Acier inoxydable austénique pour déformation à froid pouvant être suivi d'un usinage

Description

[0001] L'invention concerne un acier inoxydable austénitique pour déformation à froid du type frappe à froid. Les aciers qui contiennent un minimum de 11 % de chrome sont dits inoxydables et ont une bonne résistance à la corrosion. Les aciers inoxydables austénitiques contiennent en outre du nickel, ce qui leur confère des propriétés intéressantes de mise en oeuvre, notamment en transformation à froid.

[0002] Un des aciers austénitiques le plus couramment utilisé est un acier dont la composition est la suivante : C<0.08, Si<1 %, Mn < 2%, S < 03%, P < 0.045%, 18<Cr20%, 8<Ni<12%, qui se prête bien à la transformation à froid, mais est limité dans le domaine de la déformation du fait de son coefficient d'écrouissage relativement élevé, définissant une consolidation importante due à la formation de martensite d'écrouissage.

[0003] Il est connu un autre acier inoxydable austénitique de composition suivante : C<0.12% ; Si < 1% ; Mn < 2% ; S <0.03% ; P < 0.045% ; 17 <Cr <19% ; 10 < Ni< 13%,
qui apporte une solution au problème d'écrouissabilité du fait d'une teneur en nickel relativement élevée, ce qui diminue la formation de martensite d'écrouissage. Cependant, la présence de nickel à ces teneurs limite aussi les propriétés d'allongement de l'acier, de plus, cet acier est cher compte tenu de la teneur élevée en nickel.

[0004] Une alternative intéressante a été partiellement trouvée en ajoutant du cuivre dans la composition. Le cuivre agit en effet comme le nickel en limitant la formation de martensite d'écrouissage. Il existe cependant une teneur limite supérieure pour l'utilisation du cuivre, typiquement 3.5%, qui ne peut être dépassée, afin éviter un phénomène de brûlure lors du laminage à chaud de l'acier. Cette teneur supérieure en cuivre permet cependant d'obtenir une bonne aptitude à la déformation, voire de diminuer la teneur en nickel globalement aux alentours de 8%. Une telle composition d'acier est notamment utilisée en frappe à froid des produits longs en acier inoxydable.

[0005] Une idée couramment répandue pour améliorer un peu plus la mise en oeuvre à froid des aciers inoxydables austénitiques est d'introduire dans la composition du manganèse, qui agit dans le même sens que le nickel ou le cuivre. Plusieurs documents proposent des solutions de ce type. Par exemple,

• le brevet FR2229776 revendique un acier de composition suivante : 3 < Ni < 15% ; 6% < Mn < 16% ; 10% < Cr < 25% ; Si > 2%.
  L'intérêt ce cet acier, concerne la résistance à l'abrasion.
• le brevet US3, 910,788 divulgue un acier de composition suivante: 1% < Si < 2.5% ; 1.5% < Mn < 5% ; 1% < Cu < 4% ; 6 % < Ni < 9% ; 15% < Cr < 19% ; N < 0.03% ; C+N < 0.04%.

[0006] Cet acier est adapté à la transformation à froid et à l'emboutissage dans le domaine des produits plats et résiste à la rupture en différé. Les teneurs en nickel de la composition sont relativement élevées, et l'acier contient du silicium en une quantité non négligeable, ce qui augmente le coefficient d'écrouissage.

• les documents japonais J 63060051 et J63060050 proposent tous deux la composition d'un acier qui est la suivante : C < 0.15% ; Si < 1.5% ; 0.5% < Mn < 6% ; 17% < Cr < 23% ; 10% < Ni < 15% ; 0.1% < Cu < 3% ; 0.02% < N < 0.35% ; avec une stabilisation avec les éléments Ti+Nb+V. Les hautes teneurs en carbone et azote présentées font que des duretés élevées sont rapidement atteintes par transformation à froid, ce qui est rédhibitoire pour le domaine de la frappe à froid.
• le document US 3 753 693 présente une composition d'acier telle que : 17 < Cr < 19% ; 7% < Ni <10% ; 11 % < Mn < 13% ; 0.01% < N < 0.07% ; C < 0.06% ; Si < 1 % ; Mo < 2% ; Cu < 1.5%.

[0007] Cette composition est conseillée notamment pour les applications frappe à froid, pour lesquelles elle offre un coefficient d'écrouissage faible grâce à des teneurs très élevées en nickel et manganèse.

[0008] Sans doute performante en frappe, cette composition n'a pas d'intérêt économique du fait des teneurs respectives élevées du nickel et du chrome.

• le document JP 55 031 173 présente une nuance de composition suivante : C < 0.02% ; 0.04% < N < 0.1% ; 2.5% < Cu < 4% ; 6% < Ni < 8% ; 17% < Cr < 19% et 3% < Mn < 4% ; S < 0.003%.

[0009] Dans ce document, la teneur en nickel reste relativement élevée, et celle en azote très élevée. Cet acier est utilisé pour la fabrication des rivets et vis en acier inoxydable.

• le document US 4 911 883, concerne un acier inoxydable pour transformation à froid, de composition suivante : C < 0.04% ; Si < 0.6% ; 6% < Ni < 8% ; 2.2% < Mn < 3.8% ; 17% < Cr < 19% ; 2.5% < Cu < 4% ; S < 0.002% ; N < 0.010%.

[0010] Cette composition est proche de la précédente citée, avec notamment une teneur en nickel qui reste assez élevée.

• le document WO 00/26428 traite d'une composition comprenant : 0.025% < C < 0.15% ; 4% < Mn < 12% ; Si < 1% ; P < 0.2% ; S < 0.1% ; 15.5% < Cr < 17.5%; 1% < Ni < 4% ; 0.25% < Mo < 1.5% ; 1.5% < Cu < 4% ; W < 1 % ; Co < 1 % ; 0.05% < N < 0.3%; respectant les relations Cr%+Mo% < 17.75% et Cr%+3.3Mo%+13N% > 20.5%. Cette composition comprend des teneurs en Ni basses.

[0011] Dans le même domaine, il est connu le document JP 2001011579A présentant la composition suivante : 0.05% < C < 0.5% ; 6% < Mn < 15% ; Si < 0.5% ; S < 0.03% ; 10% < Cr < 20% ; 0.04% < Ni < 0.3% ; Mo < 3% ; Cu < 3% ; Al < 0.1% ; 0.05% < N < 0.3%, dont la proportion en azote plus carbone est relativement élevée comme dans la composition du document précédent.

[0012] En résumé, les solutions proposées pour obtenir des compositions d'acier inoxydable austénitique pour transformation à froid contenant du manganèse peuvent être classées de la manière suivante :

• des nuances très alliées, pour des applications très spécifiques,
• des nuances à azote et ou carbone à caractéristiques mécaniques élevées,
• des nuances moins allées, avec des niveaux de nickel qui restent élevés, et donc, avec des niveaux de manganèse relativement bas, ce qui ne présente pas d'évolution très marquée par rapport aux nuances classiques, aussi bien en terme de propriétés de mise en oeuvre, qu'en termes de réduction des coûts.

[0013] L'invention a pour but de proposer un acier inoxydable austénitique pour déformation à froid pouvant être suivi d'un usinage présentant des propriétés mécaniques améliorées par rapport aux aciers standards d'acier inoxydables austénitiques, propriétés très intéressantes pour les applications de transformation à froid, et notamment en frappe à froid,

[0014] L'invention a pour objet un acier inoxydable austénitique pour déformation à froid pouvant être suivi d'un usinage, caractérisé en la composition pondérale suivante :

carbone < 0,030%

0,3% < silicium < 1%

5% < manganèse < 9%

4,55% < nickel < 7%

15% < chrome < 18%

molybdène < 0,8%

2% < cuivre < 4%

0,02% < azote < 0,060%

soufre < 0,01%

phosphore < 0,030%

[0015] Les autres caractéristiques de l'invention sont :

• la composition comprend, en outre, du bore à une teneur inférieure à 50.10^-4%,
• l'indice Md30, défini par la relation : Md30 = 551 - 462(C%+N%) - 9,2Si% - 20 Mn% - 13,7 Cr% - 29 Ni% - 29 Cu% - 18,5 Mo% est inférieur à - 60.
• le taux de ferrite après réchauffage de la structure brute de solidification à 1240°C est inférieure à 10%, en satisfaisant la relation suivante : % Ferrite = 0,034 x² + 0,284x - 0,347, dans laquelle, x = 6,903[ Cr _éq - Ni _éq / 1,029
• 6,998], avec Cr _éq = Cr% et Ni _éq = Ni% + 20,04 C% + 21,31 N% + 0,46 Cu% + 0,08 Mn%.

[0016] La description qui suit, présentée de manière non limitative, fera bien comprendre l'invention. L'invention traite d'un acier inoxydable austénitique pour déformation à froid pouvant être suivi d'un usinage, caractérisé en la composition pondérale suivante :

carbone < 0,030%

0,3% < silicium < 1%

5% < manganèse < 9%

4,55% < nickel < 7%

15% < chrome < 18%

molybdène < 0,8%

2% < cuivre < 4%

0,02% < azote < 0,060%

soufre < 0,01%

phosphore < 0,030%

[0017] Dans la composition proposée, le carbone est contrôlé à une teneur inférieure à 0.030% afin de limiter la formation et le durcissement de la martensite d'écrouissage. De la même manière, et pour la même raison, il est nécessaire de contrôler la somme des teneurs en carbone et azote à une valeur inférieure à 0.07%.

[0018] La teneur en azote est contrôlée à une teneur comprise entre 0.02% < N < 0.060% et de préférence 0.02% < N < 0.04% pour stabiliser l'austénite et garantir une teneur en ferrite à chaud < 15%. En effet, pour faciliter la transformation à chaud, on veillera à ce que le taux de ferrite soit inférieur à 10% après réchauffage de la structure brute de solidification à 1240°C, avec la relation suivante : % Ferrite = 0,034 x² + 0,284x - 0,347, dans laquelle, x = 6,903[ Cr _éq - Ni _éq / 1,029 - 6,998], avec Cr _éq = Cr% et Ni _éq = Ni% + 20,04 C% + 21,31 N% + 0,46 Cu% + 0,08 Mn%.

[0019] Dans la composition selon l'invention, la teneur en nickel a été abaissée entre 4,55% et 7% et de préférence à 5% environ. L'abaissement de la teneur en Ni est compensé par une teneur en manganèse comprise entre 5% et 9% et de préférence à environ 8%. La teneur en chrome garantit une bonne tenue à la corrosion, elle est choisie entre 15% et 18%.

[0020] Le cuivre est présent dans la composition pour stabiliser l'austénite. Il est limité, comme précisé dans l'art antérieur à une teneur inférieure à 4%. On préfère une teneur supérieure à 2% pour une meilleure stabilisation de l'austénite.

[0021] Le soufre est limité à une teneur inférieure à 0.01 % et préférentiellement à une teneur inférieure à 0.002% afin de limiter la formation de sulfures de manganèse, préjudiciables à la transformation à chaud et à la tenue à la corrosion.

[0022] On contrôle les autres éléments tels que le silicium à une teneur inférieure à 1 % et de préférence à 0.3%. La composition contient aussi du molybdène à une teneur inférieure à 0.8% et le phosphore à une teneur inférieure à 0.030%.

[0023] L'ajout éventuel de bore à une teneur inférieure à 50 10-4% peut faciliter la transformation à chaud et à froid.

[0024] Au final, l'acier devra atteindre une valeur de Md30 aussi basse que possible, et de préférence inférieure à -60, la valeur Md30 étant liée à la relation suivante : Md30 = 551 - 462(C%+N%) - 9,2Si% - 20 Mn% - 13,7 Cr% - 29 Ni% - 29 Cu% - 18,5 Mo%.
Dans un exemple de réalisation, il a été comparé une composition d'un l'acier 1 selon l'invention avec d'un acier dit de référence, austénitique, standard dont les compositions sont présentées sur le tableau 1 suivant :

Tableau 1.

	%C	%Si	%Mn	%Ni	%Cr	%Mo	%Cu	%N	%S	Md3 0	%α
Acier 1	0,023	0,36	8,1	5,1	15,0	0,30	3,3	0,035	0,001	- 71,6
Acier Ref	0,029	0,33	1,8	8,1	17,2	0,29	3,2	0,027	0,002	- 59,3

[0025] Dans le domaine de la frappe à froid, l'acier selon l'invention présente une aptitude à la mise en oeuvre à froid, meilleure que l'acier de référence standard. Les tests de frappe cruciforme interrompue montrent que :

• L'acier 1 selon l'invention proposée ne présente pas de fissuration.
• L'acier de référence présente des amorces de rupture ductile aux l'angles de la croix.

[0026] Dans le domaine de la corrosion, l'acier selon l'invention présente une bonne résistance à la corrosion, comparable à celle d'un acier de type 304 standard.

[0027] Dans les domaines du magnétisme, de la soudure et de l'usinage, l'acier selon l'invention présente un caractère amagnétique à l'état recuit, et faiblement magnétique à l'état écroui, en soudabilité, une soudabilité équivalente à celle d'un acier du type 304 standard et en usinabilité, une usinabilité semblable à celle d'un acier du type 304 standard.

[0028] L'acier de l'invention est commercialement d'un coût attractif en utilisant des éléments d'alliage moins chers que le nickel, et conserve une simplicité de mise en oeuvre à toutes les étapes de son élaboration, notamment grâce à une structure à chaud et des propriétés mécaniques compatibles avec une élaboration en production courante des aciers inoxydables austénitiques standards.

[0029] L'acier de l'invention se prête bien à la réalisation de pièces comportant une première opération de frappe à froid suivi d'un usinage de finition.

[0030] Le domaine de son utilisation est potentiellement, la fixation comme par exemple, visserie, boulonnerie, écrous, tiges filetées, et toutes pièces spéciales mises en oeuvre par frappe a froid comme par exemple, des pièces d'accastillage, des pièces pour l'automobile telles que fixations, air-bags, support et corps de sondes ou encore, des pièces pour la connectique de grande série comme par exemple, des pièces de visserie électrique.

[0031] On peut citer aussi des applications faisant intervenir la transformation à froid de manière importante en recherchant un bon rapport performance coût dans le domaine des fils tréfilés et fils fins par exemple, pour des filtres ou des crépines, ou dans le domaine des ressorts.

Revendications

1. Acier inoxydable austénitique pour déformation à froid pouvant être suivi d'un usinage, caractérisé en la composition pondérale suivante :

carbone < 0,030%

0,3% < silicium < 1%

5% < manganèse < 9%

4,55% < nickel < 7%

15% < chrome < 18%

molybdène < 0,8%

2% < cuivre < 4%

0,02% < azote < 0,060%

soufre < 0,01%

phosphore < 0,030%

2. Acier selon la revendication, 1 caractérisé en ce que la composition comprend, en outre, du bore à une teneur inférieure à 50.10^-4%.

3. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'indice Md30, défini par la relation : Md30 = 551 - 462(C%+N%) - 9,2Si% - 20 Mn% - 13,7 Cr% - 29 Ni% - 29 Cu% - 18,5 Mo% est inférieur à - 60.

4. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux de ferrite après réchauffage de la structure brute de solidification à 1240°C est inférieure à 10%, en satisfaisant la relation suivante : % Ferrite = 0,034 x² + 0,284x - 0,347, dans laquelle, x = 6,903[ Cr _éq - Ni _éq / 1,029 - 6,998], avec Cr _éq = Cr% et Ni _éq = Ni% + 20,04 C% + 21,31 N% + 0,46 Cu% + 0,08 Mn%.