WO2004050935A1 - Piece mecanique prete a l'emploi en acier bas carbone pour deformation plastique et son procede de fabrication - Google Patents

Piece mecanique prete a l'emploi en acier bas carbone pour deformation plastique et son procede de fabrication Download PDF

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WO2004050935A1
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steel
bainitic
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long
hot
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PCT/FR2003/003516
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Bernard Resiak
Mario Confente
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Mittal Steel Gandrange
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    • C21D8/06—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/002—Bainite

Definitions

  • the invention relates to mechanical parts made of low carbon steel with high characteristics, such as ball joints of land vehicle wheels, pivots, axes, suspension triangles, rods, or other similar ready-to-use mechanical parts obtained by plastic deformation of '' a long steel product (wire, bar ).
  • steels for plastic deformation must have properties of both deformability and resistance. Thus, during the manufacture of the mechanical parts for which some of them are intended, they must be able to withstand without breaking significant changes in shape while sometimes having in the end high mechanical characteristics. In fact, in certain cases, the required characteristics of parts obtained from these steels are close to those of class 10.9 according to ISO 898, namely a minimum breaking limit of 1000 MPa and a minimum elastic limit of 900 MPa. In addition, these steels must have good machinability characteristics, since a majority of applications require ultimate machining for final ribs.
  • plastic deformation operations are carried out on pieces of steel resulting from the cutting of wires or bars conventionally obtained by hot rolling of semi-continuous casting products (billets or blooms).
  • cold plastic deformation stamping, forging, etc.
  • the pieces are cold formed using a press, if necessary after a globulation annealing, and the parts obtained are then heat treated by quenching and tempering.
  • quenching and tempering For hot forging, the pieces are first heated to a temperature of around 1000-1200 ° C, hot formed and cooled. The parts thus obtained are then heat treated by quenching and tempering, the quenching can be done directly during cooling after forging.
  • a bainitic structure which offers a good compromise between deformability and mechanical characteristics, as well as good machinability.
  • the success of obtaining this bainitic structure is subject to the cooling constraints of the steel at heart, whether this cooling occurs before the plastic deformation or after. These constraints imposed on cooling are so severe on the steel grades currently known and used that this bainitic structure may not be obtained directly in the hot rolling, or even after the forging operation, so that many mechanical parts must undergo heat treatment after they are shaped.
  • the objective of the invention is to provide transformers with a low carbon steel grade capable of developing a bainitic, or essentially bainitic, structure with low cooling stresses, for the manufacture of parts ready for use both by cold press and hot forging.
  • the object of the invention is the development of a low carbon steel grade specific to the manufacture of mechanical parts provided with a bainitic or essentially bainitic structure which can already be obtained with a low cooling rate at the core, which can go down to 1 ° C / s, and offering both good deformability and good machinability for the production of these parts by cold or hot deformation, without post-heat treatment, said grade having high mechanical characteristics allowing said parts to be in quality classes 8.8 to 12.9 according to ISO standard 898.
  • the subject of the invention is therefore a mechanical part with high characteristics in low carbon steel ready for use coming from the plastic transformation of a long rolled steel product, characterized in that: - the composition of said steel, in addition to iron and the inevitable residual impurities resulting from the production of steel, meets at least the following analysis, given in weight percentages relative to iron:
  • - Said long product is obtained from a semi-product from continuous casting and hot rolled in the austenitic field, then heat treated to give it a bainitic, or essentially bainitic, structure, as well as shaped by plastic transformation to cold or hot to give it its final shape with a breaking strength greater than 800 MPa.
  • the mechanical cold-deformed steel part defined above is characterized in that the long product from which it is obtained by plastic transformation is a rolled wire or bar heat treated by cooling in the hot rolling at a sufficient cooling rate to give it a bainitic or essentially bainitic structure.
  • the mechanical hot-forged steel part defined above is characterized in that the long product from which it is obtained by plastic transformation is a bar or a rolled wire whose piece of forge which has been extracted therefrom has been heat treated by quenching under a cooling rate sufficient to give it a bainitic structure to the core, from a quenching temperature of the order of 1200 ° C. and above at which the slug has underwent a plastic transformation by forging bringing it to its desired final shape.
  • the heat treatment involved in the development of the mechanical part comprises a final phase of cooling at low speed, which can drop to around 1 ° C / s, to the core.
  • this cooling of the part is a gentle cooling, different in any case from a cooling operation which would quench the steel, which moreover would, in normal practice, be followed by tempering.
  • the mechanical part is produced with a steel whose carbon content is between 0.06% and 0.10%.
  • the mechanical part is made of steel, the molybdenum content of which does not exceed 0.30%, and that of manganese is less than 1.80%.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a mechanical part with high characteristics ready for use in low carbon steel having a breaking strength of more than 800 MPa, characterized in that it comprises the following steps : - from a long semi-finished product in low carbon steel, the composition of which, in addition to iron and the inevitable residual impurities resulting from the production of steel, meets at least the following analysis, given in weight percentages relative to iron: C ⁇ 0.15%
  • the long rolled product obtained is then heat treated, this heat treatment comprising a final low-speed cooling phase, which can drop to around 1 ° C / s, - to the core to obtain a bainitic, or essentially bainitic structure, and said long product is plastically deformed to bring it to the desired final shape, the plastic deformation operation being able to be performed after or during said heat treatment.
  • the invention also relates to a long steel product intended to obtain a mechanical steel part as defined above, characterized in that it is in the form of wire or hot-rolled bar and in that the The steel of which it is composed corresponds at least to the following analysis, given in weight percentages relative to iron:
  • the invention in its essential characteristics, consists in the definition of an analysis of low carbon steel based on niobium, boron and molybdenum, which is specific to mechanical parts with high characteristics and able to develop a homogeneous bainitic (or essentially bainitic) structure in the mass of the part with few cooling requirements.
  • This structure can in fact already be obtained from a low core cooling rate which can drop to around 1 ° C / s, a speed which can be reached, as we know, directly in the hot rolling mill - even for wires and bars with a diameter of around 20 mm and more depending on the installation.
  • the invention opens up to large diameters the production range of long hot-rolled products intended for cold forging or forging workshops, and, for those reserved for hot forging, it provides the economy of a additional final heat-quenching heat treatment.
  • the limit diameters are around 20 to 25 mm for the grades according to the invention.
  • bainitic structure will denote a “bainitic or essentially bainitic structure”.
  • Niobium acts in synergy with molybdenum and boron to widen the area of bainitic transformation. It increases the quenching effect of boron by increasing the effective boron content contained in the steel. Indeed, the formation of the carbides Fe 23 (CB 6 ) (trapping the boron and passive as for the hardenability of the steel) is made more difficult under the action of niobium which stabilizes the austenite and delays the diffusion of carbon. Furthermore, it makes it possible to increase the recrystallization temperature of the austenite which makes it possible to obtain a finer bainitic structure during controlled rolling, and thus to increase the resilience of the parts.
  • Molybdenum is a carburizing element allowing to widen the bainitic domain by delaying the germination of ferrite.
  • its action on the hardenability of the steel makes it possible to obtain a steel of higher mechanical strength by lowering the temperature at the start of bainitic transformation. It thus tends to compensate for the low carbon content necessary for obtaining good ductility.
  • it acts in synergy with boron and with niobium, which it strengthens its role.
  • it acts in synergy with niobium to increase the recrystallization temperature of austenite.
  • Titanium is used to fix nitrogen and thus protect the boron. Without titanium, boron would lose its quenching power by reacting with nitrogen. Titanium also makes it possible to obtain a fine austenitic grain which improves the ability to cold forming and to ductility.
  • sulfur combines with manganese to form plastic and ductile manganese sulfides. It provides good machinability. It is possible, if one wishes to improve machinability further, to increase its content up to a maximum value of 0.1% but not beyond it if one wishes to guarantee good deformability. Cold.
  • This steel also has the inevitable impurities and residual elements resulting from its production, in particular phosphorus, the content of which must preferably remain below 0.02% to guarantee good ductility during and after setting. in cold form, as well as copper and nickel, the content of which should preferably be less than 0.30%.
  • This optimized composition allows the steel to have a very good capacity for plastic deformation at the same time as good machinability. Indeed, this shade not only promotes the production of bainite, but also reduces the risk of obtaining martensite, the presence of which can constitute a serious obstacle to a good machining operation.
  • An essential aspect of the invention is that the mechanical parts have a homogeneous bainitic structure in the mass at low cooling speed at the heart of the hot forged parts, or of the wires or bars from which they are obtained by cold striking, which can descend up to approximately 1 ° C / s.
  • the mechanical part is cold struck (or cold forged)
  • the bainitic structure is obtained before shaping.
  • the steel after deformation, then has good ductility, measured by a necking much greater than 50%, a tensile strength greater than 650 MPa, and a mechanical resistance greater than 800 Mpa.
  • the part is in fact obtained by cold plastic deformation of the steel already having a bainitic structure.
  • a long semi-finished product consisting of an analysis steel in accordance with the invention is supplied which is hot-rolled, if necessary after reheating above 1100 ° C., according to the usual practice of hot rolling up to obtaining a laminated wire 10 mm in diameter for example.
  • the wire removal temperature is less than 1000 ° C.
  • the laminated wire obtained is then air-cooled in the rolling hot water itself in the usual way ("stelmor" process for example), at a low core speed which can drop to around 1 ° C / s to obtain a homogeneous bainitic structure.
  • the rolled wire is then delivered (or deliverable) to the transformer in the form of a crown.
  • the transformer who receives the crown unwinds the wire, erects it if necessary, before cutting it into pieces of the desired length. Each piece is then subjected to a usual cold plastic deformation operation to obtain the final ready-to-use part (ball joints, pins, rods, screws ...), after a nominal rib machining if necessary. .
  • the final mechanical characteristics will naturally be obtained by the work hardening resulting from the shaping.
  • the parts are hot deformed and the bainitic structure is obtained after this plastic deformation operation: a long semi-product consisting of an analysis steel in accordance with the invention is supplied which is rolled hot until a 30 mm laminated bar is obtained diameter for example. After possible cooling, the bar cut to length by cutting can be delivered rectilinear to the blacksmith with its ordinary metallographic structure acquired naturally during hot rolling.
  • the blacksmith who receives it cuts it into pieces and each piece is then brought to a temperature of around 1200 ° C. before being subjected to a hot plastic deformation operation at the forge.
  • the parts are then cooled in the usual way, in two stages, with a first controlled cooling down to a temperature below 1000 ° C and a second cooling at low core cooling rate which can go down to 1 ° C / s approx.
  • the end of rolling conditions have no particular importance on obtaining the metallurgical structure, since the bainite, which gives the part most of its working properties, is reached at the very end, after hot forming and controlled cooling.
  • the mechanical parts according to the invention are obtained by plastic deformation of laminated products without additional heat treatment of quenching and tempering.
  • the billets from the casting were hot rolled after reheating above 1100 ° C to form a wire 12 mm in diameter.
  • the wire deposition temperature after rolling was 820 ° C.
  • the rate of cooling of the wire in the hot end of rolling was of the order of 5 ° C / s.
  • a homogeneous bainitic structure is obtained over the whole of the wire, at the periphery as well as at the core.
  • the mechanical parts with high characteristics according to the invention are remarkable in that they make it possible in particular to save the quenching and tempering treatments currently used during striking or cold forging or hot forging operations.
  • machinability for example, in hot forging applications, a person skilled in the art may choose to improve the machinability by varying the sulfur content or by adding other agents favoring machining such as tellurium, lead or selenium.
  • machining such as tellurium, lead or selenium.
  • stamping applications or cold forging or hot forging the invention also applies to other plastic deformation applications such as wire drawing, drawing, stamping, etc. ..

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Abstract

Cette pièce mécanique est issue par déformation plastique à chaud ou à froid d'un acier sans traitement thermique de trempe et revenu postérieur à sa mise en forme. L'acier bas carbone dont elle est issue permet en effet l'obtention d'une structure bainitique ou essentiellement bainitique à partir d'un refroidissement à coeur qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s environ, et présentent à cet effet une composition qui, outre du fer et les inévitables impuretés résiduelles résultant de l'élaboration de l'acier, comprend au moins de 0,02 à 0,15 % de carbone, de 0,04 à 0,10 % de niobium, de 0,001 à 0,005 de bore, de 0,10 à 0,35 % de molybdène, de 1,30 à 2,00 % de manganèse, de 0,15 à 1,30 % de silicium, moins de 0,015 % d'azote associé à une teneur en titane de l'ordre 3,5 fois cette teneur en azote, de 0,01 à 0,08 % d'aluminium. Les pièces réalisées, de bonne usinabilité, trouvent leur application préférentielle dans le domaine de travail en fatigue de pièces de précision à hautes caractéristiques, comme les rotules de roues de véhicules, biellettes, pivots, vis, etc...

Description

Pièce mécanique prête à l'emploi en acier bas carbone pour déformation plastique et son procédé de fabrication.
L'invention concerne les pièces mécaniques en acier bas carbone à hautes caractéristiques, comme les rotules de roues de véhicules terrestres, les pivots, axes, triangles de suspension, biellettes, ou autres pièces mécaniques analogues prêtes à l'emploi obtenues par déformation plastique d'un produit sidérurgique long (fil, barre...)
On sait que les aciers pour déformation plastique doivent présenter des propriétés à la fois de déformabilité et de résistance. Ainsi, lors de la fabrication des pièces mécaniques à laquelle certains d'entre eux sont destinés, il leur faut pouvoir supporter sans rupture des modifications de forme importantes tout en présentant parfois au final de hautes caractéristiques mécaniques. De fait, dans certains cas, les caractéristiques exigées des pièces obtenues à partir de ces aciers sont proches de celles de la classe 10.9 selon la norme ISO 898, à savoir une limite à la rupture minimum de 1000 MPa et une limite élastique minimum de 900 MPa. De plus, ces aciers doivent présenter de bonnes caractéristiques d'usinabilité, car une majorité des applications nécessite un usinage ultime pour mise aux côtes finales.
On rappelle que les opérations de déformation plastique se font sur des lopins d'acier issus de la découpe de fils ou barres obtenus classiquement par laminage à chaud de demi -produits de coulée continue (billettes ou blooms). En déformation plastique à froid (frappe, forge...), les lopins sont mis en forme à froid à la presse, le cas échéant après un recuit de globulisation, et les pièces obtenues sont ensuite traitées thermiquement par trempe et revenu. Pour la forge à chaud, les lopins sont réchauffés d'abord jusqu'à une température d'environ 1000-1200 °C, mis en forme à chaud et refroidis. Les pièces ainsi obtenues sont ensuite traitées thermiquement par trempe et revenu, la trempe pouvant être faite directement lors du refroidissement après forgeage.
La réalisation de ces différents traitements thermiques suppose des opérations, certes maîtrisées, mais néanmoins coûteuses, dont les résultats visés ne sont pas toujours atteints et qui, de toute façon, augmentent le temps et le coût de production. Aussi, a t'on recherché ces dernières années des nuances d'acier permettant de s'en affranchir et d'obtenir des pièces à hautes caractéristiques "prêtes à l'emploi", pouvant être utilisées pour l'application prévue sans avoir à subir un traitement thermique pour modifier leur structure métallurgique après l'opération de déformation plastique.
Concernant la frappe à froid par exemple, il est déjà connu par exemple de faire appel à des nuances d'acier de structure essentiellement bainitique (i.e. contenant plus de 50 % de bainite), présentant un bon compromis entre déformabilité et caractéristiques mécaniques finales. Toutefois, compte tenu des capacités des moyens de refroidissement dont on dispose généralement sur une ligne de laminage à chaud, ces nuances permettent d'obtenir une structure essentiellement bainitique uniquement sur des fils ou des barres laminés de relativement faible diamètre, dépassant rarement 8 mm en fait. Au-delà, on obtient une bainite dégénérée ou associée à de la ferrite, ce qui conduit à une détérioration marquée des propriétés mécaniques des produits laminés. De plus, la structure n'étant pas bien maîtrisée, il y a un risque de forte dispersion des caractéristiques mécaniques au sein d'une même couronne ou entre plusieurs couronnes de fils bobinés ou entre plusieurs barres ou au sein d'une même barre à l'issue du laminage à chaud.
Des problèmes similaires sont rencontrés avec les nuances d'acier pour forge à chaud pour lesquelles l'épaisseur de la pièce forgée impose souvent des contraintes de refroidissement sévères pour atteindre la vitesse de refroidissement à cœur nécessaire à l'obtention de la structure bainitique visée dans la masse. De surcroît, la périphérie de la pièce étant inévitablement refroidie beaucoup plus énergiquement que le cœur, il en résulte des tensions internes qui peuvent conduire à des déformations permanentes rédhibitoires.
On voit donc que l'on recherche classiquement, dans les applications des nuances pour déformation plastique, une structure bainitique qui offre un bon compromis entre déformabilité et caractéristiques mécaniques, en même temps qu'une bonne usinabilité. Dans tous les cas, la réussite de l'obtention de cette structure bainitique est soumise aux contraintes de refroidissement de l'acier à cœur, que ce refroidissement intervienne avant la déformation plastique ou après. Ces contraintes imposées au refroidissement s'avèrent si sévères sur les nuances d'acier actuellement connues et utilisées que cette structure bainitique peut ne pas être obtenue directement dans la chaude de laminage, ni même après l'opération de forgeage, de sorte que de nombreuses pièces mécaniques doivent subir un traitement thermique postérieurement à leur mise en forme. L'objectif de l'invention est la mise à disposition des transformateurs d'une nuance d'acier bas carbone apte à développer une structure bainitique, ou essentiellement bainitique, avec de faibles contraintes de refroidissement, pour la fabrication de pièces prêtes à l'emploi tant par presse à froid qu'à la forge à chaud.
Plus précisément, l'invention a pour but le développement d'une nuance d'acier bas carbone spécifique à la fabrication de pièces mécaniques dotées d'une structure bainitique ou essentiellement bainitique pouvant être obtenue déjà avec une faible vitesse de refroidissement à cœur, qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s, et offrant à la fois une bonne aptitude à la déformation et une bonne usinabilité pour la réalisation de ces pièces par déformation à froid ou à chaud, sans traitement thermique postérieur à la mise en forme, ladite nuance présentant des caractéristiques mécaniques élevées permettant auxdites pièces de se situer dans les classes de qualité 8.8 à 12.9 selon la norme ISO 898.
L'invention a ainsi pour objet une pièce mécanique à hautes caractéristiques en acier bas carbone prête à l'emploi venant de la transformation plastique d'un produit sidérurgique long laminé caractérisée en ce que : - la composition dudit acier, outre le fer et les inévitables impuretés résiduelles résultant de l'élaboration de l'acier, répond au moins à l'analyse suivante, donnée en pourcentages pondéraux par rapport au fer:
C < 0, 15 % 0, 04 % < Nb < 0,10 %
0, 001 % < B < 0, 005 % 0, 10 % < Mo < 0, 35 % l, 3 % ≤ Mn < 2, 0 % 0, 15 % ≤ Si < 1, 30 % 0, 01 % < A1 < 0,08 %
N < 0, 015 % avec Ti > 3,5 x % N ;
- ledit produit long est obtenu à partir d'un demi produit issu de la coulée continue et laminé à chaud dans le domaine austénitique, puis traité thermiquement pour lui conférer une structure bainitique, ou essentiellement bainitique, ainsi que mis en forme par transformation plastique à froid ou à chaud pour lui donner sa forme finale avec une résistance à la rupture supérieure à 800 MPa.
Dans un premier mode de réalisation préféré, la pièce mécanique en acier déformée à froid définie ci-dessus se caractérise en ce que le produit long dont elle est issue par transformation plastique est un fil ou barre laminé traité thermiquement par refroidissement dans la chaude de laminage à une vitesse de refroidissement suffisante poux lui conférer une structure bainitique ou essentiellement bainitique.
Dans un second mode de réalisation préféré de l'invention, la pièce mécanique en acier forgée à chaud définie ci-dessus se caractérise en ce que le produit long dont elle est issue par transformation plastique est une barre ou un fil laminé dont le lopin de forge qui en a été extrait a été traité thermiquement par trempe sous une vitesse de refroidissement suffisante pour lui conférer une structure bainitique jusqu'à cœur, ce depuis une température de trempe de l'ordre de 1200 °C et plus à laquelle le lopin a subi une transformation plastique par forgeage l'amenant à sa forme finale désirée.
Préférentiellement, dans les deux modes de réalisation évoqués ci-dessus le traitement thermique intervenant dans l'élaboration de la pièce mécanique comprend une phase finale de refroidissement à faible vitesse, qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s environ, à cœur.
On notera que ce refroidissement de la pièce est un refroidissement doux, différent en tous cas d'une opération de refroidissement qui tremperait l'acier, laquelle au demeurant serait, dans la pratique normale, suivie d'un revenu.
Dans une variante, la pièce mécanique est réalisée avec un acier dont la teneur en carbone est comprise entre 0,06 % et 0,10 %.
Dans une autre variante, la pièce mécanique est réalisée avec acier dont la teneur en molybdène n'excède pas 0,30%, et celle en manganèse est inférieure à 1,80 %. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce mécanique à hautes caractéristiques prête à l'emploi en acier bas carbone présentant une résistance à la rupture de plus de 800 MPa, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - à partir d'un demi produit long en acier bas carbone, dont la composition, outre le fer et les inévitables impuretés résiduelles résultant de l'élaboration de l'acier, répond au moins à l'analyse suivante, donnée en pourcentages pondéraux par rapport au fer: C <0, 15%
0, 04%<Nb<0,10% 0, 001 %<B<0, 005%
0, 10%<Mo<0, 35% l,3%<Mn<2, 0%
0, 15 %<Si< 1, 30%
0, 01%<A1<0,08% N<0, 015% avec Ti≥ 3,5 x%N, on lamine à chaud un produit long dans le domaine austénitique selon la pratique habituelle du laminage à chaud;
- on traite ensuite thermiquement le produit long laminé obtenu, ce traitement thermique comprenant une phase finale de refroidissement à faible vitesse, qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s environ,- à cœur pour obtenir une structure bainitique, ou essentiellement bainitique, et on déforme plastiquement ledit produit long pour l'amener à la forme finale désirée, l'opération de déformation plastique pouvant être accomplie après ou pendant ledit traitement thermique.
L'invention a encore pour objet un produit sidérurgique long destiné à obtenir une pièce mécanique en acier telle que définie ci-avant, caractérisé en ce qu'il se présente sous forme de fil ou de barre laminé à chaud et en ce que l'acier qui le compose répond au moins à l'analyse suivante, donnée en pourcentages pondéraux par rapport au fer:
C <0, 15% 0, 04%<Nb<0,10%
0, 001% <B< 0,005%
0, 10%<Mo<0, 35% l,3%≤Mn<2, 0%
0, 15 %<Si< 1, 30% 0, 01%<A1<0,08%
N < 0, 015 % avec Ti > 3,5 x % N.
Comme on l'aura compris, l'invention, dans ses caractéristiques essentielles, consiste en la définition d'une analyse d'acier bas carbone à base de niobium, de bore et de molybdène, qui est spécifique aux pièces mécaniques à hautes caractéristiques et apte à se doter d'une structure bainitique (ou essentiellement bainitique) homogène dans la masse de la pièce avec peu d'exigences quant au refroidissement. Cette structure peut être obtenue en effet déjà à partir d'une faible vitesse de refroidissement à cœur qui peut descendre jusqu'à l°C/s environ, vitesse qui peut être atteinte, comme on le sait, directement dans la chaude de laminage elle-même pour des fils et barres de diamètre de l'ordre de 20 mm et plus selon les installations.
Dès lors, l'invention ouvre vers les grands diamètres la gamme de production des produits longs laminés à chaud destinée aux ateliers de frappe ou forge à froid, et, pour ceux réservés à la forge à chaud, elle procure l'économie d'un traitement thermique final supplémentaire de trempe-revenu. Pour mieux fixer les idées, on notera qu'avec les chaudes de laminage habituelles, les diamètres limites se situent autour de 20 à 25 mm pour les nuances selon l'invention.
Les habitudes de vocabulaire dans la profession sidérurgique font que l'on appelle
- "fils ou petites barres" les produits laminés sous des diamètres allant jusqu'à 30 mm environ (que l'on conditionne souvent d'ailleurs sous forme de couronnes pour livraison aux transformateurs);
- et "barres" ceux laminés à partir de 18 mm de diamètre et qui sont livrés rectilignes après découpe à longueur à la sortie du train.
Par ailleurs, dans un souci de clarté de l'exposé, l'expression "structure bainitique" désignera une "structure bainitique ou essentiellement bainitique".
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description détaillée qui suit, donnée à titre d'exemple de réalisation.
On produit à l'aciérie, par coulée continue, des demi-produits longs (billettes ou blooms) issus d'un acier ayant, outre le fer, la composition suivante, en teneur pondérale par rapport au fer :
De 0,02 à 0,15 %, et de préférence 0,08 %, de carbone. Le carbone à ces teneurs sert à l'obtention d'une structure bainitique ayant les propriétés mécaniques requises. Il permet d'obtenir une bonne aptitude à l'écrouissage lors d'une déformation plastique à froid. Sa basse teneur permet aussi d'éviter la formation de gros carbures défavorables à la ductilité sans qu'il soit nécessaire de réaliser un traitement de globulisation.
De 0,04 à 0,10 %, et de préférence 0,06 à 0,08 %, de niobium. Le niobium agit en synergie avec le molybdène et le bore pour élargir le domaine de transformation bainitique. Il permet d'accroître l'effet de trempabilité du bore en augmentant la teneur en bore efficace contenue dans l'acier. En effet, la formation des carbures Fe23(CB6) (piégeant le bore et passifs quant à la trempabilité de l'acier) est rendue plus difficile sous l'action du niobium qui stabilise l'austénite et retarde la diffusion du carbone. Par ailleurs, il permet d'augmenter la température de recristallisation de l'austénite ce qui permet d'obtenir une structure bainitique plus fine lors de laminage contrôlé, et ainsi d'augmenter la résilience des pièces.
De 0,001 à 0,005 % de bore. Le bore inhibe la germination de la ferrite favorisant ainsi la formation d'une structure bainitique. Il agit en synergie avec le niobium et le molybdène pour élargir le domaine bainitique.
De 0,10 à 0,35 %, et de préférence moins de 0,30 % de molybdène. Le molybdène est un élément carburigène permettant d'élargir le domaine bainitique en retardant la germination de la ferrite. De plus, à ces teneurs, son action sur la trempabilité de l'acier permet d'obtenir un acier d'une résistance mécanique supérieure par un abaissement de la température de début de transformation bainitique. Il tend à compenser ainsi la faible teneur en carbone nécessaire à l'obtention d'une bonne ductilité. Par ailleurs, il agit en synergie avec le bore et avec le niobium dont il renforce le rôle. De plus, à ces teneurs, il agit en synergie avec le niobium pour augmenter la température de recristallisation de l'austénite. De 1,30 à 2,00 %, et de préférence entre 1,60 et 1,80 %, de manganèse. Ce manganèse permet d'obtenir ensuite une trempabilité suffisante, aide à la formation de la bainite et permet d'obtenir les caractéristiques mécaniques souhaitées.
De 0,10 à 1,30 %, et de préférence de 0,20 à 0,35 %, de silicium. A ces teneurs, il permet d'obtenir un durcissement modéré de l'acier. On peut aller jusqu'à une teneur de 1,30 % si besoin est, en particulier pour augmenter la résistance mécanique de l'acier. Le silicium permet également de désoxyder l'acier lors de la coulée.
De 0, 007 à 0,010 % d'azote, associé avec une teneur en titane de l'ordre de 3,5 fois cette teneur en azote pour faire écran sacrificiel au bénéfice du bore. Le titane sert à fixer l'azote et à protéger ainsi le bore. Sans titane, le bore perdrait son pouvoir trempant en réagissant avec l'azote. Le titane permet également d'obtenir un grain austénitique fin ce qui améliore l'aptitude à la mise en forme à froid et à la ductilité.
Moins de 0,08 % d'aluminium. Cet aluminium dissous résiduel, venant du calmage de l'acier avant coulée, est un bon désoxydant de protection du titane contre l'oxydation par l'oxygène dissous inévitablement présent, afin que ce titane reste disponible pour protéger le bore contre l'azote. Cet aluminium sert aussi à contrôler le grossissement du grain austénitique lors du laminage à chaud du demi-produit de départ, et ainsi à donner à l'acier de bonnes propriétés de résilience.
Eventuellement de 0,001 à 0,1 % de soufre. Ce soufre se combine avec le manganèse afin de former des sulfures de manganèse plastiques et ductiles. Il permet d'obtenir une bonne usinabilité. Il est possible, si l'on souhaite améliorer d'avantage l'usinabilité, d'augmenter sa teneur jusqu'à une valeur maximale de 0,1 % mais pas au- delà si l'on veut garantir une bonne aptitude à la déformation à froid.
Cet acier présente également les inévitables impuretés et éléments résiduels résultant de son élaboration, notamment le phosphore dont la teneur doit rester de préférence inférieure à 0,02 % pour garantir une bonne ductilité pendant et après la mise en forme à froid, ainsi que le cuivre et le nickel, dont la teneur doit être de préférence inférieure à 0,30 %.
Cette composition optimisée permet à l'acier d'avoir une très bonne aptitude à la déformation plastique en même temps qu'une bonne usinabilité. En effet, cette nuance favorise non seulement l'obtention de bainite, mais diminue aussi le risque d'obtention de martensite, dont la présence peut constituer un obstacle sérieux à une bonne opération d'usinage.
La plupart du temps, on pourra d'ailleurs limiter la teneur en molybdène à 0,30 % et la teneur en manganèse à 1,80 % afin d'écarter un risque d'apparition de structure de trempe de type martensitique dans certains cas compte tenu des conditions locales.
Un aspect essentiel de l'invention est que les pièces mécaniques présentent une structure bainitique homogène dans la masse à faible vitesse de refroidissement à cœur des pièces forgées à chaud, ou des fils ou barres dont elles sont issues par frappe à froid, qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s environ.
Lorsque, conformément à une mise en œuvre de l'invention, la pièce mécanique est frappée à froid (ou forgée à froid), la structure bainitique est obtenue avant mise en forme. L'acier, après déformation, présente alors une bonne ductilité, mesurée par une striction largement supérieure à 50 %, une résistance à la traction supérieure à 650 MPa, et une résistance mécanique supérieure à 800 Mpa.
Dans ce premier mode de réalisation, la pièce est en effet obtenue par déformation plastique à froid de l'acier présentant déjà une structure bainitique. On approvisionne un demi-produit long constitué d'un acier d'analyse conforme à l'invention qu'on lamine à chaud, si besoin après réchauffage au-dessus de 1100 °C, selon la pratique habituelle du laminage à chaud jusqu'à l'obtention d'un fil laminé de 10 mm de diamètre par exemple. La température de dépose du fil est inférieure à 1000 °C. Le fil laminé obtenu est ensuite refroidi à l'air dans la chaude de laminage elle-même de la manière habituelle (procédé "stelmor" par exemple), à une faible vitesse à cœur qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s environ pour obtenir une structure bainitique homogène. Le fil laminé est alors livré (ou livrable) au transformateur sous forme de couronne. Le transformateur qui reçoit la couronne débobine le fil, le dresse au besoin, avant de le découper en lopins de longueur voulue. Chaque lopin est ensuite soumis à une opération habituelle de déformation plastique à froid pour l'obtention de la pièce finale prête à l'emploi (rotules, axes, biellettes, vis...), après un usinage de mise aux côtes nominales au besoin. Les caractéristiques mécaniques finales seront naturellement obtenues par l'écrouissage résultant de la mise en forme.
Dans un second mode de réalisation, la pièces est déformée à chaud et la structure bainitique est obtenue après cette opération de déformation plastique: on approvisionne un demi-produit long constitué d'un acier d'analyse conforme à l'invention qu'on lamine à chaud jusqu'à l'obtention d'une barre laminée de 30 mm de diamètre par exemple. Après refroidissement éventuel, la barre mise à longueur par découpe est livrable rectiligne au forgeron avec sa structure métallographique ordinaire acquise naturellement au cours du laminage à chaud.
Le forgeron qui la reçoit la débite en lopins et chaque lopin est ensuite porté à une température d'environ 1200 °C avant d'être soumis à une opération de déformation plastique à chaud à la forge. Les pièces sont alors refroidies de la manière habituelle, en deux étapes, avec un premier refroidissement contrôlé jusqu'à une température inférieure à 1000 °C et un second refroidissement à faible vitesse de refroidissement à cœur qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s environ. Dans ce mode de réalisation, les conditions de fin de laminage n'ont pas d'importance particulière sur l'obtention de la structure métallurgique, puisque la bainite, qui donne à la pièce l'essentiel de ses propriétés d'emploi, est atteinte tout à la fin, après la mise en fonne à chaud et refroidissement contrôlé.
On rappelle que les pièces mécaniques selon l'invention, sont obtenues par déformation plastique de produits laminés sans traitement thermique supplémentaire de trempe et revenu.
Des essais de laboratoire ont été effectués sur une coulée de composition suivante:
Figure imgf000010_0001
Les billettes issues de la coulée ont été laminées à chaud après réchauffage au- dessus de 1100 °C pour former un fil de 12 mm de diamètre. La température de dépose du fil après laminage était de 820 °C. La vitesse de refroidissement du fil dans la chaude de fin de laminage (refroidissement à air soufflé de type "stelmor") a été de l'ordre de 5°C/s. On obtient une structure bainitique homogène sur l'ensemble du fil, en périphérie comme à cœur.
Les caractéristiques mécaniques du fil sont les suivantes :
Figure imgf000010_0002
On rappelle que :
- Rm représente la résistance à la rupture correspondant à la force maximale avant rupture rapportée à la section initiale du fil.
- EOI représente la limite d'élasticité conventionnelle correspondant à la force rapportée à la section initiale du fil provoquant un allongement plastique de 0,2 %.
- A représente l'allongement à la rupture.
- Z représente la striction correspondant à la réduction de section du fil après rupture.
L'évolution des caractéristiques mécaniques en fonction du taux de déformation subi par le fil est la suivante:
Figure imgf000010_0003
Figure imgf000011_0001
Les pièces mécaniques à hautes caractéristiques selon l'invention sont remarquables en ce qu'elles permettent en particulier d'économiser les traitements de trempe et revenu mis actuellement en œuvre lors des opérations de frappe ou à forge à froid ou de forge à chaud.
D'autre part en imposant des conditions de refroidissement moins drastiques, elles risquent moins de se déformer durant l'opération de refroidissement, ou bien à fluide de refroidissement équivalent elles peuvent présenter des diamètres ou épaisseurs plus importants. Elles sont également remarquables par les très bonnes caractéristiques d'usinabilité qu'elles présentent, ce qui permet dans les applications à froid de diminuer les teneurs en soufre et donc de limiter l'influence néfaste de cet élément dans l'aptitude à la déformabilité.
Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples qui viennent d'être décrits, mais qu'elle s'étend à de multiples variantes et équivalents dans la mesure où est respectée sa définition donnée par les revendications jointes.
Ainsi, par exemple, dans les applications de forge à chaud, l'homme du métier pourra choisir d'améliorer l'usinabilité en faisant varier la teneur en soufre ou en ajoutant d'autres agents favorisant l'usinage tels que le tellure, le plomb ou le sélénium. De même, bien qu'étant destinée plus particulièrement aux applications de frappe ou forge à froid ou forge à chaud, l'invention s'applique également aux autres applications de déformation plastique telles que le tréfilage, l'étirage, l'estampage, etc..

Claims

REVENDICATIONS
1) Pièce mécanique à hautes caractéristiques en acier bas carbone prête à l'emploi venant de la transformation plastique d'un produit sidérurgique long laminé caractérisée en ce que:
- la composition dudit acier, outre le fer et les inévitables impuretés résiduelles résultant de l'élaboration de l'acier, répond au moins à l'analyse suivante, donnée en pourcentages pondéraux par rapport au fer: C <0, 15% 0, 04%<Nb<0,10% 0,001 %<B<0,005% 0, 10%<Mo<0, 35% l,3%≤Mn<2,0%
0, 15%<Si<l,30% 0,01 %<A1<0,08% N < 0, 015 % avec Ti > 3,5 x % N ;
- ledit produit long est obtenu à partir d'un demi produit issu de la coulée continue et laminé à chaud dans le domaine austénitique puis traité thermiquement pour obtenir une structure bainitique, ou essentiellement bainitique, et mis en forme par transformation plastique à froid ou à chaud pour lui donner sa forme finale avec une résistance à la rupture supérieure à 800 MPa.
2) Pièce mécanique en acier bas carbone déformée à froid selon la revendication 1 caractérisée en ce que le produit long dont elle est issue par transformation plastique est un fil ou barre laminé traité thermiquement par refroidissement dans la chaude de laminage à une vitesse de refroidissement suffisante pour lui conférer une structure bainitique ou essentiellement bainitique.
3) Pièce mécanique en acier forgée selon la revendication 1 caractérisée en ce que le produit long dont elle est issue par transformation plastique à chaud est une barre ou un fil laminé dont le lopin de forge qui en a été extrait a été traité thermiquement par trempe sous une vitesse de refroidissement suffisante pour lui conférer une structure bainitique jusqu'à cœur, ce depuis une température de trempe de l'ordre de 1200 °C et plus à laquelle le lopin a subi une transformation plastique par forgeage l'amenant à sa forme finale désirée. 4) Pièce mécanique en acier selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que le traitement thermique intervenant dans son élaboration comprend une phase fmale de refroidissement à faible vitesse, qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s, à cœur.
5) Pièce mécanique en acier selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la teneur en carbone de l'acier est comprise entre 0,06 et 0,10 %.
6) Pièce mécanique en acier selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que l'acier dont elle est composée a une teneur en molybdène qui n'excède pas 0, 30 %, et une teneur en manganèse inférieure à 1, 80 %
7) Procédé de fabrication d'une pièce mécanique prête à l'emploi à hautes caractéristiques en acier bas carbone présentant une résistance à la rupture de plus de 800 MPa caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- à partir d'un demi-produit long dont la composition, outre le fer et les inévitables impuretés résiduelles résultant de l'élaboration de l'acier, répond au moins à l'analyse suivante, donnée en pourcentages pondéraux par rapport au fer:
C <0, 15% 0,04%<Nb<0,10%
0,001 %<B< 0,005%
0, 10%<Mo<0,35% l,3%≤Mn<2,0%
0, 15%<Si<l,30% 0,01%<A1<0,08%
N < 0, 015 % avec Ti > 3,5 x % N, on lamine à chaud un produit long (fil ou barre), la température de dépose du fil après laminage étant inférieure à 1000 °C;
- on traite ensuite thermiquement ledit produit long laminé obtenu, ledit traitement thermique comprenant une phase finale de refroidissement à faible vitesse, qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s environ, à cœur pour obtenir une structure bainitique, ou essentiellement bainitique, et on déforme plastiquement ledit produit long pour l'amener à sa forme finale désirée, l'opération de déformation plastique pouvant être accomplie après ou pendant ledit traitement thermique. 8) Produit sidérurgique long bas carbone destiné à être transformé en une pièce mécanique à hautes caractéristiques prête à l'emploi selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il se présente sous forme de fil ou de barre laminé à chaud et en ce que l'acier qui le compose répond au moins à l'analyse suivante, donnée en pourcentages pondéraux par rapport au fer:
C <0, 15% l,3%≤Mn<2,0%
0, 04%<Nb<0,10%
0, 10%≤Mo<0,35% 0,001 %<B<0, 005%
0, 15%<Si<l,30%
0,01%<A1<0,08%
N < 0, 015 % avec Ti > 3,5 x % N.
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