CA1140781A

CA1140781A - Acier de decolletage a haute resistance, capable de supporter les sollicitations dynamiques

Info

Publication number: CA1140781A
Application number: CA000331680A
Authority: CA
Inventors: Henrik Giflo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-07-12
Filing date: 1979-07-12
Publication date: 1983-02-08

Abstract

Acier de décolletage à haute résistance, capable de supporter les sollicitations dynamiques. Cet acier comprend en plus du fer 0,10 à 0,70% en poids de C, 1,20 à 3,00% en poids de Mn, au maximum 1,00% en poids de Si, au maximum 0,10% en poids de P, 0,05 à 0,15% en poids de S, au minimum 0,10% en poids de Pb, 0,001 à 0,03% en poids de Ca, 0,001 à 0,005% en poids de B, 0,007 à 0,035% en poids de N, 0,03 à 0,20% en poids de Nb, et/ou de V, au maximum 0,25% en poids de Zr et/ou de Ce, au maximum 0,2% en poids de Be et/ou de Bi, et au maximum 1,00% en poids de Mo et/ou de Ni. L'acier selon l'invention est capable de supporter des sollicitations dynamiques et présente une haute résistance même sans trempe ainsi qu'une excellente aptitude à l'usinage par enlèvement de matière.

Description

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La presente invention concerne un acier de decolle-tage,capable de supporter les sollicitations dynami~ues et pre-sentant une haute resistance, même sans trempe, ainsi qu'une excellente aptitude a l'usinage par enlevement de matiere, qui est destine a la fabrication, sur des machines au-tomatlques travaillant par enlevement de copeaux, d'elements de machine a haute résistance et destines a être fortement sollicites.
En technique de transformation, les machines auto-matiques travaillant par enlevement de matiere et les chaînes constituees par ces machines sont des moyens modernes et effi-caces qui permettent de réduire les operations et les frais, en particulier pour la fabrication en grande série. Mais l'utili-sation de ces machines automatiques travaillant par enlevement de matière n'est rentable pour l'usinage des aciers que lors lorsqu'il n'est pas necessaire d'exercer une surveillance con-tinue et que les copeaux decoupes peuvent être enleves de la piece ou de la machine sans intervention manuelle. Les mate-riaux utilises pour la fa~rication de produits par enlevement de copeaux doivent donc satisfaire a une importante exigence, c'est-a-dire presenter une bonne aptitude a l'usinage par en-levement de matière et donner des copeaux d'une forme appro-priee pour les machines automatiques ou decolleteuses.
L'aptitude a l'usinage par enlevement de matiere est une propriete physique des materiaux, au même titre que la resistance mécanique ou la densite, et est donc caracteris-tique de chaque materiau; elle resulte de proprietes physiques complexes, telles que:
- l'aptitude du materiau a l'enlevement de copeaux, - une propriete du materiau garantissant une bonne qualite des surfaces travaillees par enlevemen-t de copeaux, - l'effet d'abrasion que le ma-tériau exerce sur l'outil.

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L'aptitude à llusinage par enlevement de matiere résume par consequent, en fonction des objectifs de la fabri-cation, les paramètres caracteristiques suivants:
- la force ou resistance de coupe, - la forme des copeaux, - la qualite de la surface trava.illee par enlevement de copeaux, - la durée de coupe de l'ou-til coupant, ou les parametres correspondant à ces notions combinees.
Il est generalement admis que les materiaux presen-tant une aptitude optimale à l'usinage par enleveme~t de matiè-re sont ceux dont une quantite maximale peut être découpee, dans un temps minimum, par enlèvement de copeaux, entre deux affûtages de l'outil, et ceci avec une qualite de surface ap-propriee. On obtient ainsi le rendement en copeaux, conforme-ment aux processus intervenant pendant l'enlèvement de copeaux, a partir de deux Eacteurs differents l'un de llautre:
- les proprietes du materiau, e-t - les conditions caracteristiques de l'enlevement de copeaux.
En relation avec ce qui vient d'etre di.t, on a mis au point des aciers appeles de decolletage, a alliage special, et dont seule l'aptitude a l'usinage par enlevement de matiere a ete prise en consideration.
L'exigence la plus importante a laquelle doivent satisfaire les aciers de decolletage est que leur usinage par enlevement de matiere doi.t donner des copeaux d'une taille ap-propriee et pouvant être automatiquement enleves de la machine par le liquide de refroidissement, sans intervention exterieu-re. Pour garantir aux copeaux de bonne caracteristiques de ~ragmentation, il a fallu utiliser, pour l'elaboration de l'acier de decol.letage, des elements allies qui ne se mettent pas en solution dans le fer, ou bien seulement en :Eaible quan-Q~
tité, ce qui permet de bien bénéficier, pendant la fragmen-tat on des copeaux, de leur action favorable à la formation des inclu-sions, et ce qui réduit le frottement entre les surfaces métal-liques.
Etant donné que les elements allies brise-copeaux et lubrificateurs de surfaces constituent en fait des impure-tes de l'acier, ils déterminent dans une certaine mesure les paramètres des propriétés mécaniques des aciers de décolletage, et notamment la résistance de ceux-ci aux sollicitations dyna-miques, mais meme aussi parfois leur résistance mécanique.
L'amélioration de ]'aptitude à l'usinage par enlè-vement de matière a donc entrainé une diminution ou limita-tion sensible des proprietés utiles des aciers. C'est pourquoi l'on ne peut pas utiliser ces machines economiques que sont les automates travaillant par enlèvement de matière pour la produc-tion d'elements de machine qui sont des-tines à subir des solli-citations e~cédant les aptitudes des aciers de decolletage con-nus. Ces aciers ne sont donc plus en mesure de répondre aux exigences actuelles relatives à l'aptitude à l'usinage par en-lèvement de matière et aux sollicitations et ils ne peuvent ~ ;
plus être usinés sur des machines automatiques rentables.
Cependant une bonne aptitude à l'usinage par enle-vement de matière et avec des copeaux d'une bonne forme cons-titue pour un acier capable de supporter de grandes sollicita-tions, même sans trempe, un avantage économique tel, non seule-ment pour les machines automatiques mais aussi pour -tout mode d'usinage par enlèvement de copeaux, que le temps et l'ar~ent consacres à la production du produit final ne representent, dans des conditions favorables, qu'une fraction des depenses actuelles en temps et en argent.
Il est donc devenu indispensable d'élaborer un nou-7~
vel acier de décolletage dont la résistance mécanique, obtenue sans trempe, satisfasse aux besoins précédemment mentionnés des éléments de machine, dont la résistance aux sollicitations dy-namiques soit suffisante et corresponde aux exigences actuelles, et qui présente une bonne aptitude a l'usinage par enlevement de matière, avec des copeaux d'une forme appropriée pour les ma- -chines automatiques.
On peut diviser en trois groupes les aciers de dé-colletage actuellement connus qui présentent une bonne aptitude à l'usinage par enlèvement de matière : les aciers du premier groupe ne peuvent pas être sousmis à un traitement thermique, ceux du second groupe peuvent subir une trempe pendant leur utilisation, et enfin ceux du troisieme groupe sont en mesure de subir un traitement de trempe ou de trempe suivie de revenu.
A titre d'exemple, on peut mentionner les aciers suivants, qui appartiennent aux trois groupes:
Etats-Unis: MK 1213 Ledley, Multikut;
Allemagne Federale: 9 SMnPb 36, 10 SPb 20 et 60 S 20;
Italie: 10 S 22, 40 SMnPb 10;
Hongrie: AS 5, ABS 2, ANS 3.
Ces aciers contiennent généralement 0,07 à 0,65%
(en poids) de C, au maximum 0,40% (en poids) de Si, 0,30 à
1,10% (en poids) de Mn, 0,15 à 0,40% (en poids) de S, au maxi-mum 0~10O/o (en poids) de P; en outre, quelques nuances contien-nent, de plus, au minimum 0,15% (en poids) de Pb, 0,80 à 1,50%
(en poids) de Cr, 0,15 à 0,50% (en poids) de Mo et 0,05% (en poids) de Se.
Les propriétes mécaniques de ces aciers varient en fonction des groupes de traitement thermique appliques.
Les paramètres des aciers n'ayant pas subi de traitement ther-mique ont servi de base de comparaison. La résistance a la )7~
traction de ces aciers est sans déformation à froid comprise entre 290 et 900 N/mm et à l'état étire à froid elle est com-prise entre 370 e-t llO0 N/mm (da ~/mm ), valeurs auxquelles correspondent une limite ~'élas-ticité apparente comprise entre

2~ et 66 (da N/mm ) et un allongement compris entre 5 et 10%.
Ces aciers présentent l'inconvénien-t d'avoir une résistance aux sollicitations dynamiques ou une tendance à la fragilité qui ne sont pas satisfaisantes, par suite de la na-ture et de la quantité des matières d'addition destinées à
améliorer l'aptitude à l'usinage par enlèvement de matière, ce qui limite à l'extrème leur utilisation. Les difEérents élé-ments alliés que l'on ajoute pour améliorer l'aptitude à l'u-sinage par enlèvement de matière provoquant une si forte ré-duction de quelques-unes des propriétés utiles de ces aciers de décolletage connus que leur utilisation en tant qu'aciers de construction mécanique s'en trouve considérablement llmitée en fonction des sollicitations que doivent subir les éléments de machine en exploitation.
Un groupe des aciers de décolletage actuellement connus présente donc une résistance mécanique relativement bonne, que l'on peut régler aux valeurs souhaitées par un trai-tement de trempe ou de revenu, mais la plasticité de ces aciers et leur résistance aux sollicitations dynamiques ne satisfont plus aux exigences actuelles.
La présente invention a pour objet de mettre au point un tel acier de décolletage à haute résistance, présen-tant une excellente aptitude à l'usinage par enlèvement de ma-tière et destiné a la fabrication d'éléments de machine soumis à de grandes sollicitations, acier qui non seulement presente, sans trempe, une haute résistance aux sollicitations dynamiques, mais qui puisse, de plus, être usiné avec une formation de co-r~ ~
peaux appropriés pour les machines au-tomatiques.
La présente invention permet d'atteindre cet ob-jectif par le fait que l'acier élaboré selon la présente in-vention contient, outre le Eer, 0,10 à 0,70% (en poids) de C, 1,20 a 3,00% (en poids) de Mn, au maximum 1,00% (en poids) de Si, au maximum 0,10% (en poids)de P, 0,05 à 0,15% ~en poids) de S, au minimum 0,10% (en poids) de Pb, 0,001 a 0,03~ (en poids) de Ca, 0,001 à 0,005% (en poids) de B, 0,007 a 0,035% (en poids) de N, 0,01 a 0,20% (en poids) de Nb et/ou de V, au maxi-mum 0,25% (en poids) de Zr et/ou de Ce, au maximum 0,20% (en poids) de Be et/ou de Bi et au maximum 1,00% (en poids de Mo et/ou de Ni.
Une composition plus particulierement preferee se-lon l'invention comprend en plus du fer e-t des elements resi- -duels habituels les elements dans les proportions suivantes:
C 0,10 - 0,70% V 0,01 - 0,15 %
Mn 1,20 - 2 % Zr 0,005 - 0,15%
Si 0,1 - 1 % Mo 0,01 - 0,5 %
P 0,0 - 0,10% B 0,001 - 0,005%
S 0,05 - 0,15% Bi 0,001 - 0,005%
Pb 0,1 - 0,4 % Ca 0,001 - 0,01 ~
Nb 0,01 - 0,15% N 0,007 - 0,035%
Quelques-uns des elements allies assurent a l'acier, lorsqu'ils sont dans le rapport selon la présente invention, et sans trempe, une résistance mecanique suffisante, tout en lui conservant la plasticite nécessaire; d'autres éléments allies assurent aux copeaux une aptitude appropriee a la fragmentation, sans entralner une réduction de la résistance de l'acier aux sollicitations dynamiques, et ledit acier selon la présente in-vention contient aussi des éléments alliés qui contribuent al'augmentation du pouvoir lubrifiant des surfaces metalliques ~078~
en contact les unes avec les autres, et, de ce fait, à llex-cellente aptitude de cet acier a l'usinage par enlevement de matiere.
En rai.son de sa composition chimique, l'acier selon la présente invention présente une rési.stance mécanique rela-ti-vement élevée, même a l'état laminé, de sorte qu'un seul train de calibrage suffit pour réaliser la section nécessaire a l'en-levement automatique des copeaux et que l'on peut supprimer la réduction de section qui devalt être effectuée jusqu'à présent en vue d'assurer a l'acier de décolletage une résistance méca-nique appropriée e-t qui demandait beaucoup de travail.
En dépit ~e sa haute résistance, l'acicr selon la présente invention présente une excellente aptitude ~ l'usina- -ge par enlevement de matiere, et le rapport des éléments alliés selon la presente invention permet - avec des parametres conve-nables pour l'enlevement de matière - d'obtenir des copeaux suffisamment petits, même sans brise-copeaux, ainsi qu'une bon-ne lubrification et une tres bonne qualité de surface, ce qui permet d'augmenter sensiblement les parametres d'enlevement de matiere utilisés.
L'acier selon la presente invention peut être trem- ~ -pé ou traité par trempe suivie de revenu, a la fois par un trai-tement thermique normal et par un traitement par induction, la dureté de surface pouvant donc, en cas de besoin, être etablie et reglée de maniere simple et sur une large gamme.
L'acier selon la presente invention unit la haute résistance aux sollicitations dynamiques des aciers de cons-truction mécanique, non alliés ou faiblement alliés, ~ l'excel-lente aptitude à l'usinage par enlevement de matiere que pre-sentent les aciers de decolletage, et ceci outre une resistancemécanique obkenue sans -trempe et qui satisfont aux besoins de la plupart des élements de machine modernes.
La presente invent.ion et les prop.rietes de l'acier ainsi élaboré seront mieux comprises à l'aide de la description detaillee de plusieurs modes de realisation pris comme exemples non limitatifs.

. . .
A titre d'exemple, trois charges constituees par de l'acier selon la presente invention sont ici presen-tées. Les charges 1 et 3 ont ete elaborees dans un four à arc de 70 t et coulees dans des coquilles de 6,4 t à profil carre. Les lingots ont ete realisés par lamlnaye sans nettoyage de surface, dans des conditions normales, sous forme de lingots carres ayant une longueur d'arête de 210 mm, puis ensuite transformes~par lami-nage en ronds d'acier d'un diamètre de 16 mm, que l'on a re-froidis à l'air sur des refroidisseurs.
. La charge 2 a ete réalisée par fusion dans un four à
arc de 60 t, puis affine dans une installation métallurgique équipée de poches. Le métal fondu a eté coule dans une ins-~al-lation de coulée continue à quatre filières, de profil carre, la longueur d'arête des billettes etant de 240 ~n.
Les billettes ont ete transformees, par laminage, en ronds d'acier d'un diamètre de 20 mm, que l'on a ensuite re-froidis à l'air sur des refroidisseurs. Les résultats des es-sais ef~ectues figurent sur les tableaux suivants:
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_ 3. Aptitude_à l'usinage par enlèvement de matière.
Les contrôles de l'aptitude à l'usinage par enlève-ment de matière ont ete realises à l'aide de mesures de l'usure cratère, dont on a determine la valeur critique à K crit. =
0,05 mm. Le contrôle a ete effectue, pendant le tournage eY~-térieur, à l'aide d'un outll à arête unique, à l'aide de plaques coupantes en acier rapide et en alliage dur, à serrage mécani-que. L'enlevement des copeaux a ete effectué et contrôle sur les éprouvettes de la charge 1 de l'acier selon la presente in-invention, qui avaient prealablement subi un traitement de de-tensionnement à 400~C, et sur les eprouvettes, traitees par trempe et revenu, d'un acier servant de base de comparaison. La composition chimique de cet acier servant de base de comparai-son figure sur le tableau 3, et ses proprietes mecaniques sur le tableau 4.

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7~
Le resultat du contrale de l'apti-tude à l'usinage par enlevement de matière, effectué à l'aide de l'outil en acier .rapide, est resumé sur le tableau 5.
TABI.EAU 5 _ Parametres Durees de coupe jusqu'~
d'enlevement usure cratère de matière crit 0,05 mm/mn Désignation Parametre Charge 1 Acier servant de base de comparai-_ son Vitesse de l'enlèvement 240-300 18-22 des copeaux m/mn 70 Avance mm 0,12 Profondeur de coupe mm/U 2,5 .
Forme des copeaux appropriée pour copeaux les machines auto- ecoulants ~ matiques 1/
1/ copeaux non continus et n'adherant pas les uns aux autres, finement fragmentés, et pouvant etre evacués par le liquide de refroidissement . ~
Le resultat du controle de l'aptitude à l'usinage par enlèvement ae matière, effectue a l'aide de l'outil en alliage dur, est resumé sur la tableau 6.

Parametre Durées de coupe jusqu'a d enlevement usure cratere de mat'~ere ~
KCrit ~ 0,05 mm/mn Designation Parametre Charge 1 Acier servant de base de comparai-_ _ son Vitesse de l'enlèvement 360-480 28-40 des copeaux m/mn 200 Avance mm 0,10 Profondeur de coupe mm/U 1,5 Forme des copeaux appropriee pour copeaux les machines auto- ecoulants matiques ... .. . _ _

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Acier de décolletage capable de supporter les sollicitations dynamiques et présentant une haute résistance, même sans trempe, ainsi qu'une excellente aptitude à l'usinage par enlèvement de matière, qui est destiné à la fabrication d'éléments de machine soumis à de grande sollicitations, ca-ractérisé par le fait qu'il contient, outre le fer, 0,10 à
0,70% (en poids) de C, 1,20 à 3,00% (en poids) de Mn, 0,1 à
1,00% (en poids) de Si, au maximum 0,10% (en poids) de P, 0,05 à 0,15% (en poids) de S, au minimum 0,10% (en poids) de Pb, 0,001 à 0,03% (en poids) de Ca, 0,001 à 0,005% (en poids) de B, 0,007 à 0,035% (en poids) de N, 0,01 à 0,20% (en poids) de Nb ou de V ou d'un mélange de Nb et de V,0,005 à 0,25% (en poids) de Zr ou de Ce ou d'un mélange de Zr et de Ce, au maximum 0,20%
(en poids) de Be ou de Bi ou d'un mélange de Be et de Bi, et au mamimum 1,00% (en poids) de Mo ou de Ni ou d'un mélange de Mo et de Ni.

2. Acier de décolletage selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient en plus du fer et des éléments résiduels habituels les éléments dans les pro-portions suivantes:

3. Acier de décolletage selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient en plus du fer et des éléments résiduels habituels les éléments dans les proportions suivantes:

4. Acier de décolletage selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient en plus du fer et des éléments résiduels habituels les éléments dans les proportions suivantes:

5. Acier de décolletage selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient en plus du fer et des éléments résiduels habituels les éléments dans les propor-tions suivantes: