WO2009138586A2 - Acier micro-allié pour forge à chaud de pièces mécaniques à hautes caractéristiques - Google Patents

Acier micro-allié pour forge à chaud de pièces mécaniques à hautes caractéristiques Download PDF

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Bernard Resiak
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Definitions

  • Micro-alloy steel for hot forging of mechanical parts with high characteristics are provided.
  • the invention relates to steels for hot forging for the manufacture of parts with high mechanical characteristics.
  • micro-alloyed steel grades capable of producing homogeneous microstructure forgings with high fracture toughness and resilience, as well as machinability and weldability. preserved, even improved, compared to existing forgings, all in a range of forging diameters even wider than that offered by the known grades of this type and without necessarily imposing a final income after the forging.
  • tubular ramps joint injection commonly called “common rail”
  • common rail commonly fitted to diesel engines with direct injection high-pressure corr * 'ustible (currently about 2000 bars)
  • the most efficient steels used today for this application make it possible to obtain final pieces with a breaking strength of the order of 1000-1100 MPa.
  • This resistance which is inherently high, may nevertheless be insufficient in the ongoing race to increase the injection pressure of a self-igniting fuel.
  • such a tubular component functionally intended to distribute the fuel in the injectors, is made by hot forging a roll bar slab and final axial drilling of the blank. It then receives, by stitching along a generatrix, the pipes that connect it to the injectors, the rigidity and tightness of the assembly to be ensured by the screwing or welding of each stitching.
  • the aim of the invention is first of all to propose a microalloyed carbon steel, for the manufacture by hot forging of components that must work under heavy mechanical stresses, which is able to respond economically, therefore in particular without necessarily imposing a final income after forging and with a contained Mo content, to these increasing and opposite requirements, without consenting to the machinability for hardness levels reached.
  • the subject of the invention is a medium-carbon microalloyed steel grade for the hot forging of high-characteristic mechanical parts, characterized in that, in order to contain its molybdenum content by weight deliberately below 0.6 % and without necessarily imposing a final income of the obtained forging, its chemical composition, besides the iron and the unavoidable residual impurities resulting from the elaboration of steel from the liquid state, corresponds to the following analysis, given in percentages by weight: 0.1% ⁇ C ⁇ 0.35% 0.3% ⁇ Mo ⁇ 0.6% 1.5% ⁇ Mn ⁇ 2.1% 0.4% ⁇ Cr ⁇ 1.5% 0 , 01% ⁇ Nb ⁇ 0, l% 0.01% ⁇ Cu ⁇ 0.35% 0.05% ⁇ V ⁇ 0.3% 0.005% ⁇ Ti ⁇ 0.05%, with Ti> 3.5 N 0.001 % ⁇ N ⁇ 0.015%; and optionally: Ni ⁇ 0.6%; B ⁇ 50 ppm; 0.05% ⁇ If
  • calcium, selenium, or other rare earths are also present to further enhance machinability.
  • this forge steel grade with a deliberately low molybdenum content, is built around a "medium carbon" (not more than 0.35%), coupled with a manganese housed in a narrow range, but with a high minimum value (from 1.5 to 2.1%).
  • the micro-alloyed grade according to the invention is produced in the form of hot-rolled bars from continuous casting, the pieces obtained by cutting will be forged in the austenitic field, to then obtain, without hardening itself, simply by air cooling, forged parts with high mechanical characteristics. This simple air cooling of the blanks will then be sufficient to ensure the final piece ready for use, obtained after a usual machining dimensioning, a homogeneous microstructure with a breaking strength (Rm) of up to 1100 MPa (essentially bainitic microstructure) at 1400 MPa or more (microstructure mainly martensitic in this case).
  • Rm breaking strength
  • the subject of the invention is also a long hot rolled product of medium carbon micro-alloyed killed steel resulting from continuous casting in the form of billets or blooms and having a chemical composition in accordance with the analysis given herein.
  • a mechanical strength 1100 to 1400 MPa and more while preserving its machinability, as well as weldability. It may be useful to recall here that in order to obtain a homogeneous microstructure and to benefit from the desired high mechanical characteristics, it is in principle necessary to have a high cooling rate of the forged final part which leads to a microstructure of the type bainitic or martensitic, or a mixture of both. Otherwise, it would be a dominant "perlite-ferrite" type microstructure that would appear, thus imposing significantly lower levels of mechanical resistance on the part produced than those referred to here.
  • the average micro-alloyed carbon grade according to the invention on the other hand, one can achieve the desired micro-structure and high mechanical characteristics after forging in the austenitic domain by simply cooling in air (ambient or possibly forced) and this even for large forgings diameters, eg for "axle beam” or “crankshaft” forgings for trucks or large cars. It should be noted that the fact of being able to simply cool in the air is important industrially because most blacksmiths for large parts use this type of cooling.
  • the carbon content, called “average carbon” used here is especially so as not to impair the weldability while having a Rm greater than 1100 MPa.
  • the content most often adopted by default will be advantageously lower than
  • Mn The main advantage of Mn is that it can reduce the carbon content while maintaining the same tensile strength values and improving ductility.
  • Manganese is essential to obtain homogeneous, bainitic or martensitic microstructures according to the level required for the mechanical characteristics, microstructures which are essential to obtain a good resistance / ductility match.
  • the lower limit of the manganese content is about 1.5% and the upper limit is 2.1%.
  • manganese tends to promote central segregation which is detrimental to the resilience of steel.
  • a too high manganese content increasing the hardenability of the steel too much, decreases the weldability of the steel by lowering the resilience in the ZAT (Zone Affected Thermally by the welding operation) .
  • Molybdenum in steel has a role now well identified: it increases the hardenability of steel, thus promoting the desired microstructure, bainitic or martensitic according to the desired level of mechanical characteristics (*). By lowering the temperature at which this type of structure appears, it promotes in particular the formation of the lower fine bainite.
  • This microstructure is known to be the one that allows indeed the best match "resistance-ductility". It also allows the high strength and carbon content of those of the invention to obtain a steel having excellent resilience, especially cold. Molybdenum also acts in synergy with niobium and boron, favoring the soaking effect of the latter.
  • Si 0.05 to 0.8% Si. Silicon is added to increase the strength of the steel. It also promotes the deoxidation of the steel during its preparation in the liquid state. The upper limit is about 0.8% to avoid, if necessary, a deterioration of the resilience in the HAZ. This element is only optional for the shade according to the invention.
  • Aluminum is usually added to steel for its deoxidation, like Si. It also refines the microstructure of steel. Aluminum also plays an important role in HAZ by removing free nitrogen. This element, also, is only optional for the shade according to the invention.
  • nickel when added at sufficient levels, makes it possible to increase the final mechanical properties of the steel without deteriorating its resilience, in particular in the ZATs of the welding.
  • the addition of nickel also limits the risk of hot cracking induced by the possible presence of copper.
  • the cost of the grade produced may become prohibitive.
  • Chromium just like molybdenum, is a determining element of the grade according to the invention, without which, in the minimum proportions retained, the targeted results would not be obtained. Specifically, chromium increases the hardenability of the steel and thus promotes the desired microstructure. It also contributes to obtaining the desired mechanical characteristics without resorting to too high a carbon content which would penalize the conditions of the shaping. It further improves the corrosion resistance of the steel. However, at too high a content, it strongly degrades the resilience of steel, especially in HAZ during welding. Also, its maximum content in the grade according to the invention was set at 1.5%.
  • Copper has a favorable overall effect on the resistance to corrosion. Above all, it increases the strength of the steel, both in the metal matrix, but also in the ZAT in the case of a welding operation. However, added too much, like carbon, significantly reduces resilience, especially in the ZAT. This is why its content has been limited to 0.35% in the invention.
  • Niobium works synergistically with molybdenum and boron to expand the field of bainitic transformation. It makes it possible to increase the quenching effect of boron by doping the effective content of the latter in steel.
  • CB Fe23 carbides
  • niobium which stabilizes the austenite and slows down the diffusion of carbon.
  • by delaying the recrystallization of the austenite it promotes the obtaining of a fine and homogeneous bainitic microstructure, favorable to the resistance to shocks, in particular.
  • precipitation in the metal matrix it increases the strength of the steel.
  • Vanadium increases the strength of steel through the precipitation of carbides or carbonitrides. Added too much, it can however have a detrimental effect on the quality of parts produced by promoting the appearance of cracks, especially in the ZAT during welding. This is the reason why the invention limits its content to 0.3%.
  • titanium The role of titanium is twofold. It protects boron from nitrogen. By forming nitrides, it avoids the formation of boron nitrides (BN) which are ineffective as quenching elements. Titanium nitrides also make it possible to limit the magnification of the austenitic grain during heat treatments thus favoring the formation of the desired fine homogeneous structure.
  • boron even in very small quantities, can significantly increase the quenchability of low carbon grades, as that of the invention. It makes it possible to limit the content of the other elements necessary to obtain the desired microstructure. Boron acts in synergy with molybdenum and niobium, thus doping the efficiency of these elements and their respective ef- fects at the levels which are theirs in the invention. Beyond 0.005% B, however, one would be in a situation of excess, which could lead to inadvertent formation of boro-iron carbides that weaken the structure.
  • sulfur combines with manganese to form plastic and ductile manganese sulfides. It contributes to the machinability of steel. However, it is also considered a harmful element, because it strongly deteriorates the resilience of the metal. Its content in steel is therefore generally kept as low as possible. In any case, it should not exceed 0.1%, and preferably be below 0.025%.
  • nitrogen allows the formation of precipitated nitrides or carbonitrides.
  • it can lead to large precipitates harmful especially for the resilience of steel, both in the metal matrix in the ZAT in case of welding.
  • boron leading to the formation of boron nitride precipitates, it decreases by the amount of free boron which, alone, to a soaking action.
  • Calcium up to 0.005%
  • rare earths such as tellurium (up to 0.01%) or selenium (up to 0.03%) may be added to the steel to control morphology of nonmetallic inclusions and thereby improve low temperature resilience, in particular.
  • the billets After reheating above 1100 ° C., the billets are then rolled, according to the usual practice, until obtaining a product ready for shipment to customers after cooling to ambient temperature and which is in the form of bars (or possibly in coiled wire-machine crowns).
  • the bar (or wire-machine) is then transformed by hot forging, schematically as follows:
  • the bar is cut into pieces of selected length. After austenization heating, the billet is worked by hot forging. To then obtain the desired structure, it is simply allowed to cool the blank air. No final income is required to provide the desired mechanical characteristics.
  • the piece can then be subjected, without particular difficulty, to welding operations, the micro-alloy steel grade according to the invention having been studied also for this purpose.
  • TAB II relating to the steel grade according to the invention (TAB I) by positioning it with respect to known grades (*) for direct quenched forge, namely the ferrito-pearlitic grade 36MnSiV4, denoted A and the bainitic grade 25MnCrSiBVo, denoted B and which are both used commercially among others, for the production of fuel injection ramps with high characteristics.
  • PCm is the weldability index
  • the PCM index is usually used in the field of pipelines where welding is of critical importance, especially with regard to its influence on the structure and the mechanical characteristics of the zones affected thermally by this operation. For example, a maximum PCm value of 0.35 is sometimes required for pipelines destined to be subjected to the very low temperatures of the polar regions. Note that the lower this value, the more limited the negative influence of welding on resilience, especially at very low temperatures.
  • the PCm is usually defined by the following formula (the percentages are by weight):
  • PCm % C +% Si / 30 + (% Mn +% Cu +% Cr) / 20 +% Ni / 60 +% Mo / 15 +% V / 10 + 5% B It is observed, by observing the values given by these tables, that the CR grades according to the invention can achieve very high mechanical characteristics in terms of Rm and Re, and substantially higher than those achieved by the current known grades A or B, while having a residual ductility stronger (A% and Z% very high). It is also observed that the level of resilience of the grades CR of the invention is very high, and in particular much higher than that of the shades currently known on the market.
  • the steel according to the invention is therefore remarkable in that it has a good aptitude for mechanical deformation, cold or hot, at the same time as it makes it possible to obtain parts having a very high mechanical resistance, good resilience, as well as preserved welding ability, without the need for final income

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Abstract

Nuance d'acier moyen carbone micro-alliée pour le forgeage à chaud, sans revenu final nécessaire, de pièces à hautes caractéristiques mécaniques, caractérisée en ce que sa composition chimique, outre le fer et les inévitables impuretés résiduelles provenant de l'élaboration de l'acier à partir de l'état liquide, répond à l'analyse suivante, donnée en pourcentages pondéraux: 0,1 % ≤ C ≤ 0,35 %; 0,35 % ≤ Mo < 0,6 %; 1,5 % ≤ Mn ≤ 2,1 %; 0,4 % ≤ Cr ≤ 1,5 %; 0,01 % ≤Nb ≤ 0,1 %; 0.01 % ≤ Cu ≤ 0.35 %; 0,05 % ≤V ≤ 0,3 %; 0,005 % ≤ Ti ≤ 0,05 %, avec Ti >3,5 N; 0,001% <N ≤ 0,015 %; et optionnellement: 0,05 % ≤ Si ≤0,8 %; 0,001% < S ≤ 0,025 %; Ni ≤ 0,6 %; B ≤ 50 ppm; Al ≤ 0,05 %; P ≤ 0,015 %. Par forgeage d'une barre laminée à chaud issue de la coulée continue, et sans revenu final obligatoire, cet acier permet d'obtenir des composants "prêts à l'emploi" aptes à travailler sous contraintes mécaniques élevées, tels que les rampes communes pour les moteurs à injection directe haute pression, offrant de 1100 à 1400 MPa et plus de résistance tout en préservant usinabilité et aptitude au soudage et ce avec un coût de fabrication spécialement maîtrisé.

Description

Acier micro-allié pour forge à chaud de pièces mécaniques à hautes caractéristiques.
L'invention concerne les aciers pour forge à chaud destinés à la fabrication de pièces à hautes caractéristiques mécaniques.
Plus précisément, elle a trait à des nuances d'acier micro-alliées aptes à permettre la réalisation de pièces forgées de microstructure homogène offrant une résistance élevée à la rupture et une bonne résilience, en même temps qu'une usinabilité et une capacité de soudage préservées, voire améliorées, par rapport aux pièces forgées existantes, le tout dans une gamme de diamètres de pièces forgées plus large encore que celle offerte par les nuances connues de ce type et ce sans imposer nécessairement un revenu final après la forge.
Elle trouvera ainsi à s'appliquer, de façon préférentielle, mais non exclusivement, au secteur de la fabrication des moteurs à explosion, de l'industrie automobile notamment, dont on sait que les composants travaillent à des niveaux de contraintes mécaniques de plus en plus élevés. Plus généralement, il s'agira de tout composant mécanique, fonctionnel ou d'assemblage, pour lequel sont recherchés des exigences a priori opposées que sont, d'un coté, une résistance mécanique élevée, à savoir plus de 1100 MPa pour fixer les idées, et de l'autre, une bonne résilience, ainsi qu'une usinabilité et une aptitude au soudage préservées.
Si l'on considère l'exemple des rampes tubulaires d'injection communes (plus couramment appelées "common rails"), équipant désormais couramment les moteurs Diesel à injection directe à haute pression du corr*'ustible (près de 2000 bars actuellement), les aciers les plus performants utilisés de nos jours pour cette application permettent d'obtenir des pièces finales dotées d'une résistance à la rupture de l'ordre de 1000-1100 MPa. Cette résistance, pourtant intrinsèquement élevée, peut s'avérer néanmoins insuffisante dans la course permanente qui est menée visant à accroître toujours davantage la pression d'injection d'un carburant auto-enflammant. En outre, un tel composant tubulaire, fonctionnellement destiné à répartir le combustible dans les injecteurs, est réalisé par forgeage à chaud d'un lopin de barre laminée et perçage axial final de l'ébauche. Il reçoit ensuite, par piquage selon une génératrice, les conduites qui le relient aux injecteurs, la rigidité et l'étanchéité du montage devant être assurées par le vissage ou la soudure de chaque piquage.
Ainsi, pour ne considérer qu'elle, l'industrie automobile, laquelle cherche à alléger constamment les véhicules qu'elle produit en même temps qu'elle s'oblige à des durées de vie de plus en plus longues des moteurs qui les équipent, exprime t'elle le besoin de pouvoir disposer aisément et à un coût le plus maîtrisé possible, de composants fonctionnels présentant une résistance mécanique de plus en plus élevée en même temps qu'une aptitude au soudage au moins préservée, et une bonne tenue dans le temps. On connaît, par exemple du document PCl1 WO2007/074984 Al, une nuance d'acier micro-alliée qui pourrait répondre à cette attente. Cependant, la quantité de molybdène notamment peut atteindre 1,5 % en poids, donc des niveaux difficilement compatibles au plan économique avec des applications industrielles autres que des petites vis d'assemblage frappées à froid, de structure martensitique revenue, pour laquelle cette nuance est exclusivement proposée. Au demeurant, en frappe à froid des aciers micro-alliés de manière générale, un niveau de 1.5% de Mo s'avère peu compatible industriellement.
L'invention vise à proposer d'abord un acier au carbone micro allié, pour la fabrication par la forge à chaud de composants devant travailler sous fortes sollicitations mécaniques, qui soit en mesure de répondre de façon économique, donc en particulier sans imposer nécessairement un revenu final après la forge et avec une teneur en Mo contenue, à ces exigences croissantes et opposées, sans consentir pour autant sur l'usinabilité pour les niveaux de dureté atteints. Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet une nuance d'acier microalliée moyen carbone pour le forgeage à chaud de pièces mécaniques à hautes caractéristiques, caractérisée en ce que, afin de contenir sa teneur pondérale en molybdène délibérément en dessous de 0.6 % et sans imposer nécessairement un revenu final de la pièce forgée obtenue, sa composition chimique, outre le fer et les inévitables impuretés résiduelles provenant de l'élaboration de l'acier à partir de l'état liquide, répond à l'analyse suivante, donnée en pourcentages pondéraux: 0,1 % ≤ C < 0,35 % 0,3 % < Mo < 0,6 % 1,5 % < Mn < 2,1 % 0,4 % < Cr < 1,5 % 0,01 % < Nb < 0,l % 0,01 % < Cu < 0,35 % 0,05 % < V < 0,3 % 0,005 % < Ti < 0,05 %, avec Ti > 3,5 N 0,001% < N < 0,015 %; et optionnellement: Ni < 0,6 %; B < 50 ppm; 0,05 % < Si < 0,8 %; Al < 0,05 %;
0,001% < S < 0,025 %; P < 0,015 %
De préférence, du calcium, du sélénium, ou d'autres terres rares, sont également présents pour améliorer davantage l'usinabilité. Comme on le comprendra mieux par la suite, cette nuance d'acier pour forge, à teneur en molybdène volontairement basse d'emblée, se construit autour d'un "moyen carbone" (pas au delà de 0,35 %), couplé à un manganèse logé dans une fourchette étroite, mais avec une valeur minimale élevée (de 1,5 à 2,1%).
Revenant à l'exemple des "common rails", si, comme préconisé, la nuance micro-alliée selon l'invention est produite sous forme de barres laminées à chaud issues de la coulée continue, les lopins obtenus par tronçonnage seront forgés dans le domaine austénitique, pour obtenir ensuite, sans trempe proprement-dite, simplement par refroidissement à l'air, des pièces forgées à hautes caractéristiques mécaniques. Ce simple refroidissement par air des ébauches suffira alors en effet pour assurer à la pièce finale prête à l'emploi, obtenue après un usinage habituel de mise aux cotes, une microstructure homogène avec une résistance à la rupture (Rm) pouvant aller de 1100 MPa (microstructure essentiellement bainitique) à 1400 MPa, voire davantage (microstructure majoritairement martensitique dans ce cas).
Ainsi, l'invention a t'elle également pour objet un produit long laminé à chaud en acier calmé micro-allié moyen carbone issu de la coulée continue sous forme de billettes ou de blooms et ayant une composition chimique conforme à l'analyse donnée ci-avant afin de présenter directement, après mise en forme par forgeage à chaud suivie d'un refroidissement à l'air, une résistance mécanique de 1100 à 1400 MPa et davantage tout en préservant son usinabilité, ainsi qu'une aptitude au soudage. II n'est sans doute pas inutile de rappeler ici que pour obtenir une microstructure homogène et bénéficier de caractéristiques mécaniques élevées désirées, il est en principe nécessaire d'avoir une vitesse de refroidissement importante de la pièce finale forgée qui conduise à une microstructure de type bainitique ou martensitique, ou un mélange des deux. A défaut, en effet ce serait une microstructure de type "perlite- ferrite" dominante qui apparaîtrait, imposant alors à la pièce produite des niveaux de résistances mécaniques nettement plus faibles de celles visées ici
Avec les nuances bainites "bas carbone" connues ou habituellement utilisées à cet effet, on serait en effet amené à prévoir une trempe (à l'huile ou à l'eau) de la pièce forgée. Au besoin, on pourra se reporter à cet égard par exemple à l'article intitulé "Application de la trempe directe sans revenu aux aciers de forge à basse teneur en carbone" de D. Rezel et al. paru dans la revue française "Traitement Thermique" n° 279 de 1995 p.53 à 58).
Avec la nuance moyen carbone micro-alliée selon l'invention par contre, on peut parvenir à la micro-structure et caractéristiques mécaniques élevées souhaitées après forgeage dans le domaine austénitique moyennant un simple refroidissement à l'air (ambiant ou éventuellement forcé) et ce même pour des diamètres de pièces forgées importants, par exemple pour des pièces forgées de type "axle beam" ou "crankshafts" destinées aux camions ou aux grosses voitures. On notera que le fait de pouvoir refroidir simplement à l'air est important industriellement car la plupart des forgerons pour grosses pièces utilise ce type de refroidissement.
Cela dit, selon l'adage "qui peut le plus, peut le moins", on peut bien entendu, avec la nuance selon l'invention, opter pour une trempe forcée (à l'huile, ou à l'eau, ou avec tout autre fluide de trempe connu) pour les pièces forgées de volume ou de diamètre importants car, est-il nécessaire de le rappeler, en matière de trempe, l'essentiel repose sur les vitesses de refroidissement que l'on peut atteindre au sein du produit.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée à titre d'exemple de réalisation d'une rampe commune d'alimentation pour moteur Diesel à injection directe haute pression du combustible.
Auparavant, il semble opportun d'expliciter, au moins sommairement, les raisons pour lesquelles l'invention a porté son choix sur les gammes prémentionnées de compositions "moyen carbone" pour des nuances bainitiques ou martensitiques (ou un mélange des deux) d'aciers micro-alliés pour atteindre les prescriptions précitées:
- de 0,1 à 0.35 % max. de C.
La teneur en carbone, dite "moyen carbone", utilisée ici l'est surtout afin de ne pas nuire à la soudabilité tout en présentant un Rm supérieur à 1100 MPa. Pour les pièces forgées, la teneur la plus souvent adoptée par défaut sera avantageusement inférieure à
0,3%, car c'est elle qui permettra d'obtenir le meilleur rapport entre résistance mécanique (Rm) et ductilité (A%). La diminution de la teneur en carbone (en deçà des
0,35% max. dans le cas de l'invention) pourra classiquement s'accompagner d'une augmentation corrélative de la teneur en manganèse.
- de 1.5 à 2,1 % de Mn.
L'avantage principal du Mn est justement de pouvoir diminuer la teneur en carbone tout en conservant les mêmes valeurs de résistance à la traction et en améliorant la ductilité. Le manganèse est essentiel pour obtenir des microstructures homogènes, bainitiques ou martensitiques selon le niveau requis pour les caractéristiques mécaniques, microstructures qui sont essentielles pour obtenir une bonne adéquation résistance/ductilité. Dans ce but, la limite inférieure de la teneur en manganèse est d'environ 1,5% et la limite supérieure est de 2,1%. A des valeurs supérieures, le manganèse tend à promouvoir la ségrégation centrale néfaste pour la résilience de l'acier. De plus, une teneur en manganèse trop élevée, en augmentant trop fortement la trempabilité de l'acier, on diminue l'aptitude au soudage de l'acier en abaissant la résilience dans la ZAT (Zone Affectée Thermiquement par l'opération de soudage).
- de 0,3 à 0,6 % max. de Mo.
Le molybdène dans l'acier a un rôle désormais bien identifié: il augmente la trempabilité de l'acier, favorisant ainsi l'obtention de la microstructure désirée, bainitique ou martensitique selon le niveau de caractéristiques mécaniques souhaité (*). En abaissant la température à laquelle apparaît ce type de structure, il favorise notamment la formation de la bainite inférieure fine. Cette microstructure est connue pour être celle qui permet en effet la meilleure adéquation "résistance-ductilité". C'est elle également qui permet, au niveau de résistance élevée et de teneur en carbone propres à ceux de l'invention, d'obtenir un acier possédant une excellente résilience, notamment à froid. Le molybdène agit également en synergie avec le niobium et le bore, favorisant alors l'effet trempant de ce dernier. Toutefois, présent à trop forte teneur, il peut avoir au contraire un rôle néfaste sur la résilience, notamment dans les zones affectées thermiquement (ZAT) lors du soudage. C'est pourquoi, il est volontairement limité à 0,6% max. par l'invention, qui se fixe par ailleurs un objectif économique corrélatif. Cela étant, il ne devra pas être inférieur à 0,3% au risque d'être inefficient et empêcher l'atteinte des résultats visés par l'invention.
(* Pour fixer les idées, on peut dire très schématiquement qu'en deçà d'une résistance mécanique, Rm, de l'ordre de 1350 MPa, la microstructure sera majoritairement bainitique, alors qu'au delà de 1400 MPa elle devient majoritairement martensitique, étant entendu que la composition chimique de l'acier étant choisie pour l'obtention d'un Rm voulu, c'est cette composition qui, soumisse au processus de forgeage selon l'invention, va déterminer la microstructure de la pièce finale forgée.
- de 0,05 à 0.8 % de Si. Le silicium est ajouté pour augmenter la résistance de l'acier. Il favorise également la désoxydation de l'acier lors de sa préparation à l'état liquide La limite supérieure visée est d'environ 0,8 % pour éviter le cas échéant une détérioration de la résilience dans la ZAT. Cet élément n'est qu'optionnel pour la nuance selon l'invention.
- moins de 0,05 % d'Al total.
L'aluminium est généralement ajouté dans l'acier pour sa désoxydation, à l'instar du Si. Il permet également d'affiner la microstructure de l'acier. L'aluminium joue également un rôle important dans la ZAT en éliminant l'azote libre. Cet élément, également, n'est qu'optionnel pour la nuance selon l'invention.
- moins de 0.6 % de Ni.
Optionnel dans la nuance selon l'invention, le nickel, lorsqu'il est ajouté à des teneurs suffisantes, permet d'augmenter les propriétés mécaniques finales de l'acier sans détérioration de sa résilience, en particulier dans les ZAT du soudage. L'addition de nickel limite également le risque de fissuration à chaud induit par la présence éventuelle de cuivre. Toutefois, dans le cadre de l'invention, au delà de 0,6%, le coût de la nuance produite risque de devenir rédhibitoire.
- de 0.4 à 1,5 % de Cr. Le chrome, tout comme le molybdène, est un élément déterminant de la nuance selon l'invention, sans lesquels, dans les proportions minimales retenues, les résultats visés ne seraient pas obtenus. Plus précisément, le chrome augmente la trempabilité de l'acier et favorise ainsi l'obtention de la microstructure voulue. Il contribue également à l'obtention des caractéristiques mécaniques recherchées sans avoir recours à une teneur en carbone trop élevée qui pénaliserait les conditions de la mise en forme. Il améliore encore la tenue de l'acier à la corrosion. Toutefois, à teneur trop élevée, il dégrade fortement la résilience de l'acier, notamment dans les ZAT lors du soudage. Aussi, sa teneur maximale dans la nuance selon l'invention a été fixée à 1,5 %.
- de 0,01 à 035 % de Cu.
Le cuivre a un effet global favorable sur la tenue à la corrosion. Surtout, il permet d'augmenter la résistance de l'acier, à la fois dans la matrice métallique, mais également dans la ZAT dans le cas d'une opération de soudage. En revanche, ajouté en trop grande quantité, à l'instar du carbone, il diminue sensiblement la résilience, notamment dans la ZAT. C'est pourquoi sa teneur a été limitée à 0,35 % dans l'invention.
- de 0.01 à pas plus de 0.1% de Nb. Le niobium agit en synergie avec le molybdène et le bore pour élargir le domaine de la transformation bainitique. Il permet d'accroître l'effet trempant du bore en dopant la teneur efficace de ce dernier dans l'acier. La formation des carbures du type Fe23 (CB)6, qui piègent le bore et demeurent passifs quant à la trempabilité de l'acier, est rendue plus difficile sous l'action du niobium, laquelle stabilise l'austénite et ralentit la diffusion du carbone. Par ailleurs, en retardant la recristallisation de l'austénite, il favorise l'obtention d'une microstructure bainitique fine et homogène, favorable à la tenue aux chocs, notamment. Par ailleurs, par précipitation dans la matrice métallique, il augmente la résistance de l'acier.
- de 0.05 à 0.3 % de V.
Le vanadium augmente la résistance de l'acier grâce à la précipitation de carbures ou de carbonitrures. Ajouté en trop forte quantité, il peut cependant avoir un effet néfaste sur la qualité des pièces produites en favorisant l'apparition de fissures, notamment dans la ZAT lors d'un soudage. C'est la raison pour laquelle l'invention limite sa teneur à 0,3%.
- de 0.005 à 0.05 % de Ti. avec Ti > 3.5 N.
Le rôle du titane est double. Il protège le bore de l'azote. En formant des nitrures, il évite la formation de nitrures de bore (BN) qui sont inefficaces en tant qu'éléments trempant. Les nitrures de titane permettent également de limiter le grossissement du grain austénitique lors des traitements thermiques favorisant ainsi la formation de la structure homogène fine recherchée.
- pas plus de 50 ppm de B. Bien qu'optionnel dans l'invention, surtout pour les pièces de petits diamètres, le bore, même en très faible quantité, permet d'augmenter sensiblement la trempabilité des nuances à basse teneur en carbone, comme celle de l'invention. Il permet de limiter la teneur des autres éléments nécessaires pour obtenir la microstructure désirée. Le bore agit en synergie avec le molybdène et le niobium, dopant ainsi l'efficacité de ces éléments et leurs influences propres respectives aux teneurs qui sont les leurs dans l'invention. Au delà de 0,005% de B, on serait toutefois en situation d'excès, ce qui pourrait conduire à une formation intempestive de boro-carbures de fer qui fragiliseraient la structure.
- de 0,001 à 0,1 % de S.
Egalement optionnel dans l'invention, le soufre se combine avec le manganèse pour former des sulfures de manganèse plastiques et ductiles. Il contribue ainsi à l'usinabilité de l'acier. Toutefois, il est considéré également comme un élément néfaste, car il détériore fortement la résilience du métal. Sa teneur dans l'acier est donc généralement maintenue la plus faible possible. En tous cas, elle ne doit pas ici outrepasser 0,1%, et de préférence être contenue en dessous de 0,025%.
-de 0.001 à 0,015 % de N.
Inévitablement présent, si ce n'est qu'en élément résiduel, l'azote permet la formation de nitrures ou de carbonitrures précipités. Toutefois, présent en trop forte quantité, il peut conduire à des précipités de taille importante néfaste notamment pour la résilience de l'acier, tant dans la matrice métallique que dans la ZAT en cas de soudage. De surcroît, en présence de bore, en conduisant à la formation de précipités de nitrures de bore, il diminue d'autant la quantité de bore libre qui, seul, à une action trempante.
- et éventuellement du Ca et des terres rares.
Du calcium, jusqu'à 0,005%) et des terres rares, tels que du tellure (jusqu'à 0,01%) ou du sélénium (jusqu'à 0,03%) peuvent éventuellement être ajoutés dans l'acier pour contrôler la morphologie des inclusions non métalliques et améliorer dès lors la résilience à basse température, en particulier.
On va à présent décrire un exemple de processus d'obtention industrielle d'une pièce obtenue par forgeage d'un acier moyen carbone micro-allié selon l'invention. On admettra qu'il s'agit d'une rampe tubulaire d'injection commune de carburant pour moteur à explosion de véhicules automobiles, étant entendu qu'il ne s'agit là que d'un exemple parmi de nombreux autres, à la fois de la fabrication d'un "common rail" et de pièces à hautes caractéristiques mécaniques réalisables par l'invention.
On a produit à l'aciérie, par coulée continue, des demi-produits longs (billettes ou blooms) en un acier calmé ayant les six compositions CRl, CR2, CR3, CR4, CR5 et CR6 données dans le tableau I ci-dessous et optimisées pour une application "rampe tubulaire d'injection commune" étant précisé que leur composition a été déterminée pour chacun d'eux pour obtenir les propriétés désirées avec une vitesse de refroidissement relativement faible, pouvant même être inférieure à l°C/sec.
TAB. I
Figure imgf000009_0001
Après réchauffage au dessus de 1100 °C, les billettes sont alors laminées, selon la pratique habituelle, jusqu'à l'obtention d'un produit prêt à l'expédition en clientèle après refroidissement à l'ambiante et qui se présente sous forme de barres (ou de éventuellement en couronnes de fil-machine bobiné). La barre (ou le fil- machine) est ensuite transformée par forge à chaud, schématiquement de la manière suivante:
On tronçonne la barre en lopins de longueur choisie. Après un chauffage d'austénisation, le lopin est travaillé par forgeage à chaud. Pour obtenir ensuite la structure désirée, on laisse simplement refroidir l'ébauche à l'air. Aucun revenu final n'est nécessaire pour assurer les caractéristiques mécaniques voulues.
Certes, dans le cas de pièces forgées plus volumineuses, on pourra être amené à adapter la vitesse de refroidissement en mettant en œuvre un refroidissement contrôlé sur toute la pièce, ou sur une partie seulement de celle-ci, (air soufflé, trempe à l'eau, à l'huile, trempe polymère, etc...). Parvenue à la température ambiante, l'ébauche brute de forge est forée axialement pour lui donner sa structure tabulaire, et aussi transversalement, le cas échéant. Elle peut alors être avantageusement soumise à une opération d'usinage final (tournage...) pour lui donner ses côtes finales et un aspect lisse définitif de pièce prête à l'usage.
Au besoin, la pièce peut être alors soumise, sans difficulté particulière, à des opérations de soudage, la nuance d'acier micro-alliée selon l'invention ayant été étudiée aussi dans ce but.
On va présenter à présent quelques précisions chiffrées, à l'aide du tableau de valeurs ci-après (TAB II), relatives à la nuance d'acier conforme à l'invention (TAB. I) en positionnant celle-ci par rapport à des nuances connues (*) pour forge à trempe directe à l'air, à savoir la nuance ferrito-perlitique 36MnSiV4, notée A et la nuance bainitique 25MnCrSiBVo, notée B et qui sont, toutes deux, utilisées dans le commerce entre-autres, pour la production de rampes d'injection de combustibles à hautes caractéristiques.
On précise que les valeurs des caractéristiques mécaniques données dans le Tableau II le sont pour des pièces forgées de 40 mm de diamètre.
(*) voir l'article "Steels for High Performance Diesel Engines" de Ch. Lemaire et al. dans "Proceedings of International New Developments in long and forged products-Metallurgy and Appplications"Juin 04-07,2006, p.29 à 36, Winter Park,Col. (USA).
TAB. II
Figure imgf000010_0001
où PCm est l'indice de soudabilité.
On rappelle que l'indice PCm est habituellement utilisé dans le domaine des pipelines où le soudage revêt une importance critique notamment en regard de son influence sur la structure et les caractéristiques mécaniques des zones affectées thermiquement par cette opération. Par exemple, une valeur de PCm maximale de 0.35 est ainsi parfois exigée pour des pipelines destinés à être soumis aux très basses températures des régions polaires. On notera que plus cette valeur est faible, plus sera limitée l'influence négative du soudage sur la résilience, en particulier aux très basses températures. Le PCm est habituellement défini par la formule suivante (les pourcentages sont pondéraux):
PCm = %C + %Si/30 + (%Mn +%Cu +%Cr)/20 + %Ni/60 + %Mo/15 + %V/10 + 5%B On constate, en observant les valeurs données par ces tableaux, que les nuances CR selon l'invention permettent d'atteindre des caractéristiques mécaniques très élevées en termes de Rm et de Re, et sensiblement plus élevées que celles atteintes par les nuances connues actuelles A ou B, tout en présentant une ductilité résiduelle plus forte (A% et Z% très élevés). On observe également que le niveau de résilience des nuances CR de l'invention est très élevé, et notamment bien plus élevé que celui des nuances connues actuellement sur le marché.
On constate aussi que, grâce à la composition chimique judicieusement choisie qui est à la base de l'invention, les caractéristiques mécaniques très élevées des nuances CR selon l'invention sont obtenues sans dégradation apparente de leur aptitude au soudage (PCm systématiquement inférieur à celui de la nuance connue A, et quasiment aussi à celui de la nuance connue B).
L'acier selon l'invention est donc remarquable en ce qu'il présente une bonne aptitude à la déformation mécanique, à froid ou à chaud, en même temps qu'il permet d'obtenir des pièces présentant une résistance mécanique très élevée, une bonne résilience, ainsi qu'une aptitude au soudage préservée, et ce, sans devoir faire nécessairement appel à un revenu final
Aussi, représente t'il, tant sous forme de barres que de fils laminés à chaud, une source d'approvisionnement privilégiée pour la production par forgeage à chaud, sans revenu final obligatoire, donc par simple refroidissement direct après la forge, de pièces mécaniques à hautes caractéristiques, comme les rampes d'injection pour l'industrie automobile devant travailler sous contraintes cycliques, ou comme des pièces de forge de gros diamètres avec des Rm de plus de 1100 MPA pour lesquelles sont requis à la fois une bonne résilience et une bonne ductilité, et ce avec un coût, tant de fabrication que de "matière première" spécialement maîtrisé.
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 dans les revendications jointes.
En particulier, l'énumération spécifiée ci avant des éléments chimiques entrant dans la composition de l'acier n'est, bien entendu, pas limitative. On restera en effet dans l'esprit de l'invention, si ou y ajoute tel ou tel autre élément dans la mesure ou ces ajouts ne sont pas incompatibles avec l'obtention des propriétés désirées pour les pièces à forger.
On notera à cet égard, sans vouloir pour autant prétendre, au présent stade de son développement, avoir une connaissance complète de l'invention, que la mise en œuvre de celle-ci pour la production de pièces forgées présentant des diamètres allant jusqu'à 70 mm environ ne posait aucune difficulté particulière pour atteindre les propriétés mécaniques et métallurgiques qu'elle permet d'obtenir.
Par ailleurs, on aura compris que si un revenu final n'est pas obligatoire à l'issue de la forge, on peut bien entendu y souscrire. Par exemple, un revenu permet de remonter la limite élastique Re. Or, il se peut que la clientèle exige, pour une application particulière, un Re élevé avec un Rm un peu moins élevé que ne le permettrait l'invention à l'issue du forgeage afin de faciliter davantage l'usinage final de la pièce. Dans des situations de ce genre, le passage de la pièce forgée à un revenu final avant livraison à la clientèle est bien entendu souhaité.

Claims

REVENDICATIONS
1. Nuance d'acier micro-alliée moyen carbone pour le forgeage à chaud, sans revenu final nécessaire, de pièces à hautes caractéristiques mécaniques, caractérisée en ce que, afin de contenir sa teneur pondérale en molybdène en dessous de 0.6 %, sa composition chimique, outre le fer et les inévitables impuretés résiduelles provenant de l'élaboration de l'acier à partir de l'état liquide, répond à l'analyse suivante, donnée en pourcentages pondéraux:
0,1% <C <0,35% 0,35% ≤Mo <0,6% 1,5% <Mn ≤2,l% 0,4% ≤Cr <1,5% 0,01 % ≤Nb <0,l % 0,01% ≤Cu <0,35% 0,05% <V <0,3% 0,005 % < Ti < 0,05 %, avec Ti >3,5 N 0,001% <N < 0,015%; et optionnellement: 0,05 % < Si < 0,8 %; 0,001% < S < 0,025 %;
Ni < 0,6%; B≤50ppm; Al < 0,05%; P < 0,015%
2- Nuance d'acier micro-alliée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle se présente en une barre laminée à chaud issue de la coulée continue sous forme de billettes ou de blooms.
3- Barre laminée à chaud en acier micro-allié selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle présente une aptitude à produire par forgeage à chaud des pièces mécaniques a et présentant une limite à la rupture de plus de 1100 MPa.
4- Pièce mécanique pour un usage sous contraintes mécaniques élevées, caractérisée en ce qu'elle est issue d'une barre laminée forgée selon la revendication 3.
5- Pièce mécanique selon la revendication 4 caractérisée en ce qu'elle constitue une rampe tabulaire commune pour moteur thermique à injection directe haute pression.
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