La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un acier martensitique inoxydable comportant les étapes de traitement thermique suivantes :
Dans la présente invention, les pourcentages de composition sont des pourcentages massiques, à moins qu'il en soit précisé autrement.
Un acier martensitique inoxydable est un acier dont la teneur en chrome est supérieure à 10,5%, et dont la structure est essentiellement martensitique (c'est-à-dire que la quantité en éléments alphagènes est suffisamment élevée par rapport à celle des éléments gammagènes - Voir explications ci-dessous).
On part d'un demi-produit sous une forme quelconque, par exemple sous une forme de billettes ou de barres de cet acier.
Ce demi-produit est ensuite prédécoupé en sous-éléments qui sont mis en forme (par exemple par forgeage ou laminage) afin de leur conférer une forme se rapprochant de leur forme finale. Chaque sous-élément devient ainsi une pièce avec des surépaisseurs (appelée pièce à l'état brut) par rapport aux côtes dimensionnelles finales d'utilisation.
Cette pièce à l'état brut avec des surépaisseurs est destinée ensuite à être usinée afin de lui donner sa forme finale (pièce finale).
Dans le cas où les pièces finales doivent posséder une grande précision dimensionnelle (comme par exemple dans l'aéronautique), ces pièces à l'état brut doivent subir un traitement thermique (traitement thermique de qualité) avant cet usinage. Ce traitement thermique de qualité ne peut pas être effectué après cet usinage, car il conduit à des changements dimensionnels qu'il est difficile de prévoir pour des pièces de géométrie complexe.
Ce traitement thermique de qualité qui permet d'ajuster très finement les propriétés de la pièce en acier par des transformations métallurgiques comprend six phases majeures :
La phase (A) a pour objectif d'homogénéiser la microstructure au sein de la pièce, et de remettre en solution de particules solubles à cette température par recristallisation.
La phase (B) a pour objectif premier une transformation maximale de l'austénite en martensite au sein de la pièce en acier. Cependant, les transformations de la microstructure martensitique ne se font pas simultanément en tout point de la pièce, mais graduellement de sa surface vers son coeur. Le changement de volume cristallographique qui accompagne ces transformations engendre donc des contraintes internes et, en fin de trempe (à cause des basses températures atteintes alors), limite les relaxations de ces contraintes. Le second objectif est de minimiser le risque de tapures de trempe, c'est-à-dire l'apparition de fissures en surface de la pièce de par la libération de contraintes résiduelles dans l'acier dans un état métallurgique martensitique peu tenace. Pour atteindre ces deux objectifs antinomiques, il est habituel de commencer à réchauffer la pièce par un traitement de revenu (phase (C)) lorsque sa partie la plus chaude s'est refroidie jusqu'à une température dans une fourchette avec une température maximale Tmax et une température minimale Tmin pour éviter les tapures. La température Tmax est sensiblement égale à la température nominale MF de fin de transformation martensitique de l'acier, soit de 150 à 200°C pour un acier martensitique inoxydable. La température Tmin est de 20 à 28°C suivant la composition chimique. Il reste alors dans l'acier un taux d'austénite résiduelle qui n'aura pas pu être transformé.
La phase (C) - premier traitement de revenu - de ce traitement thermique de qualité a pour objectif d'une part une transformation de la martensite fraîche en martensite revenue (plus stable et plus tenace) et d'autre part une déstabilisation de l'austénite résiduelle issue des phases antérieures.
La phase (D) - refroidissement du premier revenu - de ce traitement thermique de qualité a pour objectif de transformer l'austénite résiduelle en martensite. La partie la plus chaude de la pièce doit être aussi refroidie jusqu'à une température dans la fourchette de températures [Tmax ; Tmin].
La phase (E) - second traitement de revenu - de ce traitement thermique de qualité a pour objectif la transformation de la nouvelle martensite fraîche en martensite revenue (plus stable et plus tenace) visant à atteindre le meilleur compromis dans les propriétés mécaniques de l'acier.
La phase (F) - refroidissement du second revenu - de ce traitement thermique de qualité ramène la pièce brute à température ambiante.
Les documents
Durant l'usinage des pièces, malgré ce traitement thermique de qualité, on observe actuellement une grande dispersion dans l'usinabilité de lots de pièces formées dans un acier résultant d'un tel procédé de fabrication. Il en découle des variations importantes dans l'usure des plaquettes d'usinage, et des variations importantes dans les puissances nécessaires à fournir par le dispositif d'usinage pour parvenir à usiner ces pièces en acier. La conséquence est une consommation trop importante, dispersée et imprévisible de plaquettes d'usinage, une perte de cadence dans l'usinage de lots de pièces, et une dispersion dans les états de surface obtenus, avec dans certains cas de moins bons états de surface usinée des pièces.
La présente invention vise à proposer un procédé de fabrication qui permette d'améliorer l'usinabilité de ces aciers.
Ce but est atteint grâce au fait que, la température maximale Tmax est inférieure ou égale à la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF des espaces interdendritiques dans l'acier, et en ce que, à la fin de chacune des étapes (1) et (2), on effectue la sous-étape suivante :
Grâce à ces dispositions, on obtient une moindre usure des plaquettes d'usinage par unité de longueur usinée, et une moindre puissance requise pour l'usinage. L'état de surface de l'acier après usinage est également amélioré (plus faibles tailles des stries causées par la plaquette d'usinage sur la surface). Ainsi, on diminue le coût du procédé.
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
Dans le procédé selon l'invention, on part d'une pièce brute avec des surépaisseurs qui a subi une succession de traitements thermomécaniques (tels que le forgeage, le laminage) afin de lui conférer une forme la plus proche possible de sa forme finale.
Cette pièce brute est destinée ensuite à être usinée afin de lui donner sa forme finale après avoir réalisé le traitement thermique de qualité.
On chauffe la pièce brute en cet acier jusqu'à une température supérieure à la température d'austénisation TAUS, et on maintient la pièce à cette température jusqu'à ce que la totalité de la pièce soit à une température supérieure à la température d'austénisation TAUS (austénisation de l'acier).
On effectue ensuite une trempe de l'acier suffisamment rapide pour que l'austénite ne se transforme pas en structure ferrito-perlitique (voir explications et
Enfin on termine par les deux revenus successifs pour affiner les propriétés de l'acier.
L'austénisation de l'acier puis sa trempe correspondent au traitement 1 sur la
On décrit ci-dessous différentes transformations métallurgiques susceptibles de se produire au sein d'un acier selon l'invention au cours de son refroidissement depuis la température austénitique.
En amont de la chaine industrielle, durant les opérations d'élaboration et la réalisation du dernier lingot, l'acier se solidifie progressivement pendant son refroidissement. Cette solidification s'effectue par croissance de dendrites 10, comme illustré en
La
Lorsque la courbe de refroidissement C passe en dessous de la température de début de transformation martensitique en refroidissement MS (droite MS sur la
Sur la
On note que les courbes de transformation d'austénite en structure ferrito-perlitique dans le cas des espaces interdendritiques (courbes D'et F') sont décalées vers la droite par rapport aux courbes de transformation d'austénite en structure ferrito-perlitique dans le cas des dendrites (courbes D et F). Il faut donc plus de temps à une température donnée pour transformer l'austénite en structure ferrito-perlitique dans le cas des espaces interdendritiques que dans le cas des dendrites.
On note que les courbes de transformation d'austénite en martensite dans le cas des espaces interdendritiques (droites MS', et MF') sont décalées vers le bas par rapport aux courbes de transformation d'austénite en martensite dans le cas des dendrites (droites MS et MF). La transformation d'austénite en martensite s'effectue donc à des températures plus basses dans le cas des espaces interdendritiques que dans le cas des dendrites.
Dans le procédé selon l'invention, le refroidissement de l'acier durant la trempe après austénisation (traitement qui correspond à l'étape 1 en
Dès que la température de la partie la plus chaude de la pièce atteint une température maximale Tmax. qui est donc inférieure à la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF' des espaces interdendritiques, on réchauffe la pièce.
Ce réchauffement s'effectue par exemple en plaçant la pièce dans un environnement (four préchauffé ou enceinte calorifique) où règne une température au moins égale à la température maximale Tmax.
On effectue ensuite un premier revenu de l'acier en continuant à le réchauffer jusqu'à une température TR, qui est inférieure à la température austénitique TAUS. Ce revenu permet de stabiliser la phase cristallographique martensitique fraîche en faisant par exemple précipiter des carbures au sein de la martensite et donc de conférer plus de résilience à la martensite de l'acier.
Ce premier traitement de revenu correspond à l'étape 2 en
On refroidit ensuite l'acier jusqu'à ce que la partie la plus chaude de l'acier atteigne la température maximale Tmax qui est inférieure à la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF' des espaces interdendritiques, puis on réchauffe immédiatement l'acier.
On fait ensuite subir immédiatement à l'acier un second traitement de revenu, sensiblement identique au premier traitement de revenu, en laissant ensuite l'acier refroidir jusqu'à température ambiante TA.
Ce second traitement de revenu correspond à l'étape 3 en
Les inventeurs ont réalisé des essais d'usinabilité sur des aciers martensitiques inoxydables ayant subi le procédé de l'invention. Ils ont comparé les résultats de ces essais aux résultats d'essais d'usinabilité sur des aciers ayant subi une austénisation suivie d'une trempe et de deux revenus mais où la température minimale de la partie la plus chaude de la pièce est simplement inférieure à la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF des dendrites, et où l'acier n'est pas immédiatement réchauffé entre la trempe et le premier revenu, ou entre le premier revenu et le second revenu.
La composition des aciers Z12CNDV12 est la suivante (norme DMD0242-20 indice E) :
Les inventeurs ont constaté qu'avec un acier fabriqué selon le procédé de l'invention, l'usure des plaquettes d'usinage par mètre d'acier usinée est divisée par environ 10 (passage de 11 mm à 1,3 mm) pour une vitesse de coupe de 120 m/min comparé à un acier fabriqué selon un procédé de l'art antérieur. La puissance requise pour l'usinage est en outre divisée par plus de deux comparé à un acier fabriqué selon un procédé de l'art antérieur. L'état de surface de l'acier après usinage est également amélioré.
En particulier, avec une température maximale Tmax comprise entre 28°C et 35°C, l'usure des plaquettes d'usinage par unité de longueur d'acier usinée est divisée par 15, et la puissance requise pour l'usinage divisée par 2,5. Une température maximale Tmax comprise entre 20°C et 75°C donne aussi de bons résultats.
Lorsque la température maximale Tmax est au delà de 90°C (et jusqu'à 180°C) les résultats en usinage sont les plus mauvais.
On retrouve des résultats moyens (intermédiaires entre bons et mauvais) lorsqu'on réchauffe l'acier dès que la partie la plus chaude de la pièce atteint une température au delà de 180°C (et jusqu'à 300°C).
Selon les inventeurs, les résultats peuvent s'expliquer de la façon suivante : comme indiqué ci-dessus, la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF' des régions interdendritiques est inférieure à la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF des dendrites. Or on a vu que lors du refroidissement de l'acier, cet acier se solidifie en une microstructure qui est une alternance de dendrites et de régions interdendritiques (
Au cours du second revenu, la nouvelle martensite fraîche se stabilise mais une autre partie du restant de l'austénite résiduelle continue à se transformer en martensitique fraîche dans ces endroits les plus ségrégés. L'acier présente donc une hétérogénéité de structure avec des grains plus durs correspondant à la martensite fraîche dans une matrice plus douce. C'est cette hétérogénéité qui est responsable de la mauvaise usinabilité de l'acier, les grains plus durs usant les plaquettes et bloquant leur avance.
A l'inverse, si l'on réchauffe l'acier dès que la partie la plus chaude de la pièce atteint une température élevée (comprise entre 180°C et 300°C), on conserve de l'austénite résiduelle, qui donne au final un comportement moyen lors de l'usinage ultérieur.
On comprend donc pourquoi le refroidissement de l'acier jusqu'à la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF' des régions interdendritiques, puis le réchauffement immédiat de l'acier dès qu'il a atteint cette température MF, permettent d'obtenir une microstructure plus homogène au sein de l'acier.
Par exemple, la température maximale Tmax qu'atteint la partie la plus chaude de l'acier avant d'être réchauffée est comprise entre 20°C et 75°C. Une telle température Tm est inférieure à la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF' des espaces interdendritiques.
Par exemple, cette température maximale Tmax est comprise entre 28°C et 35°C.
Afin de déterminer quand la partie la plus chaude de l'acier atteint la température maximale Tmax, on peut par exemple, à l'étape (ω), mesurer la température de peau de l'acier et utiliser des abaques pour en déduire la température de la partie la plus chaude de l'acier.
Par ailleurs, il est avantageux que le gradient de température entre la surface de l'acier et la partie la plus chaude de l'acier soit le plus faible possible, afin de réduire l'écart entre la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF des dendrites et la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF' des espaces interdendritiques. En effet, en réduisant cet écart, les contraintes au sein de la pièce sont alors moindres, et on gagne en productivité.
Ainsi, avantageusement, dans chacune des étapes (1) et (2), on effectue la sous-étape suivante avant la sous-étape (ω):
La durée seuil ds dépend de la géométrie de la pièce. La durée ds est au minimum de 15 minutes (min) pour une dimension minimale de la pièce de 50 mm, de 30 min pour une dimension minimal de la pièce de 100 mm, de 45 min pour une dimension minimale de la pièce de 150 mm, et ainsi de suite. Pour une dimension minimale de la pièce comprise entre ces valeurs, on peut par exemple en déduire la durée ds par extrapolation avec la formule : ds = (15 min) × {dimension minimale (en mm)}/50.
Pour maintenir l'acier dans un environnement où règne sensiblement la température comprise entre la température minimale Tmin et la température MF', on peut par exemple placer l'acier dans un four où règne une température comprise entre Tmin et MF'.
Alternativement, on peut isoler thermiquement l'acier de l'environnement extérieur, par exemple en le plaçant dans une couverture.
Avantageusement, après le second revenu, on effectue au moins une détente de l'acier à une température inférieure aux températures de revenu TR auxquelles le premier revenu et le second revenu ont été effectués.
Cette détente correspond à l'étape 4 en
Afin d'améliorer la tenue en fatigue des aciers selon l'invention, on cherche à augmenter la propreté inclusionnaire de l'acier, c'est-à-dire à diminuer la quantité d'inclusions indésirables (certaines phases alliées, oxydes, carbures, composés intermétalliques) présentes dans l'acier. En effet, ces inclusions agissent comme des sites d'amorces de fissures qui conduisent, sous sollicitation cyclique, à une ruine prématurée de l'acier.
On connaît des procédés pour améliorer la propreté inclusionnaire, notamment un procédé de refusion tel que la refusion sous laitier ou ESR (Electro Slag Refusion), ou la refusion par arc sous vide ou VAR (Vacuum Arc Remelting). Ces procédés sont connus, et seul leur fonctionnement global est rappelé ci-après.
Le procédé ESR consiste à placer un lingot en acier dans un creuset dans lequel on a versé un laitier (mélange minéral, par exemple chaux, fluorures, magnésie, alumine, spath) de telle sorte que l'extrémité inférieure du lingot trempe dans le laitier. Puis on fait passer un courant électrique dans le lingot, qui sert d'électrode. Ce courant liquéfie le laitier et fait fondre l'extrémité inférieure de cette électrode qui est en contact avec le laitier. L'acier fondu de cette électrode traverse le laitier sous forme de fines gouttelettes, pour se solidifier en dessous de la couche de laitier qui surnage, en un nouveau lingot qui croît ainsi progressivement. Le laitier agit, entre autres comme un filtre qui extrait les inclusions des gouttelettes d'acier, de telle sorte que l'acier de ce nouveau lingot situé en dessous de la couche de laitier contient moins d'inclusions que le lingot initial (électrode). Cette opération s'effectue à la pression atmosphérique et à l'air.
Le procédé VAR consiste à fondre dans un creuset sous un vide poussé le lingot d'acier, qui sert d'électrode. Le lingot/électrode est fondu par l'établissement d'un arc électrique entre l'extrémité du lingot/électrode et le sommet du lingot secondaire qui se forme par fusion du lingot/électrode. Le lingot secondaire se solidifie au contact des parois du creuset et les inclusions flottent à la surface du lingot secondaire, et peuvent ultérieurement être éliminées. On obtient donc un lingot secondaire d'une plus grande pureté que le lingot/électrode initial.
Avantageusement, l'acier subit, avant l'étape (1), une refusion.
Par exemple la refusion est choisie dans un groupe comprenant la refusion sous laitier ESR ou la refusion par arc sous vide VAR.
Avantageusement, avant l'étape (1), on effectue un traitement d'homogénéisation de l'acier.
En effet, lors de cette homogénéisation, il se produit une diffusion des éléments d'alliage des zones à forte concentration vers les zones à faible concentration. On permet alors une réduction de l'intensité des ségrégations en éléments alphagènes dans les dendrites 10, et une réduction de l'intensité des ségrégations en éléments gammagènes dans les régions interdendritiques 20. La réduction de l'intensité des ségrégations en ces éléments gammagènes a notamment pour conséquence un rapprochement de la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF des dendrites et de la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF' des espaces interdendritiques, ainsi qu'une moindre différence structurale entre les dendrites 10 et les régions interdendritiques 20.
En ce qui concerne les particularités du traitement d'homogénéisation, les inventeurs ont trouvé que des résultats satisfaisants sont obtenus lorsque le lingot est soumis dans ce four à un traitement d'homogénéisation pendant un temps de maintien t après que la température du point le plus froid de ce lingot a atteint une température d'homogénéisation T, ce temps t étant égal à au moins une heure, et la température d'homogénéisation T variant entre une température inférieure Tinf et la température de brûlure de cet acier.
La température Tinf est environ égale à 900°C. La température de brûlure d'un acier est définie comme la température à l'état brut de solidification à laquelle les joints de grains dans l'acier se transforment (voire se liquéfient), et est supérieure à TInf. Ce temps t de maintien de l'acier dans le four varie donc inversement à cette température d'homogénéisation T.
Par exemple, dans le cas d'un acier martensitique inoxydable Z12CNDV12 (norme AFNOR) utilisé par les inventeurs dans les essais, la température d'homogénéisation T est 950°C, et le temps de maintien t correspondant est égal à 70 heures. Lorsque la température d'homogénéisation T est de 1250C qui est légèrement inférieure à la température de brûlure, alors le temps de maintien t correspondant est égal à 10 heures.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, il est possible, afin d'améliorer l'usinabilité des aciers martensitiques inoxydables, d'effectuer un traitement d'homogénéisation de l'acier tel que décrit ci-dessus, puis d'effectuer les étapes (1), (2) et (3) selon l'art antérieur sans effectuer la sous-étape (ω). Dans ce mode de réalisation, la température maximale Tmax est inférieure à la température de fin de transformation martensitique en refroidissement MF des dendrites dans l'acier, et, dans les étapes (1) et (2) on fait en sorte que l'acier reste à une température égale ou inférieure à la température maximale Tmax pendant un temps le plus court possible.
Cette liste de références citées par le demandeur vise uniquement à aider le lecteur et ne fait pas partie du document de brevet européen. Même si le plus grand soin a été accordé à sa conception, des erreurs ou des omissions ne peuvent être exclues et l'OEB décline toute responsabilité à cet égard.