LU82061A1 - Acier a coupe rapide du type tungstene,contenant du vanadium et produit selon la metallurgie des poudres - Google Patents

Description

D. Bo.927 “Γ ^ Λ Λ A GRAND-DUCHÉ DE LUXEMBOURG Brevet N» .....g.....£ Q | du 7. ... j anvier 19..8.Q..... Monsieur le Ministre

de l’Économie Nationale et des Classes Moyennes « Service de la Propriété Industrielle LUXEMBOURG

Demande de Brevet d’invention I. Requête .......ia....s.QCi.êtê....di.t.e..î......CRUCIBLE.....INC ♦. Parkway West and Route.....60,............w .......P.*.Q*.....Box.....8.8.,......â....BI.TT£BÜ.RSH.,....la,......1523ο.,......foaSrigne,...........

........repr&sBiLfcée„.p.ar.^MQnslatt.£-..-Jacgu.ts....de....Muyser,.....agissant en........................(2) ........qualité.....de....mandafcaire......................................................................................................................................................................................

dépose........ ce ........SSpfc.....jjSUMdLSHE.....lÂS.Q.jaiftftfere^Vingt................................................................(3) à............15......... ... heures, au Ministère de l’Économie Nationale et des Classes Moyennes, à Luxembourg : 1. la présente requête pour l’obtention d’un brevet d’invention concernant : ........"Acier.... à ...coupe.....raplde.....d».....1;yp.e....^un.g.3.feine.,.....contenant du vana-......(4) .............dlnia..At^pgQdnlt....3.elQa....la....métallurgie.....des.....poudres"..............................................„ déclare, en assumant la responsabilité de cette déclaration, que P(es) inventeurs) est (sont) : .........voir.....au.v.ersQ.....................................................................................................................................................................................................® 2. la délégation de pouvoir, datée de.......B.ï.ï5?SB0RGK................... le 1.3.....^PY®5i^.Ç®.....l.?..7?.

3. la description en langue.............f rançaise.............................. de l’invention en deux exemplaires ; 4.............4................. planches de dessin, en deux exemplaires ; 5. la quittance des taxes versées au Bureau de l’Enregistrement à Luxembourg, le..........7.....janvier...198 a..........................................................................................................................................................................................................

» revendique pour la susdite demande de brevet la priorité d’une (des) demande(s) de • (6)...........................brevet______________________________________dêposée(s) LnL(7) Unis.,.d_Amérique.............._ le...........l...ml....l92S...________.(No,.......35....6.52)________________ (8) au nom de .....S.....inventeurs.................................................................................................... (9) élit domicile pour lui (elle) et, si désigné, pour son mandataire, à Luxembourg ........................................

..........3.5.,.....blcL*.....Boval......................................................................................................................................................................................................dO) sollicite la délivrance d’un brevet d’invention pour l’objet décrit et représenté dans les annexes .susmentionnées, — avec ajournement de cette délivrance à .. .............LL.................. .....mois.

te .XiBanfeataitee.........V...........i....... } \_· x.^. ' Π. Procès-verbal de Dépôt

La susdite demande de brevet d’invention a été déposée au Ministère de l’Économie Nationale et des Classes Moyennes, Service de la Propriété Industrielle à Luxembourg, en date du : 7 janvier 198o rî. ^ Pr. le Ministre de 4’è\onomie Nationale ât dès Classes Moyennes, %\ E. Λ il 1' CUC \$ 1:1 5/ r\ A 6200" ; ir fît Nom. prénom, firme, adresse — (Zi s'il v s lie! .«représenté car an.i agissant en cuaîité rie mandataire — f2i date du 1. - Walter Thomas HASWELL, 434o Barker Hill Road, à JAMESVILLE, * New-York 13o78f Etats-Unis d'Amérique 2. - William STASKO, 3536 York Street, à MUNHALL, Pa, 1512o,

Etats-Unis d'Amérique 3. - Frank Robert DAX, 1435 Spreading Oak Drive, à PITTSBURGH, Pa, 1522o, Etats-Unis d'Amérique D. 50.927

REVENDICATION DE LA PRIORITE

de la demande de brevet /

';j ‘ JÉri Aux ETATS-UNIS D'AMERIQUE

Du 3 MAI 1979 i · _ ! Mémoire Descriptif iti ;| déposé à l'appui d'une demande de

? BREVET D’INVENTION

lÿ , au ί Luxembourg 1 ii

If! il au nom de : CRUCIBLE INC.

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(;· j ü ï pour: "Acier à coupe rapide du type tungstène, contenant du ¥ vanadium et produit selon la métallurgie des poudres".

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! i ! jl ' L'ir.vention est relative à un acier h couoe r api Ce du type tungstène, contenant du vanadium et produit selon la métallurgie des poudres.

Dans les applications de coupe rapide où une résistance 5 à l'usure et une dureté supérieures sont nécessaires à une haute température, il est d'usage d'employer des aciers d'une hante teneur en cobalt. Plus spécifiquement, pour ce but, des teneurs en cobalt de l'ordre de 5% et de 12% au maximum sont habituellement utilisées. Le vanadium est aussi présent pour la résistance à 10 l'usure, typiquement selon un ordre d'environ 1 à 5%‘. Les carbures de vanadium procurent la résistance à l'usure désirée, même aux températures extrêmement élevées et le cobalt contribue notablement à maintenir la dureté à ces températures extrêmement élevées.

' Le coiût du cobalt, qui a été typiquement un additif d'al- 15 liage relativement coûteux, a augmenté très récemment de plus de cinq fois, ce qui a fait hausser largement le coût des aciers à coupe rapide exigeant une grande teneur en cobalt pour conserver les propriétés aux hautes températures.

Par conséquent, le but principal de la présente ir.ven-20 tion est de prévoir un acier à coupe rapide, produit par la métallurgie des poudres, ne contenant pas de cobalt ou relativement peu de cobalt et caractérisé par une dureté et une résistance à l'usure aux températures de travail extrêmement élevées, semblables ou supérieures à celles ces alliages classiques contenant ces quan-25 tités typiques de cobalt de 5 et 8%, par exemple.

Ce but et d'autres objectifs de l'invention, ainsi qu'une compréhension plus complète de celle-ci se dégagent nettement ce la description ci-après, d'exemples spécifiques et des dessins où : ' la figure 1 montre les caractéristique:, ce dureté à chaud 30 d'un acier conforme à l'invention, en comparaison avec des aciers classiques contenant 5 et 8% de cobalt; la figure 2 est un graphique montrant l'effet de- le ''."aria— tion ces équivalents en tungstène sur la dureté; la figure 3 est un graphique montrant l’effet de 1s teneur 35 en carbone sur la dureté a ces niveaux divers d'équivalence en tungstène; et la figure 4 est un çrapniqug montrant les duretés cite''—.es avec un alliage d'une teneur en vanadium relativement basse {environ VÀ V), mais où l'équivalent en tunsgtène est conforme a le pré-péü sente invention.

n ~ l· 12

Dans les grandes lignes, au cours de la mise en oeuvre ^ de la présente invention, on a découvert qu'en augmentant 1' "équi valence en tungstène" d'un acier à coupe rapide, contenant 1 à 6% * environ de vanadium jusqu'à un niveau plus élevé que le niveau | 5 classique, il est possible d'atteindre des duretés accessibles et jj des duretés à chaud caractéristiques d'alliages par ailleurs simi- il laires contenant nominalement 5 et 8¾ de cobalt. Une illustration i de -cette caractéristique de dureté à chaud d'un acier conforme à î l'invention est donnée à la figure 1 qui compare la dureté de cet î| 10 acier à une température élevée à celle d'aciers pour des outils à j coupe super-rapide, contenant 5 et 8/0 de cobalt et disponibles '! dans le commerce (CPM T15 et CPM M42 respectivement). Les détermi nations de la dureté à chaud ont été effectuées au moyen d'un appareil de mesure de la dureté Rockwell qui a été modifié pour une 15 utilisation à une température élevée par l'addition d'un four con-| tenant une atmosphère inerte et des mâchoires endentées d'une lon- ij gueur étendue, garnies de diamants aux extrémités. Le four est !j monté sur une coulisse latérale qui permet l'emplacement précis i des dentures de dureté sur 1'échantillon. Un dispositif indicateur > 20 externe marque l'emplacement des dentures antérieures sur l'échan tillon, sur un papier a dessin pour éliminer l'interférence parmi les différentes dentures. La température d'essai est mesurée à l'aide d'un thermocouple soudé par points à la surface de l'échantillon. La dureté de 1'échantillon est prise à la température am-j , 25 biante avec les mâchoires endentées étendues dans l'ensemble à haute température et est comparée aux lectures de dureté obtenues sur le même échantillon en utilisant l'essai normal établi dans un autre appareil de mesure de la dureté. Si un écart de 0,5 Rockwell est obtenu entre les lectures prélevées sur les deux appareils ce | 30 mesure, le four est activé et l'échantillon est chauffé à la tlus | basse des températures élevées spécifiées. L'échantillon est m*in- | tenu à la température pendant 15 minutes, eine lectures de d„- ‘ reté sont prélevées, l'échantillon est chauffé i la temoératur·; } d'essai suivante désirée et le procédé est répété. A le ficure ' ! 35 les lectures moyennes résultantes de duret-- Rocuwel! cour I * acte'' conforme à l'invention et les aciers contenant 5 et fd ce c'n'* et disponibles dans le commerce montrent eue les trois acicr- c-” f des caractéristiques comparables ce dureté à la température élevée, j Si une durete supplémentaire a la température élevés est 40 une addition optionnelle de cobalt raseraΊ un maximum de r«ut /* 3 . être prévue. Au surplus, un renforcement est obtenu en agissant de façon que le carbone de matrice soit présent en une quantité excédant celle nécessaire à la combinaison avec le vanadium. 3ien qu’il soit connu d'utiliser du tungstène et/ou du molybdène dans 5 des aciers à coupe rapide, l'effet de ceux-ci a consisté à se combiner avec le carbone présent pour former les carbures de ces éléments. D'autre part, le cobalt affecte l'alliage, spécifiquement sa dureté aux températures élevées, par exemple, la dureté a chaud ou au rouge, selon un mécanisme différent. Dès lors, bien que tant 10 le tungstène et/ou le molybdène que le cobalt sont, comme on le sait, utilisés dans des aciers à coupe rapide, on n'a pas reconnu jusqu'ici que le tungstène e^ou le molybdène peuvent être substitués au cobalt dans le but de conférer une dureté au rouge aux * aciers à coupe rapide.

15 En outre, en ce qui concerne l'invention, la composition principale conformément à celle-ci est la suivante, en pour-cent en poids, carbone minimum 0,60 + 0,20 x pour-cent de vanadium et maximum 1,2 + 0,20 x pour-cent de vanadium, manganèse 1,25 maximum, silicium 1,25 maximum, chrome 3 à 5, équivalent en tunsgtène 22 à 20 29, de préférence 24 à 27, vanadium environ 0,8 à 6, le reste étant du fer. Une composition préférée est donnée ci-dessous, en pourcent en poids, carbone minimum 0,60 + 0,20 x pour-cent de vanadium et maximum 1,2 + 0,20 x pour-cent de vanadium, manganèse 1,25 maximum, silicium 1,25 maximum, chrome 3 à 5, équivalent en tungstène 25 22 à 29, de préférence 24 à 27, vanadium 3 à 6, le reste étant du fer. Les alliages conformes à l'invention ont une dureté accessible d'au moins 6? Rc lorsqu’ils sont austénisés et trempés trois fois à 552°C. De plus, le cobalt peut être présent jusqu'à 3% au • maximum et 4% au maximum de colombium peuvent être présents, la 30 somme de vanadium et de colombium n'excédant pas 6^. Si le colombium est inclus dans l'alliage, un facteur d'équilibre de carbone de 0,13 x pour-cent de colombium est utilisé.

A titre d'exemple spécifique et de démonstration de I 'invention, les compositions mentionnées au tableau 1 sont rréo-réas 35 st vérifiées en ce qui concerne la dureté, comme exoosé a ce tableau I.

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Par l’expression "équivalent en tungstène" utilisée dans le présent mémoire, on entend la teneur en tungstène plus deux fois la teneur en molybdène, si bien que l'effet produit par le tungstène est doublé de moitié par le molybdène. La teneur en carbone de 10 matrice est le pourcentage de carbone présent en plus de celui nécessaire à la réaction avec le vanadium et le colombium, et d'autres éléments formant des carbures primaires, pour engendrer des carbures. Environ 0,2% de carbone est nécessaire dans ce but pour chaque pour-cent de vanadium présent dans l'alliage et, par conséquent, 15 la teneur en carbone est définie par les formules minimum 0,60% de C + 0,20 x pour-cent de vanadium et maximum 1,2% de C + 0,20 x pourcent de vanadium.

Comme le montrent les données du tableau I et de la figure 2 des dessins qui concernent la dureté accessible et la dureté amrès 20 une exposition de deux heures à 649°C et une seconde exposition de deux heures à 649°C, la dureté à l'état traité à chaud pour les alliages conformes à l'invention, à savoir IL 36, IL42, IL43, IL46 et IL 47, est comparable ou légèrement supérieure à celle de l'alliage classique T15 contenant nominalement 5% de cobalt. Pour ar.a-25 lyser l'effet de 1'équivalence en tungstène sur les caractérisricues de la dureté, il a été nécessaire de compenser l'effet des variations de la teneur en vanadium au-delà du niveau de 5% de vanadium, conformément à l'invention, et des compositions d'alliages de l'invention à haute teneur en vanadium en réglant les teneurs réelle en carbone par un facteur de 0,2 (teneur en V -5%). Le tableau 1 tient une indication sur le carbone réglé, utilisés pour établi^ le^ figures 2 et 3. Les alliages de l'invention, cvi font nette~~‘-r paraître des caractéristiques de dureté comparables à celles ~~ l’alliage T15 contenant 5% de cobalt, sont: ceux qui sont exe-r-- -=.-. 35 cobalt et qui ont des équivalents en tune 29%, conformément à l'invention. Pareillement, aucun cobalt prêsent dans ces alliages. Toutefois, il faut noter que, άηη~ * alliages IL35 et IL39 dont les équivalents en tungstène sont 14,88% et 17,88% respectivement, les valeurs de cureté, comme re-/ 40 présenté à la figure 2, sont inférieures à celles des alli^^== 6 • cités rentrant dans le cadre de l’invention. Tous les alliacés ren dus par le graphique, sauf le CFM T15, ont des équivalents en car- I' bone réglés de l‘ordre de 1,68 à 1,73/». Des résultats semblables sont donnés à la figure 3 où l'équivalent en carbone est réglé à 5 un niveau de 5% de vanadium. De nouveau, des alliages tels que IL42 et IL43 dont les équivalents en tungstène rentrent dans le cadre de l'invention, font apparaître une dureté accessible et un maintien de dureté supérieurs par rapport aux alliages IL35 et IL39 dont les équivalents en tungstène sont d'environ 15 et 18;0 respectivement 10 et qui se situent è l'extérieur du cadre ce l'invention. Par conséquent, il appert que l'effet de l'équivalence en tungstène par rapport à la dureté accessible est efficace aux divers niveaux d'équivalence en carbone rentrantdans le cadre de l'invention.

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i S 8 ί * Les données du tableau II et de la figure 4 montrent que la limite d'équivalence en tungstène de 22 à 29/=, conformément à l'invention, est critique au point de vue du maintien de la dureté, même à de plus basses teneurs en vanadium d'environ 0,8*=. Plus 5 spécifiquement, dans les aciers IL51 et IL52, le vanadium est à 1% 5 environ; néanmoins, on démontre l'effet concernant le maintien de | la dureté après l'exposition à la température élevée, grâce à un (équivalent en tungstène rentrant dans les limites de l'invention.

L'équivalence en tungstène au-delà des limites de l'invention, à 10 savoir 29% environ, n'apporte pas un avantage important au maintien de la dureté et s'ajoute au coût de l’alliage. La présence de vanadium dans les limites de l'invention est nécessaire naturelle-I ment dans le but de conférer à l'alliage la résistance nécessaire :j ‘ à l'usure. Un autre élément qui forme un carbure dur similaire et 15 qui peut conférer une résistance à l'usure à l'alliage de l'inven-I tion, est le colombium. L'addition de colombium a l'alliage de l'invention peut avoir lieu en utilisant cet élément comme un sub-! stituant partiel du vanadium, ce qui favorise l'obtention de la dureté accessible et le maintien de la dureté, comme le montre la : 20 figure 4. L'alliage de la présente invention peut en outre être modifié par des additions relativement petites de cobalt à sa composition en vue d'accentuer les caractéristiques de dureté accej sible et de maintien de la dureté. A titre d'exemple, l'addition dt 1% de cobalt à un alliage d'une équivalence en tungstène de 25,12%, 25 à savoir l'alliage ÏL57, a conduit à une augmentation de 3 points Rockwell environ du maintien de la dureté après une exposition à 649°C pendant 2 + 2 + 2 h, comme le montre la figure 4.

Eu égard à la haute teneur en carbures de l'alliage de l'invention, il est nécessaire que ces carbures soient petits, ho-30 mogènes et uniformément dispersés dans la matrice de l'acier. Au-I trement, l'alliage n’a pas la ténacité requise pour une utilisatio] dans des applications de coupe rapide. Par conséquent, 2'alliacé est produit par des technioues de la métallurgie ces poudres. Le préférence, l'alliage est produit Par la te chut tue bien connut tvn 35 consiste à atomiser, en présence ce gac, un flux fondu d'alliage pour former une cnarce Particulaire c'alliage oui est rapidement ! refroidie. Cette charge particulaire est ensuite densifiée par l’u· ne quelconque des techniques bien connues, convenant à ce but, de la métallurgie des poudres, telles eue la compression isostatique 40 à chaud.

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Claims (4)

9 «

1. Acier à coupe rapide du type tungstène., contenant du vanadium, produit selon la métallurgie des poudres et se composant essentiellement, en pour-cent en poids, de carbone au r.ini- 5 mum de 0,60% + 0,20 x pour-cent de vanadium + 0,13 x pour-cent de colombium et au maximum de 1,2% + 0,20 x pour-cent de vanadium + 0,13 x pour-cent de colombium, de manganèse 1,25 au maximum, de silicium 1,25 au maximum, de chrome 3 à 5, de vanadium + colombium 0,8 à 6, le colombium ne dépassant pas 4% et le reste étant eu 10 fer, caractérisé en ce que l’acier a un équivalent en tungstène de . 22 à 29% et en ce que la dureté accessible est d’au moins 67 xc lorsqu’il est austénisé et trempé trois fois à 552°C.

2. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend 3% de cobalt au maximum.

3. Acier à coupe rapide du type tungstène, contenant du vanadium, produit selon la métallurgie des poudres et se composant essentiellement, en pour-cent en poids, de carbone au minimum de 0,60/o + 0,20 x pour-cent de vanadium + 0,13 x Pour—cent de colombium et au maximum de 1,2% + 0,20 x pour-cent de vanadium + C.13 x 20 pour-cent de colombium, de manganèse 1,25 au maximum, de silicium 1.25 au maximum, de chrome 3 à 5, de vanadium + colombium 3 à 6, le colombium ne dépassant pas 4% et le reste étant du fer, caracté' risé en ce que l'acier a un équivalent en tungstène de 22 à 2?% et en ce que la dureté accessible est d'au moins 67 Rc lorsqu’il est *25 austénisé et trempé trois fois à 552°C.

4· A.'-ier sej.on —a revendication 3, caractérisé en ce qu’il comprend 3% de cobalt au maximum. P· Λ-ier a coupe rapide du type tunestène, contenant du vanadium, produit selon la métallurgie des poudres et se cornue~ar-30 essentiellement, en pour-cent en poids, de carbone au minimum de 0,60 + 0,20 x pour-cent de vanadium + 0,12 >: pour-cent de colombium et au maximum de 1,2% + 0,20 x pour-cent c= v^dium - c, pour-cent de colombium, de manganèse 1,25 au maxi-un., de siliciu” 1.25 au maximum, de chrome 3 à 5, de vanad-W- * - ? . 35 6, le colombium ne dépassant pas ne, et le reste £r?rt du fer. caractérisé en ce que l’acier a un esuivaient en ~vnc~tène de lu 1 27% et en ce eue la cureté accessible est γ- - ou'il est austénisé et trempé trois -p-~ = rSo0r. / c j, caractérisé ~~ 4C qu’il cor.pq*eri- 3% -de cobalt au maximum.