La présente invention concerne un acier inoxydable à haute usinabilité,
resulfuré, et présentant une résistance à la corrosion améliorée, utilisé notamment
dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse de coupe et le domaine du
décolletage.
Il est connu du brevet européen N° 403 332 un acier resulfuré à usinabilité
améliorée. Ce document décrit un procédé dans lequel il est proposé, pour
améliorer l'usinabilité, d'introduire dans un acier ayant la composition générale
suivante : carbone inférieur à 0,15%, silicium inférieur à 2%, manganèse inférieur à
2%, molybdène inférieur à 3%, nickel compris entre 7% et 12%, chrome compris
entre 15 et 25%, une quantité de soufre dans une proportion comprise entre 0,1 et
0,4%, associée à du calcium et de l'oxygène dans des teneurs respectivement
supérieures à 30.10-4% et 70. 10-4%, les teneurs en calcium et oxygène
satisfaisant à la relation Ca/O comprise entre 0,2 et 0,6.
Dans ce document, le but recherché est la formation, avec le manganèse et
dans une plus faible proportion, avec le chrome, d'un sulfure de manganèse et de
chrome ( Mn, Cr ) S qui génère sous la forme d'inclusions spécifiques une
lubrification solide de l'outil de coupe pendant les opérations d'usinage.
Il est également enseigné que le soufre a un effet défavorable sur la
résistance à la corrosion. Malgré cela, une orientation choisie est l'introduction,
dans un acier resulfuré, contenant des inclusions de sulfure de manganèse,
d'inclusions d'oxydes de silicoaluminate de chaux. Ces oxydes, le plus souvent
associées aux inclusions de sulfure de manganèse, ne détériorent pas la
résistance à la corrosion.
Un tel acier a de bonnes propriétés en usinabilité dans le domaine des
vitesses de coupe conventionnelle, c'est-à-dire inférieures à 500 m/mn en
tournage. L'acier comporte des inclusions associées composées d'oxydes de type
silicoaluminate de chaux avec des inclusions de sulfures de manganèse. Ces
inclusions sont plus grandes et plus déformables que les inclusions de sulfure
seules.
L'effet de la lubrification dite solide de l'outil de coupe s'en trouve amélioré.
L'acier décrit dans le document cité comporte cependant l'inconvénient attaché aux
aciers resulfurés, c'est-à-dire une faible tenue à la corrosion notamment par piqûre.
Il est connu du brevet FR 95 04 140, un acier à usinabilité améliorée pouvant
être utilisé, d'une part dans le domaine de l'usinage à très grande vitesse, avec des
vitesses de coupe en tournage pouvant dépasser 700 m/mn, et, d'autre part dans
le domaine du décolletage avec des productivités supérieures à 30% à celles
obtenues avec un acier inoxydable austénitique resulfuré ordinaire.
L'acier inoxydable resulfuré à usinabilité améliorée utilisable notamment
dans le domaine de l'usinage à grande vitesse de coupe et le domaine du
décolletage, se caractérise en la composition pondérale suivante: carbone inférieur
à 0,1% ; silicium inférieur à 2% ; manganèse inférieur à 2% ; nickel de 7 à 12% ;
chrome, de 15 à 25% ; soufre, de 0,10 à 0,55% ; cuivre, de 1 à 5% ; calcium
supérieur à 35.10-4% ; oxygène supérieur à 70.10-4%, le rapport de la teneur en
calcium sur la teneur en oxygène étant compris entre 0,2 et 0,6.
Bien que les caractéristiques dans le domaine de l'usinabilité soient
améliorées par la présence d'une forte teneur en cuivre, les propriétés de tenue à
la corrosion restent médiocres dans cet acier resulfuré.
Il est enseigné que les sulfures de manganèse sont très peu substitués en
chrome du fait d'une teneur en manganèse adaptée à la teneur en soufre, et que
leur malléabilité, et donc, leur efficacité lors de la coupe, s'en trouve améliorée.
La présente invention a pour but de présenter un acier contenant du soufre,
pour améliorer l'usinabilité, et comportant des inclusions spécifiques apportant une
amélioration importante dans le domaine de la résistance à la corrosion,
notamment en corrosion par piqûres.
L'acier de l'invention permet de concilier le niveau d'usinabilité des aciers
resulfurés tout en ayant une résistance à la corrosion semblable à celle des aciers
à faible teneur en soufre.
L'objet de l'invention est un acier inoxydable à haute usinabilité, resulfuré, et
présentant une résistance à la corrosion améliorée caractérisé en ce qu'il comporte
de manière associée, dans sa composition, des inclusions de silicoaluminate de
chaux de type anorthite et ou pseudo-wollastonite, et ou géhlénite associées à des
inclusions d'un composé CrMnS dont la teneur en chrome est comprise entre 30%
et 70%.
Dans un exemple d'application de l'invention,
- l'acier est un acier inoxydable austénitique à haute usinabilité, resulfuré, et
comportant une résistance à la corrosion améliorée, caractérisé en sa composition
pondérale suivante :
- 0,01 % ≤ carbone ≤ 0,1 %;
- 0,01 % ≤ silicium ≤ 2,0% ;
- 0,01% ≤ manganèse ≤ 0,5% ;
- 10% ≤ chrome ≤ 25% ;
- 7% ≤ nickel ≤ 12% ;
- 0,15% ≤ soufre ≤ 0,45% ;
- 0,01% ≤ molybdène ≤ 3,00% ;
- 0,5% ≤ cuivre ≤ 3,5% ;
- 0,01 % ≤ azote ≤ 0,1% ;
- 0,0020% ≤ aluminium ≤ 0,0100%;
- 0,0005% ≤ phosphore ≤ 0,050%;
- 30 10-4% ≤ calcium ≤ 200 10-4%;
- 70 10-4% ≤ oxygène ≤ 300 10-4%;
- 0,20 ≤ calcium/oxygène ≤ 0,60, le reste étant du fer et des éléments
résiduels inhérents à l'élaboration, l'acier contenant notamment des inclusions de
silicoaluminate de chaux de type anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou
géhlénite associées à des inclusions de CrMnS dont la teneur en chrome est
comprise entre 30% et 70%.
- la composition pondérale comprend, en outre, moins de 30 10-4% de bore.
- La composition pondérale comprend, en outre, de 0,01% à 0,3% de vanadium.
La description qui suit et les figures annexées, le tout donné à titre
d'exemple non limitatif, fera bien comprendre l'invention.
La figure 1 présente un diagramme Fe-Cr-S sur lequel est représenté le
domaine préférentiel de l'invention.
La figure 2 présente un diagramme Ca-Si-AI sur lequel est représenté le
domaine préférentiel des inclusions de silicoaluminates de chaux de l'invention.
Les figures 3a, 3b, 3c et 4 présentent respectivement les courbes
caractéristiques en corrosion par piqûre et en corrosion caverneuse pour l'acier C
selon l'invention en comparaison avec les aciers A et B de référence.
Les pièces réalisées à partir des produits longs d'acier inoxydables
austénitiques, le sont, le plus souvent par usinage. Or, ces aciers ont l'inconvénient
d'avoir une faible conductivité thermique, d'où une mauvaise évacuation de la
chaleur à la pointe de l'outil, et une forte écrouissabilité introduisant localement des
zones de dureté élevée avec pour conséquence une détérioration rapide de l'outil
de coupe lors de leur usinage.
La solution la plus connue et utilisée pour résoudre ce problème est
d'introduire une quantité importante de soufre dans leur composition.
Le soufre forme avec le manganèse présent dans l'acier des sulfures de
manganèse contenant une faible teneur en chrome, de l'ordre de 0% à 20% en
composition, qui ont un effet favorable sur la fragmentation des copeaux et qui
augmentent la durée de vie des outils de coupe.
Cependant, le soufre et les sulfures de manganèse sous cette forme
dégradent la résistance à la corrosion. En outre, les aciers resulfurés, en général,
contiennent des inclusions dures de type chromite (Cr, Mn, Al, Ti)O, alumine
(AlMg)O, silicate (SiMn)O, qui sont abrasives pour les outils de coupe.
Le choix des aciers est dicté par le domaine d'utilisation des pièces qui
seront réalisées à partir de ceux-ci.
Ainsi, dans le cas d'une utilisation en milieux corrosifs, les aciers utilisés
seront des aciers bas soufre, c'est-à-dire des aciers contenant dans leur
composition moins de 0,035% de soufre, dont l'usinabilité pourra être améliorée
d'une façon limitée d'environ 20% par le remplacement des inclusions dures, par
exemple de type chromites, par des oxydes malléables de type aluminosilicates de
chaux. Le niveau d'usinabilité restera de toute façon très en dessous de celui d'une
nuance resulfurée d'environ moins 25%.
Dans le cas où le milieu est peu corrosif, l'utilisation d'aciers resulfurées
permet, grâce à l'adjonction d'une grande quantité de soufre comprise entre 0,15%
à 0,45%, d'obtenir un très grand nombre de sulfures de manganèse contenant une
faible teneur en chrome, c'est-à-dire moins de 20% environ, qui sont introduits pour
faciliter le fractionnement du copeau et augmenter la durée de vie des outils de
coupe, permettant de ce fait, des gains de productivité importants lors de la
réalisation des pièces. La tenue à la corrosion médiocre de ces aciers est liée à la
mauvaise résistance à la corrosion, notamment par piqûres, de ces sulfures de
manganèse très peu substitués en chrome. Là encore, le remplacement des
inclusions dures par des oxydes malléables permet une amélioration de l'usinabilité
des aciers mais sans modifier en aucune façon la tenue à la corrosion qui reste
médiocre, en comparaison avec des aciers ne contenant pas de soufre.
L'acier selon l'invention concerne un acier inoxydable à haute usinabilité,
resulfuré, ayant une résistance à la corrosion améliorée caractérisé en ce qu'il
comporte dans sa composition des inclusions de silicoaluminate de chaux de type
anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou géhlénite associées à des inclusions du
composé CrMnS dont la teneur en chrome est comprise entre 30% et 70%.
Le composé, contenant des sulfures de chrome en tant qu'inclusions
complémentaires aux inclusions de silicoaluminate de chaux et assurant une
résistance à la corrosion, est réalisé en baissant le plus possible la teneur en
manganèse dans la composition de l'acier lors de son élaboration. La teneur en
manganèse est choisie inférieure ou égale à 0,5%.
La solution consiste à obtenir lors de l'élaboration, des sulfures très riches en
chrome, la teneur en chrome étant comprise entre 30% et 70% en composition
pondérale. Grâce à ces derniers, les inventeurs ont constaté qu'un acier resulfuré
comportant de 0,15% à 0,45% de soufre présente une tenue à la corrosion
généralisée, caverneuse, par piqûres ou au brouillard salin qui est semblable à celle
d'un acier non resulfurée c'est-à-dire contenant moins de 0,035% de soufre. En
outre, l'action conjointe de ces sulfures à majorité de chrome et des oxydes
malléables qui sont des silico-aluminates de chaux de type anorthite et/ou pseudo-wollastonite
et/ou géhlénite, permet de conserver un niveau d'usinabilité du point de
vue fractionnement du copeau, conditions de coupe et durée de vie des outils,
semblable à celui des aciers resulfurés classiques dont les sulfures sont des
sulfures de manganèse contenant une faible teneur en chrome c'est-à-dire de 0 à
20% de chrome environ en composition pondérale.
Si le rôle des inclusions de silicoaluminate de chaux est celui de lubrifiant
solide vis-à-vis de l'usinabilité, ces inclusions présentent également, grâce à leur
déformabilité, une bonne cohésion avec le matériau lors de sa transformation. On
éradique ainsi les sites de décohésion matrice/inclusion qui jouent le rôle
d'amorçage de corrosion et qui existent avec les oxydes classiques dures de type
chromite (Cr, Mn, Al, Ti)O, alumine (AlMg)O, silicate (SiMn)O.
L'introduction, dans un acier, des inclusions, selon l'invention, pour
l'obtention de composé sulfuré très riche en chrome associées aux oxydes à bas
point de fusion du type silicoaluminate de chaux permet d'atteindre des niveaux
d'usinabilité supérieurs à ceux obtenus avec la présence seule de sulfure enrichi au
chrome, tout en assurant une très bonne résistance à la corrosion..
L'invention est particulièrement orientée dans le domaine des aciers
inoxydables austénitiques. Dans un exemple d'application, selon l'invention, il est
présenté un acier inoxydable austénitique à haute usinabilité, resulfuré, comportant
une résistance à la corrosion améliorée et dont la composition pondérale est la
suivante :
0,01% ≤ carbone ≤ 0,1% ; 0,01% ≤ silicium ≤ 2,0%; 0,01% ≤ manganèse ≤ 0,5%; 10% ≤ chrome ≤ 25%; 7% ≤ nickel ≤ 12%; 0,15% ≤ soufre ≤ 0,45%; 0,01% ≤ molybdène ≤ 3,00%; 0,5% ≤ cuivre ≤ 3,5% ; 0,01% ≤ azote ≤ 0,1%; 0,0020% ≤ aluminium ≤ 0,0100% ; 0,0005% ≤ phosphore ≤ 0,050% ; 30 10-4% ≤ calcium ≤ 200 10-4% ; 70 10-4% ≤ oxygène ≤ 300 10-4% ; 0,20 ≤ calcium/oxygène ≤ 0,60, le reste étant du fer et des éléments
résiduels inhérents à l'élaboration, l'acier contenant notamment des inclusions de
silicoaluminate de chaux de type anorthite et ou pseudo-wollastonite, et ou
géhlénite associées à des inclusions de CrMnS dont la teneur en chrome est
comprise entre 30% et 70%.
Dans la composition des aciers selon l'invention comme présenté sur le
tableau 1, l'aluminium est présent en élément additionnel pour obtenir des silico-aluminates
de chaux de type anorthite et/ou pseudo-wollastonite et/ou géhlénite en
quantité puisqu'ils sont déformables et résistants à la corrosion.
Le cuivre limite les efforts nécessaires à la formation du copeau. Du fait de
cette propriété, la température à la pointe de l'outil reste à un niveau supportable
pour celui-ci. Le cuivre diminue l'écrouissabilité. Cette faible écrouissabilité conduit
à l'obtention de barres étirées moins dures, en particulier en surface. Du fait de ces
caractéristiques, le cuivre participe à l'amélioration des performances de l'acier
selon l'invention.
L'acier selon l'invention peut contenir, en outre, dans sa composition
pondérale, moins de 30 10-4% de bore et de 0,01% à 0,3% de vanadium.
L'acier resulfuré de l'exemple d'application, utilisable préférentiellement dans
le domaine du décolletage mais également dans celui de l'usinage dit à grandes
vitesses de coupe, du fait de la présence d'un grand nombre d'inclusions
malléables de sulfure riches en chrome et d'oxyde associés ou non associés, et
également du fait de la présence d'une teneur en cuivre selon l'invention, assure
d'une part, des usinages à des vitesses de coupe exceptionnelles et une tenue à la
corrosion notamment par piqûre également exceptionnelle.
Des coulées industrielles ont été réalisées confirmant l'intérêt, vis-à-vis des
propriétés visées, des sulfures très riches en chrome. Nous avons pu caractériser
une tenue à la corrosion équivalente à celle d'un acier non resulfuré avec un niveau
d'usinabilité de celui d'un acier resulfuré.
Les compositions des aciers A et B de référence et de l'acier C selon
l'invention sont présentées dans le tableau 1 ci-dessous pour des aciers dont la
composition de base est: C=0,05% ; Si=0,5% ; Ni=8,6% ; Cr=18% ; Mo=0,2%,
mais dont les teneurs en soufre, calcium, oxygène et manganèse varient.
| Acier | Ca (ppm) | O (ppm) | Ca/O | Mn % | Cu % | S % |
| A | 6 | 85 | 0,07 | 1,60 | 0,5 | 0,02 |
| B | 48 | 130 | 0,35 | 1,60 | 0,5 | 0,30 |
| C(inv) | 40 | 94 | 0,42 | 0,25 | 1,5 | 0,30 |
Dans le domaine de la corrosion, les figures 3a, 3b, et 3c présentent
respectivement les courbes caractéristiques en corrosion par piqûre et en corrosion
caverneuse pour l'acier C selon l'invention en comparaison avec les aciers A et B
de référence.
Dans le domaine de l'usinabilité, des tests de perçage ont été effectués avec
un foret de diamètre 4 mm en acier rapide, pour la réalisation de trous de 16 mm
de profondeur sur des barres cylindriques d'un diamètre de 10 mm.
Le tableau 2 présente les performances des aciers A, B et l'acier C dans une
première condition de coupe avec une vitesse de coupe de 40 m / mn et une
avance de 0,1 mm/tour.
| Acier | Performance, longeur de percée (m) |
| A | 0 |
| B | >16 |
| C (Invention) | > 16 |
Le tableau 3 présente les performances des aciers A, B et l'acier C dans une
seconde condition de coupe avec une vitesse de coupe de 25 m / mn et une
avance de 0,25 mm/tour.
| Acier | Performance, longeur de percée (m) |
| A | 0 |
| B | > 16 |
| C (Invention) | > 16 |
La solution proposée permet de concilier la meilleure usinabilité possible
apportée par le soufre et les inclusions associées de silicoaluminate de chaux, à
une tenue à la corrosion élevée semblable à celle des aciers de base non
resulfurés. Ainsi elle permet aux utilisateurs de s'affranchir du choix à faire vis-à-vis
de l'une ou l'autre propriétés. En effet, cet acier permet aux utilisateurs des aciers
non resulfurés pour la réalisation de pièces résistantes à la corrosion, de gagner en
productivité donc en coût de pièce. D'autre part, elle permet également aux
utilisateurs d'aciers resulfurés, qui réalisent ensuite un traitement de surface type
chromage afin d'améliorer la résistance à la corrosion des pièces, de s'affranchir de
ce traitement.