[0001] L'invention concerne la sidérurgie, et plus précisément, la fabrication de pièces
en acier pouvant être, notamment, utilisées en construction mécanique et mises en
forme par le procédé appelé « thixoforgeage ».
[0002] Le thixoforgeage appartient à la catégorie des procédés de mise en forme des métaux
à l'état semi-solide.
[0003] Ce procédé consiste à réaliser une déformation importante sur un lopin chauffé entre
le solidus et liquidus. Les aciers utilisés pour ce procédé sont ceux classiquement
utilisés pour la forge à chaud auxquels on fait, si nécessaire, préalablement subir
une opération métallurgique consistant à globuliser la structure primaire classiquement
dendritique. En effet, cette structure primaire dendritique n'est pas adaptée aux
opérations de thixoforgeage. Au cours du chauffage jusqu'à des températures comprises
entre le solidus et le liquidus, la micro-ségrégation existante entre les dendrites
et les espaces inter-dendritiques va entraîner la fusion de l'acier préférentiellement
dans ces espaces inter-dendritiques. Lors de l'opération de mise en forme de cet enchevêtrement
de liquide et de solide, la phase liquide va, dans un premier temps, être éjectée
lors du début de l'application de l'effort. Il faudra donc déformer la phase solide
et un résidu de liquide en grande partie séparé de la phase solide, ce qui entraînera
une augmentation des efforts. Pour une opération de déformation dans ces conditions,
le résultat obtenu est mauvais : ségrégations importantes, défauts internes.
[0004] En revanche, lorsque le thixoforgeage est effectué sur un acier à structure globulaire,
porté à l'état semi-solide par un chauffage à une température comprise entre le liquidus
et le solidus, les particules globulaires solides sont réparties de façon uniforme
dans la phase liquide. En optimisant le choix de la proportion solide/liquide, on
peut obtenir un matériau présentant une vitesse de déformation élevée sous l'effet
d'une importante contrainte de cisaillement. Il présente donc une très haute déformabilité.
[0005] Il est cependant possible, dans certains cas, d'obtenir la structure globulaire désirée
au cours du chaufffage préalable au thixoforgeage, sans avoir recours à une opération
de globulisation de la structure primaire séparée. C'est le cas, notamment, lorsqu'on
opère sur des lopins issus de barres laminées provenant de blooms de coulée continue
ou de lingots. Les multiples réchauffages et les déformations importantes subis par
l'acier ont alors conduit à une structure très imbriquée et diffuse où une structure
primaire est pratiquement impossible à révéler. Elle permet d'obtenir une structure
globulaire de la phase solide pendant le chauffage préalable au thixoforgeage.
[0006] Le thixoforgeage permet, par rapport aux procédés classiques de forgeage à chaud,
de réaliser en une seule opération de déformation des pièces de géométrie complexe
pouvant présenter des parois minces (1 mm ou moins), et ce avec de très faibles efforts
de mise en forme. En effet, sous l'action d'efforts externes, les aciers adaptés pour
une opération de thixoforgeage se comportent comme des fluides visqueux.
[0007] Pour les aciers de construction mécanique, dont la teneur en carbone peut varier
de 0,2% à 1,1%, la température de chauffage nécessaire à la déformation par le procédé
de thixoforgeage est, par exemple, de 1430°C + 50°C = 1480°C pour une nuance C38 (température
de solidus mesurée + 50°C pour obtenir le bon rapport phase liquide/phase solide nécessaire
à la déformation) et de 1315°C + 50°C = 1365°C pour une nuance 100Cr6.
[0008] La température de chauffage et la quantité de phase liquide formée sont des paramètres
importants du procédé de thixoforgeage. La facilité d'obtention de la « bonne » température
et l'intervalle de dispersion envisageable autour de cette température pour limiter
les variations de la quantité de phase liquide dépendent de l'intervalle de solidification.
Plus cet intervalle est grand, plus il est facile de régler les paramètres de chauffage.
[0009] Par exemple, cet intervalle de solidification mesuré est de 110°C pour une nuance
C38 et de 172°C pour la nuance 100Cr6. Il est donc beaucoup plus facile de travailler
avec cette dernière nuance qui présente, de plus, une température de solidus basse
: 1315 °C.
[0010] Les températures de mise en forme très élevées et les vitesses de déformation importantes
qui sont utilisées dans le procédé de thixoforgeage, conduisent à solliciter thermiquement
les outils de déformation dans des conditions fréquemment extrêmes. Ceci conduit à
utiliser pour ces outillages des alliages ayant de très hautes caractéristiques mécaniques
à chaud, ou des matériaux céramiques. Les difficultés de réalisation de certaines
géométries ou d'outils (inserts) de volume importants et les coûts de réalisation
de ceux-ci peuvent freiner le développement du procédé de thixoforgeage.
[0011] Le but de l'invention est de proposer de nouvelles nuances d'acier mieux adaptées
au thixoforgeage que celles classiquement utilisées, en ce qu'elles permettraient
d'abaisser la température de mise en forme, donc de procurer une moindre sollicitation
thermique des outils de déformation, et en ce qu'elles amélioreraient le comportement
de l'acier lors du thixoforgeage. Ces nouvelles nuances ne devraient pas, par ailleurs,
dégrader les propriétés mécaniques des pièces obtenues.
[0012] A cet effet, l'invention a pour objet un acier pour construction mécanique, caractérisé
en ce que sa composition est, en pourcentages pondéraux :
- 0,35 ≤ C ≤ 2,5%
- 0,10% ≤ Mn ≤ 2,5%
- 0,60% ≤ Si ≤ 3,0%
- traces ≤ Cr ≤ 4,5%
- traces ≤ Mo ≤ 2,0%
- traces ≤ Ni ≤ 4,5%
- traces ≤ V ≤ 0,5%
- traces ≤ Cu ≤ 4% avec Cu ≤ Ni % + 0,6 Si %, si Cu ≥ 0,5%
- traces ≤ Al ≤ 0,060%
- traces ≤ Ca ≤ 0,050%
- traces ≤ B ≤ 0,01 %
- traces ≤ S ≤ 0,200%
- traces ≤ Te ≤ 0,020%
- traces ≤ Se ≤ 0,040%
- traces ≤ Pb ≤ 0,070%
- traces ≤ Nb ≤ 0,050%
- traces ≤ Ti ≤ 0,050%
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
[0013] De préférence, le rapport Mn%/Si% est supérieur ou égal à 0,4.
[0014] L'acier peut contenir également traces ≤ P%≤ 0,200%, traces ≤ Bi ≤ 0,200 %, traces
≤ Sn ≤ 0,150%, traces ≤ As ≤ 0,200 %, traces ≤ Sb ≤ 0,150 %, avec P % + Si % + Sn
% +As % + Sb % ≤ 0,200 %.
[0015] L'invention a également pour objet un procédé de mise en forme à chaud d'une pièce
d'acier, caractérisé en ce que :
- on se procure un lopin d'acier de la composition précédente ;
- on lui applique éventuellement un traitement thermique lui procurant une structure
primaire globulaire ;
- on le réchauffe à une température intermédiaire entre sa température de solidus et
sa température de liquidus, dans des conditions telles que la fraction solide présente
une structure globulaire ;
- on réalise un thixoforgeage dudit lopin pour obtenir ladite pièce ;
- et on effectue un refroidissement de ladite pièce.
[0016] Ledit thixoforgeage a de préférence lieu dans une zone de températures où la fraction
de matière liquide présente dans le lopin est comprise entre 10 et 40%.
[0017] Ledit refroidissement est de préférence effectué à l'air calme, ou à une vitesse
inférieure à celle que procurerait un refroidissement naturel à l'air.
[0018] Comme on l'aura compris, l'invention consiste essentiellement à augmenter sensiblement
la teneur en silicium des nuances d'acier habituellement utilisées pour fabriquer
des pièces par thixoforgeage.
[0019] En effet, cet ajout de silicium permet d'abaisser la température de solidus et, dans
une moindre mesure, la température de liquidus. En conséquence, on diminue la température
à laquelle le thixoforgeage de l'acier peut être réalisé, à fraction liquide égale.
De plus, on augmente l'ampleur de l'intervalle de solidification, ce qui va dans le
sens d'une plus grande facilité de la réalisation du thixoforgeage puisque la précision
sur la température de l'opération devient moins critique. D'autre part, le silicium
a la propriété d'améliorer la fluidité du métal.
[0020] De préférence, il faut respecter un rapport Mn%/Si% supérieur ou égal à 0,4. En effet,
si la fluidité est élevée à cause d'une forte teneur en silicium, (par exemple 1%
ou davantage), une teneur en manganèse trop faible procure au métal des propriétés
mécaniques insuffisantes au cours du refroidissement lors de la coulée continue, d'où
un risque d'apparition de fissures. De telles fissures peuvent également apparaître,
pour les mêmes raisons, lors du refroidissement suivant le thixoforgeage, d'autant
plus que les fortes variations d'épaisseur de la pièce conduisent à des écarts notables
sur les vitesses de refroidissement locales. On crée ainsi des contraintes susceptibles
de favoriser l'apparition de fissures si les propriétés mécaniques de l'acier sont
insuffisantes.
[0021] Selon une variante de l'invention, cette addition de silicium se conjugue à une addition
d'autres éléments qui, comme le silicium, peuvent ségréger aux joints de grains :
phosphore, bismuth, étain, arsenic, antimoine.
[0022] L'invention sera mieux décrite à la lecture de la description qui suit, donnée en
référence aux figures annexées suivantes :
- la figure 1 qui montre la proportion de phase liquide en fonction de la température
dans un premier acier de référence et dans un premier acier selon l'invention qui
en dérive ;
- la figure 2 qui montre la proportion de phase liquide en fonction de la température
dans un second acier de référence et dans un second acier selon l'invention qui en
dérive.
[0023] Pour diminuer les sollicitations des outils lors du thixoforgeage et rendre celui-ci
plus facile, l'homme du métier dispose d'une première solution qui consiste, comme
on l'a dit, à abaisser les températures de travail grâce à un ajout de carbone. Cette
solution permet d'abaisser les températures de liquidus et de solidus. Elle présente
cependant l'inconvénient d'influer sensiblement sur les propriétés mécaniques de l'acier.
[0024] Les inventeurs ont imaginé qu'un effet bénéfique sur les sollicitations des outils
de forgeage pouvait être obtenu par l'ajout d'éléments présentant une forte tendance
à la ségrégation aux joints de grains : silicium, phosphore, bismuth, étain, arsenic
et antimoine.
[0025] Cette forte ségrégation n'est habituellement pas recherchée.
[0026] En effet la fusion de telles zones ségrégées à une température plus basse que le
solidus, généralement appelée température de brûlure, est néfaste aux opérations de
formage à chaud classiques, laminage et forgeage.
[0027] Pour une température de forgeage ou de laminage donnée, inférieure à la température
de solidus pour la matrice du métal à déformer, la présence de zones liquides dues
à des éléments ségrégeants à bas points de fusion, même avec de très faibles volumes
(quelques %), aux joints de grains solides va conduire à la désagrégation de la matière
mise en forme. C'est la partie solide qui pilote les mécanismes de déformation pour
ces procédés de mise en forme, et les efforts nécessaires à la mise en forme conduisent
à des ruptures de matière (totales ou partielles) néfastes à la réalisation du produit
et à ses propriétés. Dans le cas où la phase liquide est supérieure à 10%, ce qui
est le cas dans le thixoforgeage, le matériau est biphasé, ce qui entraîne un comportement
très différent lors de la déformation : les particules solides sont incluses dans
du liquide, et s'il existe des contacts (appelés ponts) entre les particules solides,
les efforts très faibles nécessaires à leurs ruptures ne sont pas des causes de ruine
du matériau.
[0028] Dans le cas du thixoforgeage où la température de brûlure est largement dépassée,
la fusion des zones ségrégées crée des poches liquides qui favorisent et accélèrent
la formation de la phase liquide au sein de l'acier. On a donc intérêt à la favoriser.
[0029] Grâce à l'invention on peut ainsi obtenir la quantité de phase liquide nécessaire
au bon déroulement du thixoforgeage à une température inférieure à celle habituellement
nécessaire lorsqu'on ne procède pas à l'ajout d'au moins un des éléments cités précédemment,
et notamment de silicium.
[0030] La teneur en carbone des aciers selon l'invention peut varier entre 0,35% et 2,5%.
A cette condition, on peut obtenir des structures métalliques, des propriétés mécaniques
et des propriétés d'usage désirables pour des pièces d'acier thixoforgées utilisables
en construction mécanique. La teneur en carbone doit être choisie en fonction de l'utilisation
envisagée.
[0031] La teneur en silicium des aciers de l'invention peut varier entre 0,60 et 3%. Comme
le carbone, le silicium permet d'abaisser les températures de solidus et de liquidus
et d'élargir l'intervalle de solidification. Il a aussi un effet synergétique sur
la ségrégation des autres éléments. Il permet également d'améliorer la fluidité du
métal. Pour les raisons que l'on a dites, il est préférable que le rapport Mn%/Si%
soit supérieur ou égal à 0,4.
[0032] La teneur en manganèse peut être comprise entre 0,10 et 2,5%. Elle doit être ajustée
en fonction des propriétés mécaniques requises, en liaison avec les teneurs en carbone
et silicium. Elle influe relativement peu sur les températures de liquidus et de solidus.
L'obtention d'un rapport Mn%/Si% optimal peut conduire à devoir augmenter sensiblement
la teneur en manganèse conjointement à la teneur en silicium par rapport aux aciers
de référence, toutes choses étant égales par ailleurs.
[0033] La teneur en chrome peut être comprise entre des traces et 4,5%.
[0034] La teneur en molybdène peut être comprise entre des traces et 4,5%.
[0035] La teneur en nickel peut être comprise entre des traces et 4,5%.
[0036] Le réglage des teneurs en chrome, molybdène et nickel permet d'assurer les propriétés
mécaniques des pièces réalisées : résistance à la rupture, limite d'élasticité et
résilience.
[0037] La teneur en vanadium est comprise entre des traces et 0,5%. Pour certaines applications
où la résilience n'est pas importante, cet élément permet d'obtenir des aciers à très
hautes caractéristiques mécaniques pouvant se substituer à des aciers riches en chrome
et/ou molybdène et/ou nickel, plus coûteux.
[0038] La teneur en cuivre peut être comprise entre des traces et 4,0%. Cet élément permet
d'augmenter les caractéristiques mécaniques, d'améliorer la tenue à la corrosion et
d'abaisser la température de solidus. Il faut noter que si le cuivre est présent en
quantités élevées (0,5% et davantage), il faut que le nickel et/ou le silicium soient
présents en quantité suffisante pour éviter des problèmes au laminage à chaud ou au
forgeage. On considère que si Cu% ≥ 0,5%, il faut que Cu% ≤ Ni% + 0,6 Si%.
[0039] Les teneurs en aluminium et calcium, éléments désoxydants, sont comprises entre des
traces et, respectivement, 0,060% pour l'aluminium et 0,050% pour le calcium.
[0040] Le bore, élément trempant, a sa teneur comprise entre des traces et 0,010%.
[0041] La teneur en soufre est comprise entre des traces et 0,200%. Une teneur élevée favorise
l'usinabilité du métal, en particulier si on lui adjoint des éléments tels que le
tellure (jusqu'à 0,020%), le sélénium (jusqu'à 0,040%) et le plomb (jusqu'à 0,070%).
Ces éléments d'usinabilité n'ont que peu d'influence sur les températures de solidus
et de liquidus. Lorsque du soufre est ajouté en quantité notable, il est bon d'avoir
un rapport Mn%/S% d'au moins 4 pour que le laminage à chaud s'effectue sans formation
de défauts.
[0042] Le niobium et le titane, lorsqu'ils sont ajoutés, permettent de maîtriser la taille
des grains. Leurs teneurs maximales admissibles sont de 0,050%.
[0043] En ce qui concerne les éléments ségrégeants autres que le silicium dont la présence
peut être conseillée, ces éléments peuvent être présents seuls ou en combinaison.
S'ils sont seuls (c'est-à-dire que les autres éléments de la liste ne sont présents
qu'à l'état de traces), pour qu'un effet significatif soit obtenu, il doit y avoir
au moins 0,050% de phosphore, ou 0,050% de bismuth, ou 0,050% d'étain, ou 0,050% d'arsenic
ou 0,050% d'antimoine.
[0044] La somme des éléments phosphore, bismuth, étain, arsenic et antimoine doit être de
préférence supérieure à 0,050% et ne doit pas dépasser 0,200% pour éviter les problèmes
précités lors du laminage à chaud ou du forgeage permettant d'obtenir le lopin destiné
à subir le thixoforgeage.
[0045] Bien entendu, en cas d'addition d'arsenic lors de l'élaboration du métal liquide,
toutes les précautions nécessaires doivent être prises pour que les vapeurs toxiques
dégagées soient captées de manière à ne pas intoxiquer le personnel de l'aciérie.
Dans les faits, la présence d'arsenic résulte le plus souvent de l'addition de cuivre
ou d'étain, que l'arsenic accompagne généralement à titre d'impureté. Comme l'arsenic
est un élément très fortement ségrégeant, il est nécessaire de le prendre en compte
pour s'assurer qu'en conjugaison excessive avec les autres éléments ségrégeants, il
ne conduise pas aux effets néfastes à la transformation à chaud qui ont été cités.
[0046] Le tableau 1 expose les compositions d'un premier couple formé par un acier de référence
et un acier selon l'invention qui en dérive.
Tableau 1 :
Composition d'un acier de référence et d'un acier selon l'invention (en % pondéraux) |
|
C |
Mn |
Si |
Cr |
Mo |
Ni |
Cu |
S |
P |
Ti |
Al |
Référence |
0.962 |
0.341 |
0.237 |
1.5 |
0.017 |
0.089 |
0.161 |
0.01 |
0.009 |
0.002 |
0.037 |
Invention |
1.111 |
1.005 |
1.53 |
1.44 |
0.003 |
0.164 |
0.137 |
0.008 |
0.003 |
0.0027 |
0.039 |
[0047] Par rapport à l'acier de référence, on voit qu'outre l'addition très importante de
silicium, la teneur en manganèse a été sensiblement augmentée pour rétablir un rapport
Mn%/Si% conforme aux exigences préférentielles de l'invention.
[0048] La figure 1 représente la proportion de phase liquide en fonction de la température
dans ces deux aciers.
[0049] Les températures de solidus mesurées sont de 1315°C pour l'acier de référence et
1278°C pour l'acier de l'invention.
[0050] Les températures de liquidus mesurées sont respectivement de 1487°C et 1460°C. Les
intervalles de solidification pour ces deux aciers ont donc des largeurs respectives
de 172°C et 182°C. D'autre part, l'intervalle de températures dans lequel la fraction
liquide de l'acier est comprise entre 10 et 40% et qui est habituellement considéré
comme le plus favorable au thixoforgeage est :
- pour l'acier de référence, de 1370 à 1422°C ;
- pour l'acier de l'invention, de 1328 à 1388°C.
[0051] On observe donc un abaissement de l'ordre de 30 à 40°C de cet intervalle, et un élargissement
de 8°C de son ampleur, toutes choses qui vont dans le sens d'une moindre sollicitation
des outils lors du thixoforgeage, et d'une plus grande facilité d'obtention de conditions
favorables au bon déroulement de l'opération. Cet effet serait accentué si on ajoutait
également d'autres éléments ségrégeants que le silicium dans les limites qui ont été
dites.
[0052] Le tableau 2 expose les compositions d'un second couple formé par un acier de référence
et un autre acier selon l'invention qui en dérive.
Tableau 2 :
Composition d'un acier de référence et d'un acier selon l'invention (en % pondéraux) |
|
C |
Mn |
Si |
Cr |
Mo |
Ni |
Cu |
P |
S |
Al |
Référence |
0.377 |
0.825 |
0.19 |
0.167 |
0.039 |
0.113 |
0.143 |
0.007 |
0.009 |
0.022 |
Invention |
0.385 |
1.385 |
0.65 |
0.193 |
0.029 |
0.087 |
0.110 |
0.008 |
0.051 |
0.025 |
[0053] Par rapport à l'acier de référence, là encore la teneur en manganèse a été augmentée
dans l'acier selon l'invention et pour les mêmes raisons que dans l'exemple précédent,
mais dans des proportions moindres puisque la teneur en silicium de cet acier se situe
dans le bas de la gamme exigée par l'invention.
[0054] La figure 2 représente la proportion de phase liquide en fonction de la température
dans ces deux aciers.
[0055] Les températures de solidus mesurées sont de 1430°C pour l'acier de référence et
de 1415°C pour l'acier de l'invention. Les températures de liquidus mesurées sont
respectivement de 1528°C et 1515°C. Les intervalles de solidification pour ces deux
aciers ont donc des largeurs respectives de 98°C et 100°C. D'autre part, l'intervalle
de température dans lequel la fraction liquide de l'acier est comprise entre 10% et
40% est :
- pour l'acier de référence, de 1470°C à 1494°C ;
- pour l'acier de l'invention, de 1437°C à 1469°C.
[0056] L'abaissement de cet intervalle est de l'ordre de 30°C, et son ampleur est élargie
de 8°C, ce qui est favorable à une moindre sollicitation des outils lors du thixoforgeage.
Là encore, cet effet pourrait être accentué (notamment par un élargissement de cet
intervalle) avec une addition supplémentaire d'éléments ségrégeants autres que le
silicium.
[0057] A propos de la détermination des températures de solidus et de liquidus à prendre
en compte pour la mise en oeuvre de l'invention, il faut remarquer qu'elles peuvent
ne pas toujours coïncider avec celles que l'on calcule à partir de la composition
de l'acier à l'aide des formules disponibles classiquement dans la littérature. En
effet, ces formules sont valables dans le cas d'un passage de l'acier liquide à l'acier
solide lors d'une solidification et d'un refroidissement de l'acier, et pour des vitesses
de refroidissement de quelques degrés par minutes.
[0058] Dans le cas de mesures effectuées en vue d'une application au thixoforgeage les mesures
doivent être effectuées en partant de l'acier solide et en allant vers l'acier liquide,
c'est-à-dire dans le cas d'un réchauffage puis d'une fusion de l'acier. Les essais
sont également réalisés avec des conditions d'augmentation de la température de l'ordre
de plusieurs dizaines de degrés par minute, correspondant aux conditions de chauffage
préalables à l'opération de thixoforgeage.
[0059] La réalisation de l'opération de thixoforgeage sur les aciers de l'invention doit
être précédée d'un traitement thermique de globulisation de la structure primaire
du lopin si une telle structure globulaire n'est pas déjà présente, ou si elle ne
peut être obtenue lors du chauffage amenant la pièce devant subir le thixoforgeage
à la température adéquate. Comme on l'a dit, la nécessité ou non de procéder à un
tel traitement thermique préalable dépend notamment de l'histoire du lopin, en particulier
des déformations et traitements thermiques qu'il a subis.
[0060] L'obtention d'une telle structure globulaire avant thixoforgeage, pour un acier de
composition et d'histoire données, peut être vérifiée si on refroidit brutalement
le lopin avant d'avoir procédé à son thixoforgeage. On observe alors la structure
telle qu'elle était avant le refroidissement.
[0061] En ce qui concerne l'opération de refroidissement de la pièce suivant son thixoforgeage,
ce refroidissement doit être effectué à l'air calme, et non de manière forcée, dans
le cas, fréquent pour ce genre de pièces, où la pièce présente des variations de section
très importantes, par exemple lorsque des parois fines (1 à 2mm) sont raccordées à
des zones épaisses (5 à 10mm ou davantage). L'utilisation d'air soufflé est, dans
ce cas, à proscrire car on risque alors d'introduire des contraintes résiduelles très
importantes entre parois fines et zones épaisses. Il en résulterait des défauts de
surface dégradant les propriétés de la pièce thixoforgée.
[0062] Dans certains cas, il peut être nécessaire de ralentir le refroidissement des pièces
pour favoriser l'homogénéité structurale des différentes parties de la pièce. On peut,
en effet, faire passer la pièce dans un tunnel régulé en température dans l'intervalle
200-700°C par exemple.
[0063] Mais si la pièce thixoforgée ne présente pas de telles variations de section importantes,
il peut être tolérable de réaliser un refroidissement à l'air soufflé. Un tel refroidissement
peut être favorable à l'obtention d'une structure métallurgique homogène dans la section
de la pièce et de bonnes caractéristiques mécaniques.