WO1994009170A1 - Compositions d'aciers a outils - Google Patents
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- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
Definitions
- the present invention relates to a family of steels known as 3-5% by weight of chromium which are used for the manufacture of tools resistant to heat and under high stresses, such as stamping and forging dies and dies. pressure casting or static casting of various alloys such as aluminum or titanium alloys.
- Such steels generally contain from 3 to 5% by weight of chromium, although contents of 2 to 6% can be observed. More precisely, they essentially comprise three families of compositions which, although slightly different from each other, confer similar physical properties, so that these steel compositions are used for the same applications. These are compositions comprising, expressed by weight, of the order of
- a silicon content, hardening element, close to 1% by weight gives mechanical parts high strengths, of the order of 1800 MPa, or more. This resistance is not sought in the envisaged jobs of forging, except for very flat parts, and never in dies under aluminum pressure, for which a Rockwell C hardness (HRC) less than or equal to 48 is sufficient.
- HRC Rockwell C hardness
- the invention relates to two types of tool steel compositions.
- the first type of tool steel composition according to the invention comprises, expressed by weight
- the second type of tool steel composition according to the invention comprises, expressed by weight
- the balance consisting of Fe, usual additives and impurities.
- compositions provide homogenization of the annealing structure, which is all the more difficult to obtain when the section of the parts is larger, by suppressing the formation of more lerritic zones. rich in silicon, as well as primary carbons, the solution of which is always difficult.
- the lowering of the silicon content has little or no influence on the oxidation resistance of the steel, up to its maximum working temperatures, i.e. -to say in the field of forging (600-650o0.
- the homogeneity of macrostructure (less marked band structure) and microstructure are guarantors of good behavior in service, ie good characteristics with regard to toughness, mechanical fatigue, thermal fatigue.
- compositions according to the invention comprise 0.32 to 0.38, and in a particularly preferred manner, 0.34 to 0.36% by weight of C.
- a second main object of the present invention consists in a process for the preparation and shaping of steel having a composition in accordance with the above description, a process which comprises a reflow by consumable electrode under vacuum or by consumable electrode under slag or by these two combined means, the shaping being preferably carried out by thermomechanical transformation such as f ⁇ rgeage or rolling, or by molding.
- the method according to the invention also advantageously comprises
- the quenching is advantageously carried out between 250 and 280oC, that is to say below the Me point (Martensite start) in a fluid, for example a nitrate bath.
- At least two incomes are recommended, the first at the peak of secondary hardening (550 / 560o0, the second in the area of aging or "overaging", that is to say at a temperature greater than or equal to 570oC. the adjustment of the temperature of the second tempering which gives hardness to the treated product.
- a third object of the invention is a piece of steel of composition previously described, preferably manufactured according to a method also described above.
- Such parts are especially intended, suitably, for the manufacture of tools or mechanical parts working at high temperatures and under high stresses, and, in particular, forging, stamping, die casting or gravity dies.
- various light steels and alloys such as aluminum or zamak alloys or titanium alloys. The following examples illustrate the present invention.
- the characteristics of the steels according to the invention are slightly deficient.
- the differences are blurred.
- the values of the characteristics are identical from 500 / 550oC, that is to say in the field of industrial exploitation.
- the fracture energy (in joules) obtained by extrapolation for a crack depth tending towards zero, or zero crack energy - ECO -, is measured on the same steels as in the previous examples, using test pieces treated with level of 42 ⁇ 1 HRC.
- This test is used as a criterion to measure the sensitivity to cracking in the presence of a crack. It can be summarized as follows.
- the Charpy V test piece is pre-cracked at the bottom of the notch and broken after pre-cracking on a Charpy V sheep of 30 Joules.
- the zero crack energy represents the tear energy; it is always less than the breaking energy on a conventional uncracked test tube. The difference measures the plastic deformation energy located at the bottom of the notch.
- test pieces after treatment for a hardness of 42 HRC, have not undergone aging; some others have been aged for 50 hours at 550 ° C. These tests made it possible to assess the susceptibility to cracking which decreases when one progresses from shade 1 and 2 to shade 3 and finally to shade 4. Their results are given in table 5 below.
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Abstract
Composition d'acier à outils comprenant, exprimée en poids, 2,5 à 5,8 % de Cr, au plus 1,3 % de V, au plus 0,8 % de Si, lorsque la teneur en Mo est comprise entre 0,75 et 1,75 % et au plus 0,35 %de Si lorsque la proportion de Mo est de 2,5 à 3,5 %, 0,3 à 0,4% en poids de C. Procédé de préparation et de mise en forme de tels aciers. Pièces ainsi obtenues.
Description
COMPOSITIONS D'ACIERS A OUTILS
La présente invention concerne une famille d'aciers dits à 3-5% en poids de chrome qui sont utilisés pour la fabrication d'outillages résistant à la chaleur et sous fortes contraintes, tels que les matrices d'estampage et de forgeage et les matrices de coulée sous pression ou de coulée statique d'alliages divers comme les alliages d'aluminium ou de titane.
De tels aciers contiennent en général de 3 à 5% en poids de chrome, bien que des teneurs de 2 à 6% puissent être observées. Plus précisément, ils comprennent essentiellement trois familles de compositions qui, bien que différant légèrement les unes des autres, confèrent des propriétés physiques proches, de sorte que ces compositions d'aciers sont mises en oeuvre pour les mêmes applications. Il s'agit de compositions comprenant, exprimés en poids, de l'ordre de
5% de Cr, 1,3% de Mo, 0,5 à 1,3% de V, ou d'autre part,
3% de Cr, 3% de Mo, 0,5% de V, ou enfin,
5% de Cr, 3% de Mo, 0,8% de V.
Depuis plusieurs décennies, l'utilisation de ces aciers est généralisée dans les forges, pour la réalisation de pièces forgées ou matricées sur presses et sur pilons, et dans les fonderies d'alliages légers, par exemple pour la réalisation des matrices pour pièces moulées en aciers ou alliages légers destinées à l'automobile, telles que carters de boîtes de vitesses, d'embrayage ou de moteur.
Certains de ces aciers sont désignés dans la nomenclature des Etats-Unis d'Amérique AISI par les dénominations H 11, H 12, H 13, dans la nomenclature DIN par les dénominations W- 1.2343, W-1.2606 et W-1.2344. La norme française NFA 35590 définit également des compositions analogues.
Une teneur en silicium, élément durcissant, voisine de 1% en poids confère aux pièces mécaniques des résistances élevées, de l'ordre de 1800 MPa, ou plus. Cette résistance n'est pas recherchée dans les emplois envisagés de forge, sauf pour des pièces très plates, et jamais dans les matrices sous pression d'aluminium, pour lesquelles une dureté Rockwell C (HRC) inférieure ou égale à 48 est suffisante.
II est connu, en particulier pour les aciers dits à
3-5% de chrome, qu'un traitement thermique de recuit réussi implique de façon inéluctable un traitement thermique de qualité réussi. Ainsi, la finesse et l'homogénéité de la microstructure du produit fini traité pour emploi dérivent de celles observées après recuit. C'est pourquoi les professionnels utilisent couramment une charte de microphotographies de structures à l'état recuit, définissant les microstructures conformes et les microstructures non conformes.
Cet usage, généralise à l'heure actuelle, a progressivement figé les conditions d'élaboration, de transformation thermomécanique et de recuit. De plus, on s'est aperçu que l'affinage de la structure de recuit est conditionné par l'homogénéisation de la structure dans le domaine de l'austénite, ce qui impose d'éviter la présence de carbures primaires, et par la dispersion cohérente des précipites de oarbures sécondaires M23C6 (M = Cr, Fe, Mo, ... ) au cours des traitements thermiques ultérieurs.
La demanderesse a pu, d'autre part, montrer que certaines zones d'apparences plus grossières, parfois aiguillées d'allure bainitique, tout particulièrement sur les produits de forte section, présentent des teneurs plus élevées en silicium.
Partant de ces considérations fondamentales, des aciers aux structures de recuit homogènes convenables ont été mis au point.
A cet effet l'invention a pour objet deux types de compositions d'acier à outils.
Le premier type de composition d'acier à outils selon l'invention comprend, exprimés en poids
4,5 à 5,8% de Cr,
0,75 à 1,75% de Mo,
au plus 1,3%, et de préférence 0,25 à 0,50% de V, au plus 0,8%, et de préférence au plus 0,35% de Si, 0,3 à 0,4% de C, et en outre, le cas échéant,
au plus 0,8 de Mn, et/ou au plus 1,5% de W,
le complément étant constitué de Fe, d'additifs et impuretés habituels,
Hi constituant, éventuellement, une impureté, à raison de 0,5% au plus.
Le second type de composition d'acier à outils selon l'invention comprend, exprimés en poids
2,5 à 5,5% de Cr,
2,5 à 3,5% de Mo,
au plus 1,3% de V,
au plus 0,35% de Si,
0,3 à 0,4% de C, et en outre, le cas échéant,
au plus 5% de Co,
le complément étant constitué de Fe, d'additifs et d'impuretés habituels.
De telles compositions procurent une homogénéisation de la structure de recuit, d'autant plus difficile à obtenir que la section des pièces est plus importante, en supprimant la formation des zones lerritiques plus
riches en silicium, ainsi que lescarbures primaires dont la mise en solution est toujours difficile.
En outre, ces deux modifications n'occasionnent pas de révision importante de la gamme de traitement thermique dans les domaines d'utilisation: l'écart que l'on pourrait constater, sur les valeurs de résistance et de limite élastique peut facilement être compensé par un réglage de la température du deuxième revenu, qui est à la portée de tout spécialiste.
D'autre part, l'abaissement de la teneur en silicium n'a pas ou a peu d'influence sur la tenue à l'oxydation de l'acier, jusqu'à ses températures maximales d'emploi, c'est-à-dire dans le domaine de la forge (600-650º0. Par contre, l'homogénéité de macrostructure (structure en bandes moins marquée) et de microstructure sont des garants de bonne tenue en service, c'est-à-dire de bonnes caractéristiques en ce qui concerne la ténacité, la fatigue mécanique, la fatigue thermique.
Selon un mode de réalisation préféré, les compositions selon l'invention comprennent 0,32 à 0,38, et de façon particulièrement préférée, 0,34 à 0,36% en poids de C.
En outre, les proportions en phosphore, antimoine, étain et arsenic, exprimées en % en poids, satisfont avantageusement aux relations
- P ≤ 0,008 %,
- Sb ≤ 0,002 %,
- Sn ≤ 0,003 %,
- As ≤ 0,005 %,
- la valeur exprimée par la relation de Bruscato
B = (10 P + 5 Sb + 4 Sn + As) × 10-2
étant au plus égale à 0,10%.
Un second objet principal de la présente invention consiste en un procédé de préparation et de mise en forme d'acier présentant une composition conforme à la description qui précède, procédé qui comporte une
refusion par électrode consommable sous vide ou par électrode consommable sous laitier ou par ces deux moyens combinés, la mise en forme étant de préférence effectuée par transformation thermomécanique telle que fαrgeage ou laminage, ou par moulage. Le procédé selon l'invention comporte en outre avantageusement
- un traitement thermique complet par mise en solution à des températures comprises entre 950 et 1100ºC, de préférence entre 980 et 1010ºC, puis
- une trempe à l'air dans un fluide jusqu'à la température ambiante, ou une trempe étagée entre 250 et 450ºC, de préférence entre 250 et 280ºC, puis
- une série d'au moins deux revenus pour régler la dureté visée.
La trempe est avantageusement effectuée entre 250 et 280ºC, c'est-à-dire en-dessous du point Me (Martensite start) dans un fluide, par exemple un bain de nitrate.
Deux revenus au moins sont recommandés, le premier au pic de durcissement secondaire (550/560º0, le second dans le domaine de survieillissement ou "overaging", c'est-à-dire à une température supérieure ou égale à 570ºC. C'est le réglage de la température du deuxième revenu qui confère la dureté au produit traité.
Un troisième objet de l'invention est une pièce d'acier de composition précédemment décrite, de préférence fabriquée conformément à un procédé également décrit précédemment.
De telles pièces sont notamment destinées, de façon appropriée, à la fabrication d'outils ou de pièces mécaniques travaillant à hautes températures et sous fortes sollicitations, et, en particulier, matrices de forge, d'estampage, de coulées sous pression ou par gravité d'aciers et d'alliages divers légers tels qu'alliages d'aluminium ou de type zamak ou d'alliages de titane.
Les exemples suivants illustrent la présente invention.
Les propriétés mécaniques de deux aciers 3 et 4 selon l'invention, dont les compositions en % en poids sont consignées dans le tableau 1 ci-dessous, ont été comparées à celles des aciers 1 et 2 représentatifs de l'art antérieur, l'acier 1 étant l'acier DIN W-1.2343, l'acier 2 étant l'acier 1 ayant subi une refusion
Exemple 1
Pour les aciers 1, 2, 3 et 4, on a mesuré à différentes températures la résistance totale à la traction R (MPa), la limite élastique E (MPa) à 0,2% d'allongement, l'allongement A (%) et la striction
Z (%), après double revenu à 550-560ºC,
- pour un niveau de résistance totale à la traction de 1700-1800 MPa (tableau 2), et
pour un niveau de résistance totale à la traction de 1300-1400 MPa (tableau 3).
Pour le niveau de résistance totale à la traction de 1700-1800 MPa, les caractéristiques des aciers selon l'invention sont légèrement déficitaires. Pour le niveau de 1300-1400 MPa, les différences sont estompées.
Pour les deux niveaux, les valeurs des caractéristiques (traction rapide en température) sont identiques dès 500/550ºC, c'est-à-dire dans le domaine d'exploitation industrielle.
Il est à noter, de plus, que les caractéristiques mécaniques déficitaires dans certains cas, des aciers selon l'invention, sont cependant suffisantes en matière d'outillages, où des caractéristiques supérieures ne sont que rarement exigées.
Exemple 2
On procède, sur les aciers 1, 2, 3 et 4, à des essais de flexion en mesurant l'énergie de rupture (en joules) sur éprouvettes non criquées - ENC - de type Charpy V, c'est-à-dire sur éprouvettes à entaille en V, pour un niveau de résistance totale à la traction R = 1300*1400 MPa (42 ± 1 HRC). Les résultats sont consignés dans le tableau 4 ci-dessous.
On mesure, sur les mêmes aciers qu'aux exemples précédents, l'énergie de rupture (en joules) obtenue par extrapolation pour une profondeur de fissure tendant vers zéro, ou énergie de crique nulle - ECO -, au moyen d'éprouvettes traitées au niveau de 42 ± 1 HRC.
Cet essai sert de critère pour mesurer la sensibilité à la fissuration en présence d'une crique. On peut le résumer de la manière suivante.
L'éprouvette de Charpy V est préfissurée à fond d'entaille et rompue après préfissuration sur un mouton Charpy V de 30 Joules.
Après rupture, on peut caractériser sur la cassure, la profondeur initiale de la fissure de fatigue et celle de la rupture brutale. On démontre également qu'il y a proportionnalité entre énergies de rupture et surfaces de rupture.
La détermination de l'énergie de crique nulle se fait en extrapolant la droite mesurant l'énergie de rupture totale en fonction de la profondeur de préfissuration à partir du point (énergie 0/profondeur de crique = 8mm), jusqu'à profondeur de crique nulle, c'est-à-dire, jusqu'à l'axe des y.
L'énergie de crique nulle représente l'énergie de déchirure; elle est toujours inférieure a l'énergie de rupture sur éprouvette classique non criquée. La différence mesure l'énergie de déformation plastique localisée à fond d'entaille.
Certaines éprouvettes, après traitement pour une dureté de 42 HRC, n'ont pas subi de vieillissement; certaines autres ont subi un vieillissement de 50 heures à 550°C. Ces essais ont permis d'apprécier la susceptibilité à la fissuration qui, décroit quand on évolue de la nuance 1 et 2 a la nuance 3 et enfin à la nuance 4. Leurs résultats sont consignes dans le tableau 5 ci-dessous.
En particulier, on remarque que pour les éprouvettes en nuances 3 et 4, les valeurs de ENC et ECO sont très proches (et le rapport est voisin de 1 pour l'acier 4, ce qui implique que l'énergie de déformation plastique localisée à fond d'entaille est faible.
Après maintien prolonge 50 heures à 550º, le rapport ECO/ENC est moins favorable mais les valeurs de ECO, bien qu'amoindries, sont encore très élevées.
Claims
1.- Composition d'acier à outils comprenant, exprimés en poids,
4,5 à 5,8% de Cr,
0,75 à 1,75% de Mo,
au plus 1,3% de V,
au plus 0,8% de Si,
0,3 à 0,4% de C,
le complément étant constitué de Fe, d'additifs et impuretés habituels.
2.- Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au plus 0,35% en poids de Si.
3.- Composition selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, exprimés en poids,
- au plus 0,8% de Mn, et/ou
- au plus 1,5% de W.
4.- Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend
0,25 à 50% en poids de V.
5.- Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que Ni, constituant une impureté, est présent à raison de 0,5% en poids au plus.
6.- Composition d'acier à outils comprenant, exprimés en poids - 2,5 à 5,5% de Cr,
- 2,5 à 3,5% de Mo,
- au plus 1, 3% de V,
- au plus 0,35% de Si,
- 0,3 à 0,4% de C,
- le complément étant constitué de Fe, d'additifs et d'impuretés habituels,
les teneurs de cette composition en P, Sb, Sn et As, exprimées en % en poids, satisfaisant aux relations
- P ≤ 0,008 % ,
- Sb ≤ 0,002 %,
- Sn ≤ 0, 003 %,
- As ≤ 0,005 %,
- la valeur exprimée par la relation de Bruscato
B = (10 P + 5 Sb + 4 Sn + As) × 10-2
étant au plus égale à 0, 10%.
7.- Composition selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au plus 5% en poids de Co.
8.- Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend 0,32 à 0,38% en poids de C.
9.- Composition selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend 0,34 à 0,36% en poids de C.
10.- Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ses teneurs en P, Sb, Sn et As, exprimées en % en poids, satisfont aux relations
- P ≤ 0, 008 %,
- Sb ≤ 0,002 %,
- Sn ≤ 0, 003 %,
- As ≤ 0,005 %,
- la valeur exprimée par la relation de Bruscato
B = (10 P + 5 Sb + 4 Sn + As) × 11-2
étant au plus égale à 0, 10%.
11.- Procédé de préparation et de mise en forme d'acier de composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte une refusion par électrode consommable sous vide ou par électrode consommable sous laitier ou par ces deux moyens combinés.
12.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la mise en forme de l'acier est effectuée par transformation thermomécanique telle que forgeage ou laminage, ou par moulage.
13.- Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte
un traitement thermique complet par mise en solution à des températures comprises entre 950 et 1100ºC, puis
- une trempe à l'air ou dans un fluide jusqu'à la température ambiante, ou une trempe étagée entre 250 et 450ºC, puis
- une série d'au moins deux revenus pour régler la dureté visée.
14.- Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que la mise en solution est effectuée à des températures comprises entre 980 et 1010ºC.
15.- Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce qu'une trempe étagée est effectuée entre 250 et 280ºC.
16.- Pièce d'acier de composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
17.- Pièce d'acier selon la revendication 16, caractérisée en ce qu'elle est fabriquée par un procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 15.
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