FR3056229A1 - Alliage d’acier inoxydable cementable - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un alliage d'acier pour un roulement, l'alliage ayant une composition comprenant : de 0,04 à 0,1 % en poids de carbone, de 10,5 à 13 % en poids de chrome, de 1,5 à 3,75 % en poids de molybdène, de 0,3 à 1,2 % en poids de vanadium, de 0,3 à 2,0 % en poids de nickel, de 6 à 9 % en poids de cobalt, de 0,05 à 0,4 % en poids de silicium, de 0,2 à 0,8 % en poids de manganèse, de 0,02 à 0,06 % en poids de niobium, de 0 à 2,5 % en poids de cuivre, de 0 à 0,1 % en poids d'aluminium, de 0 à 250 ppm d'azote, de 0 à 30 ppm de bore, et pour le reste du fer, ainsi que toutes les impuretés inévitables.

Description

Titulaire(s) : AKTIEBOLAGET SKF, SKF AEROSPACE FRANCE S.A.S Société par actions simplifiée.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : SKF GMBH.
ALLIAGE D'ACIER INOXYDABLE CEMENTABLE.
FR 3 056 229 - A1 (5/7 L'invention concerne un alliage d'acier pour un roulement, l'alliage ayant une composition comprenant:
de 0,04 à 0,1 % en poids de carbone, de 10,5 à 13 % en poids de chrome, de 1,5 à 3,75 % en poids de molybdène, de 0,3 à 1,2 % en poids de vanadium, de 0,3 à 2,0 % en poids de nickel, de 6 à 9 % en poids de cobalt, de 0,05 à 0,4 % en poids de silicium, de 0,2 à 0,8 % en poids de manganèse, de 0,02 à 0,06 % en poids de niobium, de 0 à 2,5 % en poids de cuivre, de 0 à 0,1 % en poids d'aluminium, de 0 à 250 ppm d'azote, de 0 à 30 ppm de bore, et pour le reste du fer, ainsi que toutes les impuretés inévitables.
Figure FR3056229A1_D0001
Figure FR3056229A1_D0002
ι
Alliage d’acier inoxydable cémentable
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de la métallurgie en général. Plus spécifiquement, la présente invention concerne un alliage d’acier inoxydable à utiliser dans la fabrication de composants de roulement cémentés, en particulier pour les roulements hybrides utilisés dans les applications aérospatiales.
Contexte
Les roulements pour applications aérospatiales doivent habituellement fonctionner sous de fortes charges et à des températures extrêmes dans un environnement qui peut être exposé à l’humidité. Par conséquent, ces composants doivent posséder une combinaison optimale de ténacité, de capacités à haute température et de résistance à la corrosion, en plus d’excellentes valeurs de dureté superficielle et de ductilité à cœur.
Les aciers inoxydables sont connus et contiennent habituellement un minimum de
10,1 % de Cr pour atteindre la résistance à la corrosion souhaitée. Par exemple, l’acier inoxydable Pyrowear® 675 est un acier de cémentation résistant à la corrosion conçu pour fournir une dureté superficielle dépassant HRC 60 combinée à un cœur tenace, ductile. L’acier inoxydable Pyrowear® 675 a été utilisé dans des applications de type roulements et engrenages. L’acier inoxydable Pyrowear® 675 contient environ 0,07 % en poids de C et 13 % en poids de Cr, ainsi que du Mo, du V, du Ni, du Co, du Si et du Mn et du Fe.
En outre, un exemple d’alliage résistant à la corrosion cémentable utilisé pour des roulements d’aéronefs est divulgué dans le document EP0411931.
Habituellement, les roulements fabriqués au moyen de ces alliages sont des roulements tout acier ; autrement dit, les bagues de roulement et les éléments roulants sont constitués d’acier. Un roulement hybride est un roulement qui a des bagues de roulement en acier et des éléments roulants en céramique. L’utilisation d’éléments roulants en céramique augmente la capacité de support de charge d’un roulement, mais afin d’utiliser pleinement la capacité de charge des éléments roulants en céramique, les surfaces d’acier des bagues de roulement doivent être plus résistantes que ce qui peut être actuellement atteint en utilisant les alliages cémentables disponibles.
En outre, l’utilisation de lubrifiants comprenant des produits chimiques agressifs impose des exigences plus strictes sur la résistance à la corrosion, en particulier la résistance à la corrosion à l’arrêt.
Ainsi, un objet de la présente invention est de définir un alliage d’acier inoxydable à utiliser dans la fabrication de composants de roulement cémentés, qui se solde par une résistance mécanique de surface élevée combinée à d’excellentes valeurs de ténacité à cœur et de résistance à la corrosion.
Résumé de l’invention
La présente invention propose un alliage d’acier inoxydable pour un roulement, l’alliage ayant une composition comprenant :
de 0,04 à 0,1 % en poids de carbone, de 10,5 à 13,0 % en poids de chrome, de 1,5 à 3,75 % en poids de molybdène, de 0,3 à 1,2 % en poids de vanadium, de 0,3 à 2,0 % en poids de nickel, de 6,0 à 9,0 % en poids de cobalt, de 0,05 à 0,4 % en poids de silicium, de 0,2 à 0,8 % en poids de manganèse, de 0,02 à 0,06 % en poids de niobium, de 0 à 2,5 % en poids de cuivre, de 0 à 0,1 % en poids d’aluminium, de 0 à 250 ppm d’azote, de 0 à 30 ppm de bore, et pour le reste du fer, ainsi que toutes les impuretés inévitables.
Sous un autre aspect, l’invention propose un procédé de production d’un composant de machine. Le procédé comprend des étapes consistant à former le composant de roulement à partir de l’alliage d’acier de l’invention et cémenter une surface du composant de roulement.
L’alliage d’acier lui-même peut être formé en utilisant une voie de traitement qui est choisie parmi : la fusion par induction sous vide (VIM) ; la refusion à l’arc sous vide (VAR) ; la refusion sous laitier électroconducteur (ESR) ou une combinaison de celles-ci. Un traitement par la métallurgie des poudres (PM) est également possible. La voie de la métallurgie des poudres nécessiterait habituellement l’application d’un pressage isostatique à chaud (HIP) de la poudre métallique pour une densité optimale. Le traitement HIP peut être précédé d’un pressage isostatique à froid (CIP).
L’étape de cémentation est effectuée en faisant diffuser du carbone (carburation), de l’azote (nitruration), du carbone et de l’azote (carbonitruration) et/ou du bore (boruration) dans la couche extérieure de l’acier à une température élevée. Il s’agit par conséquent de traitements thermochimiques. Ils sont habituellement suivis d’un traitement thermique supplémentaire pour obtenir le profil de dureté souhaité et les propriétés voulues dans la couche cémentée et à cœur.
Dans un mode de réalisation, le procédé comprend une carburation superficielle. On peut appliquer la carburation sous vide, la carburation par un gaz, la carburation au bain ou la carburation solide (en caisse). Chacun de ces traitements repose sur la transformation de l’austénite en martensite lors de la trempe. L’augmentation de la teneur en carbone à la surface doit être suffisamment importante pour obtenir une couche martensitique avec une dureté suffisante, habituellement environ 750HV, afin d’obtenir une surface résistante à l’usure. La teneur en carbone nécessaire à la surface après diffusion est habituellement de 0,8 à 1,2 % en poids.
Dans un autre mode de réalisation, le procédé comprend une carbonitruration. Une source d’azote telle que l’ammoniac peut être introduite dans l’atmosphère du four pendant la carburation. L’incorporation d’ammoniac peut être réalisée par carburation à basse pression et carburation par un gaz.
La carbonitruration, lorsqu’elle est appliquée à un composant qui est constitué d’un alliage d’acier selon l’invention, a un certain nombre d’avantages :
- Le temps total de traitement est raccourci.
- On obtient des composants de roulement avec une meilleure résistance à la corrosion, en particulier à l’arrêt dans des environnements humides, en raison de l’azote élémentaire qui se trouve en solution solide dans la couche cémentée durcie.
Dans un autre mode de réalisation, l’étape de cémentation comprend à la fois une carburation et une carbonitruration. Ce mode de réalisation est avantageux pour les composants qui nécessitent une profondeur de cémentation relativement importante.
L’alliage d’acier cémenté présente une grande dureté, une excellente résistance à la corrosion et/ou une excellente stabilité dimensionnelle. Cela signifie que l’alliage d’acier peut trouver une application utile dans la fabrication d’un composant de roulement, par exemple, tel qu’un élément roulant ou une bague intérieure ou extérieure du roulement. Ainsi, sous un autre aspect, la présente invention propose un composant de roulement, comprenant un alliage d’acier tel que décrit dans les présentes. La présente invention propose également un roulement comprenant un composant de roulement tel que décrit dans les présentes. Dans un mode de réalisation préféré, le roulement est un roulement hybride et comprend des bagues de roulement qui sont fabriquées selon le procédé de l’invention et comprend également un ou plusieurs éléments roulants constitués d’un matériau céramique.
La présente invention va maintenant être décrite dans de plus amples détails. Dans les passages qui suivent, différents aspects de l’invention sont définis de façon plus détaillée. Chaque aspect ainsi défini peut être combiné avec tout autre aspect ou aspects, sauf indication contraire claire. En particulier, toute caractéristique indiquée comme étant préférée ou avantageuse peut être combinée avec toute autre caractéristique ou caractéristiques indiquées comme étant préférées ou avantageuses.
Dans la présente invention, la composition d’alliage d’acier comprend de 0,04 à 0,1 % en poids de C, de préférence de 0,05 à 0,09 % en poids de C, mieux de 0,06 à 0,08 % en poids de C, mieux encore environ 0,07 % en poids de C. Combiné aux autres éléments d’alliage, cela se solde par la microstructure souhaitée (par ex., matrice martensitique brute de trempe) et des propriétés mécaniques favorables aux applications de roulement. L’alliage d’acier est adapté à la cémentation, moyennant quoi la couche cémentée est enrichie en carbone. Bien qu’une teneur en C supérieure à environ 0,1 % en poids puisse améliorer la résistance mécanique, elle n’est pas souhaitable en ce qu’elle fait baisser la température de début de transformation martensitique (Ms) de l’austénite de cœur lors de la trempe pendant le durcissement. La température de début de transformation martensitique élevée du cœur par rapport à celle de la couche cémentée garantit l’obtention d’un bon profil de contrainte de compression résiduelle à l’intérieur du composant de roulement. Pour cette raison, la teneur en C est choisie pour être < 0,1 % en poids, de préférence < 0,09 % en poids, mieux < 0,08 % en poids.
La composition d’acier comprend de 10,5 à 13,0 % en poids de Cr, de préférence de 10,7 à 12,7 % en poids de Cr, mieux de 10,7 à 12,5 % en poids de Cr, mieux encore de 11,0 à 12,5 % en poids de Cr. Le chrome est connu pour être bénéfique en termes de résistance à la corrosion et un acier inoxydable doit contenir une quantité minimale de Cr. Par conséquent, la teneur minimale en Cr est fixée à 10,5 % en poids. La teneur en Cr (conjointement avec les autres éléments d’alliage, en particulier le Mo) est de préférence choisie pour minimiser l’apparition d’une phase ferritique à haute température indésirable (ferrite δ) dans le cœur, tout en maximisant l’indice PREN (voir ci-dessous). Le Cr est un stabilisant de la ferrite, et par conséquent sa teneur est de préférence telle que la phase indésirable de ferrite δ dans le cœur n’est pas formée pendant le traitement thermique. La phase de ferrite δ, si elle est présente dans le cœur, peut provoquer une augmentation conséquente de la teneur en carbone austénitique, qui à son tour abaisse la température de début de transformation martensitique. De plus, des propriétés mécaniques médiocres sont à craindre quand de la ferrite δ est présente dans le cœur en quantité importante. Pour ces raisons, la teneur en Cr est choisie pour être < 13 % en poids, de préférence < 12,7 % en poids, mieux < 12,5 % en poids.
La composition d’acier comprend de 1,5 à 3,75 % en poids de Mo. Le Mo peut agir pour éviter une fragilisation des joints de grains d’austénite due à des impuretés telles que le phosphore, par exemple. Le Mo peut aussi agir pour améliorer l’aptitude à la trempe. Le Mo a un effet supérieur au Cr sur l’indice PREN. Par conséquent, pour un nombre équivalent de Cr donné, les teneurs en Mo et Cr sont de préférence équilibrées pour minimiser l’apparition de ferrite δ dans le cœur tout en maximisant l’indice PREN. Le Mo est un stabilisant de la ferrite, et par conséquent sa teneur est de préférence telle que la phase de ferrite δ dans le cœur n’est pas formée pendant le traitement thermique. La phase de ferrite δ, si elle est présente dans le cœur, peut provoquer une augmentation conséquente de la teneur en carbone austénitique, qui à son tour abaisse la température de début de transformation martensitique. De plus, des propriétés mécaniques médiocres sont à craindre quand de la ferrite δ est présente dans le cœur en quantité importante. Pour ces raisons, la teneur en Mo est choisie pour être de 1,5 à 3,75 % en poids, de préférence 1,65 à 3,6 % en poids.
Comme indiqué ci-dessus, le Mo et le Cr affectent l’indice de résistance à la piqûre (PREN), qui est défini comme PREN = %Cr + 3,3 %Mo + 16 N (éléments en % en poids). Le PREN est une indication bien connue de la résistance à la corrosion d’un acier inoxydable dans un environnement contenant des chlorures. En général, plus la valeur du PREN est grande, plus la résistance à la corrosion de l’acier est importante. Dans la présente invention, la composition d’alliage d’acier peut de préférence avoir un PREN (cœur) de 16 à 22, de préférence 18,5 à 22, mieux 19 à 22 . La limite supérieure est de préférence > 20, mieux > 21, mieux encore > 21,5, et idéalement environ 22.
Lorsqu’une cémentation par carbonitruration est appliquée, la quantité accrue d’azote en solution solide dans la couche cémentée se solde par un PREN relativement plus élevé. On s’attend donc à ce que des composants de roulement traités de cette manière présentent une résistance à la corrosion à l’arrêt améliorée par rapport à une carburation superficielle seule.
La composition d’acier comprend de 0,3 à 1,2 % en poids de V. L’ajout de V s’est révélé être bénéfique en termes d’amélioration de la dureté à chaud, mais aussi de contrôle de la réponse de la microstructure pendant le revenu. De plus, le V est bénéfique pour garantir une structure à grains fins. Une teneur trop élevée en V bloquera plus de carbone dans les carbures de type MC, ce qui conduira à une matrice martensitique brute de trempe ne présentant pas une résistance mécanique et une dureté suffisantes, qui sont nécessaires pour les applications de roulement. De plus, le V est un stabilisant de la ferrite, aussi sa teneur doit-elle être équilibrée avec celle des autres éléments stabilisant l’austénite. Par conséquent, dans la présente invention, la teneur en V est de 0,3 à 1,2 % en poids, de préférence 0,4 à 1,1 % en poids, mieux 0,5 à 1,1 % en poids.
La composition d’acier comprend de 0,3 à 2,0 % en poids de Ni. La teneur en Ni est relativement faible dans la présente invention, de sorte que la teneur en Co peut être augmentée (voir ci-dessous). La faible teneur en carbone du cœur garantit une bonne ténacité et la teneur en Ni peut être réduite en conséquence. Le Ni est également un élément d’alliage relativement bon marché. Par conséquent, dans la présente invention, la teneur en Ni est de 0,3 à 2,0 % en poids, de préférence 0,3 à 1,9 % en poids, mieux 0,4 à 1,9 % en poids, mieux encore 0,5 à 1,8 % en poids.
La composition d’acier comprend de 6,0 à 9,0 % en poids de Co. Le Co et le Ni contribuent tous deux à l’équivalent de Ni, et en tant que tels, sont de préférence équilibrés. Pour un équivalent de N donné, la plus faible teneur en Ni permet d’augmenter la teneur en Co de l’alliage. Une teneur supérieure en Co s’est révélée bénéfique en termes de formation de carbures plus fins dans la structure, avec des avantages en termes d’accroissement de la dureté et de la résistance mécanique. Cependant, une teneur en Co trop élevée peut faire baisser la température Ms, ce qui se traduit par des difficultés à transformer l’austénite en martensite lors de la trempe. Par conséquent, dans la présente invention, la teneur en Co est de 6 à 9 % en poids, de préférence 6 à 8 % en poids, mieux 6,5 à 7,7 % en poids, mieux encore 7 à 7,5 % en poids.
La composition d’alliage d’acier comprend de 0,05 à 0,4 % en poids de Si, de préférence de 0,1 à 0,3 % en poids de Si, mieux de 0,15 à 0,25 % en poids de Si. Combiné avec les autres éléments d’alliage, cela se solde par la microstructure souhaitée avec une quantité minimale d’austénite résiduelle. Le Si améliore la résistance au revenu de la microstructure d’acier, et pour cette raison une quantité minimale de 0,15% en poids de Si est ajoutée. Le Si peut aussi contribuer à l’équivalent de Cr, par conséquent une teneur trop élevée en Si peut se traduire par une plus grande probabilité de stabilisation de la phase indésirable de ferrite δ dans le cœur du composant. De plus, le Si peut réduire les propriétés élastiques de la matrice. Pour ces raisons, la teneur maximale en silicium est de 0,4 % en poids, de préférence 0,3 % en poids, mieux 0,25 % en poids.
La composition d’alliage d’acier comprend de 0,2 à 0,8 % en poids de Mn, de préférence 0,3 à 0,7 % en poids de Mn, mieux 0,4 à 0,6 % en poids de Mn. La teneur en Mn est d’au moins 0,2 % en poids, puisque celle-ci, combinée avec les autres éléments d’alliage, permet d’obtenir la microstructure et les propriétés souhaitées. Le Mn agit aussi pour améliorer l’aptitude à la trempe. De plus, le Mn agit pour augmenter la stabilité de l’austénite par rapport à la ferrite. Cependant, des niveaux de Mn supérieurs à environ 0,8 % en poids peuvent servir à augmenter la quantité d’austénite résiduelle. Cela peut conduire à des problèmes métallurgiques pratiques tels qu’une trop grande stabilisation de l’austénite résiduelle, se soldant par des problèmes potentiels de stabilité dimensionnelle des composants de roulement.
La composition d’acier comprend de 0,02 à 0,06 % en poids de Nb. L’ajout de Nb est avantageux pour empêcher une croissance excessive des grains d’austénite pendant la carburation superficielle ou le traitement thermique. De préférence, l’alliage d’acier de l’invention comprend de 0,02 à 0,04 % en poids de Nb.
En outre, la présence de niobium facilite la précipitation de carbures de vanadium quand l’alliage d’acier contient une quantité suffisante de vanadium. Dans de tels modes de réalisation, l’alliage d’acier comprend de 0,65 à 1,2% en poids de V. L’alliage peut alors avoir une microstructure comprenant à la fois des précipités riches en niobium et riches en vanadium.
La composition d’alliage d’acier peut en outre être définie par le Niéq et le Créq. En particulier, le Niéq est défini comme Ni + Co + 0,5Mn + 30C et peut habituellement aller de 10 à 11,5, de préférence 10,2 à 11,3, mieux 10,2 à 11,1, mieux encore 10,4 à
11. De même, le Créq est défini comme Cr + 2Si + 1,5Mo + 5V et peut habituellement aller de 17,8 à 20, de préférence 18 à 19,7, mieux 18,2 à 19,6, mieux encore 18,5 à 19,4.
Comme indiqué ci-dessus, la composition d’acier peut éventuellement comporter un ou plusieurs des éléments suivants :
de 0 à 2,5 % en poids de cuivre, de 0 à 0,1 % en poids d’aluminium, de 0 à 250 ppm d’azote, et de 0 à 30 ppm de bore.
La composition d’acier peut éventuellement comporter jusqu’à 2,5 % en poids de Cu, par exemple de 0,01 à 0,5 % en poids de Cu. Le Cu augmente l’aptitude à la trempe et la résistance à la corrosion de l’alliage. Cependant, sa quantité doit être correctement contrôlée, car il s’agit d’un stabilisant de l’austénite. S’il est présent à des niveaux dépassant 0,3 % en poids, la teneur en Cu est liée à celle en Ni étant donné que le rapport de % en poids Cu/Ni est de préférence d’environ 2 (plus ou moins 0,2). Cela garantit que la fragilité à chaud est atténuée.
L’ajout de cuivre à la composition d’acier est peut-être moins souhaitable si l’on envisage la voie de traitement VIM-VAR, en raison de la forte pression de vapeur de l’élément. Cependant, dans les modes de réalisation où la composition d’alliage d’acier est traitée par VIM-ESR, l’ajout de cuivre peut être réalisé pendant le traitement ESR.
La composition d’acier peut éventuellement comporter jusqu’à 0,1 % en poids d’AI, par exemple de 0,005 à 0,05 % en poids d’AI, de préférence de 0,01 à 0,03 % en poids d’AI. L’AI peut servir de désoxydant. Cependant, l’utilisation d’AI nécessite des contrôles stricts de la production d’acier pour garantir la propreté, et cela augmente les coûts de traitement. Par conséquent, l’alliage d’acier ne comprend pas plus de 0,05 % en poids d’AI. Cependant, la teneur en Al doit être réduite à un niveau infime et de préférence maintenue à un minimum absolu si l’alliage est fabriqué par la voie de la métallurgie des poudres ou par formage par projection.
Dans certains modes de réalisation, de l’azote peut être ajouté, de sorte que l’alliage d’acier comprend de 50 à 250 ppm de N, de préférence de 75 à 150 ppm de N. La présence de N peut être bénéfique pour favoriser la formation de nitrures et/ou carbonitrures complexes. Dans d’autres modes de réalisation, il n’y a pas d’ajout délibéré de N. Néanmoins, l’alliage peut forcément encore comprendre jusqu’à ppm de N.
l’alliage est fabriqué par une voie de traitement VIM-VAR, la concentration d’AI peut se situer dans la gamme de 0,01 à 0,03 % en poids, par exemple, et la concentration de N peut se situer dans la gamme de 30 à 60 ppm. Les deux éléments aident à fixer les joints de grains d’austénite sous la forme de précipités de nitrure d’aluminium, garantissant ainsi une structure de grains plus fins qui est bénéfique pour les applications de roulement exigeantes.
La composition d’acier peut éventuellement comporter de 0 à 30 ppm de B. Du bore peut être ajouté, par exemple, quand on souhaite une aptitude accrue à la trempe.
On comprendra que l’alliage d’acier auquel il est fait référence dans les présentes peut contenir d’inévitables impuretés, bien qu’au total, il est peu probable que cellesci dépassent 0,3 % en poids de la composition. De préférence, les alliages contiennent d’inévitables impuretés dans une quantité ne dépassant pas 0,1 % en poids de la composition, mieux ne dépassant pas 0,05 % en poids de la composition. En particulier, la composition d’acier peut également comporter un ou plusieurs éléments constituant des impuretés. Une liste non exhaustive d’impuretés comporte, par exemple :
de 0 à 0,025 % en poids de phosphore de 0 à 0,015 % en poids de soufre de 0 à 0,04 % en poids d’arsenic de 0 à 0,075 % en poids d’étain de 0 à 0,075 % en poids d’antimoine de 0 à 0,01 % en poids de tungstène de 0 à 0,005 % en poids de titane de 0 à 0,002 % en poids de plomb
La composition d’alliage d’acier comprend de préférence peu ou pas S, par exemple de 0 à 0,015 % en poids de S.
La composition d’alliage d’acier comprend de préférence peu ou pas de P, par exemple de 0 à 0,025 % en poids de P.
La composition d’acier comprend de préférence < 15 ppm d’oxygène. L’oxygène peut être présent en tant qu’impureté. La composition d’acier comprend de préférence <
ppm de Ti. Le Ti peut être présent en tant qu’impureté. La composition d’acier comprend de préférence < 50 ppm de Ca. Le calcium peut être présent en tant qu’impureté.
Les alliages d’acier selon la présente invention peuvent être essentiellement composés des éléments indiqués. Par conséquent, on comprendra qu’en plus des éléments qui sont obligatoires, d’autres éléments non spécifiés peuvent être présents dans la composition, à condition que les caractéristiques essentielles de la composition ne soient pas matériellement affectées par leur présence.
Les alliages d’acier selon la présente invention ont de préférence une microstructure comprenant (i) de la martensite (habituellement de la martensite revenue), (ii) des carbures et/ou des carbonitrures, et (iii) éventuellement une certaine quantité d’austénite résiduelle. Un faible niveau d’austénite résiduelle est avantageux en ce qu’il améliore la stabilité dimensionnelle d’un composant de roulement. La microstructure peut aussi comprendre des nitrures. De plus, il est préférable qu’il y ait peu ou pas de la phase indésirable de ferrite δ dans la microstructure. On préfère un niveau < 10 %, de préférence < 3 %.
La structure des alliages d’acier peut être déterminée par des techniques conventionnelles de caractérisation microstructurale telles que la microscopie optique, la MET, la MEB, l’AP-FIM et la diffraction des rayons X, par exemple, y compris des combinaisons d’au moins deux de ces techniques.
L’invention va maintenant être décrite dans de plus amples détails, à titre d’exemple, en référence à un certain nombre de modes de réalisation non limitatifs d’alliages d’acier selon l’invention, en référence à un traitement thermique approprié pour les alliages d’acier, et en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
Les figures 1a, 1b
La figure 1c La figure 2 montrent respectivement des diagrammes de phase d’un premier et d’un deuxième exemple d’alliage d’acier selon la présente invention.
montre un diagramme de phase d’un alliage d’acier comparatif, est une micrographie de la microstructure d’un alliage d’acier selon la présente invention (échelle indiquée).
La figure 3 est un graphe décrivant les résultats d’un test de dureté Vickers effectué sur des échantillons constitués d’alliages d’acier selon l’invention et sur des échantillons de référence.
Exemples
La composition chimique d’un certain nombre d’exemples non limitatifs d’alliages d’acier inoxydable selon l’invention est donnée dans le tableau 1.
Elément C Cr Mo V Ni Co Si Mn Nb Cr éq. Ni éq. PREN (cœur)
Exemple 1* 0,08 12,1 2,5 0,5 1,0 7,2 0,16 0,47 0,03 18,7 10,8 20,4
Exemple 2 0,07 11,0 3,5 0,5 1,0 7,25 0,15 0,45 0,04 19,1 10,6 22,6
Exemple 3 0,07 12,0 2,5 0,5 1,8 6,5 0,15 0,45 0,02 18,6 10,6 20,3
Exemple 4 0,05 11,0 3,5 0,5 0,5 8,5 0,15 0,45 0,03 19,1 10,9 22,6
Exemple 5 0,07 11,0 1,8 1,0 0,5 8,0 0,2 0,65 0,03 19,0 10,9 16,9
Tableau 1 : composition chimique de cinq aciers inoxydables selon l’invention. Toutes les quantités sont en % en poids. Le reste est du fer, ainsi que toutes les impuretés inévitables.
*Dans l’exemple 1, l’alliage contient également 0,026 % en poids d’AI, 0,02% en poids de N et < 0,005 % en poids de Cu.
Les aciers inoxydables selon la présente invention sont conçus pour la fabrication de composants de roulement, en particulier de bagues de roulement, qui sont soumises à une cémentation. La cémentation peut être réalisée par carburation, carbonitruration ou une combinaison des deux pour de plus grandes profondeurs de cémentation, de préférence à une pression réduite (inférieure à la pression atmosphérique), généralement après une étape de pré-oxydation appropriée. Par exemple, des composants de roulement propres peuvent être chauffés dans l’air à 875 à 1050 °C pendant 1 heure, puis refroidis à l’air. La carburation peut être effectuée à une température dans la gamme de 870 à 950 °C dans un milieu contenant du carbone. Ces traitements de carburation sont conventionnels dans le métier et garantissent un enrichissement suffisant en carbone dans la couche cémentée carburée, de telle sorte qu’il y a un AMs (de l’austénite) approprié entre le cœur et la couche cémentée. Ceci garantit à son tour le développement d’un profil de contrainte de compression résiduelle bénéfique sur l’épaisseur de la couche cémentée et vers le cœur du composant de roulement.
Après carburation ou carbonitruration superficielle, ou la combinaison des deux, les composants de roulement sont habituellement traités thermiquement et revenus. Après le premier revenu, les pièces peuvent être congelées à cœur puis de nouveau revenues. A nouveau, ces traitements sont conventionnels dans le métier.
Le traitement thermique consiste en une austénitisation, par exemple à environ 1100 °C, suivie d’une trempe en bain d’huile ou en atmosphère gazeuse. Le revenu peut être double, ou si nécessaire même triple ou plus, avec des traitements par le froid entre les étapes de revenu.
Les figures 1a et 1b montrent respectivement un diagramme de phase pour un alliage d’acier avec une composition selon les exemples 4 et 5 du tableau 1. Comme on peut le voir, la formation de la phase de ferrite δ est évitée pendant la stabilisation à 1200 °C. La figure 2 montre une micrographie d’un alliage d’acier avec une composition selon l’exemple 1 du tableau 1, l’alliage ayant été laminé à chaud et homogénéisé. Comme on peut le voir, l’alliage présente une structure de grains fins et seules de petites quantités (cest-à-dire < 10 %) de ferrite delta (gris foncé) sont présentes après homogénéisation à 1150 °C pendant 24 heures. La taille mesurée des grains de la ferrite delta est en moyenne de 28 pm, avec un écart type de 16 pm. La phase prédominante est la martensite.
Comme indiqué ci-dessus, pour éviter une croissance excessive des grains d’austénite pendant la carburation superficielle ou le traitement thermique, une petite quantité de Nb, de 0,02 - 0,06 % en poids, est ajoutée. Contrairement aux compositions connues, l’ajout de niobium se traduit par la précipitation de précipités riches en niobium, qui sont efficaces pour affiner les grains d’austénite pendant les traitements à haute température. Les diagrammes de phase des figures 1a et 1b montrent que des précipités riches en Nb sont formés.
En outre, le niobium, conjointement avec l’ajout de vanadium, facilite la précipitation de précipités riches en vanadium qui répondent à la même finalité que les précipités riches en niobium. Le diagramme de phase pour l’alliage d’acier de l’exemple 5 (figure 1b) montre qu’à la fois des précipités riches en Nb et riches en V sont formés. La présence de deux types différents de précipités améliore vraisemblablement l’affinement des grains d’austénite, se soldant ainsi par un acier plus résistant.
En comparaison, la figure 1c montre un diagramme de phase pour un alliage d’acier avec une composition similaire à celle de l’acier inoxydable Pyrowear® 675, comprenant: 13% en poids de Cr, 1,8% en poids de Mo, 0,8% en poids de V, 2,6 % en poids de Ni, 5,4 % en poids de Co, 0,4 % en poids de Si et 0,65 % en poids de Mn et de Fe. La composition diffère de l’acier inoxydable Pyrowear® 675 classique en ce qu’elle a une teneur supérieure en vanadium (la composition classique comprend 0,6 % en poids de vanadium). Comme on peut le voir, la stabilisation à 1200 °C conduit à la formation d’une certaine quantité de la phase indésirable de ferrite delta. Il n’y a pratiquement pas de formation de précipités riches en V.
Les compositions d’alliage d’acier de l’invention présentent également une dureté supérieure. La figure 3 montre un graphe des résultats d’un test de dureté Vickers réalisé conformément à la norme ISO 6507-1 effectué sur des échantillons A et des échantillons B préparés à partir d’alliages d’acier inoxydable avec une composition selon l’invention et sur des échantillons de référence constitués de Pyrowear® 675. La composition des échantillons était comme suit :
C Si Mn Mo Ni V Co Nb
Echantillons A 0,054 0,16 0,47 11,19 3,46 0,51 7,18 0,033
Echantillons B 0,050 0,21 0,68 11,45 1.82 1,01 8,06 0,034
Echantillons de 0,070 0,40 0,65 13,0 2,6 0,6 5,4 -
référence
Ouantités en % en poids. Le reste est du fer, ainsi que toutes les impuretés
inévitables.
Les alliages d’acier utilisés pour préparer tous les échantillons ont été traités thermiquement de la même manière :
• carburation à basse pression à une température de 890 - 980 °C ;
• austénitisation à une température de 950 - 1150 °C, suivie d’une trempe ;
• revenu à une température de 450 - 550 °C ;
• traitement par le froid à une température inférieure à -120 °C ;
• deux autres revenus à une température de 450 - 550 °C.
Dans le graphe de la figure 3, la ligne du haut 301 représente la dureté Vickers mesurée pour les échantillons A ; la ligne du milieu 302 représente la dureté Vickers mesurée pour les échantillons B ; et la ligne du bas 303 représente la dureté Vickers mesurée pour les échantillons de référence. Comme on peut le voir, les échantillons constitués d’alliages inoxydables de l’invention ont une dureté superficielle supérieure à celle des échantillons de référence.
Les alliages d’acier inoxydable de l’invention peuvent être produits, par exemple, par un traitement de double fusion sous vide VIM-VAR, par un traitement VIM-ESR, par une voie de traitement de la métallurgie des poudres (PM), ou par formage par projection. En outre, si une quantité délibérément élevée d’azote est souhaitée dans la composition d’alliage substrat, on peut alors utiliser les traitements VIM ou P-ESR.
De plus, l’alliage de cœur, en raison de sa faible teneur en carbone, peut également être imprimé en 3D. Il s’agit de techniques de fabrication conventionnelles. La teneur en Al est réduite à un niveau infime et de préférence maintenue à un minimum dans la variante PM ou de l’alliage formé par projection. Pour la variante VIM-VAR, la concentration d’AI peut se situer dans la gamme de 0,01 à 0,03 % en poids. La concentration de N peut se situer dans la gamme de 30 à 60 ppm. Les deux éléments aident à fixer les joints de grains d’austénite sous la forme de précipités de nitrure d’aluminium, garantissant ainsi une structure de grains plus fins qui est bénéfique pour les applications de roulement exigeantes.
Le traitement de forgeage des articles en acier est contrôlé de telle sorte que les tailles de grains sont suffisamment fines pour que le traitement de carburation consécutif ne se solde pas par la formation de carbures à joints de grains excessivement grands. Par exemple, les tailles de grains peuvent habituellement aller de 30 à 65 pm.
Pour une résistance exceptionnelle à la fatigue par contact de roulement, les composants de roulement cémentés et revenus peuvent être soumis à une nitruration ou boruration de surface, par exemple, pour augmenter encore la dureté de surface des composants de roulement. Ce traitement est particulièrement applicable à la dureté de surface des chemins de roulement. Ainsi, dans un mode de réalisation préféré, une fois qu’une surface du composant de roulement a été carburée superficiellement, la surface peut être soumise à un traitement de nitruration de surface pour améliorer encore les propriétés mécaniques de la couche superficielle.
L’alliage d’acier ou le composant de roulement peut être soumis à une technique de finition de surface. Par exemple, un brunissage, suivi si nécessaire d’un revenu et d’un refroidissement à l’air. Ensuite, l’alliage d’acier ou le composant de roulement peut être fini au moyen d’opérations de tournage dur et/ou de finition telles qu’un meulage, un rodage et un pierrage.
Les opérations de brunissage et de revenu peuvent faire augmenter la limite d’élasticité des zones affectées avec une amélioration significative de la dureté et de la contrainte de compression résiduelle, et une meilleure résistance à la fatigue par contact de roulement.
La description détaillée précédente a été donnée à titre d’explication et d’illustration, et n’est pas destinée à limiter la portée des revendications annexées. De nombreuses variantes dans les modes de réalisation actuellement préférés illustrés dans les présentes apparaîtront à l’homme du métier, et restent dans la portée des revendications annexées et de leurs équivalents.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS :
    1. Alliage d’acier pour un roulement, l’alliage ayant une composition comprenant :
    de 0,04 à 0,1 % en poids de carbone, de 10,5 à 13 % en poids de chrome, de 1,5 à 3,75 % en poids de molybdène, de 0,3 à 1,2 % en poids de vanadium, de 0,3 à 2,0 % en poids de nickel, de 6 à 9 % en poids de cobalt, de 0,05 à 0,4 % en poids de silicium, de 0,2 à 0,8 % en poids de manganèse, de 0,02 à 0,06 % en poids de niobium, de 0 à 2,5 % en poids de cuivre, de 0 à 0,1 % en poids d’aluminium, de 0 à 250 ppm d’azote, de 0 à 30 ppm de bore, et pour le reste du fer, ainsi que toutes les impuretés inévitables.
  2. 2. Alliage d’acier de la revendication 1, comprenant de 0,05 à 0,09 % en poids de carbone, mieux de 0,06 à 0,08 % en poids de carbone, mieux encore environ 0,07 % en poids de carbone.
  3. 3. Alliage d’acier de la revendication 1 ou la revendication 2, comprenant de 10,7 à 12,7 % en poids de chrome, mieux de 11 à 12,5 % en poids de chrome.
  4. 4. Alliage d’acier de l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant de 1,65 à 3,6 % en poids de molybdène.
  5. 5. Alliage d’acier de l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant de 0,4 à 1,1 % en poids de vanadium, mieux de 0,5 à 1,1 % en poids de vanadium.
    5
  6. 6. Alliage d’acier de l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins 0,65 % en poids de vanadium.
  7. 7. Alliage d’acier de l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant de 0,3 à 1,9 % en poids de nickel, de préférence de 0,4 à 1,9 %
    10 en poids de nickel, mieux de 0,5 à 1,8 % en poids de nickel.
  8. 8. Alliage d’acier de l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant de 6,5 à 7,7 % en poids de cobalt, mieux de 7 à 7,5 % en poids de cobalt.
  9. 9. Alliage d’acier de l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant de 0,05 à 0,3 % en poids de silicium, mieux de 0,15 à 0,25 % en poids de silicium.
    20
  10. 10. Alliage d’acier de l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant de 0,3 à 0,7 % en poids de manganèse, mieux de 0,4 à 0,6 % en poids de manganèse.
  11. 11. Alliage d’acier de l’une quelconque des revendications précédentes,
    25 comprenant de 0,02 à 0,04 % en poids de niobium.
  12. 12. Composant de roulement constitué de l’alliage d’acier de l’une quelconque des revendications 1 à 11, une surface du composant de roulement étant carburée et/ou carbonitrurée superficiellement.
  13. 13. Roulement comprenant un composant de roulement selon la revendication 12, le composant de roulement étant formé par au moins un élément parmi une bague intérieure, une bague extérieure, ou un élément roulant du roulement.
    5
  14. 14. Roulement de la revendication 13, le composant de roulement étant une bague intérieure et une bague extérieure, et le roulement comprenant en outre des éléments roulants constitués d’un matériau céramique.
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