Acier de construction cémentable, procédé pour son obtention et pièces formées avec cet acierCementable structural steel, process for obtaining it and parts formed therefrom
La présente invention concerne un acier de construction cémentable peu allié et économique, utilisable notamment pour la fabrication de pièces de pignonnerie pour boîtes de vitesses automobiles, ainsi que pour d'autres applications telles que la fabrication de transmissions mécaniques ou de réducteurs, par exemple.The present invention relates to a low alloyed and economical cementable structural steel, usable in particular for the manufacture of pinion parts for automobile gearboxes, as well as for other applications such as the manufacture of mechanical transmissions or reducers, for example.
En effet, ces ensembles de transmission d'une énergie mécanique sont constitués de pignons dentés disposés sur des arbres, le mouvement étant transmis d'un arbre à l'autre par association de couples de pignons choisis respectivement sur l'un et l'autre arbre.Indeed, these mechanical energy transmission assemblies consist of toothed pinions arranged on shafts, the movement being transmitted from one shaft to another by association of pairs of pinions chosen respectively from one and the other. tree.
Les pignons sont réalisés en un acier présentant un compromis adapté de propriétés entre ténacité et résistance mécanique. L'acier doit être suffisamment tenace pour ne pas se rompre lors d'événements fortuits, ou de régimes transitoires conduisant à des chocs ou à de fortes variations instantanées de l'effort supporté.The pinions are made of steel with a suitable compromise in properties between toughness and mechanical resistance. The steel must be tough enough not to break during accidental events, or transient regimes leading to shocks or to large instantaneous variations in the force supported.
Mais ces propriétés de base ne sont pas suffisantes au niveau des dentures dont la surface supporte des sollicitations sévères. C'est pourquoi ces dentures subissent un traitement de surface par cémentation, suivi d'un traitement thermique de trempe, avec ou sans revenu de détente. On obtient ainsi un matériau de base résistant et tenace et une surface de denture résistante à la fatigue de contact.However, these basic properties are not sufficient for the teeth, the surface of which withstands severe stresses. This is why these teeth undergo a surface treatment by case hardening, followed by a heat treatment of quenching, with or without relaxation income. This gives a resistant and tenacious base material and a toothing surface resistant to contact fatigue.
Les aciers traditionnellement utilisés pour ces applications se répartissent entre les familles chrome-molybdène (Cr Mo 4, soit 1% en poids de chrome), nickel-chrome (Ni Cr 6, soit 1 ,5% en poids de nickel) ou manganèse-chrome (Mn Cr 5, soit 1 ,25% en poids de manganèse), familles qui sont partiellement décrites dans la norme NFA 03.151 et le projet de norme EN 10084. Dans chaque famille, les aciers s'échelonnent selon des teneurs en carbone variant de 0,10% à 0,35% en poids, le choix du carbone gouvernant la résistance en sous-couche de la pièce pour l'application
ciblée. Par voie de conséquence, l'utilisateur de l'acier doit, pour fabriquer une pièce selon les propriétés recherchées, choisir de manière cohérente l'acier et son mode de mise en oeuvre en fonction de la trempabilité de ce matériau. La trempabilité d'une nuance d'acier donnée, c'est-à-dire la dureté que l'on peut espérer après trempe en fonction des vitesses de trempe, peut être déterminée au moyen d'un test appelé essai Jominy. Ce test consiste à austénitiser une éprouvette cylindrique normalisée, puis à la refroidir avec un jet d'eau qui vient frapper son extrémité inférieure, de bas en haut. Après refroidissement, on effectue des mesures de dureté en des points situés à des distances croissantes de l'extrémité refroidie et qu'on identifie par les termes J1 , J3, J5, etc.The steels traditionally used for these applications are distributed between the families chromium-molybdenum (Cr Mo 4, that is to say 1% by weight of chromium), nickel-chromium (Ni Cr 6, that is to say 1.5% by weight of nickel) or manganese- chromium (Mn Cr 5, ie 1.25% by weight of manganese), families which are partially described in standard NFA 03.151 and the draft standard EN 10084. In each family, the steels are staggered according to varying carbon contents from 0.10% to 0.35% by weight, the choice of carbon governing the undercoat resistance of the part for the application targeted. Consequently, the steel user must, in order to manufacture a part according to the desired properties, choose the steel and its mode of implementation in a coherent manner as a function of the quenchability of this material. The hardenability of a given grade of steel, i.e. the hardness that can be expected after quenching as a function of quenching rates, can be determined by means of a test called the Jominy test. This test consists of austenitizing a standard cylindrical test tube, then cooling it with a jet of water which strikes its lower end, from bottom to top. After cooling, hardness measurements are carried out at points located at increasing distances from the cooled end and which are identified by the terms J1, J3, J5, etc.
La courbe Jominy obtenue à l'aide de ces mesures est caractéristique de la nuance d'acier. D'autres documents généraux, comme l'annexe A de la norme EN 10083-1 , indiquent quel est le point de la courbeThe Jominy curve obtained using these measurements is characteristic of the steel grade. Other general documents, such as annex A of standard EN 10083-1, indicate the point of the curve
Jominy représentatif de l'application que l'on considère.Jominy representative of the application that we consider.
Tous les aciers des familles précitées présentent une courbe Jominy avec une zone à forte décroissance, et cela d'autant plus que leur teneur en carbone est basse, ce qui signifie que, lorsque le point représentatif de l'application traverse cette zone, les propriétés de dureté des pièces subissent une forte variation.All the steels of the abovementioned families have a Jominy curve with a zone with strong decay, and this all the more since their carbon content is low, which means that, when the representative point of the application crosses this zone, the properties of hardness of the parts undergo a strong variation.
Les courbes Jominy sont fortement dépendantes de la composition et même des variations de compositions dans les bandes normalisées. Les données disponibles dans les documents normatifs sont, pour les cas critiques, complétées par des spécifications particulières convenues entre l'aciériste et l'utilisateur.Jominy curves are highly dependent on the composition and even variations of compositions in the normalized bands. The data available in the normative documents are, for critical cases, supplemented by specific specifications agreed between the steelmaker and the user.
En particulier, des aciers de la famille 25 Cr Mo 4 ou 25 Mn Cr 5, communément utilisés pour des applications avec une visée de dureté sous-jacente de 450 à 500 HV (dureté Vickers), présentent une courbe Jominy fortement décroissante entre les points J5 et J15, ce qui présente des inconvénients.
Le premier inconvénient est la forte dépendance entre la dureté obtenue in fine en sous-couche et la taille de la pièce, ce qui peut obliger l'utilisateur à employer des aciers différents pour des pièces de différentes tailles. Le second inconvénient est la forte dépendance entre la dureté obtenue in fine en sous-couche et le milieu de trempe utilisé, lui-même découlant des moyens industriels disponibles : trempe en milieu liquide (huile), trempes au gaz dans différentes conditions de pression.In particular, steels of the 25 Cr Mo 4 or 25 Mn Cr 5 family, commonly used for applications with an aiming of an underlying hardness of 450 to 500 HV (Vickers hardness), exhibit a strongly decreasing Jominy curve between the points J5 and J15, which has drawbacks. The first drawback is the strong dependence between the hardness obtained in fine underlayment and the size of the part, which can oblige the user to use different steels for parts of different sizes. The second drawback is the strong dependence between the hardness obtained in fine in the undercoat and the quenching medium used, itself resulting from the industrial means available: quenching in liquid medium (oil), gas quenching under different pressure conditions.
Le troisième inconvénient est la génération de contraintes et de déformations sur les pièces du fait que les transformations métallurgiques ne sont pas simultanées entre différents points de la pièce, en raison des gradients de températures lors des refroidissements.The third drawback is the generation of stresses and deformations on the parts because the metallurgical transformations are not simultaneous between different points of the part, due to the temperature gradients during cooling.
En outre, à l'état cémenté, tous ces aciers peu alliés présentent une ténacité médiocre, ce qui signifie qu'en présence de chocs ou d'efforts instantanés violents, une rupture brutale peut se produire.In addition, in the case hardened state, all of these low-alloy steels have poor toughness, which means that in the presence of impacts or violent instantaneous forces, a sudden rupture can occur.
Des aciers à la fois résistants et tenaces ont été développés pour des applications plus critiques, par exemple sur des pièces aéronautiques. La nuance 16 Ni Cr Mo 13 définie par la norme AIR 9160 C, ou par la normeBoth tough and tough steels have been developed for more critical applications, for example on aeronautical parts. The 16 Ni Cr Mo 13 grade defined by AIR 9160 C standard, or by standard
NF A 35-565, est représentative de cette classe d'aciers plus alliés, en particulier en nickel, et d'un prix inévitablement supérieur.NF A 35-565, is representative of this class of more alloyed steels, in particular nickel, and of an inevitably higher price.
Les objectifs de la présente invention sont donc de mettre à disposition un acier :The objectives of the present invention are therefore to provide a steel:
- restant peu allié afin de maintenir un prix de revient bas,- remaining little alloyed in order to maintain a low cost price,
- offrant une ténacité améliorée par rapport aux aciers de référence,- offering improved toughness compared to reference steels,
- pouvant être fabriqués par les moyens industriels habituellement disponibles, et- can be manufactured by the industrial means usually available, and
- présentant une trempabilité plus progressive que les aciers de référence, trempabilité s'illustrant par une courbe Jominy faiblement décroissante selon le tableau suivant :
- presenting a more progressive hardenability than the reference steels, hardenability illustrated by a slightly decreasing Jominy curve according to the following table:
A cet effet, l'invention a pour premier objet une composition d'acier de construction cémentable comprenant, exprimés en % en poids :To this end, the first object of the invention is a cementable structural steel composition comprising, expressed in% by weight:
0,16 à 0,25% de C,0.16 to 0.25% of C,
0,90 à 1 ,40% de Cr,0.90 to 1.40% Cr,
0,90 à 1 ,50% de Mn,0.90 to 1.50% Mn,
0,30 à 1 ,10% de Ni,0.30 to 1.10% Ni,
0,010 à 0,050% de Al, et, le cas échéant, au plus 0,20% de Mo, au plus 0,40% de Si, au plus 0,40% de Cu, au plus 0,050% de S, le reste étant constitué de fer et des impuretés dues à l'élaboration, les quantités d'éléments d'alliage étant équilibrées pour que la valeur exprimée par la relation suivante :0.010 to 0.050% of Al, and, where appropriate, at most 0.20% of Mo, at most 0.40% of Si, at most 0.40% of Cu, at most 0.050% of S, the remainder being consisting of iron and impurities due to processing, the quantities of alloying elements being balanced so that the value expressed by the following relationship:
KC = 8,34 x %C + 0,60 x %Si + %Mn - 1 ,69 x %S + 0,30 x %Ni + 0,64 x %Cr + 2,55 x %Mo + 0,37 x %CuKC = 8.34 x% C + 0.60 x% Si +% Mn - 1.69 x% S + 0.30 x% Ni + 0.64 x% Cr + 2.55 x% Mo + 0.37 x% Cu
soit comprise entre 4,00 et 4,65, de préférence entre 4,20 et 4,45, ce qui améliore l'allure de la courbe Jominy.is between 4.00 and 4.65, preferably between 4.20 and 4.45, which improves the appearance of the Jominy curve.
Les divers éléments d'alliages remplissent chacun des rôles divers. Le carbone fixe la dureté sous pleine trempe et, par voie de conséquence, la dureté au point J3. Sa concentration respecte de préférence l'intervalle 0,20% - 0,24% en poids.The various elements of alloys each fulfill various roles. The carbon fixes the hardness under full quenching and, consequently, the hardness at point J3. Its concentration preferably respects the range 0.20% - 0.24% by weight.
Le manganèse, le silicium, le nickel, le chrome, le carbone contribuent de manière positive à l'augmentation de la trempabilité.Manganese, silicon, nickel, chromium, carbon contribute positively to the increase in hardenability.
Le chrome est de préférence ajusté entre 1 ,00% et 1 ,30% en poids.
Le molybdène, ajouté à une concentration inférieure à 0,20% en poids et de préférence entre 0,04% et 0,12% en poids, complète les éléments ci- dessus pour ajuster la trempabilité.The chromium is preferably adjusted between 1.00% and 1.30% by weight. Molybdenum, added at a concentration of less than 0.20% by weight and preferably between 0.04% and 0.12% by weight, completes the above elements to adjust the quenchability.
Le nickel est intentionnellement ajouté de préférence entre 0,50% et 0,90% en poids pour son effet favorable sur la ténacité.The nickel is intentionally added preferably between 0.50% and 0.90% by weight for its favorable effect on the toughness.
Le manganèse est maintenu au-dessus de 0,90% en poids pour son action favorable vis-à-vis de la fatigue de contact, mais un excès au delà de 1 ,50% en poids serait préjudiciable à la ténacité. Sa concentration est réglée de préférence entre 1 ,10% et 1 ,40% en poids. L'aluminium est ajouté à un niveau supérieur à 0,010% en poids pour éviter le grossissement du grain lors de la cémentation et de la trempe. Un excès au delà de 0,050% en poids conduirait à de la fragilisation et à des difficultés d'élaboration de l'acier. On vise de préférence une concentration de 0,015% à 0,030% en poids. Le soufre peut-être soit maintenu à un bas niveau, ce qui confère les propriétés mécaniques les meilleures, soit fixé dans l'intervalle 0,020% à 0,050% en poids pour améliorer l'usinabilité sans trop handicaper les propriétés d'emploi. On vise de préférence une concentration de 0,02% à 0,040% en poids. Le cuivre est un élément résiduel qui contribue à la trempabilité : il est limité à 0,40% en poids et de préférence à 0,25% en poids maximum.Manganese is maintained above 0.90% by weight for its favorable action against contact fatigue, but an excess beyond 1.50% by weight would be detrimental to the toughness. Its concentration is preferably set between 1.10% and 1.40% by weight. Aluminum is added at a level greater than 0.010% by weight to prevent the grain from growing during cementation and quenching. An excess of more than 0.050% by weight would lead to embrittlement and to difficulties in preparing the steel. It is preferably aimed at a concentration of 0.015% to 0.030% by weight. The sulfur can be either kept at a low level, which gives the best mechanical properties, or fixed in the range 0.020% to 0.050% by weight to improve the machinability without unduly handicapping the properties of use. It is preferably aimed at a concentration of 0.02% to 0.040% by weight. Copper is a residual element which contributes to hardenability: it is limited to 0.40% by weight and preferably to 0.25% by weight maximum.
Un second objet de l'invention est un procédé de fabrication de pièces cémentées et traitées comprenant les opérations suivantes : a - constitution d'une charge destinée à obtenir une composition conforme à la présente invention, telle que décrite ci-dessus, b - fusion 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 - cémentation, f- usinage des pièces, et g - traitement thermique d'emploi.
La cémentation, étape e du procédé selon l'invention, peut être effectuée en utilisant des moyens conventionnels, le cycle de cémentation étant à définir par l'homme du métier en fonction de la profondeur de durcissement recherchée, d'une façon tout à fait classique. Dans un mode de réalisation préféré, cette étape e de cémentation est réalisée sous pression réduite entre 850 et 900°C, en deux étapes successives suivies d'un retour à la température ambiante. La première étape est destinée à enrichir en carbone la couche superficielle des pièces, à l'aide d'hydrocarbures, et le seconde est une étape de diffusion sous vide. Dans un mode de réalisation préféré, l'étape g de traitement thermique d'emploi comprend une austénitisation entre 800 et 900°C, puis une trempe entre 800 et 900°C, suivie d'un revenu entre 150 et 200°C.A second object of the invention is a method of manufacturing cemented and treated 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 - fusion of said charge in an arc furnace, c - heating and hot processing of the ingot, d - heat treatment for homogenization of the structure and refinement of the grain, e - case hardening, f- machining of the parts, and g - treatment thermal use. The case hardening, step e of the process according to the invention, can be carried out using conventional means, the case hardening cycle being to be defined by a person skilled in the art as a function of the desired depth of hardening, in a completely classic. In a preferred embodiment, this step e of carburizing is carried out under reduced pressure between 850 and 900 ° C., in two successive steps followed by a return to ambient temperature. The first step is intended to enrich the surface layer of carbon with carbon, using hydrocarbons, and the second is a step of diffusion under vacuum. In a preferred embodiment, step g of heat treatment of use comprises an austenitization between 800 and 900 ° C, then a quenching between 800 and 900 ° C, followed by tempering between 150 and 200 ° C.
Un troisième objet de l'invention est constitué par les pièces cémentées et traitées réalisées avec l'acier de cémentation selon l'invention, et plus particulièrement des pignons dentés tels que décrits ci- dessus. 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 case-hardened and treated parts produced with the case-hardening steel according to the invention, and more particularly toothed pinions as described above. 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 différents éléments de la composition selon l'invention, dans les proportions en poids indiquées précédemment, conduit à un acier répondant aux différents buts recherchés.The exemplary embodiments of the invention which follow show that the combination of the various elements of the composition according to the invention, in the proportions by weight indicated above, results in a steel meeting the various aims sought.
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 déformationR p o, 2 = conventional elastic limit at 0.2% deformation
A = allongementA = elongation
Z = striction H V = dureté VickersZ = necking H V = Vickers hardness
HRC = dureté Rockwell CHRC = Rockwell C hardness
KV = énergie de rupture en flexion par choc sur éprouvette à entaille en V.
Les exemples présentés ci-dessous ont été réalisés, en ce qui concerne la nuance selon l'invention, avec une coulée industrielle dont la composition, exprimée en % en poids, est la suivante :KV = breaking energy in impact bending on V-notch test piece. The examples presented below were carried out, with regard to the grade according to the invention, with an industrial casting the composition of which, expressed in% by weight, is as follows:
0,209% de C,0.209% C,
1 ,08% de Cr,1.08% Cr,
1 ,21% de Mn,1.21% Mn,
0,72% de Ni,0.72% of Ni,
0,029% de Al,0.029% Al,
0,065% de Mo,0.065% of Mo,
0,359% de Si,0.359% of Si,
0,105% de Cu,0.105% Cu,
0,028% de S, le complément étant constitué de fer et d'impuretés résiduelles.0.028% S, the balance consisting of iron and residual impurities.
Exemple 1 - Courbes JominyExample 1 - Jominy curves
La coulée industrielle élaborée selon les indications ci-dessus a permis d'obtenir les résultats suivants, sur des éprouvettes Jominy trempées à 850°C, comparativement à des compositions de référence :The industrial casting produced according to the above indications made it possible to obtain the following results, on Jominy test specimens soaked at 850 ° C., compared with reference compositions:
Exemple 2 - Traitement thermique Example 2 - Heat treatment
Pour évaluer la réponse au traitement thermique dans ia masse des pièces, des barres de diamètres respectifs 20 et 35 mm, ayant subi un traitement thermique comprenant une trempe à 850°C dans l'huile suivie d'un revenu à 180/200°C, ont fourni les résultats ci-dessous :To evaluate the response to the heat treatment in the mass of the parts, bars of respective diameters 20 and 35 mm, having undergone a heat treatment comprising a quenching at 850 ° C in the oil followed by tempering at 180/200 ° C , provided the results below:
Ces résultats montrent que : These results show that:
- les caractéristiques mécaniques obtenues sont très peu dépendantes de la dimension de la pièce trempée, ceci en comparaison avec les nuances actuellement connues et destinées à cette application,the mechanical characteristics obtained are very little dependent on the dimension of the hardened part, this in comparison with the nuances currently known and intended for this application,
- l'acier objet de l'invention présente des valeurs de ductilité (striction lors de l'essai de traction, énergie de rupture et ténacité) supérieures à celles des aciers de référence à niveau de résistance comparable, ceci dans des proportions inattendues compte-tenu de l'actuel état de la technique.the steel which is the subject of the invention exhibits ductility values (necking during the tensile test, fracture energy and toughness) greater than those of reference steels with comparable strength level, this in unexpected proportions given the current state of the art.
Exemple 3 - Ténacité à l'état cémentéExample 3 - Tenacity in the case hardened state
La ténacité à l'état cémenté peut être mesurée par rupture en flexion par choc, à l'aide d'un mouton pendule instrumenté, d'un appendice en forme de dent de pignon, usiné en extrémité d'un barreau de diamètre 25 mm.The toughness in the case-hardened state can be measured by rupture in impact bending, using an instrumented pendulum sheep, an appendage in the form of a pinion tooth, machined at the end of a bar with a diameter of 25 mm. .
La force maximale enregistrée au niveau du couteau du mouton pendule constitue alors un critère de ténacité significatif pour le classement des matériaux.The maximum force recorded at the level of the pendulum knife then constitutes a significant toughness criterion for the classification of materials.
Trois séries d'éprouvettes ont été testées, la première étant réalisée dans la nuance selon l'invention et les deux autres dans des nuances de référence, à savoir les nuances 25 Mn Cr 5 et 16 Ni Cr Mo 13.Three series of test pieces were tested, the first being produced in the shade according to the invention and the other two in reference shades, namely the shades 25 Mn Cr 5 and 16 Ni Cr Mo 13.
Les trois séries d'éprouvettes testées ont été préalablement entièrement cémentées sous pression réduite à 880°C, pendant une durée totale efficace de 85 minutes, répartie en une première séquence de 55 minutes d'enrichissement en carbone par un hydrocarbure, suivie d'une seconde séquence de 30 minutes de diffusion sous vide, puis retour à la température ambiante. Les éprouvettes réalisées dans les nuances 25 Mn Cr 5 etThe three series of test pieces tested were previously completely cemented under reduced pressure at 880 ° C, for a total effective time of 85 minutes, divided into a first sequence of 55 minutes of carbon enrichment by a hydrocarbon, followed by a second sequence of 30 minutes of diffusion under vacuum, then return to ambient temperature. The test pieces produced in the 25 Mn Cr 5 and
16 Ni Cr Mo 13 ont ensuite fait l'objet d'un traitement thermique d'emploi classique, tandis que les éprouvettes réalisées dans la nuance selon
l'invention ont été austénitisées à 850°C, trempées à l'huile puis revenues à 180°C pendant 2 heures.16 Ni Cr Mo 13 were then subjected to a conventional heat treatment, while the test pieces produced in the grade according to the invention were austenitized at 850 ° C, quenched in oil and then returned to 180 ° C for 2 hours.
Les résultats obtenus sont les suivants, pour une moyenne de six mesures :The results obtained are as follows, for an average of six measurements:
La ténacité de l'acier selon l'invention s'avère en conséquence supérieure à celle de l'acier de référence 25 Mn Cr 5, et se situe à un niveau très proche de celui de l'acier 16 Ni Cr Mo 13, qui est beaucoup plus riche en éléments d'alliages. Les compositions d'acier selon l'invention sont plus particulièrement destinées à la fabrication de pignons dentés, mais peuvent naturellement être utilisées pour toutes les pièces soumises à des contraintes similaires.The toughness of the steel according to the invention is consequently higher than that of the reference steel 25 Mn Cr 5, and is situated at a level very close to that of the steel 16 Ni Cr Mo 13, which is much richer in elements of alloys. The steel compositions according to the invention are more particularly intended for the manufacture of toothed pinions, but can naturally be used for all the parts subjected to similar stresses.
Il va également de soi que les formes de réalisation des différents objets de l'invention qui ont été décrites ci-dessus ont été données à titre purement indicatif et nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent être facilement apportées par l'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
It also goes without saying that the embodiments of the various objects of the invention which have been described above have been given for purely indicative and in no way limitative, and that numerous modifications can be easily made by those skilled in the art. art without departing from the scope of the invention.