Acier pour la fabrication de pièce forgée et procédé de fabrication d'une pièce forgée

Abstract

 Acier pour la fabrication de pièces forgées dont la composition chimique comprend, en poids: 0,1% ≤ C ≤ 0,4%; 1% ≤ Mn ≤ 1,8%; 0,15% ≤ Si ≤ 1,7%; 0% ≤ Ni ≤ 1%; 0% ≤ Cr ≤ 1,2%; 0% ≤ Mo ≤ 0,3%; 0% ≤ V ≤ 0,3%, Cu ≤ 0,35%; éventuellement de 0,005% à 0,06% d'aluminium, éventuellement du bore en des teneurs comprises entre 0,0005% et 0,01%, éventuellement entre 0,005% et 0,03% de titane, éventuellement entre 0,005% et 0,06% de niobium, éventuellement de 0,005% à 0,1% de soufre, éventuellement jusqu'à 0,007% de calcium, éventuellement jusqu'à 0,03% de tellure, éventuellement jusqu'à 0,05% de sélénium, éventuellement jusqu'à 0,05% de bismuth, éventuellement jusqu'à 0,1% de plomb, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Procédé pour la fabrication d'une pièce forgée.

Description

[0001] La présente invention est relative à la fabrication de pièces forgées à hautes caractéristiques, en acier.

[0002] Les pièces forgées à hautes caractéristiques, en acier, et notamment les pièces forgées à hautes caractéristiques pour l'automobile, sont fabriquées selon différentes techniques qui présentent chacune des inconvénients.

[0003] Selon une première technique, les pièces sont constituées d'un acier du type chrome-molybdène, dont la composition chimique comprend, en poids, de 0,25 % à 0,45 % de carbone, environ 1 % de chrome et environ 0,25 % de molybdène. Les pièces sont forgées puis soumises à un traitement thermique de trempe et de revenu destiné à leur conférer une structure martensitique revenue pour obtenir notamment une résistance à la traction Rm de l'ordre de 1000 MPa. Cette technique présente l'inconvénient d'être coûteuse et d'engendrer parfois des déformations de la géométrie des pièces.

[0004] Selon une autre technique, les pièces sont constituées d'un acier contenant de 0,3% à 0,4% de carbone, de 1% à 1,7% de manganèse, de 0,25% à 1% de silicium et jusqu'à 0,1% de vanadium. Après forgeage, les pièces sont refroidies lentement pour leur conférer une structure ferrito-perlitique. Cette technique moins coûteuse que la précédente a cependant plusieurs inconvénients:

• il n'est pas possible d'obtenir une résistance à la traction Rm supérieure à 1000 MPa,
• le rapport limite d'élasticité sur résistance à la traction Rp_0,2/Rm est inférieur à 0,75 ce qui limite les possibilités d'allégement des pièces lorsque celles-ci sont dimensionnées en particulier par référence à la limite d'élasticité,
• la température de transition de la résilience est supérieure à 50°C ce qui conduit à une résistance aux chocs faible,
• il est parfois nécessaire d'adapter les installations de fabrication en ajoutant des tunnels de refroidissement pour obtenir un refroidissement adapté après forgeage.

[0005] Les pièces forgée peuvent également être constituées d'un acier contenant moins de carbone que dans le cas précédant, et être trempées à l'eau dans la chaude de forgeage pour leur conférer une structure bainitique ou bainito-martensitique. Cette technique permet d'obtenir une résistance à la traction Rm supérieure à 1000 MPa et une limite d'élasticité Rp_0,2 supérieure à 800 MPa, mais elle présente l'inconvénient d'exiger une trempe à l'eau qui, parfois, engendre des déformations géométriques imposant la nécessité d'une opération de redressage ou qui peuvent, même, être rédhibitoires.

[0006] Certaines pièces, enfin, sont constituées d'un acier contenant entre 0,3% et 0,4% de carbone et entre 1,9% et 2,5% de manganèse. Elles sont refroidies à l'air après forgeage de façon à présenter une structure bainitique à caractéristiques mécaniques élevées. Mais, ces pièces comportent souvent des bandes ségrégées à structure martensitique rendant l'usinage difficile.

[0007] Le but de la présente invention est de proposer un acier et un procédé pour la fabrication de pièces forgées à hautes caractéristiques qui remédient à ces inconvénients.

[0008] A cet effet, l'invention a pour objet un acier pour la fabrication de pièces forgées dont la composition chimique comprend, en poids:

• éventuellement de 0,005% à 0,06% d'aluminium,
• éventuellement du bore en des teneurs comprises entre 0,0005% et 0,01%,
• éventuellement entre 0,005% et 0,03% de titane,
• éventuellement entre 0,005% et 0,06% de niobium,
• éventuellement de 0,005% à 0,1% de soufre, éventuellement jusqu'à 0,006% de calcium, éventuellement jusqu'à 0,03% de tellure, éventuellement jusqu'à 0,05% de sélénium, éventuellement jusqu'à 0,05% de bismuth, éventuellement jusqu'à 0,1% de plomb,
  le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.

[0009] De préférence, la teneur en carbone est inférieure ou égale à 0,3%, de préférence également, la teneur en manganèse est inférieure à 1,6%. Selon la nature des applications envisagées, la teneur en silicium peut être, de préférence, soit supérieure à 1,2% soit inférieure à 0,8%.

[0010] L'invention concerne également un procédé pour la fabrication d'une pièce forgée selon lequel:

• on approvisionne un lopin en un acier selon l'invention et on le forge à chaud pour obtenir une pièce,
• on soumet la pièce à un traitement thermique comportant un refroidissement depuis une température à la quelle l'acier est entièrement austénitique jusqu'à une température Tm comprise entre Ms+100°C et Ms-20°C à une vitesse de refroidissement Vr supérieure à 0,5°C/s, suivi d'un maintien de la pièce entre Tm et Tf, avec Tf ≥ Tm-100°C, et de préférence Tf ≥ Tm-60°C, pendant au moins 2 minutes de façon à obtenir une structure comportant au moins 15%, et de préférence, au moins 30% de bainite formée entre Tm et Tf.

[0011] De préférence, la vitesse de refroidissement Vr est supérieure à 2°C/s.

[0012] Après le maintien entre Tm et Tf, la pièce peut être refroidie jusqu'à la température ambiante et, éventuellement, être soumise à .un revenu entre 150°C et 650°C.

[0013] Après le maintien entre Tm et Tf, la pièce peut, également, être réchauffée à une température inférieure à 650°C, puis refroidie jusqu'à la température ambiante.

[0014] Le traitement thermique peut être effectué soit après un chauffage de la pièce à une température supérieure à AC₃, soit directement après forgeage.

[0015] L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise, mais non limitative et illustrée par les exemples qui suivent.

[0016] La composition chimique de l'acier selon l'invention comprend, en poids:

• plus de 0,1% de carbone, et de préférence plus de 0,15%, pour obtenir une dureté suffisante, mais, moins de 0,4%, et de préférence moins de 0,3 %, afin de limiter la résistance à la traction Rm à 1200 MPa;
• plus de 1% de manganèse pour obtenir une trempabilité suffisante, mais moins de 1,8%, et de préférence moins de 1,6 % pour éviter la formation de bandes ségrégées;
• plus de 0,15% de silicium pour durcir la ferrite et, éventuellement, pour favoriser la formation d'austénite résiduelle ce qui améliore la limite d'endurance en fatigue, mais moins de 1,7%, car, au delà, le silicium fragilise l'acier; entre 0,15 % et 0,8% le silicium durcit la ferrite sans favoriser la formation d'austénite résiduelle; entre 1,2 % et 1,7 % le silicium favorise suffisamment la formation d'austénite résiduelle pour améliorer la limite d'endurance en fatigue; selon les applications, la teneur en silicium peut être choisie dans l'une ou l'autre de ces plages;
• de 0% à 1% de nickel, de 0% à 1,2% de chrome et de 0% à 0,3% de molybdène pour ajuster la trempabilité;
• éventuellement du titane en des teneurs comprises entre 0,005% et 0,03%;
• éventuellement du niobium en des teneurs comprises entre 0,005% et 0,06%;
• éventuellement du bore en des teneurs comprises entre 0,0005 % et 0,01% pour compléter l'effet des élément précédents sur la trempabilité; dans ce cas, il est préférable que l'acier contienne du titane pour renforcer l'effet du bore;
• de 0% à 0,3% de vanadium pour obtenir un durcissement complémentaire et améliorer la trempabilité;
• moins de 0,35% de cuivre, élément résiduel présent fréquemment dans l'acier élaboré à partir de ferrailles, mais qui, en trop grande quantité, a l'inconvénient de détériorer la forgeabilité;
• éventuellement de 0,005% à 0,06% d'aluminium pour assurer la désoxydation de l'acier et pour contrôler le grossissement du grain austénitique, notamment lorsque la teneur en silicium est inférieure à 0,5 %;
• éventuellement de 0,005% à 0,1% de soufre, éventuellement jusqu'à 0,006% de calcium, éventuellement jusqu'à 0,03% de tellure, éventuellement jusqu'à 0,05% de sélénium, éventuellement jusqu'à 0,05% de bismuth, éventuellement jusqu'à 0,1% de plomb, pour améliorer l'usinabilité;
  le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.

[0017] Pour fabriquer une pièce forgée, on approvisionne un lopin en acier selon l'invention et on le forge à chaud après l'avoir chauffé à une température supérieure à AC_3, de préférence supérieure à 1150 °C, et mieux encore, comprise entre 1200°C et 1280 °C, de façon à lui avoir conféré une structure entièrement austénitique et une contrainte d'écoulement suffisamment faible. Après forgeage, on soumet la pièce à un traitement thermique qui peut être effectué soit directement dans la chaude de forgeage, soit après refroidissement de la pièce et réchauffage au dessus de la température AC₃ de l'acier.

[0018] Le traitement thermique comporte un refroidissement à une vitesse de refroidissement Vr mesurée au passage à 700 °C supérieure à 0,5°C/s, et de préférence supérieure à 2 °C/s, jusqu'à une température Tm comprise entre Ms+100°C et Ms-20°C, Ms étant la température de début de transformation martensitique de l'acier. Ce refroidissement est suivi par un maintien pendant un temps supérieur à 2 mn entre la température Tm et une température Tf ≥ Tm-100°C, et de préférence Tf ≥ Tm-60°C. Le maintien est suivi soit d'un refroidissement jusqu'à la température ambiante éventuellement complété par un revenu entre 150 °C et 650 °C, soit d'un réchauffage jusqu'à une température inférieure ou égale à 650°C avant refroidissement jusqu'à la température ambiante.

[0019] Ce traitement thermique a pour but de conférer à la pièce une structure essentiellement bainitique comportant moins de 20% de ferrite et au moins 15%, et de préférence au moins 30 %, de bainite inférieure formée entre Tm et Tf. Il peut être effectué sur toute la pièce ou simplement sur une partie ayant une fonctionnalité particulière.

[0020] Les conditions du maintien (Tm, Tf, durée), ainsi que les proportions de chacune des structures, et en particulier la proportion de bainite inférieure, peuvent être déterminées, de façon connue par l'Homme du Métier, à l'aide de mesures dilatométriques sur des barreaux d'essai.

[0021] Les pièces ainsi obtenues ont l'avantage d'avoir une résistance à la traction Rm comprise entre 950 MPa et 1150 MPa, une limite d'élasticité Rp_0.2 supérieure à 750 MPa, une résilience Mesnager K supérieure à 25 Joules/Cm² à 20°C, une usinabilité au moins égale à celle des pièces ayant une structure ferrito-perlitique et une bonne tenue en fatigue : σ_D / Rm > 0,5 en flexion rotative à 2x10⁶ cycles.

[0022] A titre de premier exemple, on a fabriqué un axe avec un acier dont la composition chimique comportait, en % en poids:

C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Cu	V	Al	B	Ti	Nb
0,25	0,5	1,67	0,09	0,52	-	0,199	0,2	0,03	-	0,02	-

cet acier contenait, en outre, 0,065 % de S pour améliorer l'usinabilité. Sa température Ms était de 380°C.

[0023] La pièce a été forgée à chaud entre 1280°C et 1050°C. Directement après forgeage, la pièce a été refroidie à l'air soufflé à la vitesse de 2,6°C/s jusqu'à la température de 425°C, puis maintenue entre 425°C et 400°C pendant 10 mn; enfin, la pièce a été refroidie jusqu'à la température ambiante par refroidissement naturel à l'air.

[0024] La pièce ainsi obtenue avait une structure comportant au moins 80% de bainite. Ses caractéristiques étaient:

[0025] A titre de deuxième exemple, on a fabriqué une fusée avec un acier dont la composition chimique comportait, en % en poids:

C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Cu	V	Al	B	Ti	Nb
0,25	0,5	1,63	0,006	0,51	0,09	0,196	0,107	0,038	0,003	0,023	-

cet acier contenait, en outre, 0,05% de S pour améliorer l'usinabilité. Sa température Ms était de 385°C.

[0026] La pièce a été forgée à chaud entre 1270°C et 1040°C. Directement après forgeage, la pièce a été refroidie à l'air soufflé à la vitesse de 2,6°C/s jusqu'à la température de 400°C, puis maintenue entre 400°C et 380°C pendant 10 mn; la pièce a alors été portée à la température de 550°C pendant 1 heure, puis elle a été refroidie jusqu'à la température ambiante par refroidissement naturel à l'air.

[0027] La pièce ainsi obtenue avait une structure comportant au moins 80% de bainite. Ses caractéristiques étaient:

[0028] A titre de troisième exemple, on a fabriqué une rotule avec un acier dont la composition chimique comportait, en % en poids:

C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Cu	V	Al	B	Ti	Nb
0,28	0,79	1,63	0,05	0,5	0,09	0,19	-	0,04	0,0033	0,023	-

cet acier contenait, en outre, 0,06% de S pour améliorer l'usinabilité. Sa température Ms était de 350°C.

[0029] La pièce a été forgée à chaud entre 1270°C et 1060°C. Directement après forgeage, la pièce a été refroidie à l'air calme à la vitesse de 1,19°C/s jusqu'à la température de 380°C, puis maintenue entre 380°C et 360°C pendant 10 mn; enfin, la pièce a été refroidie jusqu'à la température ambiante par refroidissement naturel à l'air.

[0030] La pièce ainsi obtenue avait une structure comportant au moins 80% de bainite. Ses caractéristiques étaient:

[0031] Les pièces ainsi obtenues peuvent être notamment des pièces pour l'automobile telles que des triangles de suspension, des arbres de transmission, des bielles, mais elles peuvent également être des arbres, des cames ou toute autre pièce forgée pour des machines diverses.

Revendications

1. Acier pour la fabrication de pièces forgées caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en poids:

- éventuellement de 0,005% à 0,06% d'aluminium,

- éventuellement du bore en des teneurs comprises entre 0,0005% et 0,01%,

- éventuellement entre 0,005% et 0,03% de titane,

- éventuellement entre 0,005% et 0,06% de niobium,

- éventuellement de 0,005% à 0,1% de soufre, éventuellement jusqu'à 0,006% de calcium, éventuellement jusqu'à 0,03% de tellure, éventuellement jusqu'à 0,05% de sélénium, éventuellement jusqu'à 0,05% de bismuth, éventuellement jusqu'à 0,1% de plomb,
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.

2. Procédé pour la fabrication d'une pièce de forge caractérisé en ce que:

- on approvisionne un lopin en un acier dont la composition chimique comprend, en poids:

- éventuellement de 0,005% à 0,06% d'aluminium,

- éventuellement du bore en des teneurs comprises entre 0,0005% et 0,01%,

- éventuellement entre 0,005% et 0,03% de titane,

- éventuellement entre 0,005% et 0,06% de niobium,

- éventuellement de 0,005% à 0,1% de soufre, éventuellement jusqu'à 0,006% de calcium, éventuellement jusqu'à 0,03% de tellure, éventuellement jusqu'à 0,05% de sélénium, éventuellement jusqu'à 0,05% de bismuth, éventuellement jusqu'à 0,1% de plomb,
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.

- on forge à chaud le lopin pour obtenir une pièce,

- on soumet la pièce à un traitement thermique comportant un refroidissement depuis une température à la quelle l'acier est entièrement austénitique jusqu'à une température Tm comprise entre Ms+100°C et Ms-20°C à une vitesse de refroidissement Vr supérieure à 0,5°C/s, suivi d'un maintien de la pièce entre la température Tm et une température Tf supérieure ou égale à Tm-100°C pendant au moins 2 minutes de façon à obtenir une structure comportant au moins 15% de bainite inférieure formée entre Tm et Tf et moins de 20% de ferrite perlite, Ms étant la température de début de transformation martensitique de l'acier.

3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'acier contient moins de 0,3% de carbone.

4. Procédé selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que l'acier contient moins de 1,6% de manganèse.

5. Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que l'acier contient moins de 0,8% de silicium.

6. Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que l'acier contient plus de 1,2% de silicium.

7. procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que le maintien est choisi pour que la structure comporte au moins 30% de bainite inférieure formée entre Tm et Tf.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7 caractérisé en ce que Tf est supérieure ou égale à Tm-60°C.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8 caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement Vr est supérieure à 2°C/s.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 9 caractérisé en ce que après le maintien entre Tm et Tf, la pièce est refroidie jusqu'à la température ambiante.

11. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que le traitement thermique comporte en outre un revenu entre 150°C et 650°C.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 9 caractérisé en ce que après le maintien entre Tm et Tf, la pièce est réchauffée à une température inférieure à 650°C puis refroidie jusqu'à la température ambiante.

13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à12 caractérisé en ce que le traitement thermique est effectué après un chauffage de la pièce à une température supérieure à AC₃.

14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 12 caractérisé en ce que le traitement thermique est effectué directement après forgeage.