[0001] La présente invention concerne un alliage d'acier réalisé en fonderie, dont la composition
comporte, entre autres, du fer (Fe), du carbone (C), du nickel (Ni) et du cobalt (Co).
[0002] La présente invention trouvera son application principalement dans le domaine de
la fabrication d'outillages en fonderie à partir d'un alliage d'acier, lesdits outillages
étant utilisés ensuite dans le formage de pièces diverses, notamment elles-mêmes obtenues
à partir d'un alliage comportant, par exemple, du titane.
[0003] On connait du document de brevet européen
EP 0 343 292 un alliage d'acier comportant les éléments suivants, dans les proportions indiquées
: C entre 0,4 et 0,8% ; Si inférieur ou égal à 1% ; Mn inférieur ou égal à 1% ; Ni
entre 30 et 40 % ; Co entre 2 et 8% ; S inférieur ou égal à 0.2 % ; P inférieur ou
égal à 0.2 % ; Mg et/ou Ca inférieur ou égal à 0.3 % ; avec Ni +Co*0.75 entre 32 et
40 %, le reste étant du Fer et les impuretés inévitables. L'alliage est porté à une
température entre 600 et 1000 °C et est ensuite trempé.
[0004] Cet alliage présente un intérêt dans la fabrication de machines mécaniques de précision,
par exemple des machines-outils, instruments de mesure, machines de fabrication de
semi-conducteur et des machines optiques, du fait d'un faible coefficient de dilatation
à des températures comprises entre 20 et 100°C.
[0005] En ce qui concerne le document
JP 2003 138336 qui décrit un alliage d'acier comportant entre 26 et 32% de Ni, entre 5 et 12% de
Co, entre 0,5 et 1,7% de C, moins de 1% de Si, moins de 0,5% de Mn, le reste étant
du Fer, ledit alliage comportant une proportion de terres rares (lanthane, cérium,
praséodyme et néodyme) comprise entre 0,01 et 0,009%, et présentant un coefficient
de dilatation thermique bas jusqu'à une température de 200°C.
[0006] Cependant, dans le domaine visé par l'alliage de la présente invention, la fabrication
d'outillages de fonderie en alliage d'acier, l'alliage en question doit avoir un coefficient
de dilatation thermique bas à des températures beaucoup plus importantes que 100 °C,
et même que 200°C.
[0007] On connaît également, dans l'état de la technique, des outillages réalisés spécifiquement
en fonderie pour former des pièces en alliage de titane, à des températures allant
de 400 à 1000°C. Les coefficients de dilatation de ces outillages sont relativement
élevés (supérieurs à 17.10
-6 K
-1).
[0008] Or, de nouveaux procédés d'élaboration de pièces demandent un outillage avec un coefficient
de dilatation thermique proche de celui des alliages à former, notamment pour les
alliages en titane, de l'ordre de 10,3.10
-6 K
-1 à 830°C, dans la gamme de température utilisée par le formage.
[0009] L'outillage doit également présenter une bonne tenue au fluage. En effet, une telle
caractéristique permet d'éviter que les outillages ne se déforment à haute température.
[0010] Pour les températures de formage au-delà de 400°C, il existe des outillages à faible
coefficient de dilatation fabriqués uniquement en mécano-soudé. Cependant, ces derniers
sont susceptibles de se déformer à haute température.
[0011] Pour les températures de formage allant jusqu'à 400°C, on connait, dans l'état de
la technique, des outillages réalisés en fonderie à partir d'un certain nombre d'alliages
ayant un coefficient de dilatation thermique et une tenue mécanique acceptable, ce
qui n'est pas le cas pour les températures plus élevées.
[0012] On connaît ainsi la demande de brevet
FR 3 025 807 également déposée par la demanderesse, et qui décrit un alliage de fonte à graphite
sphéroïdal ou à graphite lamellaire, connu sous la dénomination Ferrynox N29K, et
comprenant les éléments suivants : carbone (C) entre 1,2% et 3,5% - silicium (Si)
entre 1,0% ou 1,2% et 3% - nickel (Ni) entre 26% et 31% - cobalt (Co) entre 15% et
20% et optionnellement : magnésium (Mg) entre 0,02% et 0,10% - manganèse (Mn) inférieur
ou égal à 1,5% - chrome (Cr) inférieur ou égal à 0,5% et/ou phosphore (P) inférieur
ou égal à 0,12 ou 0,04% et/ou soufre (S) inférieur ou égal à 0,11 ou 0,03%, et/ou
molybdène (Mo) inférieur ou égal à 0,5%, et/ou cuivre (Cu) inférieur ou égal à 0,5%,
le reste étant du Fer et des impuretés inévitables.
[0013] Cet alliage permet d'obtenir des outillages présentant un coefficient de dilatation
thermique intéressant, c'est-à-dire faible et stable, pour des températures allant
jusqu'à 400°C. Les outillages ainsi fabriqués ont une application intéressante dans
la fabrication de pièces en composite ou en matériaux thermoplastiques.
[0014] Cependant, le coefficient de dilatation à des températures supérieures à 400°C est
trop important.
[0015] Pour les températures supérieures à 400°C, il existe tout de même des alliages à
faible coefficient de dilatation thermique pour des outillages réalisés en fonderie,
mais leur tenue au fluage est faible.
[0016] Or certains matériaux, comme des alliages de titane par exemple, ne peuvent être
formés qu'à des températures supérieures à 400°C.
[0017] Par conséquent, les outillages utilisés pour leur formage doivent avoir non seulement
un coefficient de dilatation thermique bas mais aussi une bonne tenue au fluage, afin
d'éviter une déformation desdits outillages à des températures supérieures à 400°C
lors du formage, par exemple, de pièces en alliage de titane.
[0018] L'invention a pour but de permettre la fabrication par moulage d'une pièce en acier
dont la dilatation thermique est faible pour des températures élevées et notamment
allant jusqu'à 1000°C, et présentant une bonne tenue au fluage.
[0019] En particulier, l'invention a pour but de concevoir un alliage qui permet la fabrication
d'un outillage ayant un coefficient de dilatation faible et une bonne tenue au fluage,
y compris à des températures très élevées.
[0020] A cet effet, l'invention a pour objet un alliage en acier caractérisé en ce qu'il
est constitué, en % en masse par rapport à la masse totale de l'alliage, des éléments
suivants :
- du carbone (C) entre 0,08% et 0,4%,
- du silicium (Si) entre 0,15% et 2%,
- du nickel (Ni) entre 24% et 31 %,
- du cobalt (Co) entre 15% et 30%,
- du niobium (Nb) entre 0,01% et 2,5%,
le reste étant du Fer et des impuretés inévitables.
[0021] Optionnellement, l'alliage de l'invention comprend du molybdène (Mo) à une teneur
inférieure ou égale à 3% en masse et/ou du manganèse (Mn) à une teneur inférieure
ou égale à 1,5% en masse et/ou du chrome (Cr) à une teneur inférieure ou égale à 1,5%
en masse et/ou du phosphore (P) à une teneur inférieure ou égale à 0,04% en masse
et/ou du soufre (S) à une teneur inférieure ou égale à 0,03% en masse et/ou du cuivre
(Cu) à une teneur inférieure ou égale à 0,5% en masse.
[0022] Selon des modes particuliers de réalisation, l'alliage de l'invention peut comporter
l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la teneur en nickel (Ni) est comprise entre minimum 24%, ou minimum 25% ou minimum
26% et maximum 30%, ou maximum 30,5% ou maximum 31% en masse ;
- la teneur en cobalt (Co) est comprise entre minimum 15%, ou minimum 16% et maximum
19%, ou maximum 27%, ou maximum 30% en masse ;
- la teneur en niobium (Nb) est comprise entre minimum 0,01%, ou minimum 0,05% et maximum
1,5%, ou maximum 2%, ou maximum 2,5% en masse ;
- la teneur en carbone (C) est comprise entre minimum 0,08%, ou minimum 0,1%, ou minimum
0,12% et maximum 0,2%, ou maximum 0,3%, ou maximum 0,4% en masse ;
- la teneur en silicium (Si) est comprise entre au minimum 0,15%, ou au minimum 0,2%
et au maximum 1%, ou au maximum 1,5%, ou au maximum 2% en masse ;
- la teneur en molybdène (Mo) est comprise entre au minimum des traces ou au minimum
0,05% ou au minimum 0,5% et au maximum 1,2%, ou au maximum 1,5%, ou au maximum 3%
en masse ;
- la teneur en Manganèse (Mn) est comprise entre au minimum des traces ou au minimum
0,05%, ou au minimum 0,1% et au maximum 1%, ou au maximum 1,5% ;
- la teneur en cuivre (Cu) est inférieure ou égale à 0,5% en masse, de préférence inférieure
ou égale à 0,4%, de préférence inférieure ou égale à 0,3% en masse.
- la teneur en chrome (Cr) est inférieure ou égale à 1,5% en masse, de préférence inférieure
ou égale à 1% en masse, de préférence inférieure ou égale à 0,4% en masse, de préférence
inférieure ou égale à 0,3% en masse.
[0023] L'invention a également pour objet une pièce fabriquée au moins en partie en un alliage
d'acier, ledit alliage présentant une composition telle que définie ci-dessus.
[0024] Cette pièce peut notamment consister en un outillage, dont le but est de permettre
le formage d'autres pièces à partir d'alliages, par exemple à base de titane. En d'autres
termes, ledit outillage fabriqué à partir de l'alliage de l'invention est susceptible
de recevoir un alliage à une température importante, entre 400 et 1000°C, et il doit
avoir un coefficient de dilatation faible et une bonne résistance au fluage dans cette
gamme de température, et notamment jusqu'à une température de formage de 1000°C.
[0025] L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une pièce telle que définie
ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes :
- on élabore un alliage en fonderie qui présente une composition telle que définie ci-dessus
;
- on coule ledit alliage dans un moule pour obtenir ladite pièce.
[0026] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre,
donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure unique sur
laquelle est représenté le comportement de dilatation thermique de quatre alliages
(GX40CrNiSi25-20, GXX40NiCrSi38-19, Ferrynox N29K et Exemple1), dont un exemple d'alliage
de l'invention (Exemple1), au moyen de l'évolution de leur coefficient de dilatation
thermique moyen (en 10
-6 m/m°C ou 10
-6 K
-1) en fonction de la température (en °C) et en se référant également au tableau ci-dessous
donnant les tenues au fluage de ces différents alliages.
[0027] L'invention a pour objet une composition particulière d'alliage. Cet alliage permet
d'obtenir des pièces dont le coefficient de dilatation thermique est faible et la
tenue au fluage élevée jusqu'à une température de 1000°C.
[0028] La pièce est par exemple un outillage, en particulier un outillage pour former des
pièces métalliques.
[0029] Toutes les indications de composition sont données par la suite en % en masse de
la masse totale de l'alliage.
[0030] Un premier aspect de l'invention est la composition chimique de l'alliage.
[0031] L'alliage est un alliage d'acier moulé réalisé en fonderie. Son composant de base
est le Fer (Fe). Il comporte aussi des impuretés inévitables résultant de l'élaboration
dudit alliage.
[0032] L'alliage de l'invention présente une composition consistant, outre le fer (Fe) et
lesdites impuretés, en du carbone (C) entre 0,08% et 0,4%, du Silicium (Si) entre
0,15% et 2%, du Nickel (Ni) entre 24% et 31%, du Cobalt (Co) entre 15% et 30% et du
Niobium (Nb) entre 0,01% et 2,5%.
[0033] La teneur en Nickel (Ni) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au moins
25% ou 26% et au plus 30% ou 30,5% en masse.
[0034] La teneur en en Cobalt (Co) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au
moins 16% et au plus 19% ou 27% en masse.
[0035] La teneur en Niobium (Nb) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au
moins 0,05% et au plus 1,5% ou 2% en masse.
[0036] La teneur en Carbone (C) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au moins
0,1% ou 0,12% et au plus 0,2% ou 0,3% en masse.
[0037] La teneur en Silicium (Si) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au
moins 0,2% et au plus 1% ou 1,5% en masse.
[0038] De plus, l'alliage peut comprendre du manganèse (Mn) à une teneur comprise entre
des traces et 1,5%.
[0039] La teneur en Manganèse (Mn) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au
moins 0,05% ou au moins 0,1% et au plus 1,0% en masse.
[0040] De plus, l'alliage peut comprendre du cuivre (Cu) à une teneur comprise entre des
traces et 0,5% en masse.
[0041] La teneur en Cuivre (Cu) de l'alliage peut être de préférence inférieure à 0,4%,
plus préférentiellement encore inférieure à 0,3% en masse.
[0042] De plus, l'alliage peut comprendre du molybdène (Mo) à une teneur comprise entre
des traces et 3%.
[0043] La teneur en Molybdène (Mo) de l'alliage peut être de préférence comprise entre 0,05%
ou 0,5% et au plus 1,2% ou 1,5% en masse.
[0044] De plus, l'alliage peut comprendre du chrome (Cr) à une teneur comprise entre des
traces et 1,5%.
[0045] La teneur en Chrome (Cr) de l'alliage peut être de préférence inférieure ou égale
à 1% en masse, plus préférentiellement inférieure ou égale à 0,4% et, tout préférentiellement,
cette teneur en chrome est inférieure ou égale à 0,3%.
[0046] De plus, l'alliage peut comprendre du phosphore (P) à une teneur comprise entre des
traces et 0,04% en masse.
[0047] De plus, l'alliage peut comprendre du soufre (S) à une teneur comprise entre des
traces et 0,03% en masse.
[0048] Depuis la fin du 19
ème siècle, on connaît un alliage à base de fer à coefficient de dilatation faible qui
est le Fe-Ni36. Cet alliage est connu sous l'appellation commerciale INVAR Ⓡ.
[0049] Dans sa composition, cet alliage comporte 36% en masse de nickel, le reste étant
du fer.
[0050] La courbe représentant le coefficient de dilatation des alliages fer/nickel présente
une anomalie aux alentours des 36% de nickel : le coefficient de dilatation est alors
bien plus faible que pour les autres compositions. Cependant, ceci n'est valable que
pour des températures faibles, jusqu'à 130°C, au-dessus de laquelle le coefficient
de dilatation de l'alliage n'est plus stable. Ainsi, la mise en oeuvre de cet alliage
à des températures plus élevées n'est pas avantageuse.
[0051] Divers alliages ont ensuite été développés à partir de cette base, notamment avec
le cobalt comme élément d'addition. Par exemple, l'acier fer/nickel/cobalt avec 32%
de nickel et 5,5% de cobalt a un coefficient de dilatation plus bas que l'INVAR®,
et surtout, il garde cette propriété à des températures plus élevées. Cependant, sa
tenue en fluage à haute température est faible.
[0052] On connaît des aciers réfractaires moulés (GX40CrNiSi25-20, GX40NiCrSi38-19) permettant
d'obtenir cette fois une bonne résistance en fluage à haute température (contrainte
de rupture en 1000h respectivement égale à 28 et 30MPa à 900°C), mais avec un coefficient
de dilatation élevé (respectivement 18,6 et 17,3.10
-6 K
-1 à 900°C).
[0053] Selon des exemples, l'alliage comprend outre le fer (Fe) et les impuretés inévitables,
uniquement les éléments suivants, dans les limites indiquées :
| |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Ni |
Mo |
Cu |
Co |
Nb |
| Mini |
0,08 |
0,15 |
traces |
traces |
traces |
traces |
24 |
traces |
traces |
15 |
0,01 |
| Maxi |
0,4 |
2 |
1,5 |
0,04 |
0,03 |
1,5 |
31 |
3 |
0,5 |
30 |
2,5 |
| Exemple 1 |
0,14 |
1,49 |
0,14 |
0,014 |
0,008 |
0,12 |
28.22 |
0,0051 |
0,038 |
16,7 |
0,59 |
| Exemple 2 |
0,13 |
1,1 |
0,4 |
0,015 |
0,007 |
0,11 |
27,79 |
0,01 |
0,045 |
25,1 |
0,64 |
[0054] Cet alliage est un acier moulé.
[0055] Le coefficient de dilatation thermique de l'Exemple 1, comparé à des coefficients
de dilatation thermique des trois alliages de l'état de la technique (GX40CrNiSi25-20,
GX40NiCrSi38-19, Ferrynox N29K) est indiqué sur la figure unique.
[0056] Le coefficient de dilatation thermique de l'alliage présentant la composition de
l'Exemple 1 est inférieur à 12,6*10
-6 K
-1 pour une température inférieure à 980°C.
[0057] Plus généralement, on remarque que le coefficient de dilatation thermique de l'alliage
présentant la composition de l'exemple 1 est significativement inférieur au coefficient
de dilatation des alliages normés GX40CrNiSi25-20 et GX40NiCrSi38-19, et ce dans quasiment
toute la gamme de température qui a été testée, en particulier pour des températures
élevées.
[0058] Par conséquent, l'alliage selon l'invention a un coefficient de dilatation bas à
des températures comprises entre 400 et 1000°C, appliquées lors du formage de pièces
en alliages de titane, ce qui est particulièrement intéressant.
[0059] La tenue au fluage de l'alliage selon l'invention et présentant une composition selon
l'exemple 1 a également été testée, et comparée à celles des alliages GX40CrNiSi25-20
et GX40NiCrCrSi38-19 et à l'alliage connu sous l'appellation commerciale Ferrynox
N29K.
[0060] Plus précisément, et pour rappel, le Ferrynox N29K consiste en un alliage de fonte
à graphite sphéroïdal, ou à graphite lamellaire, à faible dilatation et objet de la
demande
brevet FR 3 025 807.
La tenue au fluage est la suivante :
| |
Exemple 1 |
Ferrynox N29K |
GX40CrNiSi25-20 |
GX40NiCrSi38-19 |
| |
Contrainte à la rupture (MPa) |
Contrainte à la rupture (MPa) |
Contrainte à la rupture (MPa) |
Contrainte à la rupture (MPa) |
| |
100h |
1000h |
100h |
1000h |
100h |
1000h |
100h |
1000h |
| à 700°C |
85 |
68 |
70 |
52 |
100 |
80 |
|
80 |
| à 800°C |
62 |
46 |
49 |
33 |
75 |
50 |
90 |
50 |
| à 900°C |
39 |
25 |
21 |
14 |
47 |
28 |
48 |
30 |
| à 980°C |
21 |
14 |
12 |
8 |
28 |
16 |
28 |
17 |
[0061] La tenue au fluage de l'alliage d'acier selon l'invention présentant les teneurs
selon l'exemple 1 est beaucoup plus importante que celle de l'alliage dénommé Ferrynox
N29K.
[0062] Cette tenue au fluage améliorée est observée pour l'alliage de l'exemple 1 sur toutes
les températures qui ont été testées et qui sont susceptibles d'être mises en oeuvre
lors de la fabrication de pièces en titane, et que ce soit après 100h ou après 1000h
d'exposition.
[0063] L'amélioration de la tenue au fluage est due à la présence, dans la composition de
l'alliage selon l'invention, de niobium, qui entraine la formation aux joints de grains
de carbures de niobium. Les carbures de niobium permettent un blocage du fluage en
empêchant les grains de glisser les uns par rapport aux autres.
[0064] En outre, la valeur de contrainte de rupture à 1000h d'une pièce obtenue à partir
de l'alliage de l'exemple 1, à savoir 25 MPa à 900°C, est comparable aux contraintes
de rupture des alliages GX40CrNiSi25-20 et GX40NiCrSi38-19, respectivement 28 et 30MPa
à 900°C, tel qu'indiqué plus haut. Or, ces alliages GX40CrNiSi25-20 et GX40NiCrSi38-19
sont considérés comme ayant une bonne résistance au fluage à haute température.
[0065] Un autre aspect de l'alliage selon l'invention est qu'il est soudable.
[0066] Un second aspect de l'invention est une pièce fabriquée en un alliage tel que défini
ci-dessus. La pièce est notamment un outillage. L'outillage peut comprendre seulement
des portions en l'alliage selon l'invention ou être entièrement constitué de cet alliage.
[0067] Un troisième aspect de l'invention est le procédé de fabrication d'une pièce en un
alliage selon l'invention.
[0068] Tout d'abord, on élabore l'alliage en fonderie avec les compositions qui ont été
décrites ci-dessus. En d'autres termes, on mélange les différents constituants dans
les teneurs qui ont été indiquées.
[0069] Ledit alliage est ensuite coulé dans un moule de forme et de dimensions configurées
pour permettre la fabrication de la pièce souhaitée, la pièce consistant par exemple
en un outillage.
[0070] Après l'étape de refroidissement, la pièce peut être traitée thermiquement.
[0071] L'alliage est notamment utilisé pour la fabrication d'outillages mis en oeuvre ensuite
pour le formage de pièces métalliques (par exemple en alliage de titane).
[0072] Le domaine technique peut être l'aéronautique.
1. Alliage d'acier
caractérisé en ce qu'il est constitué, en pourcentage en masse, des éléments suivants :
- du carbone (C) entre 0,08% et 0,4%,
- du silicium (Si) entre 0,15% et 2%,
- du nickel (Ni) entre 24% et 31 %,
- du cobalt (Co) entre 15% et 30%,
- du niobium (Nb) entre 0,01% et 2,5%,
optionnellement du molybdène (Mo) à une teneur inférieure ou égale à 3% en masse et/ou
du manganèse (Mn) à une teneur inférieure ou égale à 1,5% en masse et/ou du chrome
(Cr) à une teneur inférieure ou égale à 1,5% en masse et/ou du phosphore (P) à une
teneur inférieure ou égale à 0,04% en masse et/ou du soufre (S) à une teneur inférieure
ou égale à 0,03% en masse et/ou du cuivre (Cu) à une teneur inférieure ou égale à
0,5% en masse,
le reste étant du Fer et des impuretés inévitables.
2. Alliage d'acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en nickel (Ni) est comprise entre au minimum 25% ou au minimum 26% et au
maximum 30% ou au maximum 30,5% en masse.
3. Alliage d'acier selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la teneur en cobalt (Co) est comprise entre au minimum 16% et au maximum 19% ou au
maximum 27% en masse.
4. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la teneur en niobium (Nb) est comprise entre au minimum 0,05% et au maximum 1,5%
ou au maximum 2% en masse.
5. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la teneur en carbone (C) est comprise entre au minimum 0,1% ou au minimum 0,12% en
masse et au maximum 0,2% ou au maximum 0,3% en masse.
6. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la teneur en silicium (Si) est comprise entre au minimum 0,2% et au maximum 1% ou
au maximum 1,5% en masse.
7. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la teneur en molybdène (Mo) est comprise entre au minimum 0,05% ou au minimum 0,5%
et au maximum 1,2% ou au maximum 1,5% en masse.
8. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la teneur en manganèse (Mn) est comprise entre au minimum 0,05% ou au minimum 0,1%
et au maximum 1% en masse.
9. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la teneur en cuivre (Cu) est inférieure ou égale à 0,4% en masse, de préférence inférieure
ou égale à 0,3% en masse.
10. Alliage d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la teneur en chrome (Cr) est inférieure ou égale à 1%, de préférence inférieure ou
égale à 0,4%, de préférence inférieure ou égale à 0,3% en masse.
11. Pièce fabriquée au moins en partie en un alliage d'acier, caractérisée en ce ledit alliage présente une composition selon l'une quelconque des revendications
1 à 10.
12. Procédé de fabrication d'une pièce selon la revendication 11
caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes :
- on élabore un alliage en fonderie qui présente une composition selon l'une quelconque
des revendications 1 à 10 ;
- on coule ledit alliage dans un moule pour obtenir ladite pièce.