (Ni%) + 0,60 x (Cu%) + 0,76 x (Cu%) - 0,63 x (Al%) + 20,871 représente moins de 39,0%, la valeur d'équivalents Cr/ équivalents Ni définie par l'équation (ii): (ii) Equivalents Cr 1 x (Cr%) + 3,5(Ti% +Al%)+ 1,5(Si%) Equivalents Ni 1 x (Ni%) + 0,3(Cu%) + 0,65 x (Mn%) ne représente pas plus de 2,7 et la valeur de H définie par l'équation (iii): (iii) H = 4 x [(Ti%) - 5 x (C% + N%)] + 4 x L(Al%) -3 x (N%9)J+ 2,8 x (Si%) + 1 x (Cu%) soit comprise entre 5,5 et 8,5. On a de plus trouvé que le matériau ayant les éléments ajustés à la façon décrite ci-dessus pouvait être travaillé à froid avec une réduction par laminage de 5 à 50% avant l'étape de durcissement par vieillissement, afin de pouvoir obtenir une bonne aptitude à la mise en forme et une meilleure capacité à être durci par vieillissement, ainsi qu'un bon allongement après durcissement par veillissement. Le procédé a été proposé dans la demande de brevet au Japon NO 51-31611, cédée à la même demanderesse qua la présente invention, et intitulée " Process for Producing Stainless Steel for Spring Having Improved Forming Workability and Toughness and Exhibiting Enhanced Ability of Being Age Hardened"'

(voir publication du brevet japonais NI 53-57115, publié.

le 24 Mai 1978). Les inventions révélées dans les brevets japonais cidessus mentionnés tiennent compte, de façon importante, de l'aptitude au travail à la mise en forme avant vieillissement ainsi que de la résistance et de la

solidité après vieillissement, et se rapportent respecti-

vement à un acier inoxydable à ressort présentant une meilleure capacité à être durci par vieillissement et à un procédé pour la production d'un tel acier inoxydable à ressort. L'acier a une structure de martensite, et par conséquent pour ne pas nuire à son aptitude au travail,

la teneur en carbone est maintenue à un faible niveau.

Des éléments de ressort à lame, y compris des bagues à fermeture automatique, des rondelles Belleville des rondelles élastiques, des rondelles à dents et analogues, sont généralement fabriquée par découpage de matériaux appropriés. En conséquence, le matériau pour de tels éléments doit avoir une dureté modérément réduite avant vieillissement. Comme la pièce découpée est fréquemment formée en élément final par flexion, le matériau pour le ressort doit également posséder une bonne aptitude à la mise en forme. Par ailleurs, il est très courant de former un matériau mince pour ressort en diverses formes d'une petite dimension par bombement, étirage et/ou cintrage afin de fabriquer ainsi un élément de ressort miniaturisé dont la durabilité et la résistance réduites sont compensées par la forme. Dans ce cas également, il faut une bonne aptitude à la mise en forme. Par ailleurs, le matériau à ressort doit posséder une forte résistance et autres caractéristiques améliorées de ressort après vieillissement. Pour ces nécessités, le matériau décrit

dans le brevet japonais NI 51-131610 est assez satisfaisant.

Néanmoins, une plus ample amélioration est encore

souhaitable.

La présente invention a pour but un perfectionnement de l'acier inoxydable à ressort connu du type décrit dans

le brevet japonais NI 51-131610.

Par suite de recherches intensives de ce type d'acier inoxydable à ressort, on a maintenant trouvé que la solidité ou résistance à la fatigue du matériau durci par vieillissement dépendait de la différence de dureté ii Hv, c'est-à-dire la différence entre la dureté avant et après vieillissement plutôt que la dureté après vieillissement. On a également trouvé que si la différence de dureté Ai Hv dépasse 210, la solidité du matériau durci par vieillissement commençait à diminuer. Ainsi, afin d'obtenir une meilleure résistance et une meilleure solidité après vieillissement, il peut être avantageux d'équilibrer de façon appropriée les éléments d'alliage afin qu'une dureté appropriée puisse être réalisée avant vieillissement. En d'autres termes, l'acier inoxydable à ressort voulu, qui présente une meilleure résistance et une meilleure solidité après vieillissement, doit, à l'état d'avoir été traité en solution ou à l'état d'avoir été traité en solution puis légèrement travaillé à froid, posséder de préférence une dureté supérieure à celle possédée par-l'acier inoxydable tel que traité en solution

décrit dans le brevet japonais n0 51-131610.

Ainsi, la présente invention concerne un acier inoxydable à ressort du type trempant par précipitation qui contient, en pourcentage pondérai, plus de 0,03% mais pas plus de 0,08%96 de C, 0,3 à 2,5% de Si, pas plus de 4,0% de Mn,'5,0 à 9,0% de Ni, 12,0 à 17,0% de Cr, 0,1 à 2,5% de Cu, 0, 2 à 1,0% de Ti et pas plus de 1,0% de Al, le reste étant du fer et des impuretés inévitables, les teneurs des éléments étant de plus ajustées de façon que la valeur de A' définie par l'équation (1) A' = 17 x (C%/Ti%) + 0,70 x (Mn%) + 1 x (Ni%) + 0,60 x (Cr%) + 0,76 x (Cu%) - 0,63 x (Al%)

+ 20,871

représente moins de 42,0, le rapport des équivalents de Cr aux équivalents de Ni défini par l'équation (2)Equivalents de Cr =1 x (Cr%)+ 3,5x (Ti%+Al%)+ 1,5x (Si%) Equivalents de Ni I x (Ni%) + 0,3 x (Cu%) + 0, 65x (Mn%) ne représente pas plus de 2,7 et la valeur de 6 Hv définie par l'équation (3) A Hv = 205 x [Ti% - 3 x (C% + N%)] + 205 x [Al% - 2 x (N%)] + 57,5 x (Si%) + 20,5 x (Cu %) + 20 soit comprise entre 120 et 210, cet acier ayant une structure martensitique sensible à l'état d'avoir été traité en solution ou à l'état d'avoir été traité en solution puis travaillé à froid avec une réduction par

laminage ne dépassant pas 50%.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci

apparaîtront plus clairement au cours de la description

explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une représentation graphique montrant, sur divers échantillons d'alliage d'acier, la dépendance entre la dureté (avant et après vieillissement) et la réduction par laminage à froid en %;

- la figure 2 est un graphique obtenu en représen-

tant la différence de dureté trouvée (dureté après vieillissement - dureté avant vieillissement) en fonction de la valeur calculée de à Hv sur divers échantillons d'alliage d'acier (différence en ordonnée, valeur en abscisse); - la figure 3 est un graphique obtenu en représentant le rapport de résistance à la traction avec entaille (résistance à la traction avec entaille/résistance à la traction) sur l'axe des ordonnées après vieillissement, en fonction de la valeur calculée de A Hv sur divers échantillons d'alliage d'acier;

- la figure 4 est un graphique obtenu en représen-

tant la valeur d'impact après vieillissement, sur l'axe des ordonnées, en fonction de la valeur calculée de AHv sur divers échantillons d'alliage d'acier;

- la figure 5 est un graphique obtenu en représen-

tant la valeur d'impact après vieillissement, sur l'axe des ordonnées, en fonction de la dureté après vieillissement sur divers échantillons d'alliage d'acier-; - la figure 6 est une représentation graphique montrant, sur un échantillon d'alliage d'acier selon l'invention et un échantillon d'alliage d'acier témoin, la dépendance entre la valeur d'impact après vieillissement, sur l'axe des ordonnées et la température de vieillissement, sur l'axe des abscisses; - la figure 7 est une représentation graphique montrant, sur divers échantillons d'alliage d'acier, la dépendance entre la valeur de limite d'élasticité après vieillissement, sur l'axe des ordonnées et la réduction par laminage à froid sur l'axe des abscisses; - la figure 8 est une représentation graphique montrant, sur divers échantillons d'alliage d'acier, la dépendance entre la limite à la fatigue après vieillissement, sur l'axe des ordonnées, et la réduction par laminage à froid; - la figure 9 est une vue schématique d!un dispositif d'essai utilisé pour l'essai de l'aptitude au travail à la flexion d'échantillons d'alliage d'acier; - la figure 10 est une représentation graphique montrant, sur divers échantillons d'alliage d'acier, la dépendance entre la performance à la flexion avant vieillissement, sur l'axe des ordonnées et la réduction par laminage à froid-sur l'axe des abscisses; et - la figure 11 est une représentation graphique montrant, sur divers échantillons d'alliage d'acier, la dépendance entre la valeur d'Erichsen avant vieillissement, sur l'axe des ordonnées et la réduction par laminage à

froid, sur l'axe des abscisses.

Comme l'un des objets de l'invention est d'apporter un perfectionnement à l'acier inoxydable connu à ressort du type décrit dans le brevet japonais N0 51-131610, l'acier inoxydable selon l'invention a une composition chimique quelque peu différente de celle de l'acier

inoxydable décrit dans le brevet japonais N0 51-131610.

L'importance critique ou l'importance technique de la composition chimique que possède l'acier inoxydable

selon l'invention sera maintenue décrite.

Re 0,03% C C - 0,08% Le brevet japonais No 51-131610 tient compte de façon importante de l'aptitude à la mise en forme et prescrit que la teneur en carbone de l'acier inoxydable ne doit pas dépasser 0,03% en poids. Comme on l'a déjà indiqué, cependant, l'invention est basée sur la découverte

que pour l'acier inoxydable du type trempant par précipi-

tation concerné, la solidité du matériau après vieillissement dépend de la différence de dureté à Hv (la différence entre la dureté après vieillissement et la dureté avant vieillissement) plutôt que de la dureté après vieillissement. Afin d'obtenir une meilleure résistance et une meilleure solidité après vieillissement, il peut être avantageux de réaliser un niveau approprié de dureté avant vieillissement. Dans ce but, il est souhaitable de réaliser une dureté légèrement accrue du matériau tel que traité en solution et d'utiliser le durcissement au travail à froid d'une légère quantité d'une phase austénitique conservée. Avec un tel raisonnement, on a établi plus de 0,03% en poids de C. Par ailleurs, une quantité excessive de C a tendance à donner une phase de martensite plus dure dans la matrice et un niveau supérieur de C dissous dans la phase austénitique retenue ou conservée, les deux pouvant nuire à l'aptitude au travail à froid de l'acier. Par ailleurs, un acier à forte teneur en carbone tel que travaillé à froid, présente une dureté indûment accrue et à son tour une

mauvaise aptitude à la mise en forme et au découpage.

Par ailleurs, une quantité accrue de Ti est requise pour la stabilisation d'une quantité excessive de C. Pour ces raisons, la limite supérieure de C a été établie comme

étant au plus de 0,08% en poids.

Re N -_ 0,03% N a une forte affinitépourllélément trempant par précipitation, Ti. Si la teneur en N est trop élevée, il se forme des inclusions relativement importantes de TiN dans le matériau, conduisant à une réduction appréciable de la solidité finale du matériau. Par ailleurs, une quantité excessive de N réduit indûment la quantité effective de Ti. Pour ces raisons, N a été contrôlé à un

niveau ne dépassant pas 0,03% en poids.

Re 0,3%!É Si d; 2,5% Dans le brevet japonais NI 51-131610 est indiquée une quantité de 0,5 à 2,5% en poids de Si. Selon la demande de brevet au Japon NI 51-131610, la teneur en carbone ne dépasse pas 0,03% en poids et par conséquent la résistance de la matrice est faible. En conséquence, afin d'obtenir une forte résistance après vieillissement par trempe, il faut au moins 0,5% en poids de Si. Au contraire, selon l'invention, la base peut être plus dure partiellement parce que la martice est plus forte grâce à la présence de plus de 0,03% en poids de C et partiellement parce que le durcissement au travail d'une certaine quantité d'austénite retenue ou conservée peut être utilisé, et par conséquent, il est possible d'obtenir des niveaux considérables de propriétés du matériau même si l'effet trempant par précipitation de Si est léger. Pour cette raison, la limite inférieure de Si a été élargie à 0,3% en poids. Par ailleurs, la limite supérieure de Si a été établie au plus à 2,5% en poids. Cela est dû au fait que l'on n'observe sensiblement aucun effet bénéfique supérieur

même si Si est ajouté à raison de plus de 2,5% en poids.

Au contraire, l'addition d'une quantité excessive de Si

favorise la formation d'une phasede -ferrite.

Re 0,1% i_ Cu d; 2,5% Comme dans le cas de Si, il n'est pas nécessaire de tenir trop compte de l'effet de trempe par précipitation de Cu pour obtenir des propriétés satisfaisantes de l'acier inoxydable. Pour cette raison, la limite inférieure de Cu a été élargie à 0,1% en poids. Par ailleurs, même si l'on ajoute une quantité supplémentaire de Cu, supérieure à 2,5% en poids, l'effet de l'addition n'est pas accru de façon appréciable proportionnellement à la quantité supplémentaire. Re.0, 2% -Ti <, 1,0% Ti est l'un des éléments qui se développent dans la trempe par précipitation. Pour une trempe efficace par précipitation, il faut au moins 0,2% en poids de Ti. Par ailleurs, l'addition de Ti à raison de plus de 1,0% en

poids donne une réduction appréciable de la solidité.

Re 5,0% dû Ni dû 9,0% Ni est un élément qui supprime la formation de Iferrite. Tandis que la quantité de Ni à ajouter dépend de la quantité de Cr à un certain point, il faut utiliser au moins 5,0% en poids de Ni. Avec moins de 5,0% il en poids de Ni, la trempe par précipitation a tendance à être affectée de façon néfaste. Par ailleurs, une quantité excessive de Ni a pour résultat la formation de quantités appréciables d'austénite retenue. Pour cette raison, la limite supérieure de Ni a été établie comme étant au plus

de 9,0% en poids.

Re 12,0% d; Cr -- 17,0% Il faut au moins 12,0% en poids-de Cr pour obtenir

la résistance à la corrosion inhérente à l'acier inoxydable.

Par ailleurs, si l'on ajoute une quantité excessive de Cr, des quantités trop excessives de S -ferrite et d'austénite retenue se forment. Pour cette raison, on utilise jusqu'à

17,0% en poids de Cr.

Re Al d; 1,0% Al peut être utilisé comme élément trempant par précipitation et Ti peut être partiellement remplacé par Al. Pour la solidité, la limite supérieure de Al a été

établie comme étant au plus de 1,0% en poids.

Re Mn hi 4,0% Comme le fait Ni, Mn contribue à la suppression de la formation de i -ferrite et par conséquent, Mn peut remplacer une partie de Ni. On peut utiliser jusqu'à 4,0% en poids de Mn, en considérant son effet de suppression de d -ferrite ainsi que l'équilibre des composants par

rapport à la formation de l'austénite retenue.

Re valeur A' < 42,0 Les composants C, Ti, Mn, Ni, Cr, Cu et Al doivent être ajustés de façon que la quantité de chaque composant se trouve dans chaque gamme ci-dessus spécifiée. On doit également les ajuster de façon que la valeur de A', calculée selon l'équation (1) ci-dessus, soit inférieure à 42,0. La relation entre cette valeur de A' et la valeur de A, utilisée dans le brevet japonais NI 51-131610, comme mesure indiquant une stabilité d'austénite, est comme suit A' = 17 (C% /Ti%) + A On peut noter que l'on considère de plus l'effet de

C et de Ti, négligé dans le brevet japonais No 71-131610.

L'acier inoxydable du brevet japonais NO 51-131610 est un acier à faible teneur en carbone ne contenant pas plus de 0,03% en poids de C. Il contient une quantité extrêmement faible de C dissous, et par conséquent l'effet du C dissous peut être négligé. Tandis que dans le cas de l'acier inoxydable ou contenant C a plus de 0,03%, l'effet de C dissous ne peut être négligé. On a trouvé expérimentalement que si la valeur de A' dépassait 42,0, des quantités considérables d'austénite étaient retenues dans le matériau tel que traité en solution, et qu'il fallait un travail intensif à froid pour convertir cette austénite en martensite. Re Equivalents Cr 2,7 Equivalents Ni Si la valeur d'équivalents Cr/équivalents Ni, comme on l'a calcul6 selon l'équation (2) ci-dessus, dépasse sensiblement 2,7, des quantités importantes de b -ferrite ont tendance à se former à la température de trempe à l'eau, ce qui peut nuire à l'aptitude au travail à chaud. Afin d'obtenir une excellente aptitude au travail à chaud, comparable à celle de l'acier SUS 304, il est nécessaire de contrôler la valeur équivalents Cr/équivalents

Ni à un-niveau ne dépassant pas 2,7.

Re 120 - valeur &Hv L 210 Les éléments trempant par précipitation, Ti, Si, Cu et Al, qui contribuent à une augmentation de la dureté par vieillissement, doivent encore être ajustés de façon que la valeur de AHv, calculée selon-l'équation (3) ci-dessus, se trouve entre 120 et 210. Comme on peut le voir sur la figure 2, la valeur calculée de a Hv indique la différence de dureté, c'est-à-dire l'augmentation réelle de dureté par vieillissement. Si la valeur de A Hv est inférieure à 120, il est généralement difficile d'obtenir une dureté

satisfaisante et une forte résistance après vieillissement.

Afin d'obtenir une forte résistance avec une valeur de úAHv inférieure à 120, il est nécessairede préparer un matériau qui est considérablement dur à l'état d'avoir été traité en solution ou à l'état d'avoir été traité en solution et travaillé à froid. Un tel matériau dur a une faible aptitude au travail mécanique. Par ailleurs, comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, si la valeur de AR Hv

dépasse 210, la solidité devient mauvaise.

L'acier inoxydable ayant la composition chimique ci-dessus selon l'invention, a une structure martensitique sensible à l'état d'avoir été traité en solution ou à l'état d'avoir été traité en solution et travaillé à froid

avec une réduction par laminage ne dépassant pas 50%.

L'acier inoxydable selon l'invention peut être préparé par un procédé connu. Par exemple, il peut être

préparé comme suit.

Un lingot d'acier ayant la composition chimique

ci-dessus spécifiée est préparé à la façon habituelle.

Après avoir trempé à une température de 12600C, le lingot est dégrossi pour préparer des brames. La brame est chauffée à une température de 11800C et travaillée à chaud

en une bande laminée à chaud d'une épaisseur de 5/Omm.

Après traitement en solution à une température de 900 à 10500C, la bande est alors soumise de façon répétée à un cycle comprenant un laminage à froid avec une réduction jusqu'à 95% et un recuit de stabilisation à une température de 900 à 10500C jusqu'à ce que l'épaisseur souhaitée soit atteinte. La tôle ou bande quittant la dernière étape de recuit de stabilisation est appelée ici matériau tel que traité en solution. Le matériau tel que traité en solution peut être conditionné par laminage à froid avec une réduction ne dépassant pas 50%. Si l'on utilise une réduction par laminage dépassant 50%, l'aptitude au travail mécanique du matériau, c'est-à-dire sa capacité d'être travaillé par cintrage, étirage, bombement et autres

travaux mécaniques, devient mauvaise.

La présente invention sera mieux décrite par les

essais de comparaison qui suivent.

Le tableau 1 indique la composition, en pourcentage pondérai, la valeur de A', la valeur équivalents Cr/ équivalents Ni et la valeur de 4 Hv, d'échantillons examinés d'alliage d'acier. Parmi les échantillons, les échantillons N0s 1 à NI 10 sont selon l'invention tandis que'les échantillons NI 11 à NI 19 ainsi que les échantil- lons A et B sont destémoins en dehors du cadre de l'invention. Les échantillons NOs 15 à 19 sont selon la demande de brevet au Japon N0 51-131610 tandis que les échantillons A et B sont respectivement l'acier SUS 301

et l'acier 17-7PH.

Tableau I

__ V- -qu Cr - a l- -

Echantillon va- éc[u.Cr a]eLw NO C Si Mn Ni Cr Cu Ti Ai N leur N _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _-- - _ _ _ _ _- - - - e u- d e de A' È-Hv

1 0,033 1,45 0,31 7,40 14,90 1,00 0,34 0,020 0,015 39,83 2,32 162

2 0,047 0,65 1,00 6,70 14,50 0,51 0,32 0,45 0,009 39,57 2,42 188

3 0,034 1,52 0,29 7,01 14,77 0,61 0,28 0,025 0,015 39,46 2,45 146

4 0,048 1,51 0,30 7,10 14,52 1,70 0,26 0,018 0,013 41,31 2,28 156

O 5 0,032 1,53 0,31 7,07 14,55 0,51 0,49 0,030 0,010 38,37 2,51 195

ria- - - - - -

9! 6 0,044 1,53 0,30 7,21 14,70 0,70 0,43 O0,020 0,008 39,37 2,44 179

a> ______ - --

7 0,045 1,34 2,50 6,21 14,50 0,30 0,95 0,021 0,012 38,55 2,32 205

H 8 0,064 1,55 0,30 7,10 14,75 0,90 0,47 0,024 0,012 40,01 2,49 177

- - - - - -

o

H 9 0,065 1,45 0,29 6,71 14,58 0,62 0,26 0,022 0,011 41,24 2,50 123

mC 10 0,034 1,49 0,32 7,45 15,05 1,30 0,41 0,020 0,012 39,96 2,33 187

_ _- -..- -

11 0,075 1,53 0,52 7,70 15,00 0,50 0,29 0,024 0,012 42,70 2,25 124

12 0,063 0,96 0,32 6,50 14,43 0,52 0,22 0,018 0,009 41,51 2,43 87

o 13 0,035 1,50 0,32 7,10 14,70 0,55 0,70 0,024 0,012 38,27 2,61 232

E- 14 0,036 1,49 0,32 7,44 14,94 1,08 0,57 0,020 0,009 39,38 2,41 217

/.... -n ru 1-q Co os -.4 u1 Tableau I (suite) Echantillon.Va- équ. Cr Valeur Echantillonlerd ]eur-de _EhNtlo C Si Mn Ni Cr Cu Ti A N de AéquNi Hv

0,010 1,540,33 7,51 14,811;09 0,31 0,028 0,014 38,862,27180

16 0,006 1,590,35 7,66 14,890,95 0,41. 0,028 0,013 38,662,30204

17 0,010 1,080,28 7,63 15,031,07 0,33 0,020 0,010 39,032,20159

18 0,007 1,550,32 7,49 14,931,08 0,36 0,026 0,018 38,682,32188

19 0,010 1,540,30 7,30 14,971,05 0,48 0,021 0,011 38,502,44215

Oi A(SUS 301)0,0960,511,04 6,96 16,720,06 - 0,020 0,010 nonnon non om. calcu calcucalcu > o lée é16e lée E-I B(17-7PH) 0,0710,44 0,517,24 16,73 0,080,09 1,18 0,021 non non non

calcu calcu- calcu-

--_ _______.__ _____l e l.e l _e ou JN -4 Co us Pour les échantillons N0s4, 5 et 8 selon l'invention ainsi que les échantillons témoins N0s 11, 12, 15, 19 et A et B, la dépendance entre la dureté Vickers et la réduction par laminage à froid est représentée graphiquement sur la figure 1, o la dureté avant vieillissement et la dureté après vieillissement sont illustrées respectivement en trait plein et en pointillé. Le durcissement par vieillissement a été effectué pendant 1 heure à une température de 480WC pour les échantillons NOs 4, 5, 8, 11, 12, 15 et 19, 4000C pour l'échantillon A ou 4750C pour l'échantillon B. La figure 1 révèle que les échantillons d'alliage d'acier selon l'invention présentent l'effet trempant au travail à froid à une étendue réduite. La dureté avant vieillissement des échantillons selon l'invention est inférieure à Hv 380. On peut noter qu'avant vieillissement, l'cier inoxydable selon l'invention peut être facilement mis sous diverses formes par travail mécanique comme

découpage à l'emporte-pièce, cintrage, étirage et bombement.

L'échantillon NO 5 ayant la plus faible valeur de A' de 38,36 parmi les échantillons essayés selon l'invention, a une structure sensiblement martensitique à l'état venant d'être traité en solution et ainsi, présente une résistance satisfaisante à cet état. La figure 1 revèle qu'un tel matériau tel que traité en solution, peut être durci par vieillissement pour présenter une dureté satisfaisante supérieure à 490 Hv. Avec les échantillons N0s 4 et 8 ayant des valeurs de A' supérieures, le matériau tel que traité en solution peut être travaillé à froid avec une réduction par laminage de 5% ou plus, puis durci par vieillissement pour obtenir une dureté satisfaisante

supérieure à 490 Hv.

La figure 1 révèle de plus qu'avec l'échantillon témoin A, on ne peut obtenir une dureté supérieure à 490 Hv que par vieillissement d'un matériau travaillé à froid ayant une dureté supérieure à Hv450. Evidemment, un tel

matériau dur a une mauvaise aptitude au travail mécanique.

Avec l'échantillon témoin B, une dureté satisfaisante après vieillissement peut être obtenue en partant d'un matériau travaillé à froid ayant une dureté plus faible que celle requise avec l'échantillon A. Néanmoins, la dureté avant vieillissement requise avec l'échantillon B pour obtenir une dureté satisfaisante après vieillissement, est encore bien supérieure à la dureté avant vieillissement possédée par les échantillons selon l'invention. Par ailleurs, avec les échantillons témoins A et B, la dureté après vieillissement dépend fortement de la réduction par laminage lors du travail à froid du matériau. Ce fait est désavantageux parce que le procédé de fabrication doit toujours être effectué en considérant à la fois l'épaisseur finale voulue et la dureté voulue. L'acier inoxydable selon l'invention ne présente pas un tel inconvénient parce que sa dureté après vieillissement ne dépend pas fortement de la réduction par laminage à froid selon laquelle le matériau peut être conditionné. La présente invention présente un autre avantage quand on doit fabriquer un matériau mince pour ressort. Grâce à l'étendue réduite de l'effet de durcissement par travail à froid de l'acier inoxydable selon l'invention, le nombre d'étapes de recuit intermédiaire qu'il faut pour la production d'un

matériau mince peut être avantageusement réduit.

Les échantillons N's 15 et 19 sont selon la demande de brevet au Japon NO 51-131610. Comme une meilleure aptitude à la mise en forme après travail à froid est recherchée dans le brevet japonais NO 51-131610, ces échantillons ont une dureté suffisamment faible à l'état

d'avoir été travaillésà froid.

L'échantillon témoin NI 11 a une valeur A' supérieure à 42,0. Un tel acier inoxydable contient des quantités trop importantes d'austénite retenue, et en particulier quand la teneur en carbone est relativement élevée, la dureté du matériau est dramatiquement augmentée par travail à froid comme dans le cas de l'acier SUS 301 et de l'acier 17-7PB. L'échantillon NI 11 présente une dureté pouvant atteindre Hv 400 ou plus à l'état d'avoir - 19

été travaillé à froid, avec une réduction de 10 à 20%.

Un matériau si dur a une mauvaise aptitude au travail mécanique. L'échantMlon témoin N' 12 présente une valeur de ' Hv de 87, ce qui est sensiblement plus faible que la valeur la plus faible acceptable de i Hv de 120. La figure 1 révèle qu'avec un tel acier inoxydable, on ne peut atteindre un niveau satisfaisant de dureté après vieillissement. Pour les échantillons N0s 1 à 19, la différence de dureté, c'est-à-dire la différence entre la dureté après vieillissement et la dureté avant vieillissementa été représentée en fonction de la valeur de t Hv calculée selon l'équation (3) ci-dessus. Les résultats sont indiqués sur la figure 2. La mesure de la différence de dureté a été effectuée sur des échantillons dont au moins 80% en poids était composé d'une structure martensitique. Comme le révèle la figure 2, la valeur calculée de A Hv

coïncide sensiblement avec l'augmentation trouvée expérimen-

talement de dureté qui est provoquée par le vieillissement.

L'acier inoxydable selon l'invention peut de préférence avoir une dureté ne dépassant pas Hv 380 afin d'assurer l'aptitude au travil mécanique souhaitée. Pour un tel acier, la valeur de AHv calculée selon l'équation (3) doit être d'au moins 120, ou autrement, on ne peut obtenir

un durcissement satisfaisant après vbillissement.

Pour les échantillons N0s 1 à 14, 17 et 18, le rapport de la résistance à la traction avec entaille après vieillissement, à la résistance à la traction après vieillissement a été représenté en fonction de la valeur calculée de d Hv. Les résultats sont indiqués sur la figure 3. La résistance à la traction avec entaille a été déterminée en utilisant une éprouvette avec R ayant une

partie parallèle de 30 mm de long et de 10. mm de large.

Au centre de la partie parallèle, une fente de 0,18 mm de large et de 1,5 mm de profondeur était formée de chaque côté par une technique de décharge. Un telle éprouvette à entaille ou à encoche a été vieillie puis utilisée dans les essais. Comme le montre la figure 3, la solidité du matériau vieilli représentée par le rapport de la résistance à la traction avec encoche au rapport de la résistance à la traction commence à diminuer dramatique-

ment tandis que la valeur de aHv dépasse 210.

Pour les échantillons N0s 1 à 19, un essai d'impact de Charpy a été effectué. L'éprouvette était une plaque d'une largeur de 15 mm, d'une longueur de 80 mm et d'une épaisseur de 1,0 mm. Au centre de la longueur de la plaque, on a formé de chaque côté, une encoche en forme de V ayant un rayon au bout de 0,25 mm, un angle de 450 et une profondeur de 2 mm. Une telle éprouvette a été vieillie puis utilisée dans l'essai. L'essai a été effectué en utilisant une machine d'essai d'impact ou de choc de Charpy de 49,05 J en appliquant un impact de flexion ou cintrage à l'éprouvette montée sur la machine. L'énergie d'impact requise pour rompre l'éprouvette a été mesurée. La valeur ainsi mesurée a été divisée par l'aire en coupe transversale effective de l'éprouvette. La valeur ainsi calculée est indiquée ici comme étant la valeur d'impact. Sur les

échantillons N0s 1 à 19, la valeur d'impact a été repré-

sentée en fonction de la valeur de A Hv. Les résultats sont indiqués sur la figure 4. La figure 4 montre que la solidité du matériau vieilli représentée par la valeur d'impact commence à diminuer dramatiquement tandis que la

valeur de L Hv s'approche et dépasse 210.

Pour les échantillons N0s 1 à 11 et 13 à 19, la valeur d'impact a été représentée en fonction de la dureté après vieillissement. Les résultats sont indiqués sur la figure 5. Les figures 4 et 5 montrent que pour l'acier inoxydable du type décrit (c'est-à-dire l'acier trempant par précipitation), la solidité du matériau vieilli représentée par la valeur d'impact, dépend de la différence entre la dureté après vieillissement et la dureté avant vieillissement, au lieu du niveau de dureté après vieillissement. Sur la figure 5, les quatre cercles noirs se rapportent aux échantillons témoins N0s 15, 16, 17 et 19 qui sont selon le brevet japonais NI 51-131610. On peut voir sur la figure 5 que dans la zone o la dureté du matériau vieilli est supérieure à Hv 530, la solidité, (valeur d'impact)de l'acier inoxydable selon l'invention est supérieure à celle de l'acier témoin selon le brevet

japonais NI 51-131610.

L'acier inoxydable à ressort doit de préférence avoir une valeur d'impact d'au moins 29,43 J/cm2 et une dureté d'au moins Hv 490 après vieillissement. La gamme dans laquelle ces deux nécessités sont remplies est illustrée sur la figure 5 par des hachures pour l'acier inoxydable selon l'invention et l'acier inoxydable selon le brevet japonais NI 51131610. Comme on peut le voir sur la figure 5, la gamme o les deux nécessités sont remplies est plus large pour l'acier selon l'invention que pour l'acier selon le brevet No 51-131610. Le fait que la gamme ci- dessus mentionnée est plus large signifie que des variations de la valeur de à Hv, provoquées par des variation des quantités des composants utiliséspeuventêtre tolérées, de façon plus importante, assurant un produit commercial plus stable. A titre d'exemple, dans la production de l'acier inoxydable selon le brevet japonais N0 51-131610, la teneur en Ti doit être ajustée à la valeur voulue avec une tolérance de + 0,1%. Dans la production de l'acier inoxydable selon l'invention, les variations de la teneur en Ti à une gamme de -+ 0,18%

peuvent être tolérées.

La figure 5 montre de plus les résultats d'essas sur les échantillons témoins A et B. Pour chaque échantillon d'acier, on a préparé deux échantillons d'essai. L'un avait été laminé à froid avec une réduction de 40% et l'autre avec une réduction de 60%. On peut voir sur la figure 5 que l'acier inoxydable selon l'invention et l'acier témoin A ou B présentent une solidité du même ordre si les duretés sont du même niveau. Cependant, comme on l'a déjà indiqué, l'acier inoxydable selon l'invention est avantageux parce qu'il peut avoir une faible dureté à l'état d'avoir été travaillé à froid et en conséquence, il peut facilement recevoir diverses formes par travail mécanique. Pour les échantillons d'acier NI 6 et NI 16, ayant sensiblement la même dureté la plus haute pouvant être atteinte, la valeur d'impact après vieillissement a été

représentée en fonction de la température de vieillissement.

La température de vieillissement variait entre 450 et 5250C.

Les résultats sont représentés sur la figure 6. La dureté après vieillissement Hv de chaque échantillon essayé est également indiquée sur la figure 6. La figure 6 révèle que l'échantillon d'acier NI 6 selon l'invention permet d'atteindre une plus forte solidité réfléchie par une plus forte valeur d'impact que l'échantillon d'acier témoin N0 16. Lafigure 6 montre de plus qu'avec l'acier inoxydable selon l'invention, la plus forte solidité atteinte est sensiblement-indépendante de la température de vieillissement comprise entre 450 et 5250C. Ce fait signifie que des variations possibles de la température de traitement dans une chaîne de production commerciale n'affecteront pas la propriété du produit, assurant une production commerciale stable de produits ayant une propriété constante. La figure 6 montre qu'avec l'acier témoin, la solidité pouvant être atteinte varie sensiblement selon la température de vieillissement, ce qui suggère la nécessité d'un contrôle sévère de la température de

traitement dans une chaîne de production commerciale.

Pour les échantillon N0s 4, 5, 15, A et B, la dépendance entre la valeur de limite élastique Kb et la réduction par laminage à froid est graphiquement représentée sur la figure 7. Sur la figure 7, les traits pleins se rapportent à la direction longitudinale (LD), c'est-à-dire la direction de laminage tandis que les pointillés se rapportent à la direction transversale (TD), c'est-à-dire

une direction perpendiculaire à la direction de laminage.

La valeur de limite d'élasticité Kb a été déterminée selon

la norme japonaise (JIS) H 3702 6.4.

Comme le révèle la figure 7, les échantillons d'acier N0s 4 et 5 selon l'invention permettent toujours' d'atteindre de plus fortes valeurs de limite d'élasticité que les échantillon témoins, la réduction par laminage à

froid étant la même.

La figure 7 montre de plus que la forte valeur de limite d'élasticité atteinte par l'invention ne dépend pas réellement de la réduction par laminage à froid si cette dernièireest supérieur à environ 10%. Ce fait signifie une possibilité avantageuse de l'invention selon laquelle des produits ayant diverses épaisseurs et une valeur de limite d'élasticité élevée souhaitée se trouvant dans une gamme étroite, peuvent être produits à partir d'une seule et

unique bande d'acier telle que traitée en solution.

La figure 7 révèle de plus que la différence

entre la valeur de limite délasticité en direction trans-

versale (TD), direction perpendiculaire à la direction du laminage, et en direction longitudinale (LD), direction parallèle à la direction du laminage, est bien plus faible pour l'acier inoxydable selon l'invention que pour l'acier

inoxydable traditionnel (A et B). Du fait de la différen-

ce considérable entre les valeurs de limite d'élasticité TD et LD de l'acier inoxydable traditionnel, des éléments de ressort doivent être découpés d'un tel matériau dans la même direction ou autrement la performance de ressort de ces éléments variera d'un élément à l'autre. Les nécessités de couper (comme découper à l'emporte-pièce) les éléments individuels dans la même direction peut réduire de façon appréciable le rendement selon la forme des produits. Au contraire, l'acier inoxydable selon l'invention a une performance de ressort ou d'élasticité sensiblement isotrope, et par conséquent il ne présente pas les inconvénients ci-dessus. La performance de ressort isotrope selon l'invention est particulièrement avantageuse dans un élément de ressort à lame découpé selon une forme compliquée. Pour les échantillons d'acier N0s 4, 5, 15, A et B,

la dépendance entre la limite à la fatigue après vieillisse-

ment et la. réduction par laminage à froid est représentée sur la figure 8. La figure 9 est une vue schématique d'un dispositif d'essai utilisé pour l'essai de l'aptitude à la flexion d'échantillons d'alliage d'acier. En utilisant une matrice 1 à angle droit et un poinçon ayant un rayon à son bout de R, un échantillon 3 d'une épaisseur t a été courbé sous une charge de 39.240 N. Le plus grand rayon R permettant la flexion de l'échantillon de 900 sans fracture a été déterminé, et la performance à la flexion de l'échantillon d'acier a été évaluée avec la valeur de R/t. Plus la valeur

de R/t est faible, meilleure est la performance de flexion.

Pour les échantillons d'acier N0s 4, 5, 15, A et B, la dépendance entre la performance à la flexion avant vieillissement et la réduction par laminage à froid est graphiquement représentée par la figure 10. La figure 10 montre que les échantillons N0s 4, 5 et 15 présentent une performance de flexion avant vieillissement supérieure à celle des échantillons A-et B. L'échantillon NI 15 selon le brevet japonais N0 51- 131610 a la meilleure performance de flexion avant vieillissement. Cela est dû au fait que, comme on l'a déjà indiqué, dans ce brevet, on tient beaucoup compte de l'aptitude au travail mécanique avant vieillissement et que la présente invention a principalement pour but une meilleure solidité et une meilleure performance de ressort après vieillissement, tout en conservant une aptitude au travail mécanique satisfaisante avant vieillissement. La figure 10 montre de plus que la performance à la flexion avant vieillissement de l'acier inoxydable du type trempant par précipitation devient mauvaise si la réduction par laminage à froid dépasse 50%. Pour cette raison, on a restreint la réduction par laminage à froid

à un niveau pouvant atteindre 50%.

Comme on l'a déjà indiqué, il est largement pratiqué de former un matériau mince pour ressort à diverses formes d'une petite dimension par bombement et/ou étirage, afin de fabriquer ainsi un élément de ressort miniaturisé dont la durabilité réduiteset la résistance sont compensées par la forme. Sur les échantillons N0s 4, , A et B, l'aptitude à la mise en forme par bombement avant vieillissement a été essayée selon l'essai d'Erichsen prescrit par la norme japonaise JIS B. La dépendance entre la valeur d'Erichsen et la réduction par laminage à froid est représentée sur la figure 10 pour chaque échantillon d'acier essayé. En considérant le fait que le travail à froid du matériau tel que traité en solution, s'il y en a, doit être effectué avec une réduction par laminage relativement faible pouvant atteindre 50% dans la pratique de l'invention, tandis que l'acier traditionnel A ou B nécessite un travail intensif à froid avec une réduction par laminage supérieure à 40% pour obtenir un niveau souhaité de résistance après vieillissement, la figure 10 revèle que l'on peut facilement obtenir, selon l'invention,

une meilleure aptitude au travail par bombement.

Comme on l'a démontré précédemment, l'acier inoxydable selon l'invention présente une meilleure aptitude au travail mécanique, y compris de-bonnes aptitudes à la mise en forme et au découpage à l'emporte-pièce avant vieillissement, et quand il est durci par vieillissement, il présente non seulement une dureté élevée souhaitable ainsi qu'une très bonne solidité, mais également une meilleure performance de ressort isotrope. Tandis que l'acier inoxydable selon l'invention est particulièrement utile pour la fabrication d'éléments de ressort à lame ayant des formes compliquées et d'éléments de ressort découpés de forte résistance et solidité, il peut également

être appliqué à la production d'autres éléments de ressort.

Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans

le cadre de la protection comme revendiquée.

Claims (2)

R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS

1.- Acier inoxydable à ressort du type trempant par précipitation, caractérisé en ce qu'il contient, en pourcentage pondérai, plus de 0,03% mais pasplus de 0,08% de C, 0,3 à 2,5% de Si, pas plus de 4,0% de Mn, 5,0 à 9,0% de Ni, 12,0 à 17,0% de Cr, 0,1 à 2,5% de Cu, 0,2 à 1,0% de Ti et pas plus de 1,0% de Al, le restant étant du fer et'des impuretés inévitables, les teneurs des éléments étant de plus ajustées de façon que la valeur de A' définie par l'équation A' = 17 x (C% / Ti%) + 0,70 x (Mn%) + I x (Ni%) + 0,60 x (Cr%) + 0,76 x (Cu%) - 0,63 x (Al%)

+ 20,871

représente moins de 42,0, le rapport des équivalents Cr aux équivalents Ni défini par l'équation Equivalents Cr = I x (Cr%) + 3,5 x (Ti%+Al%)+ 125 x (Si%) Equivalents Ni I x (Ni%) + 0,3 x (Cu%) + 0,65 x (Mn%) ne représente pas plus de 2,7 et la valeur de àHv définie par l'équation Hv= 205 x [Ti%-3x(C% + N%)] + 205 x [Al% - 2 x (N%)] + 57,5 x (Si%) + 20,5 x (CuO%) + 20 soit comprise entre 120 et 210, ledit acier ayant une structure martensitique sensible à l'état d'avoir été traité en solution ou à l'état d'avoir été traité en solution puis travaillé à froid avec une réduction par

laminage ne dépassant pas 50%.

2.- Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une dureté Vickers ne dépassant pas Hv 380 avant durcissement par vieillissement et en ce qu'il a une valeur d'impact de Charpy d'au moins 29,43 J/cm2 et une dureté Vickers d'au moins Hv 490 après durcissement

par vieillissement.