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La présente invention concerne un acier pour outils d'usinage à chaud, par exemple pour l'estampage à chaud, le. moulage mécanique ou par pression de métaux et d'alliages, lequel acier présente une dureté et une résistance à l'usure élevées aux températures supérieures, une insensibilité aux variations de température et une très grande résistance aux déformations lors du traitement thermique.
L'utilisation d'acier pour outils d'usinage à chaud, par exemple d'outils pour le moulage mécanique et par pression, est déjà connue par le brevet belge n 528.296 de la demanderesse. L'acier est caractérisé en ce qu'il contient 0,2-0,5% de C, 10-15% de Cr, 6-10% de W, le cas échéant remplacé jusqu' à concurrence de 60% par une quantité correspondante de molybdène, jusqu'à 10% de Co, jusqu'à 2% de V, jusqu'à 2% de Mn et, éventuellement jusqu'à 2% de chacune des substances Ti, Ta et Nb, jusqu'à 2% de Si, jusqu'à 10% de Ni et le reste de fer avec lesimpuretés habituelles, cet acier étant soumis après son chauffage à un refroidissement rapide de 1.100 -1.200 C à une température inférieure à 500 C, avec un recuit subséquent à 500-700 C,
de préférence 550 - 600 C. Il a maintenant été constaté qu'un acier analogue peut subir avantageusement un traitement thermiaue à de température inférieures.
L'acier selon la présente invention est ainsi substantiellement caractérisé en ce qu'il contient 0,1-0,5% et, de préférence, 0,2 - 0,5% de C, 10-15% de Gr, 6-10% de W, dont jusqu'à 25% peuvent éventuellement être remplacés par du Mo, 1-15% de Co, éventuellement jusqu'à 2% de chacune des substances Si, mN, V,Ta, Nb et Ni, et le reste de fer avec les impuretés habituelles ;
cet acier étant soumis, après le
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chauffage, à un refroidissement à l'air ou avec un réfrigérant plus puissant d'une température dans la zone de 900- 1.200 C, par exemple 1.000-1.100 C et de préférence à partir de 1.050 C environ et à un traitement de recuit subséquent à une température dans la zone de 500-750 C, de manière à obtenir une dureté de 30-60 unités C Rockwell, dans la mesure où cet acier n'est pas protégé par le brevet belge n 528. 296 de la demanderesse .
Ces alliages conviennent particulièrement bien pour la fabrication d'outils d'usinage à chaud, par exemple pour l'extrusion et le moulage mécanique ou par pression de métaux et d'alliages à point de fusion et tempéature d'usinage élevés, grâce à une dureté à chaud élevée de l'acier qui possède également une insensibilité remarquable aux changements de température, une très bonne stabilité au recul:, une température de trempe relativement basse et la possibilité de donner un effet de trempe total lors du refroidissement à l'air, ce qui implique une très bonne résistance aux déformations lors du traitement thermique*
A titre d'exemple d'aciers selon la présente invention on peut mentionner les aciers 1-4 du tableau 1. Aux fins de comparaison, l'acier 5 - qui est exempt de Go- a été inclus dans ce tableau .
TABLEAU 1.-
EMI2.1
<tb>
<tb> ACIER <SEP> 1 <SEP> 0,25%C <SEP> 11,0% <SEP> Gr <SEP> 7,8% <SEP> W <SEP> 0,5% <SEP> V <SEP> 9,7% <SEP> Go <SEP> reste <SEP> Fe
<tb> 2 <SEP> 0,23 <SEP> 12,0 <SEP> 7,7 <SEP> 0,0 <SEP> 7,6 <SEP> reste <SEP> Fe
<tb> 3 <SEP> 0,29 <SEP> 12,8 <SEP> 7,9 <SEP> 0,0 <SEP> 5,0 <SEP> reste <SEP> Fe
<tb> 4 <SEP> 0,24 <SEP> 13,0 <SEP> 7,7 <SEP> 0,0 <SEP> 2,8 <SEP> reste <SEP> Fe
<tb> 5 <SEP> 0,32 <SEP> 12,0 <SEP> 7,3 <SEP> 0,5 <SEP> 0,0 <SEP> reste <SEP> Fe
<tb>
La variation de dureté avec la température de trempe pour ces différentes compositions d'acier ressort de la figu- re 1,
d'où il est possible de constater que dès un refroifis- sement à partir de 1.000 .K on obtient une dureté satisfaisante
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et que les conditions les\plus favorables sont obtenues à partir de 1.050-1.100 . Le refroidissement peut être effectué lentement à l'air ou avec un réfrigérant plus puissant. La- différence de dureté entre les différentes vitesses de refroidissement, par exemple le refroidissement à l'air et à l'huile à partir des mêmes températures de trempe, s'est avérée très insignifiante.
Grâce à la température de traitement thermique relativement basse et la possibilité de, refroidissement lent, on obtient des conditions très favorables pour l'outil, car la déformation est faible pendant le traitement thermique, ce qui est très important pour les outils de précision, et la possibilité de protéger l'outil contre l'oxydation ou autre attaque, par exemple du bain de sel pendant le chauffage, est bien plus grande qu'à des températures supérieures. En outre, le traitement thermique peut être effectué avec un équipement plus simple que pour les températures supérieures à 1.100 , qui sont en général nécessaires pour des aciers fortement alliés, destinés aux mêmes buts .
Lors du recuit, l'alliage selon l'invention conserve sa dureté à des températures de recuit très élevées, ce qui ressort de la figure 2, où le diagramme montre les variations de la courbe de dureté en fonction de la température de recuit pour un alliage ayant la composition de l'acier 1 du tableau 1 et qui, lors de la trempe, a été refroidi de 1.200 , courbe A, de 1.100 , courbe B et 1.050 , courbe C. La différence de dureté après le recuit pour différentes températures de trempe est relativement faible .
Un acier de composition selon l'invention présente après le traitement une dureté particulièrement élevée aux températures supérieures, ce qui est très important pour son utilisation comme outil d'usinage à chaud .Comme cela ressort
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du tableau ci-dessous, la dureté à chaud, mesurée tans la zone de températures au-dessus de 600 ,'est bien plus élevée pour l'acier selon l'invention que pour un acier avec une composition correspondante, mais sans cobalt.
TABLEAU 2.-
EMI4.1
<tb>
<tb> Composition <SEP> % <SEP> Dureté <SEP> à <SEP> chaud <SEP> en <SEP> HB <SEP> aux <SEP> températures <SEP> suivantes <SEP> après <SEP> 48 <SEP> h <SEP> à <SEP> la <SEP> température <SEP> d'essai
<tb> C <SEP> Cr <SEP> W <SEP> Co <SEP> 6000 <SEP> 6500 <SEP> 7500 <SEP> - <SEP>
<tb> 0,38 <SEP> 11,5 <SEP> 8,1 <SEP> - <SEP> 184 <SEP> 120 <SEP> -
<tb> 0,24 <SEP> 12,4 <SEP> 0,0 <SEP> 9,8 <SEP> 276 <SEP> 186 <SEP> 107
<tb>
Même la résistance aux variations de température s'est avérée supérieure pour lesvariantes à alliage de cobalt, ce qui a été constaté par plusieurs essais avec chauffage et refroidissement répétés* A titre d'exemple on peut mentionner qu'un échantillon d'acier avec 9,7% de Co, donc correspondant à l'acier 1 du tableau 1,
n'a présenté aucune fissure visible après traitement thermique jusqu'à une dureté de 52HR6 et
9. 500 variations de températures entre 510 C et 205 C avec intervalles de 2'55", alors que d'autres aciers testés de la même manière présentèrent une formation de fissures consi- dérable. Un autre essai comparatif entre les aciers 4 et 5 du tableau 1 montra que l'acier 4 était environ deux fois moins sensible à la formation de fissures que l'acier 5 à un inter- valle de température de 610 -215 C avec 2'55" par cycle, soit des conditions un peu plus sévères que dans le premier essai.
Des essais pratiques avec des outils fabriqués selon l'invention ont également donné d'excellents résultats. Ainsi, on peut mentionner que des matrices d'extrusion pour tubes de condensateur en laiton, fabriquées selon l'invention, ont eu '/ une durée de service double de celle des matrices fabriquées a avec un acier CrW, fortement alliéemais sans chrome. Dans un autre cas, des mandrins pour presser à chaud du laiton ont du-
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ré 4 à 5 fois plus longtemps que la meilleure matière d'outil connue jusqu'ici.
L'acier selon l'invnetion est également utilisable. pour d'autres objets soumis à des températures élevées et des efforts importants, par exemple sièges de soupapes pour moteurs à combustion et analogues .
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The present invention relates to a steel for hot machining tools, for example for hot stamping, the. mechanical or pressure casting of metals and alloys, which steel exhibits high hardness and wear resistance at higher temperatures, insensitivity to temperature variations and very high resistance to deformation during heat treatment.
The use of steel for hot machining tools, for example tools for mechanical and pressure molding, is already known from Belgian patent No. 528.296 of the applicant. Steel is characterized in that it contains 0.2-0.5% C, 10-15% Cr, 6-10% W, if necessary replaced up to 60% by a quantity corresponding molybdenum, up to 10% Co, up to 2% V, up to 2% Mn and optionally up to 2% of each of the substances Ti, Ta and Nb, up to 2% Si, up to 10% Ni and the remainder of iron with the usual impurities, this steel being subjected after heating to rapid cooling from 1,100 -1,200 C to a temperature below 500 C, with subsequent annealing at 500- 700 C,
preferably 550 - 600 C. It has now been found that a similar steel can advantageously undergo heat treatment at lower temperatures.
The steel according to the present invention is thus substantially characterized in that it contains 0.1-0.5% and, preferably, 0.2 - 0.5% of C, 10-15% of Gr, 6- 10% W, of which up to 25% can optionally be replaced by Mo, 1-15% Co, optionally up to 2% each of the substances Si, mN, V, Ta, Nb and Ni, and the iron residue with the usual impurities;
this steel being subjected, after the
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heating, cooling in air or with a more powerful refrigerant with a temperature in the region of 900-1,200 C, for example 1,000-1,100 C and preferably from about 1,050 C and a subsequent annealing treatment at a temperature in the region of 500-750 C, so as to obtain a hardness of 30-60 C Rockwell units, insofar as this steel is not protected by Belgian patent No. 528. 296 of the applicant.
These alloys are particularly suitable for the manufacture of hot machining tools, for example for extrusion and mechanical or pressure casting of metals and alloys with high melting point and high machining temperature, thanks to a high hot hardness of the steel which also has a remarkable insensitivity to temperature changes, very good resistance to recoil :, a relatively low quenching temperature and the possibility of giving a full quenching effect upon cooling in air , which implies very good resistance to deformation during heat treatment *
As an example of steels according to the present invention there may be mentioned steels 1-4 of Table 1. For the purpose of comparison, steel 5 - which is free of Go - has been included in this table.
TABLE 1.-
EMI2.1
<tb>
<tb> STEEL <SEP> 1 <SEP> 0.25% C <SEP> 11.0% <SEP> Gr <SEP> 7.8% <SEP> W <SEP> 0.5% <SEP> V < SEP> 9.7% <SEP> Go <SEP> remains <SEP> Fe
<tb> 2 <SEP> 0.23 <SEP> 12.0 <SEP> 7.7 <SEP> 0.0 <SEP> 7.6 <SEP> remains <SEP> Fe
<tb> 3 <SEP> 0.29 <SEP> 12.8 <SEP> 7.9 <SEP> 0.0 <SEP> 5.0 <SEP> remains <SEP> Fe
<tb> 4 <SEP> 0.24 <SEP> 13.0 <SEP> 7.7 <SEP> 0.0 <SEP> 2.8 <SEP> remains <SEP> Fe
<tb> 5 <SEP> 0.32 <SEP> 12.0 <SEP> 7.3 <SEP> 0.5 <SEP> 0.0 <SEP> remains <SEP> Fe
<tb>
The variation in hardness with the quenching temperature for these different steel compositions is shown in FIG. 1,
from where it is possible to note that from a cooling from 1.000 .K one obtains a satisfactory hardness
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and that the most favorable conditions are obtained from 1.050-1.100. Cooling can be done slowly in air or with a more powerful refrigerant. The difference in hardness between the different cooling rates, for example cooling in air and oil from the same quench temperatures, has been found to be very insignificant.
Due to the relatively low heat treatment temperature and the possibility of slow cooling, very favorable conditions are obtained for the tool, as the deformation is low during heat treatment, which is very important for precision tools, and the possibility of protecting the tool against oxidation or other attack, for example from the salt bath during heating, is much greater than at higher temperatures. Furthermore, the heat treatment can be carried out with simpler equipment than for temperatures above 1,100, which are generally necessary for high alloy steels, intended for the same purposes.
During annealing, the alloy according to the invention retains its hardness at very high annealing temperatures, which emerges from FIG. 2, where the diagram shows the variations of the hardness curve as a function of the annealing temperature for a alloy having the composition of steel 1 in Table 1 and which, during quenching, has been cooled by 1,200, curve A, by 1,100, curve B and 1,050, curve C. The difference in hardness after annealing for different temperatures quenching is relatively low.
A steel of the composition according to the invention exhibits, after the treatment, a particularly high hardness at higher temperatures, which is very important for its use as a hot-machining tool.
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of the table below, the hot hardness, measured in the temperature zone above 600, is much higher for the steel according to the invention than for a steel with a corresponding composition, but without cobalt.
TABLE 2.-
EMI4.1
<tb>
<tb> Composition <SEP>% <SEP> Hardness <SEP> at <SEP> hot <SEP> in <SEP> HB <SEP> at <SEP> temperatures <SEP> following <SEP> after <SEP> 48 <SEP > h <SEP> to <SEP> the <SEP> temperature <SEP> test
<tb> C <SEP> Cr <SEP> W <SEP> Co <SEP> 6000 <SEP> 6500 <SEP> 7500 <SEP> - <SEP>
<tb> 0.38 <SEP> 11.5 <SEP> 8.1 <SEP> - <SEP> 184 <SEP> 120 <SEP> -
<tb> 0.24 <SEP> 12.4 <SEP> 0.0 <SEP> 9.8 <SEP> 276 <SEP> 186 <SEP> 107
<tb>
Even the resistance to temperature variations was found to be superior for the cobalt alloy variants, which was found by several tests with repeated heating and cooling * As an example we can mention that a steel sample with 9 , 7% of Co, therefore corresponding to steel 1 of table 1,
showed no visible cracks after heat treatment up to a hardness of 52HR6 and
9. 500 temperature variations between 510 C and 205 C with intervals of 2'55 ", while other steels tested in the same way showed considerable cracking. Another comparative test between steels 4 and 5 of Table 1 showed that steel 4 was about half as sensitive to crack formation as steel 5 at a temperature range of 610 -215 C with 2'55 "per cycle, ie somewhat more severe than in the first test.
Practical tests with tools manufactured according to the invention have also given excellent results. Thus, it may be mentioned that extrusion dies for brass condenser tubes made according to the invention have had twice the service life of dies made with CrW steel, which is highly alloyed but chrome-free. In another case, mandrels for hot pressing brass had to be
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d 4 to 5 times longer than the best tool material known so far.
Steel according to invnetion is also usable. for other objects subjected to high temperatures and great stresses, for example valve seats for combustion engines and the like.