WO2000018975A1 - Nitriding steel, method for obtaining same and parts formed with said steel - Google Patents

Nitriding steel, method for obtaining same and parts formed with said steel Download PDF

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Aubert & Duval
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    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24Nitriding
    • C23C8/26Nitriding of ferrous surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a composition of nitriding steel, parts formed with this steel, as well as a method for manufacturing parts produced in this steel.
  • Nitriding is a thermochemical treatment of surface hardening by introducing nitrogen into the steel. This process is used in all fields of mechanics and is used in particular to manufacture gears, splines, transmission shafts, cam shafts, heat engine distribution parts, pump bodies, injector bodies , crankshafts, extrusion screws, hydraulic distributors, guide rails, bearing cages, control gauges and shaping tool parts.
  • Nitriding generally takes place in a temperature range of about 450 to 600 ° C, temperatures for which the diffusion of nitrogen is relatively slow.
  • Conventional nitriding steels such as 40CrAIMo6.12, 25NiAICr14.12, 30CrMo12 or 32CrMoV13
  • the main object of the present invention is therefore to provide a nitriding steel composition making it possible to conserve the tensile, resilience, toughness, hardenability, fatigue, and surface hardness properties of the nitrided layers of nitriding steels.
  • type 32CrMoV13 while increasing the nitrogen diffusion kinetics, to allow either greater depths of nitriding, or reduced nitriding times.
  • a first subject of the invention is thus a composition of nitriding steel, comprising, expressed in% by weight,
  • the sulfur is preferably limited to 0.015% and the phosphorus to 0.020% by weight.
  • Elements such as calcium, cerium, titanium, zirconium, niobium which are used either to deoxidize the steel or to refine the grain size are preferably limited to 0.1% by weight each.
  • the carbon range is 0.2-0.4% by weight in order to obtain, after quenching and returning to a temperature compatible with subsequent nitriding, a maximum tensile strength in the range from 900 to 1500 MPa. Tight carbon forks are also interesting:
  • the carbon also contributes to the quenchability of the alloy as well as to its resistance to tempering and to its resistance to softening during the nitriding cycle.
  • the silicon must be limited because it leads, during nitriding, to the precipitation of carbonitrides which participate little in hardening, but reduce the rate of diffusion of nitrogen. For these reasons, it is limited to 0.5% by weight at most, and preferably 0.35% by weight. Chromium is one of the predominant elements for obtaining the characteristics of the nitrided layer, but it leads to a significant precipitation of nitrogen in the form of carbonitrides, which reduces the rate of diffusion of nitrogen in the nitrided layer. Chromium also has a beneficial influence on the hardenability of the undercoat. These considerations lead to limiting the chromium content to 0.8-2% by weight, preferably to 1.1-1.8% by weight.
  • the lowering of the chromium content induces a reduction in hardening during nitriding, which is compensated by an increase in the molybdenum and vanadium contents, as well as by the addition of aluminum.
  • the molybdenum and vanadium elements increase the resistance to tempering of the steel and limit its softening during nitriding.
  • Their content must be limited because too large a quantity would lead to embrittlement of the steel underlayment. The contents are therefore limited to 0.6-2% by weight for the molybdenum, to at most 0.5% by weight for the vanadium, and to 0.05% -0.4% by weight for the aluminum. Tighter ranges are preferred: 0.8-1.5% by weight for the molybdenum, 0.1-0.4% by weight for vanadium and 0.1-0.3% by weight for aluminum.
  • a second object of the invention is a process for manufacturing treated and nitrided parts, comprising the following operations: a - constitution of a filler intended to obtain a composition in accordance with the present invention, as described above, b - preparation of said charge in an arc furnace, c - heating and hot transformation of the ingot, d - heat treatment for homogenizing the structure and refining the grain, e - heat treatment for use, and f - nitriding.
  • the steel according to the invention can be obtained by conventional production techniques, but to obtain better results in resilience, tenacity and fatigue it is preferable to carry out a reflow by consumable electrode either under slag (ESR) or under reduced pressure
  • VIM reduced pressure
  • thermomechanical transformations aimed at giving the product produced in this alloy a sufficient degree of wrinkling which will be preferred greater than or equal to 3 Lower working rates may be allowed for large parts.
  • thermomechanical transformations are based on conventional procedures, such as rolling, forging, stamping or spinning.
  • step d of the method according to the invention Processed products can simply be softened at a temperature below the point critical (ACi), or annealed at a temperature above the critical point (ACi), which then assumes a sufficiently slow start of cooling.
  • ACi point critical
  • ACi critical point
  • the critical point temperature (ACi) is generally in the range from 700 ° C to 790 ° C, while the critical point temperature (AC 3 ) is generally in the range from 800 ° C at 890 ° C.
  • the products are then quenched and returned in the form of a rolled bar, forged or stamped blank, pre-machined parts.
  • the quenching takes place from an austenitization temperature above the critical point (AC 3 ), in the range from 900 to 1000 ° C., for example.
  • the quenching fluid is adjusted, in a conventional manner, according to the section of the products.
  • the tempering is then carried out at a temperature adjusted as a function of the mechanical characteristics sought for the core, in the range of approximately 550 ° C. to approximately 750 ° C.
  • the choice must take into account the temperature at which nitriding will take place.
  • a tempering temperature at least 30 ° C higher than the nitriding temperature is preferred. In certain particular cases, nitriding can take the place of income.
  • Nitriding, step f of the process according to the invention is then carried out on a finished or almost finished workpiece. The time and temperature parameters are to be set according to the compromise sought in surface hardness, depth and microstructure for the layer.
  • a third object of the invention consists of the treated and nitrided parts made with the steel according to the invention. These parts can advantageously be manufactured by means of the manufacturing method according to the invention, but also by any other method chosen according to the final application.
  • the classic steel chosen as a comparison element is steel
  • the nitriding step it was systematically carried out with the gaseous nitriding process using ammonia.
  • HV 50 Vickers hardness under a load of 50 kg
  • HRC Rockwell C hardness
  • KV impact energy in impact bending on V-notch test piece
  • KCU impact energy in impact bending on U-shaped test piece
  • FIG. 1 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in example 1,
  • FIG. 2 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 2,
  • FIG. 3 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 3
  • FIG. 4 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 4,
  • FIG. 5 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 5,
  • FIG. 6 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 6,
  • FIG. 7 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 7,
  • FIG. 8 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 8
  • FIG. 9 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 9.
  • a 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
  • This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged. The forged products were slowly cooled in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain. Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C.
  • This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
  • a 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
  • This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged.
  • the forged products were slowly cooled in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain.
  • This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
  • a 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
  • Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C.
  • This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
  • a 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
  • This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged.
  • the forged products were slowly cooled in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain.
  • Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C.
  • This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
  • a 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention: C 0.38%
  • This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged.
  • the forged products were slowly cooled in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain.
  • Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C.
  • a 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
  • This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged.
  • the forged products were slowly cooled in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain.
  • Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C.
  • This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
  • a 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
  • This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged.
  • the forged products were slowly cooled in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain.
  • This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
  • a 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
  • Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C.
  • This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
  • This ingot was obtained by vacuum fusion and then remelting by consumable electrode, it was then reheated to high temperature (1100 ° C) in order to homogenize the structure, then it was rolled to result in cylindrical bars with a diameter of 100 mm. These bars have undergone a normalization treatment in order to dissolve the carbides, homogenize the austenitic structure and refine the grain size.
  • Samples taken from these bars were austenitized at 940 ° C, quenched in oil and returned to 650 ° C.
  • FIG. 9 also makes it possible to compare the hardness profiles obtained after nitriding with this steel and with a 32CrMoV13 steel.
  • the depth of the hardness gradient makes it possible to measure the performance of a steel according to the invention in terms of kinetics of nitriding.
  • This depth is conventionally defined in Europe by measuring the depth at which the hardness is equal to that of the core + 100 HV (Vickers hardness). In the United States, the convention is to define the depth at which the hardness is equal to 50 HRC (i.e. 513 HV, value obtained by conversion according to ASTM E140).
  • the parts manufactured using the steel according to the invention can be, in particular, bars, sheets, forged or stamped blanks, tubes or wires.

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Abstract

The invention concerns a steel composition comprising, expressed in wt.%: 0.2 to 0.4 % of C; 0.8 to 2 % of Cr; 0.6 to 2 % of Mo; 0.05 to 0.4 % of Al; and as the case may be, not more than 0.5 % of Si; not more than 1.5 % of Mn; not more than 1.5 % Ni; not more than 0.5 % of V; the rest consisting of iron and residual impurities; said composition Cr, Mo, V and Al contents expressed in wt.% satisfies the following relationship: 4 ≤ 3Cr + Mo + V + 2Al ≤ 8. The invention also concerns a method for making treated and nitrided parts, made of said compositions.

Description

ACIER DE NITRURATION, PROCEDE POUR SON OBTENΗON ET PIECES FORMEES AVEC CET ACIERNITRURATION STEEL, PROCESS FOR OBTAINING SAME AND PARTS FORMED THEREFROM
La présente invention concerne une composition d'acier de nitruration, des pièces formées avec cet acier, ainsi qu'un procédé de fabrication de pièces réalisées dans cet acier.The present invention relates to a composition of nitriding steel, parts formed with this steel, as well as a method for manufacturing parts produced in this steel.
La nitruration est un traitement thermochimique de durcissement superficiel par introduction d'azote dans l'acier. Ce procédé est utilisé dans tous les domaines de la mécanique et sert notamment à fabriquer des engrenages, des cannelures, des arbres de transmission, des arbres à came, des pièces de distribution de moteur thermique, des corps de pompe, des corps d'injecteur, des vilebrequins, des vis d'extrusion, des distributeurs hydrauliques, des rails de guidage, des cages de roulement, des calibres de contrôle et des pièces d'outillage de mise en forme.Nitriding is a thermochemical treatment of surface hardening by introducing nitrogen into the steel. This process is used in all fields of mechanics and is used in particular to manufacture gears, splines, transmission shafts, cam shafts, heat engine distribution parts, pump bodies, injector bodies , crankshafts, extrusion screws, hydraulic distributors, guide rails, bearing cages, control gauges and shaping tool parts.
La nitruration s'effectue généralement dans un domaine de températures d'environ 450 à 600°C, températures pour lesquelles la diffusion d'azote est relativement lente. Les aciers classiques de nitruration, tels le 40CrAIMo6.12, le 25NiAICr14.12, le 30CrMo12 ou le 32CrMoV13Nitriding generally takes place in a temperature range of about 450 to 600 ° C, temperatures for which the diffusion of nitrogen is relatively slow. Conventional nitriding steels, such as 40CrAIMo6.12, 25NiAICr14.12, 30CrMo12 or 32CrMoV13
(dont les compositions chimiques sont rappelées dans le tableau 1 ci- dessous), ne permettent d'obtenir que des épaisseurs de couches nitrurées modestes, de l'ordre d'environ 0,7 mm au maximum, les étapes de nitruration ayant des durées excessivement longues pouvant atteindre jusqu'à environ 200 h.(the chemical compositions of which are recalled in Table 1 below), only make it possible to obtain modest thicknesses of nitrided layers, of the order of about 0.7 mm at most, the nitriding steps having durations excessively long, up to around 200 h.
Tableau 1 : Compositions chimiques typiques en pourcentage en poidsTable 1: Typical chemical compositions in percent by weight
Figure imgf000003_0001
Ces insuffisances limitent l'utilisation des aciers nitrurés pour des raisons techniques, par exemple lorsque les sollicitations appliquées induisent des contraintes élevées au-delà des profondeurs de nitruration réalisables avec les aciers actuels, ou bien encore lorsque les reprises d'usinage après nitruration sont importantes. Mais la limitation est également d'ordre économique en raison de la durée trop importante des cycles de nitruration.
Figure imgf000003_0001
These shortcomings limit the use of nitrided steels for technical reasons, for example when the applied stresses induce high stresses beyond the nitriding depths achievable with current steels, or even when the machining resumes after nitriding are significant. . However, the limitation is also economic due to the excessively long duration of the nitriding cycles.
Ces limitations pourraient être contournées par l'utilisation d'aciers contenant des teneurs en chrome plus faibles, ce qui entraîne une augmentation du coefficient de diffusion de l'azote dans l'alliage. C'est le cas par exemple des aciers 35CrMo4 ou 42CrMo4 (dont les compositions chimiques sont rappelées dans le tableau 1 ci-dessus). Mais, les duretés superficielles maximales qu'il est possible d'obtenir avec ces aciers sont de l'ordre de 700 HV ce qui est trop faible dans la plupart des cas. En outre, les caractéristiques de traction, de résilience et de ténacité de la sous- couche sont notablement insuffisantes pour beaucoup d'applications.These limitations could be circumvented by the use of steels containing lower chromium contents, which leads to an increase in the diffusion coefficient of nitrogen in the alloy. This is the case, for example, of 35CrMo4 or 42CrMo4 steels (the chemical compositions of which are given in Table 1 above). However, the maximum surface hardnesses that it is possible to obtain with these steels are of the order of 700 HV which is too low in most cases. In addition, the tensile, resilience and toughness characteristics of the underlay are notably insufficient for many applications.
La présente invention a donc essentiellement pour but de mettre à disposition une composition d'acier de nitruration permettant de conserver les propriétés de traction, de résilience, de ténacité, de trempabilité, de fatigue, et de dureté superficielle des couches nitrurées des aciers de nitruration type 32CrMoV13, tout en augmentant la cinétique de diffusion de l'azote, pour permettre soit des profondeurs de nitruration plus importantes, soit des temps de nitruration réduits.The main object of the present invention is therefore to provide a nitriding steel composition making it possible to conserve the tensile, resilience, toughness, hardenability, fatigue, and surface hardness properties of the nitrided layers of nitriding steels. type 32CrMoV13, while increasing the nitrogen diffusion kinetics, to allow either greater depths of nitriding, or reduced nitriding times.
Un premier objet de l'invention est ainsi une composition d'acier de nitruration, comprenant, exprimés en % en poids,A first subject of the invention is thus a composition of nitriding steel, comprising, expressed in% by weight,
0,2 à 0,4% de C, 0,8 à 2% de Cr, 0,6 à 2% de Mo, 0,05 à 0,4% de Al, et, le cas échéant, au plus 0,5% de Si, au plus 1 ,5% de Mn, au plus 1 ,5% de Ni, au plus 0,5% de V, le complément étant constitué de fer et d'impuretés résiduelles, les teneurs de cette composition en Cr, Mo, V et Al, exprimées en % en poids, satisfaisant la relation suivante :0.2 to 0.4% of C, 0.8 to 2% of Cr, 0.6 to 2% of Mo, 0.05 to 0.4% of Al, and, where appropriate, at most 0, 5% of Si, at most 1.5% Mn, at most 1.5% Ni, at most 0.5% V, the remainder consisting of iron and residual impurities, the contents of this composition in Cr, Mo, V and Al, expressed in% by weight, satisfying the following relationship:
4 < 3Cr + Mo + V + 2AI < 8. Le soufre est, de préférence, limité à 0,015% et le phosphore à 0,020% en poids. Les éléments comme le calcium, le cérium, le titane, le zirconium, le niobium qui servent soit à désoxyder l'acier, soit à affiner la taille de grain sont, de préférence, limités à 0,1% en poids chacun.4 <3Cr + Mo + V + 2AI <8. The sulfur is preferably limited to 0.015% and the phosphorus to 0.020% by weight. Elements such as calcium, cerium, titanium, zirconium, niobium which are used either to deoxidize the steel or to refine the grain size are preferably limited to 0.1% by weight each.
La fourchette en carbone est de 0,2-0,4% en poids afin d'obtenir, après trempe et revenu à une température compatible avec la nitruration ultérieure, une résistance maximale à la traction dans la plage allant de 900 à 1500 MPa. Des fourchettes en carbone resserrées sont également intéressantes :The carbon range is 0.2-0.4% by weight in order to obtain, after quenching and returning to a temperature compatible with subsequent nitriding, a maximum tensile strength in the range from 900 to 1500 MPa. Tight carbon forks are also interesting:
• la fourchette de 0,2-0,35% en poids permet de maximiser les caractéristiques de ductilité, résilience et ténacité, * la fourchette de 0,3-0,4% en poids permet de maximiser la limite élastique,• the range of 0.2-0.35% by weight makes it possible to maximize the characteristics of ductility, resilience and toughness, * the range of 0.3-0.4% by weight makes it possible to maximize the elastic limit,
• la fourchette de 0,25-0,37% en poids permet d'obtenir un bon compromis pour l'ensemble des caractéristiques précédentes.• the range of 0.25-0.37% by weight provides a good compromise for all of the above characteristics.
Le carbone contribue par ailleurs à la trempabilité de l'alliage ainsi qu'à sa résistance au revenu et à sa résistance à l'adoucissement lors du cycle de nitruration.The carbon also contributes to the quenchability of the alloy as well as to its resistance to tempering and to its resistance to softening during the nitriding cycle.
Le silicium doit être limité du fait qu'il conduit, lors de la nitruration, à la précipitation de carbonitrures qui participent peu au durcissement, mais réduisent la vitesse de diffusion de l'azote. Pour ces raisons, il est limité à 0,5% en poids au maximum, et, de préférence, à 0,35% en poids. Le chrome est un des éléments prépondérants pour l'obtention des caractéristiques de la couche nitruree, mais il conduit à une précipitation importante d'azote sous forme de carbonitrures, ce qui réduit la vitesse de diffusion de l'azote dans la couche nitruree. Le chrome a aussi une influence bénéfique sur la trempabilité de la sous-couche. Ces considérations conduisent à limiter la teneur en chrome à 0,8-2% en poids, de préférence à 1 , 1 -1 ,8% en poids.The silicon must be limited because it leads, during nitriding, to the precipitation of carbonitrides which participate little in hardening, but reduce the rate of diffusion of nitrogen. For these reasons, it is limited to 0.5% by weight at most, and preferably 0.35% by weight. Chromium is one of the predominant elements for obtaining the characteristics of the nitrided layer, but it leads to a significant precipitation of nitrogen in the form of carbonitrides, which reduces the rate of diffusion of nitrogen in the nitrided layer. Chromium also has a beneficial influence on the hardenability of the undercoat. These considerations lead to limiting the chromium content to 0.8-2% by weight, preferably to 1.1-1.8% by weight.
Par rapport à un acier de type 32CrMoV13 la perte de trempabilité induite par l'abaissement de la teneur en chrome est compensée partiellement par une augmentation des teneurs en manganèse et nickel.Compared with a 32CrMoV13 type steel, the loss of hardenability induced by the lowering of the chromium content is partially compensated by an increase in the manganese and nickel contents.
Ces deux éléments ne doivent toutefois pas être ajoutés en teneur trop importante, car cela conduit respectivement à des ségrégations de composition chimique et à une fragilisation de la sous-couche lors de la nitruration. Pour ces raisons les teneurs sont limitées à 1 ,5% en poids au plus pour le manganèse et le nickel. Des fourchettes plus serrées sont préférées : 0,2-1 ,1 % en poids pour le manganèse et 0,5-1 ,3% en poids pour le nickel.These two elements must not, however, be added in too high a content, since this leads respectively to segregation of chemical composition and to embrittlement of the undercoat during nitriding. For these reasons the contents are limited to 1.5% by weight at most for manganese and nickel. Tighter ranges are preferred: 0.2-1.1% by weight for manganese and 0.5-1.3% by weight for nickel.
De la même façon, par rapport à un acier de type 32CrMoV13, l'abaissement de la teneur en chrome induit une diminution du durcissement lors de la nitruration, qui est compensée par une augmentation des teneurs en molybdène et vanadium, ainsi que par l'ajout d'aluminium. Ces trois éléments contribuent à augmenter la trempabilité de l'acier.Similarly, compared to a 32CrMoV13 type steel, the lowering of the chromium content induces a reduction in hardening during nitriding, which is compensated by an increase in the molybdenum and vanadium contents, as well as by the addition of aluminum. These three elements contribute to increasing the hardenability of the steel.
Par ailleurs, les éléments molybdène et vanadium augmentent la résistance au revenu de l'acier et limitent son adoucissement lors de la nitruration. Leur teneur doit être limitée car une quantité trop importante conduirait à une fragilisation de l'acier en sous-couche. Les teneurs sont donc limitées à 0,6-2% en poids pour le molybdène, à au plus 0,5% en poids pour le vanadium, et à 0,05%-0,4% en poids pour l'aluminium. Des fourchettes plus serrées sont préférées : 0,8-1 ,5% en poids pour le molybdène, 0,1-0,4% en poids pour le vanadium et 0,1-0,3% en poids pour l'aluminium.Furthermore, the molybdenum and vanadium elements increase the resistance to tempering of the steel and limit its softening during nitriding. Their content must be limited because too large a quantity would lead to embrittlement of the steel underlayment. The contents are therefore limited to 0.6-2% by weight for the molybdenum, to at most 0.5% by weight for the vanadium, and to 0.05% -0.4% by weight for the aluminum. Tighter ranges are preferred: 0.8-1.5% by weight for the molybdenum, 0.1-0.4% by weight for vanadium and 0.1-0.3% by weight for aluminum.
Un second objet de l'invention est un procédé de fabrication de pièces traitées et nitrurées, comprenant les opérations suivantes : a - constitution d'une charge destinée à obtenir une composition conforme à la présente invention, telle que décrite plus haut, b - élaboration de ladite charge dans un four à arc, c - réchauffage et transformation à chaud du lingot, d - traitement thermique d'homogénéisation de la structure et d'affinement du grain, e - traitement thermique d'emploi, et f - nitruration.A second object of the invention is a process for manufacturing treated and nitrided parts, comprising the following operations: a - constitution of a filler intended to obtain a composition in accordance with the present invention, as described above, b - preparation of said charge in an arc furnace, c - heating and hot transformation of the ingot, d - heat treatment for homogenizing the structure and refining the grain, e - heat treatment for use, and f - nitriding.
L'acier selon l'invention peut être obtenu par les techniques conventionnelles d'élaboration, mais pour obtenir de meilleurs résultats en résilience, ténacité et fatigue il est préférable d'effectuer une refusion par électrode consommable soit sous laitier (ESR), soit sous pression réduiteThe steel according to the invention can be obtained by conventional production techniques, but to obtain better results in resilience, tenacity and fatigue it is preferable to carry out a reflow by consumable electrode either under slag (ESR) or under reduced pressure
(VAR), à la suite de l'élaboration dans le four à arc.(VAR), following the development in the arc furnace.
Pour augmenter encore ces performances, il est possible d'effectuer la première élaboration sous pression réduite (VIM) et de poursuivre avec une refusion par électrode consommable.To further increase these performances, it is possible to carry out the first production under reduced pressure (VIM) and to continue with a reflow by consumable electrode.
Les lingots obtenus par l'une quelconque des voies précédentes subissent un réchauffage à haute température pour homogénéiser la structure et ensuite des transformations thermomécaniques visant à conférer au produit réalisé dans cet alliage un taux de corroyage suffisant que l'on préférera supérieur ou égal à 3. Des taux de corroyage inférieurs peuvent être admis pour des pièces de grandes dimensions. Ces transformations thermomécaniques s'appuient sur des modes opératoires classiques, tels que le laminage, le forgeage, le matriçage ou le filage.The ingots obtained by any one of the preceding routes undergo a reheating at high temperature to homogenize the structure and then thermomechanical transformations aimed at giving the product produced in this alloy a sufficient degree of wrinkling which will be preferred greater than or equal to 3 Lower working rates may be allowed for large parts. These thermomechanical transformations are based on conventional procedures, such as rolling, forging, stamping or spinning.
Plusieurs variantes de réalisation sont envisageables en ce qui concerne l'étape d du procédé selon l'invention. Les produits transformés peuvent être simplement adoucis à une température inférieure au point critique (ACi), ou recuits à une température supérieure au point critique (ACi), ce qui suppose alors un début de refroidissement suffisamment lent. Lorsqu'on recherche les meilleures caractéristiques il est cependant préférable d'effectuer une normalisation à partir d'une température supérieure au point critique (AC3), suivie d'un refroidissement à l'air et d'un revenu d'adoucissement à une température inférieure au point critique (Ad).Several alternative embodiments are possible with regard to step d of the method according to the invention. Processed products can simply be softened at a temperature below the point critical (ACi), or annealed at a temperature above the critical point (ACi), which then assumes a sufficiently slow start of cooling. When looking for the best characteristics it is however preferable to carry out a normalization from a temperature above the critical point (AC 3 ), followed by air cooling and a softening income at a temperature below the critical point (Ad).
A titre indicatif, la température du point critique (ACi) se situe généralement dans la gamme allant de 700°C à 790°C, tandis que la température du point critique (AC3) se situe généralement dans la gamme allant de 800°C à 890°C.As an indication, the critical point temperature (ACi) is generally in the range from 700 ° C to 790 ° C, while the critical point temperature (AC 3 ) is generally in the range from 800 ° C at 890 ° C.
Les produits sont ensuite trempés et revenus sous forme de barre laminée, d'ébauche forgée ou estampée, de pièces préusinées. La trempe s'effectue à partir d'une température d'austénitisation supérieure au point critique (AC3), dans la gamme allant de 900 à 1000°C, par exemple. Le fluide de trempe est ajusté, de façon classique, en fonction de la section des produits.The products are then quenched and returned in the form of a rolled bar, forged or stamped blank, pre-machined parts. The quenching takes place from an austenitization temperature above the critical point (AC 3 ), in the range from 900 to 1000 ° C., for example. The quenching fluid is adjusted, in a conventional manner, according to the section of the products.
Le revenu est effectué ensuite à une température ajustée en fonction des caractéristiques mécaniques recherchées pour le coeur, dans le domaine d'environ 550°C à environ 750°C. Son choix doit prendre en compte la température à laquelle s'effectuera la nitruration. Une température de revenu supérieure d'au moins 30°C par rapport à la température de nitruration est préférée. Dans certains cas particuliers, la nitruration peut tenir lieu de revenu. La nitruration, étape f du procédé selon l'invention, est ensuite effectuée sur pièce finie ou quasiment finie d'usinage. Les paramètres temps et température sont à fixer en fonction du compromis recherché en dureté superficielle, profondeur et microstructure pour la couche. Il est possible de mettre en oeuvre une nitruration gazeuse à l'ammoniac, ou une nitruration ionique à l'azote ou bien encore une nitruration en bain de sels capables de libérer de l'azote à la surface de l'acier. Le procédé utilisé a peu d'influence sur le gradient de dureté de la couche nitruree, qui dépend essentiellement de la composition chimique de l'acier.The tempering is then carried out at a temperature adjusted as a function of the mechanical characteristics sought for the core, in the range of approximately 550 ° C. to approximately 750 ° C. The choice must take into account the temperature at which nitriding will take place. A tempering temperature at least 30 ° C higher than the nitriding temperature is preferred. In certain particular cases, nitriding can take the place of income. Nitriding, step f of the process according to the invention, is then carried out on a finished or almost finished workpiece. The time and temperature parameters are to be set according to the compromise sought in surface hardness, depth and microstructure for the layer. It is possible to carry out gaseous nitriding with ammonia, or ionic nitriding with nitrogen or else nitriding in a salt bath capable of releasing nitrogen on the surface of the steel. The process used has little influence on the hardness gradient of the nitride layer, which essentially depends on the chemical composition of the steel.
Un troisième objet de l'invention est constitué par les pièces traitées et nitrurees réalisées avec l'acier selon l'invention. Ces pièces peuvent être fabriquées avantageusement au moyen du procédé de fabrication selon l'invention, mais également par tout autre procédé choisi en fonction de l'application finale.A third object of the invention consists of the treated and nitrided parts made with the steel according to the invention. These parts can advantageously be manufactured by means of the manufacturing method according to the invention, but also by any other method chosen according to the final application.
Les exemples de réalisation de l'invention qui suivent montrent que la combinaison des éléments carbone, silicium, manganèse, nickel, chrome, molybdène, vanadium et aluminium dans les proportions en poids indiquées précédemment conduit à un acier ayant simultanément d'excellentes caractéristiques de traction, de résilience, de transition de résilience, de ténacité, de fatigue, de résistance au revenu du coeur, associées à d'excellentes duretés superficielles et profondeur de la couche nitruree.The embodiments of the invention which follow show that the combination of the elements carbon, silicon, manganese, nickel, chromium, molybdenum, vanadium and aluminum in the proportions by weight indicated above results in a steel having simultaneously excellent tensile characteristics. , resilience, transition of resilience, tenacity, fatigue, resistance to income of the heart, associated with excellent surface hardness and depth of the nitrided layer.
L'acier classique choisi comme élément de comparaison est l'acierThe classic steel chosen as a comparison element is steel
32CrMoV13 qui a été mis au point dans le passé pour optimiser le compromis caractéristiques à coeur/dureté superficielle/cinétique de nitruration et qui reste à ce jour un des meilleurs aciers de nitruration disponible.32CrMoV13 which has been developed in the past to optimize the compromise between core characteristics / surface hardness / kinetics of nitriding and which remains one of the best nitriding steels available today.
Quant à l'étape de nitruration, elle a été systématiquement effectuée avec le procédé de nitruration gazeuse utilisant l'ammoniac.As for the nitriding step, it was systematically carried out with the gaseous nitriding process using ammonia.
Exemples Les symboles utilisés dans la suite ont les significations suivantes :Examples The symbols used in the following have the following meanings:
Rm = résistance maximaleR m = maximum resistance
R po,2 = limite élastique conventionnelle à 0,2% de déformation Asd = allongement en % sur la base 5 d (d = diamètre de l'éprouvette) Z = strictionR po, 2 = conventional elastic limit at 0.2% deformation Asd = elongation in% on the basis 5 d (d = diameter of the test piece) Z = necking
HV50 = dureté Vickers sous une charge de 50 kg HRC = dureté Rockwell CHV 50 = Vickers hardness under a load of 50 kg HRC = Rockwell C hardness
KV = énergie de rupture en flexion par choc sur éprouvette à entaille en V KCU = énergie de rupture en flexion par choc sur éprouvette à entaille en UKV = impact energy in impact bending on V-notch test piece KCU = impact energy in impact bending on U-shaped test piece
KQ = ténacité. Les exemples sont complétés par les figures des planches de dessins annexées, dans lesquelles :KQ = tenacity. The examples are supplemented by the figures of the accompanying drawing plates, in which:
• la figure 1 représente le profil de dureté de deux échantillons dont la préparation est décrite dans l'exemple 1 ,FIG. 1 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in example 1,
• la figure 2 représente le profil de dureté de deux échantillons dont la préparation est décrite dans l'exemple 2,FIG. 2 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 2,
• la figure 3 représente le profil de dureté de deux échantillons dont la préparation est décrite dans l'exemple 3, • la figure 4 représente le profil de dureté de deux échantillons dont la préparation est décrite dans l'exemple 4,FIG. 3 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 3, • FIG. 4 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 4,
• la figure 5 représente le profil de dureté de deux échantillons dont la préparation est décrite dans l'exemple 5,FIG. 5 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 5,
• la figure 6 représente le profil de dureté de deux échantillons dont la préparation est décrite dans l'exemple 6,FIG. 6 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 6,
• la figure 7 représente le profil de dureté de deux échantillons dont la préparation est décrite dans l'exemple 7,FIG. 7 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 7,
• la figure 8 représente le profil de dureté de deux échantillons dont la préparation est décrite dans l'exemple 8, • la figure 9 représente le profil de dureté de deux échantillons dont la préparation est décrite dans l'exemple 9. Exemple n° 1FIG. 8 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 8, • FIG. 9 represents the hardness profile of two samples, the preparation of which is described in Example 9. Example 1
Un lingot de 35 kg a été élaboré dans la composition chimique indiquée en pourcentage en poids ci-dessous, conformément aux indications de la présente invention :A 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
C 0,30% Si 0,06% Mn 0,28% Cr 1 ,20% Ni 0,05%C 0.30% If 0.06% Mn 0.28% Cr 1, 20% Ni 0.05%
Mo 1 ,00% V 0,25% Al 0,09% le reste étant constitué de fer et d'impuretés résiduelles. Ce lingot a été élaboré par fusion à l'arc, il a ensuite été homogénéisé à haute température (1100°C) pour obtenir une structure uniforme, puis il a été forgé. Les produits forgés ont été refroidis lentement au four. Ils ont été normalisés afin de mettre en solution les carbures, d'homogénéiser la structure austénitique et d'affiner le grain. Des barres issues de ce lingot ont été austénitisées à 940°C, trempées à l'huile, puis revenues à une température de 650°C.Mo 1.00% V 0.25% Al 0.09% the remainder consisting of iron and residual impurities. This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged. The forged products were slowly cooled in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain. Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C.
Les caractéristiques mécaniques obtenues sont indiquées dans le tableau suivant :The mechanical characteristics obtained are indicated in the following table:
Figure imgf000011_0001
Des échantillons ont été nitrurés à 520°C durant 100 h. Le profil de dureté obtenu est présenté en figure 1 , ainsi que celui obtenu pour un même cycle avec un acier 32CrMoV13.
Figure imgf000011_0001
Samples were nitrided at 520 ° C for 100 h. The hardness profile obtained is presented in Figure 1, as well as that obtained for the same cycle with a 32CrMoV13 steel.
Ce profil montre que l'acier selon la présente invention présente, pour un même cycle de nitruration, une dureté superficielle équivalente à celle de l'acier 32CrMoV13 et une profondeur nitruree nettement supérieure.This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
Exemple n° 2Example 2
Un lingot de 35 kg a été élaboré dans la composition chimique indiquée en pourcentage en poids ci-dessous, conformément aux indications de la présente invention :A 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
C 0,35% Si 0,05%C 0.35% If 0.05%
Mn 0,28% Cr 1 ,21% Ni 0,50% Mo 1 ,01 % V 0,25%Mn 0.28% Cr 1.21% Ni 0.50% Mo 1.01% V 0.25%
Al 0,18% le reste étant constitué essentiellement de fer et d'impuretés résiduelles.Al 0.18% the remainder consisting essentially of iron and residual impurities.
Ce lingot a été élaboré par fusion à l'arc, il a ensuite été homogénéisé à haute température (1100°C) pour obtenir une structure uniforme, puis il a été forgé. Les produits forgés ont été refroidis lentement au four. Ils ont été normalisés afin de mettre en solution les carbures, d'homogénéiser la structure austénitique et d'affiner le grain.This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged. The forged products were slowly cooled in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain.
Des barres issues de ce lingot ont été austénitisées à 940°C, trempées à l'huile, puis revenues à une température de 650°C. Les caractéristiques mécaniques obtenues sont indiquées dans le tableau suivant :
Figure imgf000013_0001
Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C. The mechanical characteristics obtained are indicated in the following table:
Figure imgf000013_0001
Des échantillons ont été nitrurés à 520°C durant 100 h. Le profil de dureté obtenu est présenté en figure 2, ainsi que celui obtenu pour un même cycle avec un acier 32CrMoV13.Samples were nitrided at 520 ° C for 100 h. The hardness profile obtained is presented in Figure 2, as well as that obtained for the same cycle with a 32CrMoV13 steel.
Ce profil montre que l'acier selon la présente invention présente, pour un même cycle de nitruration, une dureté superficielle équivalente à celle de l'acier 32CrMoV13 et une profondeur nitruree nettement supérieure.This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
Exemple n° 3Example 3
Un lingot de 35 kg a été élaboré dans la composition chimique indiquée en pourcentage en poids ci-dessous, conformément aux indications de la présente invention :A 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
C 0,35% Si 0,06% Mn 0,69% Cr 1 ,20% Ni 0,50%C 0.35% If 0.06% Mn 0.69% Cr 1, 20% Ni 0.50%
Mo 1 ,21 % V 0,35% Al 0,30% le reste étant constitué essentiellement de fer et d'impuretés résiduelles. Ce lingot a été élaboré par fusion à l'arc, il a ensuite été homogénéisé à haute température (1100°C) pour obtenir une structure uniforme, puis il a été forgé. Les produits forgés ont été refroidis lentement au four. Ils ont été normalisés afin de mettre en solution les carbures, d'homogénéiser la structure austénitique et d'affiner le grain.Mo 1.21% V 0.35% Al 0.30% the remainder consisting essentially of iron and residual impurities. This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged. Forged products were cooled slowly in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain.
Des barres issues de ce lingot ont été austénitisées à 940°C, trempées à l'huile, puis revenues à une température de 650°C.Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C.
Les caractéristiques mécaniques obtenues sont indiquées dans le tableau suivant :The mechanical characteristics obtained are indicated in the following table:
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0001
Des échantillons ont été nitrurés à 520°C durant 100 h. Le profil de dureté obtenu est présenté en figure 3, ainsi que celui obtenu pour un même cycle avec un acier 32CrMoV13.Samples were nitrided at 520 ° C for 100 h. The hardness profile obtained is presented in Figure 3, as well as that obtained for the same cycle with a 32CrMoV13 steel.
Ce profil montre que l'acier selon la présente invention présente, pour un même cycle de nitruration, une dureté superficielle équivalente à celle de l'acier 32CrMoV13 et une profondeur nitruree nettement supérieure.This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
Exemple n° 4Example 4
Un lingot de 35 kg a été élaboré dans la composition chimique indiquée en pourcentage en poids ci-dessous, conformément aux indications de la présente invention :A 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
C 0,40%C 0.40%
Si 0,06%If 0.06%
Mn 0,70% Cr 1 ,19%Mn 0.70% Cr 1, 19%
Ni 1 ,00% Mo 1 ,31 % V 0,35% Al 0,32% le reste étant constitué essentiellement de fer et d'impuretés résiduelles.Ni 1.00% Mo 1.31% V 0.35% Al 0.32% the remainder consisting essentially of iron and residual impurities.
Ce lingot a été élaboré par fusion à l'arc, il a ensuite été homogénéisé à haute température (1100°C) pour obtenir une structure uniforme, puis il a été forgé. Les produits forgés ont été refroidis lentement au four. Ils ont été normalisés afin de mettre en solution les carbures, d'homogénéiser la structure austénitique et d'affiner le grain.This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged. The forged products were slowly cooled in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain.
Des barres issues de ce lingot ont été austénitisées à 940°C, trempées à l'huile, puis revenues à une température de 650°C.Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C.
Les caractéristiques mécaniques obtenues sont indiquées dans le tableau suivant :The mechanical characteristics obtained are indicated in the following table:
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0001
Des échantillons ont été nitrurés à 520°C durant 100 h. Le profil de dureté obtenu est présenté en figure 4, ainsi que celui obtenu pour un même cycle avec un acier 32CrMoV13.Samples were nitrided at 520 ° C for 100 h. The hardness profile obtained is presented in Figure 4, as well as that obtained for the same cycle with a 32CrMoV13 steel.
Ce profil montre que l'acier selon la présente invention présente, pour un même cycle de nitruration, une dureté superficielle équivalente à celle de l'acier 32CrMoV13 et une profondeur nitruree nettement supérieure.This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
Exemple n° 5Example 5
Un lingot de 35 kg a été élaboré dans la composition chimique indiquée en pourcentage en poids ci-dessous, conformément aux indications de la présente invention : C 0,38%A 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention: C 0.38%
Si 0,06%If 0.06%
Mn 0,31%Mn 0.31%
Cr 1 ,06%Cr 1.06%
Ni 0,99%Nor 0.99%
Mo 1 ,50%MB 1.50%
V 0,25%V 0.25%
Al 0,16% le reste étant constitué essentiellement de fer et d'impuretés résiduelles.Al 0.16% the remainder consisting essentially of iron and residual impurities.
Ce lingot a été élaboré par fusion à l'arc, il a ensuite été homogénéisé à haute température (1100°C) pour obtenir une structure uniforme, puis il a été forgé. Les produits forgés ont été refroidis lentement au four. Ils ont été normalisés afin de mettre en solution les carbures, d'homogénéiser la structure austénitique et d'affiner le grain.This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged. The forged products were slowly cooled in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain.
Des barres issues de ce lingot ont été austénitisées à 940°C, trempées à l'huile, puis revenues à une température de 650°C.Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C.
Les caractéristiques mécaniques obtenues sont indiquées dans le tableau suivant :The mechanical characteristics obtained are indicated in the following table:
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
Des échantillons ont été nitrurés à 520°C durant 100 h. Le profil de dureté obtenu est présenté en figure 5, ainsi que celui obtenu pour un même cycle avec un acier 32CrMoV13.Samples were nitrided at 520 ° C for 100 h. The hardness profile obtained is presented in Figure 5, as well as that obtained for the same cycle with a 32CrMoV13 steel.
Ce profil montre que l'acier selon la présente invention présente, pour un même cycle de nitruration, une dureté superficielle équivalente à celle de l'acier 32CrMoV13 et une profondeur nitruree nettement supérieure. Exemple n° 6This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth. Example 6
Un lingot de 35 kg a été élaboré dans la composition chimique indiquée en pourcentage en poids ci-dessous, conformément aux indications de la présente invention :A 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
C 0,35%C 0.35%
Si 0,06%If 0.06%
Mn 0,64%Mn 0.64%
Cr 1 ,38%Cr 1, 38%
Ni 0,51 %Ni 0.51%
Mo 1 ,20%Mo 1, 20%
V 0,34%V 0.34%
Al 0,09% le reste étant constitué essentiellement de fer et d'impuretés résiduelles.Al 0.09% the remainder consisting essentially of iron and residual impurities.
Ce lingot a été élaboré par fusion à l'arc, il a ensuite été homogénéisé à haute température (1100°C) pour obtenir une structure uniforme, puis il a été forgé. Les produits forgés ont été refroidis lentement au four. Ils ont été normalisés afin de mettre en solution les carbures, d'homogénéiser la structure austénitique et d'affiner le grain.This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged. The forged products were slowly cooled in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain.
Des barres issues de ce lingot ont été austénitisées à 940°C, trempées à l'huile, puis revenues à une température de 650°C.Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C.
Les caractéristiques mécaniques obtenues sont indiquées dans le tableau suivant :The mechanical characteristics obtained are indicated in the following table:
Figure imgf000017_0001
Des échantillons ont été nitrurés à 520°C durant 100 h. Le profil de dureté obtenu est présenté en figure 6, ainsi que celui obtenu pour un même cycle avec un acier 32CrMoV13.
Figure imgf000017_0001
Samples were nitrided at 520 ° C for 100 h. The hardness profile obtained is presented in Figure 6, as well as that obtained for the same cycle with a 32CrMoV13 steel.
Ce profil montre que l'acier selon la présente invention présente, pour un même cycle de nitruration, une dureté superficielle équivalente à celle de l'acier 32CrMoV13 et une profondeur nitruree nettement supérieure.This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
Exemple n° 7Example 7
Un lingot de 35 kg a été élaboré dans la composition chimique indiquée en pourcentage en poids ci-dessous, conformément aux indications de la présente invention :A 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
C 0,32% Si 0,05%C 0.32% If 0.05%
Mn 0,90% Cr 1 ,33% Ni 0,77% Mo 1 ,12% V 0,27%Mn 0.90% Cr 1, 33% Ni 0.77% Mo 1, 12% V 0.27%
Al 0,19% le reste étant constitué essentiellement de fer et d'impuretés résiduelles.Al 0.19% the remainder consisting essentially of iron and residual impurities.
Ce lingot a été élaboré par fusion à l'arc, il a ensuite été homogénéisé à haute température (1100°C) pour obtenir une structure uniforme, puis il a été forgé. Les produits forgés ont été refroidis lentement au four. Ils ont été normalisés afin de mettre en solution les carbures, d'homogénéiser la structure austénitique et d'affiner le grain.This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged. The forged products were slowly cooled in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain.
Des barres issues de ce lingot ont été austénitisées à 940°C, trempées à l'huile, puis revenues à une température de 650°C. Les caractéristiques mécaniques obtenues sont indiquées dans le tableau suivant :
Figure imgf000019_0001
Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C. The mechanical characteristics obtained are indicated in the following table:
Figure imgf000019_0001
Des échantillons ont été nitrurés à 520°C durant 100 h. Le profil de dureté obtenu est présenté en figure 7, ainsi que celui obtenu pour un même cycle avec un acier 32CrMoV13.Samples were nitrided at 520 ° C for 100 h. The hardness profile obtained is presented in Figure 7, as well as that obtained for the same cycle with a 32CrMoV13 steel.
Ce profil montre que l'acier selon la présente invention présente, pour un même cycle de nitruration, une dureté superficielle équivalente à celle de l'acier 32CrMoV13 et une profondeur nitruree nettement supérieure.This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
Exemple n° 8Example 8
Un lingot de 35 kg a été élaboré dans la composition chimique indiquée en pourcentage en poids ci-dessous, conformément aux indications de la présente invention :A 35 kg ingot was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
C 0,31 % Si 0,27% Mn 0,91 % Cr 1 ,34% Ni 1 ,04%C 0.31% If 0.27% Mn 0.91% Cr 1.34% Ni 1.04%
Mo 1 ,17% V 0,23% Al 0,30% le reste étant constitué essentiellement de fer et d'impuretés résiduelles. Ce lingot a été élaboré par fusion à l'arc, il a ensuite été homogénéisé à haute température (1100°C) pour obtenir une structure uniforme, puis il a été forgé. Les produits forgés ont été refroidis lentement au four. Ils ont été normalisés afin de mettre en solution les carbures, d'homogénéiser la structure austénitique et d'affiner le grain.Mo 1.17% V 0.23% Al 0.30% the remainder consisting essentially of iron and residual impurities. This ingot was produced by arc fusion, it was then homogenized at high temperature (1100 ° C) to obtain a uniform structure, then it was forged. Forged products were cooled slowly in the oven. They have been standardized in order to dissolve the carbides, to homogenize the austenitic structure and to refine the grain.
Des barres issues de ce lingot ont été austénitisées à 940°C, trempées à l'huile, puis revenues à une température de 650°C.Bars from this ingot were austenitized at 940 ° C, quenched in oil, then returned to a temperature of 650 ° C.
Les caractéristiques mécaniques obtenues sont indiquées dans le tableau suivant :The mechanical characteristics obtained are indicated in the following table:
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000020_0001
Des échantillons ont été nitrurés à 520°C durant 100 h. Le profil de dureté obtenu est présenté en figure 8, ainsi que celui obtenu pour un même cycle avec un acier 32CrMoV13.Samples were nitrided at 520 ° C for 100 h. The hardness profile obtained is presented in Figure 8, as well as that obtained for the same cycle with a 32CrMoV13 steel.
Ce profil montre que l'acier selon la présente invention présente, pour un même cycle de nitruration, une dureté superficielle équivalente à celle de l'acier 32CrMoV13 et une profondeur nitruree nettement supérieure.This profile shows that the steel according to the present invention has, for the same nitriding cycle, a surface hardness equivalent to that of 32CrMoV13 steel and a significantly greater nitrided depth.
Exemple n" 9Example # 9
Un lingot de 1000 kg a été élaboré dans la composition chimique indiquée en pourcentage en poids ci-dessous, conformément aux indications de la présente invention :An ingot of 1000 kg was produced in the chemical composition indicated in percentage by weight below, in accordance with the indications of the present invention:
C 0,32%C 0.32%
Si 0,03%If 0.03%
Mn 0,86%Mn 0.86%
Cr 1 ,35%Cr 1, 35%
Ni 0,78%Ni 0.78%
Mo 1 ,15%MB 1.15%
V 0,28% Al 0,19% le reste étant constitué essentiellement de fer et d'impuretés résiduelles.V 0.28% Al 0.19% the remainder consisting essentially of iron and residual impurities.
Ce lingot a été obtenu par fusion sous vide puis refusion par électrode consommable, il a ensuite été réchauffé à haute température (1100°C) afin d'homogénéiser la structure puis il a été laminé pour aboutir à des barres cylindriques de diamètre 100 mm. Ces barres ont subi un traitement de normalisation afin de mettre en solution les carbures, homogénéiser la structure austénitique et affiner la taille de grain.This ingot was obtained by vacuum fusion and then remelting by consumable electrode, it was then reheated to high temperature (1100 ° C) in order to homogenize the structure, then it was rolled to result in cylindrical bars with a diameter of 100 mm. These bars have undergone a normalization treatment in order to dissolve the carbides, homogenize the austenitic structure and refine the grain size.
Des échantillons prélevés dans ces barres ont été austénitisés à 940°C, trempés à l'huile et revenus à 650°C.Samples taken from these bars were austenitized at 940 ° C, quenched in oil and returned to 650 ° C.
Une partie des échantillons a été utilisée pour déterminer les caractéristiques mécaniques à l'état trempé revenu. Les résultats obtenus sont indiqués dans les tableaux suivants :Part of the samples were used to determine the mechanical characteristics in the quenched quenched state. The results obtained are indicated in the following tables:
Figure imgf000021_0001
Figure imgf000021_0001
* valeur obtenue sur éprouvettes type CT 25 suivant la norme ASTM E 399-90.* value obtained on CT 25 type test pieces according to ASTM E 399-90.
Figure imgf000021_0002
Figure imgf000021_0002
Le reste des échantillons a été nitruré en appliquant un cycle deThe rest of the samples were nitrided by applying a cycle of
100 h à 520°C. Parmi ces échantillons certains ont été protégés de la nitruration afin de déterminer l'évolution des caractéristiques mécaniques du coeur. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau suivant :
Figure imgf000022_0001
100 h at 520 ° C. Among these samples, some were protected from nitriding in order to determine the evolution of the mechanical characteristics of the heart. The results obtained are presented in the following table:
Figure imgf000022_0001
La figure 9 permet par ailleurs de comparer les profils de dureté obtenus après nitruration avec cet acier et avec un acier 32CrMoV13.FIG. 9 also makes it possible to compare the hardness profiles obtained after nitriding with this steel and with a 32CrMoV13 steel.
Enfin, la limite d'endurance en flexion rotative à 2.107 cycles a été déterminée suivant la norme NFA 03-102, en utilisant des éprouvettes ayant un facteur de concentration de contrainte Kt = 1 ,035. Deux cas ont été étudiés, l'acier à l'état trempé et revenu, ainsi que l'acier à l'état trempé, revenu et nitruré tel que décrit précédemment. Les résultats obtenus sont indiqués dans le tableau suivant et comparés aux meilleures valeurs connues pour l'acier 32CrMoV13 :Finally, the limit of endurance in rotary bending at 2.10 7 cycles was determined according to standard NFA 03-102, using test pieces having a stress concentration factor Kt = 1.035. Two cases were studied, steel in the quenched and annealed state, as well as steel in the quenched, annealed and nitrided state as described above. The results obtained are shown in the following table and compared to the best known values for 32CrMoV13 steel:
Figure imgf000022_0002
Figure imgf000022_0002
Profondeur de nitrurationNitriding depth
La profondeur du gradient de dureté permet de mesurer la performance d'un acier selon l'invention en terme de cinétique de nitruration. Cette profondeur est conventionnel lement définie en Europe en mesurant la profondeur à laquelle la dureté est égale à celle du coeur + 100 HV (dureté Vickers). Aux Etats-Unis, la convention est de définir la profondeur à laquelle la dureté est égale à 50 HRC (soit 513 HV, valeur obtenue par conversion suivant la norme ASTM E140).The depth of the hardness gradient makes it possible to measure the performance of a steel according to the invention in terms of kinetics of nitriding. This depth is conventionally defined in Europe by measuring the depth at which the hardness is equal to that of the core + 100 HV (Vickers hardness). In the United States, the convention is to define the depth at which the hardness is equal to 50 HRC (i.e. 513 HV, value obtained by conversion according to ASTM E140).
Les profondeurs obtenues pour chacun des 9 exemples précédents suivant ces deux conventions sont rassemblées dans le tableau suivant :The depths obtained for each of the 9 previous examples according to these two conventions are collated in the following table:
Figure imgf000023_0001
Figure imgf000023_0001
Ces différents résultats montrent bien que l'acier selon l'invention, une fois trempé et revenu, présente un excellent compromis entre résistance mécanique à la traction, résilience et ténacité de la sous- couche. En outre, il présente, après nitruration, un excellent compromis entre la dureté superficielle, la profondeur de nitruration et la durée du cycle de nitruration.These various results clearly show that the steel according to the invention, once quenched and tempered, presents an excellent compromise between mechanical tensile strength, resilience and tenacity of the undercoat. In addition, after nitriding, it has an excellent compromise between surface hardness, depth of nitriding and the duration of the nitriding cycle.
Les pièces fabriquées à l'aide de l'acier selon l'invention peuvent être, notamment, des barres, des tôles, des ébauches forgées ou matricées, des tubes ou des fils.The parts manufactured using the steel according to the invention can be, in particular, bars, sheets, forged or stamped blanks, tubes or wires.
Il va de soi que les formes de réalisation de l'invention qui ont été décrites ci-dessus ont été données à titre purement indicatif et nullement limitatif, et que l'on peut y apporter de nombreuses modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. It goes without saying that the embodiments of the invention which have been described above have been given for information only and in no way limiting, and that many modifications can be made without departing from the scope of the invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composition d'acier de nitruration comprenant, exprimés en % en poids,1. Composition of nitriding steel comprising, expressed in% by weight,
0,2 à 0,4% de C, 0,8 à 2% de Cr, 0,6 à 2% de Mo, 0,05 à 0,4% de Al, et, le cas échéant, au plus 0,5% de Si, au plus 1,5% deMn, au plus 1,5% de Ni, au plus 0,5% de V, le complément étant constitué de fer et d'impuretés résiduelles, les teneurs de cette composition en Cr, Mo, V et Al, exprimées en % en poids, satisfaisant la relation suivante :0.2 to 0.4% of C, 0.8 to 2% of Cr, 0.6 to 2% of Mo, 0.05 to 0.4% of Al, and, where appropriate, at most 0, 5% of Si, at most 1.5% of Mn, at most 1.5% of Ni, at most 0.5% of V, the balance consisting of iron and residual impurities, the contents of this composition in Cr , Mo, V and Al, expressed in% by weight, satisfying the following relationship:
4<3Cr + Mo + V+2AI<8. 2. Composition d'acier de nitruration selon la revendication 1, comprenant, exprimés en % en poids, 0,25 à 0,37% de C, 1,1 à 1,8% de Cr, 0,8 à 1,5% de Mo, 0,1 à 0,3% de Al,4 <3Cr + Mo + V + 2AI <8. 2. A nitriding steel composition according to claim 1, comprising, expressed in% by weight, 0.25 to 0.37% of C, 1.1 to 1.8% of Cr, 0.8 to 1.5 % of Mo, 0.1 to 0.3% of Al,
0,0,
2 à 1,1% deMn, 0,5 à 1,3% de Ni, 0,1 à 0,4% de V, et, le cas échéant, au plus 0,35% de Si, le complément étant constitué de fer et d'impuretés résiduelles, les teneurs de cette composition en Cr, Mo, V et Al, exprimées en % en poids, satisfaisant la relation suivante :2 to 1.1% of Mn, 0.5 to 1.3% of Ni, 0.1 to 0.4% of V, and, where appropriate, at most 0.35% of Si, the balance consisting of iron and residual impurities, the contents of this composition in Cr, Mo, V and Al, expressed in% by weight, satisfying the following relationship:
4 < 3Cr + Mo + V+ 2AI < 8. 4 <3Cr + Mo + V + 2AI <8.
3. Composition d'acier de nitruration selon l'une des revendications 1 ou3. Composition of nitriding steel according to one of claims 1 or
2, comprenant en outre au plus 0,015% en poids de S et 0,020% en poids de P.2, further comprising at most 0.015% by weight of S and 0.020% by weight of P.
4. Composition d'acier de nitruration selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, contenant en outre au plus 0,1 % en poids de chaque élément Ca, Ce, Nb, Ti, Zr.4. A nitriding steel composition according to any one of claims 1 to 3, further containing at most 0.1% by weight of each element Ca, Ce, Nb, Ti, Zr.
5. Procédé de fabrication de pièces traitées et nitrurees, comprenant les opérations suivantes : a - constitution d'une charge destinée à obtenir une composition chimique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, b - élaboration de ladite charge dans un four à arc, c - réchauffage et transformation à chaud du lingot, d - traitement thermique d'homogénéisation de la structure et d'affinement du grain, e - traitement thermique d'emploi, et f - nitruration.5. A method of manufacturing treated and nitrided parts, comprising the following operations: a - constitution of a filler intended to obtain a chemical composition according to any one of claims 1 to 4, b - preparation of said filler in a arc, c - heating and hot processing of the ingot, d - heat treatment for homogenization of the structure and refinement of the grain, e - heat treatment for use, and f - nitriding.
6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, dans lequel l'élaboration dans un four à arc (étape b) est suivie d'une refusion par électrode consommable.6. The manufacturing method according to claim 5, wherein the elaboration in an arc furnace (step b) is followed by remelting by a consumable electrode.
7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel l'élaboration dans un four à arc (étape b) est effectuée sous pression réduite.7. The manufacturing method according to claim 6, wherein the elaboration in an arc furnace (step b) is carried out under reduced pressure.
8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel l'étape d comprend une normalisation à une température supérieure à celle du point critique AC3, un refroidissement à l'air et un revenu d'adoucissement à une température inférieure à celle du point critique ACi. 8. The manufacturing method according to any one of claims 5 to 7, wherein step d comprises normalization at a temperature higher than that of the critical point AC 3 , air cooling and a softening income at a temperature lower than that of the critical point ACi.
9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 5 à 8 dans lequel l'étape e comprend une trempe à partir d'une température d'austénitisation dans la gamme de 900-1000°C, suivie d'un revenu à une température de 550-750°C. 9. The manufacturing method according to any one of claims 5 to 8 wherein step e comprises quenching from an austenitization temperature in the range of 900-1000 ° C, followed by tempering at a temperature of 550-750 ° C.
10. Procédé de fabrication selon la revendication 9 dans lequel la température du revenu est supérieure d'au moins 30°C à la température de nitruration.10. The manufacturing method according to claim 9 wherein the tempering temperature is at least 30 ° C higher than the nitriding temperature.
11. Pièces, barres, tôles, ébauches forgées ou matricées, tubes et fils en acier ayant une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.11. Parts, bars, sheets, forged or stamped blanks, tubes and steel wires having a composition according to any one of claims 1 to 4.
12. Pièces, barres, tôles, ébauches forgées ou matricées, tubes et fils en acier selon la revendication 11 , caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par un procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 10. 12. Parts, bars, sheets, forged or stamped blanks, tubes and steel wires according to claim 11, characterized in that they are obtained by a process according to any one of claims 5 to 10.
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