Produit sidérurgique en acier ayant une structure bainitique et procédé pour la fabrication du produit sidérurgique

Abstract

 Produit sidérurgique en acier ayant une structure bainitique, et, à 20°C, une résistance à la traction Rm ≥ 1000 MPa, un rapport limite d'élasticité sur résistance à la traction Rp0,2 / Rm ≥ 0,78 , une striction Z ≥ 55 % et une résilience Mesnager Km ≥ 45 J/cm² ; La composition chimique de l'acier comprenant, en poids : 0,06% ≤ C ≤ 0,11% ; 1% ≤ Mn ≤ 1,7% ; 0,15% ≤ Si ≤ 0,40%; 0,025% ≤ S ≤ 0,10% ; P ≤ 0,025% ; 0% ≤ Ni ≤ 0,25% ; 0,5% ≤ Cr ≤ 1,20% ; 0,08% ≤ Mo ≤ 0,13% ; 0% ≤ Cu ≤ 0,25% ; 0,003% ≤ Al ≤ 0,035% ; 0% ≤ Ti ≤ 0,035% ; 0% ≤ V ≤ 0,10% ; 0% ≤ Nb ≤ 0,06% ; 0,0008% ≤ B ≤ 0,0040% ; 0,0060% ≤ N ≤ 0,011% ; éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi Te jusqu'à 0,010%, Se jusqu'à 0,025%, Bi jusqu'à 0,13%, Pb jusqu'à 0,090%, Ca jusqu'à 0,0040% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. La composition chimique satisfaisant en outre les relations : Mn + Cr + Mo ≥ 2,1% ; 0,015% ≤ V + Nb + Ti ≤ 0,13% ; Al + Ti ≥ 0,020% ; Mn/S ≥ 12. Procédé pour la fabrication du produit sidérurgique.

Description

[0001] La présente invention est relative à un produit sidérurgique ayant des caractéristiques mécaniques élevées, une bonne tenue au choc et une bonne usinabilité, le produit sidérurgique pouvant être utilisé pour fabriquer directement par usinage des pièces mécaniques en acier ayant des caractéristiques mécaniques élevées et une bonne tenue au choc. Par « produit sidérurgique », on entend un produit en acier, obtenu par laminage à chaud d'un demi-produit tel qu'un lingot, un bloom, une billette ou une brame, ayant subi éventuellement un traitement thermique postérieurement au laminage à chaud, et se présentant, par exemple, sous forme d'une barre de section ronde ou carrée, d'un profilé, d'un fil, d'une tôle, d'un plat, ou encore sous forme d'un tube sans soudure.

[0002] De nombreuses pièces mécaniques sont fabriquées par usinage d'un produit sidérurgique laminé soumis, avant usinage, à un traitement thermique de trempe et revenu destiné à conférer à l'acier les propriétés mécaniques souhaitées. Selon cette technique, pour obtenir de très hautes caractéristiques mécaniques telle qu'une résistance à la traction supérieure à 1000 MPa, on utilise un acier faiblement allié (acier dont la somme des teneurs en éléments d'alliage, en % en poids, est inférieure à 8 %) contenant de 0,25% à 0,45% en poids de carbone, et un ou plusieurs éléments d'alliage tels que le nickel, le chrome et le molybdène. La composition chimique de l'acier est choisie pour qu'il ait une trempabilité suffisante afin que la trempe effectuée sur le produit sidérurgique conduise à une structure martensitique. Cette technique présente plusieurs inconvénients. D'une part la trempe engendre des risques de tapures qui rend délicate la fabrication du produit sidérurgique, cette fabrication étant d'autant plus délicate que les caractéristiques mécaniques recherchées sont élevées. D'autre part, la nécessité d'un revenu effectué après la trempe allonge le processus de fabrication, ce qui augmente les coûts. Enfin, la relativement forte teneur en carbone, nécessaire pour obtenir de telles caractéristiques mécaniques, rend l'usinage difficile, notamment parce que, au cours du revenu, des carbures très durs peuvent se former.

[0003] On fabrique également des pièces de mécaniques par usinage d'un produit sidérurgique laminé en acier contenant en poids de 0,35 à 0,50% de carbone, de 1,3 à 1,6% de manganèse, de 0,5 à 1,2% de silicium et de 0,08 à 0,15% de vanadium. Dans ce cas, le produit sidérurgique est refroidit lentement après laminage de façon à présenter une structure ferrito-perlitique. Cette technique a l'avantage d'être plus économique que la précédente, mais elle présente plusieurs inconvénients. Tour d'abord il est très difficile d'obtenir de très hautes caractéristiques mécaniques : la résistance Rm est limitée à 1000 MPa et le ratio limite d'élasticité sur résistance à 0,70, et beaucoup plus souvent à 0,65, ce qui réduit les possibilités d'utilisation notamment lorsque la tenue des pièces est calculée par référence à la limite d'élasticité. Par ailleurs la tenue au choc est faible, tout particulièrement lorsque la résistance avoisine 1000 MPa. De plus, la ductilité est faible puisque la striction Z n'excède pas 45% dans les meilleurs des cas. En second lieu les difficultés d'usinage sont similaires à celles de la technique précédente en raison des teneurs en carbone nécessaires pour obtenir des niveaux de résistance voisins de 1000 MPa.

[0004] On fabrique aussi des pièces de mécaniques par usinage d'un produit sidérurgique laminé en acier contenant en poids de 0,15 à 0,40% de carbone, plus de 1,9% de manganèse ou plus de 1,5% de chrome (les teneurs en ces éléments pouvant atteindre 4 %), refroidi lentement après laminage pour obtenir une structura bainitique. Cette technique présente l'inconvénient de ne pas permettre d'obtenir de façon fiable et régulière une résistance à la traction supérieure à 1000 MPa. De plus, elle conduit à la formation de bandes dures souvent ségrégées ayant une structure martensitique qui rendent l'usinage difficile.

[0005] Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un moyen pour fabriquer une pièce de mécanique en acier dont une partie au moins présente à la fois une résistance à la traction supérieure à 1000 MPa, une très bonne ductilité, une bonne aptitude à l'usinage, ces propriétés étant obtenues sans qu'il soit nécessaire d'effectuer un traitement thermique de revenu.

[0006] A cet effet, l'invention a pour objet un produit sidérurgique tel que, par exemple, une barre ronde ou carrée, un tube sans soudure, un plat ou une tôle, ayant une structure bainitique, et, à 20°C, une résistance à la traction Rm ≥ 1000 MPa, un rapport limite d'élasticité sur résistance à la traction Rp0,2 / Rm ≥ 0,78, une striction Z ≥ 55 % et une résilience Mesnager Km ≥ 45 J/cm², ledit produit sidérurgique étant constitué d'un acier dont la composition chimique comprend, en poids:





























éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi Te jusqu'à 0,010%, Se jusqu'à 0,025%, Bi jusqu'à 0,13%, Pb jusqu'à 0,090%, Ca jusqu'à 0,0040% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique satisfaisant en outre les relations :

[0007] De préférence, la dimension caractéristique du produit sidérurgique est comprise entre 10 mm et 50 mm.

[0008] L'invention concerne également un procédé de fabrication du produit sidérurgique conforme à l'invention selon lequel :

• on se procure un demi produit en acier ayant la composition chomique indiquée ci-dessus, par exemple un lingot, une brame, un bloom ou une billette,
• on chauffe le demi produit jusqu'à une température supérieure à 1000°C et on le lamine pour former un produit sidérurgique,
• directement après laminage, on refroidit le produit sidérurgique à une vitesse de refroidissement moyenne supérieure ou égale à 0,5 °C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Ms - 350°, Ms étant la température maximale de début de transformation martensitique de l'acier,
• on réchauffe le produit sidérurgique jusqu'à une température supérieure à Ac₃ et comprise de préférence entre 910 °C et 980 °C,
• et on le refroidit à une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 17 °C/s et 150 °C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Bs - 450°, puis on le laisse refroidir jusqu'à la température ambiante.

[0009] Le produit sidérurgique peut, également, être fabriqué par un procédé selon lequel :

• on se procure un demi produit en acier dont la composition chimique est indiquée ci-dessus, par exemple un lingot, une brame, un bloom ou une billette,
• on chauffe le demi produit jusqu'à une température supérieure à 1000°C et on le lamine pour former un produit sidérurgique qu'on laisse refroidir naturellement jusqu'à une température comprise entre 920 °C et 980 °C,
• et on refroidit le produit sidérurgique à une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 17 °C/s et 150 °C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Bs - 400°, Bs étant la température de début de transformation bainitique de l'acier à la vitesse de refroidissement effective, puis on le laisse refroidir jusqu'à la température ambiante.

[0010] L'invention concerne enfin, un procédé de fabrication d'une pièce de mécanique en acier dont les caractéristiques mécaniques à 20 °C sont :







selon lequel on approvisionne un produit sidérurgique selon l'invention et on effectue un usinage.

[0011] L'invention va maintenant être exposée de façon plus précise mais non limitative et illustrée par les exemples qui suivent.

[0012] Pour fabriquer de façon fiable et sans trop de difficultés d'usinage une pièce de mécanique en acier dont les caractéristiques mécaniques à 20°C sont :







on utilise un acier au quel on confère une structure bainitique et dont la composition chimique comprend, en poids :

• de 0,06 % à 0,11 % de carbone pour obtenir une structure bainitique ayant les caractéristiques mécaniques requises, et exempte de gros carbures défavorables à l'usinabilité ;
• de 0,9% à 1,7%, et de préférence plus de 1 %, de manganèse, pour obtenir une bonne coulabilité et une bonne santé interne notamment en coulée continue, pour fixer le soufre ajouté pour améliorer l'usinabilité et pour augmenter la trempabilité, le rapport Mn/S étant supérieur ou égal à 12 ;
• de 0,15% à 0,40% de silicium pour obtenir une désoxydation suffisante, notamment lorsque la teneur en aluminium est faible ;
• de 0,025% à 0,10% de soufre pour améliorer l'usinabilité ;
• moins de 0,025% de phosphore pour ne pas détériorer la résilience ;
• moins de 0,25% de nickel pour éviter la formation de martensite, cet élément est considéré comme un résiduel apporté par les matières premières au cours de l'élaboration de l'acier, sa teneur peut, éventuellement, être égale à 0% ;
• moins de 0,25 % de cuivre afin d'éviter de diminuer la tenue au choc et la ductilité, cet élément est considéré comme un résiduel apporté par les matières premières lors de l'élaboration, sa teneur peut, éventuellement, être égale à 0% ;
• de 0,5% à 1,20% de chrome pour augmenter la trempabilité sans durcir excessivement la bainite pour ne pas détériorer l'usinabilité ;
• de 0,08% à 0,13% de molybdène pour augmenter la trempabilité en synergie avec le bore, et, en particulier, augmenter le domaine d'existence de la structure bainitique ;
• de 0% à 0,035% de titane, de 0% à 0,10% de vanadium et de 0% à 0,06% de niobium, la somme des teneurs en ces trois éléments étant comprise entre 0,015% et 0,13% afin d'obtenir une structure entièrement bainitique dans toute la masse du produit sidérurgique ;
• de 0,003% à 0,035% d'aluminium, la somme Al + Ti étant supérieure à 0,02% afin d'obtenir un grain suffisamment fin pour obtenir la résilience souhaitée ;
• de 0,0008% à 0,0040% de bore pour augmenter la trempabilité et éviter la formation de ferrite ;
• de 0,0060 à 0,011% d'azote pour former des nitrures d'aluminium, de titane ou de vanadium, sans former des nitrures de bore ;
• éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi Te jusqu'à 0,010%, Se jusqu'à 0,025%, Bi jusqu'à 0,13%, Pb jusqu'à 0,090%, Ca jusqu'à 0,0040% pour améliorer l'usinabilité ;

le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.

[0013] En outre, et afin de garantir une résistance à la traction supérieure à 1000 MPa, la composition chimique doit satisfaire la relation :

[0014] Cet acier est coulé sous forme d'un demi produit tel qu'un lingot, un bloom, une billette ou une brame qui est laminé à chaud après réchauffage à une température supérieure à 1000°C et inférieure ou égale à 1250 °C pour former un produit sidérurgique tel qu'une barre de section ronde ou carrée, un profilé, un plat, un fil, un tube sans soudure ou une tôle. En fin de laminage, le produit sidérurgique est soumis à un traitement thermique pour lui conférer une structure bainitique ayant les caractéristiques mécaniques souhaitées, à savoir :







Km étant la résilience Mesnager.

[0015] La pièce de mécanique est alors usinée dans le produit sidérurgique, et il n'est pas besoin de faire un traitement thermique supplémentaire.

[0016] Le traitement thermique effectué en fin de laminage peut être réalisé, au moins, de deux façons distinctes :

• soit, en fin de laminage, on laisse le produit sidérurgique refroidir naturellement jusqu'à une température comprise entre 920 °C et 980 °C et on le refroidit à une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 17 °C/s et 150 °C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Bs - 400°, Bs étant la température de début de transformation bainitique de l'acier à la vitesse de refroidissement effective, puis on le laisse refroidir jusqu'à la température ambiante,
• soit, en fin de laminage, on refroidit le produit sidérurgique à une vitesse de refroidissement moyenne supérieure ou égale à 0,5 °C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Ms - 350°, on réchauffe alors le produit sidérurgique jusqu'à une température supérieure à Ac₃, et, de préférence, comprise entre 910 °C et 980 °C, et on le refroidit à une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 17 °C/s et 150 °C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Bs - 450°, puis on le laisse refroidir jusqu'à la température ambiante.

[0017] Le premier mode de réalisation à l'avantage de ne pas comporter de réchauffage après laminage.

[0018] Le deuxième mode de réalisation comporte un réchauffage supplémentaire mais il a l'avantage d'entraîner un affinage plus important du grain, ce qui est favorable notamment à la tenue au choc et à la ductilité.

[0019] Enfin, pour que la structure soit entièrement bainitique de façon à obtenir avec fiabilité l'ensemble des caractéristiques mécaniques, il est préférable que la dimension caractéristique du produit sidérurgique, c'est à dire la dimension qui détermine la répartition des vitesses de refroidissement dans la masse, soit comprise entre 10 mm et 50 mm. Cette dimension caractéristique est, par exemple, pour une barre ronde, le diamètre ; pour une barre de section carrée, la longueur d'un côté du carré ; pour une tôle ou un plat, l'épaisseur.

[0020] A titre de premier exemple, on a fabriqué une pièce mécanique consistant en un axe plein comportant deux parties cylindriques de diamètre 48 mm et 46 mm, à partir d'un produit sidérurgique en acier acier conforme à l'invention. Le produit sidérurgique était une barre laminée ronde et la composition chimique de l'acier comprenait, en poids :





























remplissant donc les conditions :

[0021] Pour fabriquer le produit sidérurgique, on a laminé l'acier sous forme d'une barre ronde de 49 mm de diamètre, après l'avoir réchauffé à 1180 °C. La température de fin de laminage était de 1020°C. On a laissé la barre refroidir à l'air jusqu'à 950 °C, puis on l'a refroidie jusqu'à 32 °C (soit, Bs-584°C) à la vitesse de refroidissement moyenne de 19°C/s.

[0022] La structure était entièrement bainitique et homogène sur toute la section. Les caractéristiques mécaniques déterminées sur l'axe mécanique étaient à 20°C :

[0023] Puis, pour fabriquer la pièce, on a éffectué un usinage par enlèvement de copeaux à l'aide d'un outil comportant une plaquette carbure revêtue de Ti(C,N) + Al₂O₃, jusqu'à 48 mm pour la partie principale et 46 mm pour la partie restante, n'a pas présenté de difficultés particulières.

[0024] A titre de deuxième exemple, on a fabriqué une pièce de forme généralement plate, d'épaisseur 25 mm, destinée à être fixée par boulonnage et, de ce fait, nécessitant le perçage de trous. La pièce a été fabriquée à partir d'un produit sidérurgique en un acier selon l'invention dont la composition chimique comprenait, en poids :





























remplissant donc les conditions :

[0025] L'acier a été laminé à chaud pour obtenir un plat et la température de fin de laminage était de 1010 °C, puis il a été refroidit à partir de 980 °C jusqu'à 58° C, soit Ms - 405°C, à la vitesse moyenne de refroidissement de 0,75 °C/s, avant d'être réchauffé à la température de 940 °C, soit Ac₃ + 72 °C, puis refroidit jusqu'à 28 °C, soit Bs - 601 °C, à la vitesse moyenne de refroidissement de 39 °C/s.

[0026] Les caractéristiques mécaniques obtenues à 20 °C étaient les suivantes :







et la structure était bainitique.

[0027] Le plat a été usiné sans difficultés par découpage pour mise à longueur, puis usiné, sans difficultés également, pour percer des trous de fixation de diamètre 10 mm avec un foret de diamètre 10 mm comportant des plaquettes en acier rapide allié HSCO 6-5-2-5 revêtu de TiN.

[0028] La facilité d'usinage a été évaluée en mesurant les efforts spécifiques de coupe axiaux k_a et les couples spécifiques de coupe tangentiels k_t observés avec la pièce qui vient d'être décrite, et en les comparant aux mêmes grandeurs, mesurées dans les mêmes conditions d'usinage, sur une pièce identique, mais réalisée en acier selon l'art antérieur et dont la composition chimique comprenait, en poids :

[0029] Cet acier a été laminé à chaud, puis soumis à un traitement thermique de trempe à l'huile suivi d'un revenu. Les températures d'austénitisation et de revenu ont dû être ajustées, la première à 875 °C et la seconde à 590 °C, pour obtenir la même dureté qu'avec l'acier selon l'invention, à savoir 330 HB.

[0030] En prenant comme base 100 les valeurs de k_a et k_t obtenues avec l'acier selon l'art antérieur, les valeurs obtenues avec l'acier selon l'invention ont été k_a = 90, soit un gain de 10 %, et k_t = 76, soit un gain de 24 %.

[0031] Ces résultats montrent que l'acier et le procédé selon l'invention permettent de fabriquer des produit sidérurgiques facilement usinables pouvant être utilisés pour fabriquer directement par usinage des pièces à hautes caractéristiques. Ces pièces peuvent être pleines ou creuses puisque le procédé s'applique aussi bien à la fabrication de barres pleines que de tubes. Les pièces peuvent présenter les caractéristiques mécaniques élevées en tous leurs points.

Revendications

1. Produit sidérurgique caractérisé en ce qu'il a une structure bainitique, en ce que ses caractéristiques mécaniques à 20 °C sont :







et en ce qu'il est constitué d'un acier dont la composition chimique comprend, en poids :





























éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi Te jusqu'à 0,010%, Se jusqu'à 0,025%, Bi jusqu'à 0,13%, Pb jusqu'à 0,090%, Ca jusqu'à 0,0040% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique satisfaisant en outre les relations :

2. Produit sidérurgique selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa dimension caractéristique est comprise entre 10 mm et 50 mm.

3. Procédé pour la fabrication d'un produit sidérurgique selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que :

- on se procure un demi produit en acier dont la composition chimique comprend, en poids :





























éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi Te jusqu'à 0,010%, Se jusqu'à 0,025%, Bi jusqu'à 0,13%, Pb jusqu'à 0,090%, Ca jusqu'à 0,0040% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique satisfaisant en outre les relations :

- on chauffe le demi produit jusqu'à une température supérieure à 1000°C et on le lamine pour former un produit sidérurgique,

- directement après laminage, on refroidit le produit sidérurgique à une vitesse de refroidissement moyenne supérieure ou égale à 0,5 °C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Ms - 350°, Ms étant la température maximale de début de transformation martensitique de l'acier,

- on réchauffe le produit sidérurgique jusqu'à une température supérieure à Ac₃ et comprise entre 910 °C et 980 °C,

- et on le refroidit à une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 17 °C/s et 150 °C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Bs - 450°, puis on le laisse refroidir jusqu'à la température ambiante.

4. Procédé pour la fabrication d'un produit sidérurgique selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que :

- on se procure un demi produit en acier dont la composition chimique comprend, en poids :





























éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi Te jusqu'à 0,010%, Se jusqu'à 0,025%, Bi jusqu'à 0,13%, Pb jusqu'à 0,090%, Ca jusqu'à 0,0040% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique satisfaisant en outre les relations :

- on chauffe le demi produit jusqu'à une température supérieure à 1000°C et on le lamine pour former un produit sidérurgique qu'on laisse refroidir naturellement jusqu'à une température comprise entre 920 °C et 980 °C,

- et on refroidit le produit sidérurgique à une vitesse de refroidissement moyenne comprise entre 17 °C/s et 150 °C/s jusqu'à une température inférieure ou égale à Bs - 400°, Bs étant la température de début de transformation bainitique de l'acier à la vitesse de refroidissement effective, puis on le laisse refroidir jusqu'à la température ambiante.

5. Procédé de fabrication d'une pièce de mécanique en acier dont les caractéristiques mécaniques à 20 °C sont :







caractérisé en ce qu'on se procure un produit sidérurgique selon la revendication 1 et en ce qu'on effectue un usinage.