EP1281785A2 - Acier inoxydable austénique pour déformation à froid pouvant être suivi d'un usinage - Google Patents

Acier inoxydable austénique pour déformation à froid pouvant être suivi d'un usinage Download PDF

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EP1281785A2
EP1281785A2 EP02291881A EP02291881A EP1281785A2 EP 1281785 A2 EP1281785 A2 EP 1281785A2 EP 02291881 A EP02291881 A EP 02291881A EP 02291881 A EP02291881 A EP 02291881A EP 1281785 A2 EP1281785 A2 EP 1281785A2
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steel
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nickel
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austenitic stainless
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Jean-Michel Hauser
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Aperam Stainless France SA
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USINOR SA
Ugitech SA
Ugine et Alz France SA
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    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/10—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the whole cross-section, e.g. of concrete reinforcing bars

Definitions

  • the invention relates to an austenitic stainless steel for deformation at cold type cold type.
  • Steels that contain a minimum of 11% of chrome are said to be stainless and have good corrosion resistance.
  • Steels austenitic stainless steels also contain nickel, which gives them interesting properties of implementation, especially in cold processing.
  • One of the most commonly used austenitic steels is a steel whose composition is as follows: C ⁇ 0.08, Si ⁇ 1%, Mn ⁇ 2%, S ⁇ 03%, P ⁇ 0.045%, 18 ⁇ Cr20%, 8 ⁇ Ni ⁇ 12%, which lends itself well to cold processing, but is limited in the field of deformation due to its work hardening coefficient relatively high, defining a significant consolidation due to the formation of hardening martensite.
  • Another austenitic stainless steel of the following composition is known: C ⁇ 0.12%; If ⁇ 1%; Mn ⁇ 2%; S ⁇ 0.03%; P ⁇ 0.045%; 17 ⁇ Cr ⁇ 19%; 10 ⁇ Ni ⁇ 13%, which provides a solution to the problem of work hardening due to a relatively high nickel content, which reduces the formation of work hardening martensite.
  • the presence of nickel at these contents also limits the elongation properties of the steel, moreover, this steel is expensive given the high nickel content.
  • Copper acts like nickel by limiting the formation hardening martensite.
  • This higher content copper however, provides good deformability, or even decrease the overall nickel content to around 8%.
  • Such a composition steel is used in particular for cold stamping long steel products stainless.
  • This composition is recommended in particular for striking applications at cold, for which it offers a low work hardening coefficient thanks to very high nickel and manganese contents.
  • document JP 2001011579A presenting the following composition: 0.05% ⁇ C ⁇ 0.5%; 6% ⁇ Mn ⁇ 15%; If ⁇ 0.5%; S ⁇ 0.03%; 10% ⁇ Cr ⁇ 20%; 0.04% ⁇ Ni ⁇ 0.3%; Mo ⁇ 3%; Cu ⁇ 3%; Al ⁇ 0.1%; 0.05% ⁇ N ⁇ 0.3%, whose proportion of nitrogen plus carbon is relatively high as in the composition of the previous document.
  • the invention aims to provide an austenitic stainless steel for cold deformation which can be followed by machining with properties mechanical improvements compared to standard stainless steel austenitics, very interesting properties for transformation applications at cold, and in particular in cold striking,
  • the carbon is controlled at a lower content 0.030% to limit the formation and hardening of martensite hardening. In the same way, and for the same reason, it is necessary to check the sum of the carbon and nitrogen contents to a value lower than 0.07%.
  • the nitrogen content is controlled to a content of between 0.02% ⁇ N ⁇ 0.060% and preferably 0.02% ⁇ N ⁇ 0.04% to stabilize the austenite and guarantee a hot ferrite content ⁇ 15%.
  • the nickel content was lowered between 4.55% and 7% and preferably around 5%.
  • the lowering of the Ni content is compensated by a manganese content of between 5% and 9% and preferably at around 8%.
  • the chromium content guarantees good corrosion resistance, it is chosen between 15% and 18%.
  • Copper is present in the composition to stabilize the austenite. It is limited, as specified in the prior art, to a content of less than 4%. We prefer a content greater than 2% for better stabilization of the austenite.
  • Sulfur is limited to a content of less than 0.01% and preferably to a content of less than 0.002% in order to limit the formation of sulphides of manganese, detrimental to hot processing and to corrosion resistance.
  • the composition also contains molybdenum at a content less than 0.8% and phosphorus at a content less than 0.030%.
  • a composition of a steel 1 according to the invention was compared with a so-called reference, austenitic, standard steel, the compositions of which are presented in Table 1 below: %VS %Yes % Mn %Or % Cr % Mo % Cu %NOT % S Md3 0 % ⁇ Steel 1 0,023 0.36 8.1 5.1 15.0 0.30 3.3 0,035 0,001 - 71.6 Steel Ref 0,029 0.33 1.8 8.1 17.2 0.29 3.2 0,027 0,002 - 59.3
  • the steel according to the invention has good corrosion resistance, comparable to that of standard type 304 steel.
  • steel according to the invention has a non-magnetic character in the annealed state, and weakly magnetic in the hardened state, in weldability, a weldability equivalent to that of a standard type 304 steel and in machinability, machinability similar to that of a standard type 304 steel.
  • the steel of the invention is commercially attractive by using less expensive alloying elements than nickel, and retains a simplicity of implementation works at all stages of its development, in particular thanks to a structure hot and mechanical properties compatible with an elaboration in standard production of standard austenitic stainless steels.
  • the steel of the invention lends itself well to the production of parts comprising a first cold stamping operation followed by finishing machining.
  • the area of its use is potentially, fixation as by example, screws, bolts, nuts, threaded rods, and all special parts implemented by cold stamping, for example, fittings, automotive parts such as fasteners, air bags, support and body probes or parts for mass production connectors such as example, electrical hardware parts.

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Abstract

Acier inoxydable austénitique pour déformation à froid pouvant être suivi d'un usinage, caractérisé en la composition pondérale suivante :
  • carbone < 0,030%
  • 0,3% < silicium < 1%
  • 5% < manganèse < 9%
  • 4,55% < Nickel < 7%
  • molybdène < 0,8%
  • 2% < cuivre < 4%
  • 0,02% < azote < 0,060%
  • soufre < 0,01%
  • phosphore < 0,030%
    •

    Description

    L'invention concerne un acier inoxydable austénitique pour déformation à froid du type frappe à froid. Les aciers qui contiennent un minimum de 11 % de chrome sont dits inoxydables et ont une bonne résistance à la corrosion. Les aciers inoxydables austénitiques contiennent en outre du nickel, ce qui leur confère des propriétés intéressantes de mise en oeuvre, notamment en transformation à froid.
    Un des aciers austénitiques le plus couramment utilisé est un acier dont la composition est la suivante : C<0.08, Si<1 %, Mn < 2%, S < 03%, P < 0.045%, 18<Cr20%, 8<Ni<12%, qui se prête bien à la transformation à froid, mais est limité dans le domaine de la déformation du fait de son coefficient d'écrouissage relativement élevé, définissant une consolidation importante due à la formation de martensite d'écrouissage.
    Il est connu un autre acier inoxydable austénitique de composition suivante : C<0.12% ; Si < 1% ; Mn < 2% ; S <0.03% ; P < 0.045% ; 17 <Cr <19% ; 10 < Ni< 13%,
    qui apporte une solution au problème d'écrouissabilité du fait d'une teneur en nickel relativement élevée, ce qui diminue la formation de martensite d'écrouissage. Cependant, la présence de nickel à ces teneurs limite aussi les propriétés d'allongement de l'acier, de plus, cet acier est cher compte tenu de la teneur élevée en nickel.
    Une alternative intéressante a été partiellement trouvée en ajoutant du cuivre dans la composition. Le cuivre agit en effet comme le nickel en limitant la formation de martensite d'écrouissage. Il existe cependant une teneur limite supérieure pour l'utilisation du cuivre, typiquement 3.5%, qui ne peut être dépassée, afin éviter un phénomène de brûlure lors du laminage à chaud de l'acier. Cette teneur supérieure en cuivre permet cependant d'obtenir une bonne aptitude à la déformation, voire de diminuer la teneur en nickel globalement aux alentours de 8%. Une telle composition d'acier est notamment utilisée en frappe à froid des produits longs en acier inoxydable.
    Une idée couramment répandue pour améliorer un peu plus la mise en oeuvre à froid des aciers inoxydables austénitiques est d'introduire dans la composition du manganèse, qui agit dans le même sens que le nickel ou le cuivre. Plusieurs documents proposent des solutions de ce type. Par exemple,
    • le brevet FR2229776 revendique un acier de composition suivante : 3 < Ni < 15% ; 6% < Mn < 16% ; 10% < Cr < 25% ; Si > 2%.
      L'intérêt ce cet acier, concerne la résistance à l'abrasion.
    • le brevet US3, 910,788 divulgue un acier de composition suivante: 1% < Si < 2.5% ; 1.5% < Mn < 5% ; 1% < Cu < 4% ; 6 % < Ni < 9% ; 15% < Cr < 19% ; N < 0.03% ; C+N < 0.04%.
    Cet acier est adapté à la transformation à froid et à l'emboutissage dans le domaine des produits plats et résiste à la rupture en différé. Les teneurs en nickel de la composition sont relativement élevées, et l'acier contient du silicium en une quantité non négligeable, ce qui augmente le coefficient d'écrouissage.
    • les documents japonais J 63060051 et J63060050 proposent tous deux la composition d'un acier qui est la suivante : C < 0.15% ; Si < 1.5% ; 0.5% < Mn < 6% ; 17% < Cr < 23% ; 10% < Ni < 15% ; 0.1% < Cu < 3% ; 0.02% < N < 0.35% ; avec une stabilisation avec les éléments Ti+Nb+V. Les hautes teneurs en carbone et azote présentées font que des duretés élevées sont rapidement atteintes par transformation à froid, ce qui est rédhibitoire pour le domaine de la frappe à froid.
    • le document US 3 753 693 présente une composition d'acier telle que : 17 < Cr < 19% ; 7% < Ni <10% ; 11 % < Mn < 13% ; 0.01% < N < 0.07% ; C < 0.06% ; Si < 1 % ; Mo < 2% ; Cu < 1.5%.
    Cette composition est conseillée notamment pour les applications frappe à froid, pour lesquelles elle offre un coefficient d'écrouissage faible grâce à des teneurs très élevées en nickel et manganèse.
    Sans doute performante en frappe, cette composition n'a pas d'intérêt économique du fait des teneurs respectives élevées du nickel et du chrome.
    • le document JP 55 031 173 présente une nuance de composition suivante : C < 0.02% ; 0.04% < N < 0.1% ; 2.5% < Cu < 4% ; 6% < Ni < 8% ; 17% < Cr < 19% et 3% < Mn < 4% ; S < 0.003%.
    Dans ce document, la teneur en nickel reste relativement élevée, et celle en azote très élevée. Cet acier est utilisé pour la fabrication des rivets et vis en acier inoxydable.
    • le document US 4 911 883, concerne un acier inoxydable pour transformation à froid, de composition suivante : C < 0.04% ; Si < 0.6% ; 6% < Ni < 8% ; 2.2% < Mn < 3.8% ; 17% < Cr < 19% ; 2.5% < Cu < 4% ; S < 0.002% ; N < 0.010%.
    Cette composition est proche de la précédente citée, avec notamment une teneur en nickel qui reste assez élevée.
    • le document WO 00/26428 traite d'une composition comprenant : 0.025% < C < 0.15% ; 4% < Mn < 12% ; Si < 1% ; P < 0.2% ; S < 0.1% ; 15.5% < Cr < 17.5%; 1% < Ni < 4% ; 0.25% < Mo < 1.5% ; 1.5% < Cu < 4% ; W < 1 % ; Co < 1 % ; 0.05% < N < 0.3%; respectant les relations Cr%+Mo% < 17.75% et Cr%+3.3Mo%+13N% > 20.5%. Cette composition comprend des teneurs en Ni basses.
    Dans le même domaine, il est connu le document JP 2001011579A présentant la composition suivante : 0.05% < C < 0.5% ; 6% < Mn < 15% ; Si < 0.5% ; S < 0.03% ; 10% < Cr < 20% ; 0.04% < Ni < 0.3% ; Mo < 3% ; Cu < 3% ; Al < 0.1% ; 0.05% < N < 0.3%, dont la proportion en azote plus carbone est relativement élevée comme dans la composition du document précédent.
    En résumé, les solutions proposées pour obtenir des compositions d'acier inoxydable austénitique pour transformation à froid contenant du manganèse peuvent être classées de la manière suivante :
    • des nuances très alliées, pour des applications très spécifiques,
    • des nuances à azote et ou carbone à caractéristiques mécaniques élevées,
    • des nuances moins allées, avec des niveaux de nickel qui restent élevés, et donc, avec des niveaux de manganèse relativement bas, ce qui ne présente pas d'évolution très marquée par rapport aux nuances classiques, aussi bien en terme de propriétés de mise en oeuvre, qu'en termes de réduction des coûts.
    L'invention a pour but de proposer un acier inoxydable austénitique pour déformation à froid pouvant être suivi d'un usinage présentant des propriétés mécaniques améliorées par rapport aux aciers standards d'acier inoxydables austénitiques, propriétés très intéressantes pour les applications de transformation à froid, et notamment en frappe à froid,
    L'invention a pour objet un acier inoxydable austénitique pour déformation à froid pouvant être suivi d'un usinage, caractérisé en la composition pondérale suivante :
  • carbone < 0,030%
  • 0,3% < silicium < 1%
  • 5% < manganèse < 9%
  • 4,55% < nickel < 7%
  • 15% < chrome < 18%
  • molybdène < 0,8%
  • 2% < cuivre < 4%
  • 0,02% < azote < 0,060%
  • soufre < 0,01%
  • phosphore < 0,030%
    • Les autres caractéristiques de l'invention sont :
    • la composition comprend, en outre, du bore à une teneur inférieure à 50.10-4%,
    • l'indice Md30, défini par la relation : Md30 = 551 - 462(C%+N%) - 9,2Si% - 20 Mn% - 13,7 Cr% - 29 Ni% - 29 Cu% - 18,5 Mo% est inférieur à - 60.
    • le taux de ferrite après réchauffage de la structure brute de solidification à 1240°C est inférieure à 10%, en satisfaisant la relation suivante : % Ferrite = 0,034 x2 + 0,284x - 0,347, dans laquelle, x = 6,903[ Cr éq - Ni éq / 1,029
    • 6,998], avec Cr éq = Cr% et Ni éq = Ni% + 20,04 C% + 21,31 N% + 0,46 Cu% + 0,08 Mn%.
    La description qui suit, présentée de manière non limitative, fera bien comprendre l'invention. L'invention traite d'un acier inoxydable austénitique pour déformation à froid pouvant être suivi d'un usinage, caractérisé en la composition pondérale suivante :
  • carbone < 0,030%
  • 0,3% < silicium < 1%
  • 5% < manganèse < 9%
  • 4,55% < nickel < 7%
  • 15% < chrome < 18%
  • molybdène < 0,8%
  • 2% < cuivre < 4%
  • 0,02% < azote < 0,060%
  • soufre < 0,01%
  • phosphore < 0,030%
    • Dans la composition proposée, le carbone est contrôlé à une teneur inférieure à 0.030% afin de limiter la formation et le durcissement de la martensite d'écrouissage. De la même manière, et pour la même raison, il est nécessaire de contrôler la somme des teneurs en carbone et azote à une valeur inférieure à 0.07%.
    La teneur en azote est contrôlée à une teneur comprise entre 0.02% < N < 0.060% et de préférence 0.02% < N < 0.04% pour stabiliser l'austénite et garantir une teneur en ferrite à chaud < 15%. En effet, pour faciliter la transformation à chaud, on veillera à ce que le taux de ferrite soit inférieur à 10% après réchauffage de la structure brute de solidification à 1240°C, avec la relation suivante : % Ferrite = 0,034 x2 + 0,284x - 0,347, dans laquelle, x = 6,903[ Cr éq - Ni éq / 1,029 - 6,998], avec Cr éq = Cr% et Ni éq = Ni% + 20,04 C% + 21,31 N% + 0,46 Cu% + 0,08 Mn%.
    Dans la composition selon l'invention, la teneur en nickel a été abaissée entre 4,55% et 7% et de préférence à 5% environ. L'abaissement de la teneur en Ni est compensé par une teneur en manganèse comprise entre 5% et 9% et de préférence à environ 8%. La teneur en chrome garantit une bonne tenue à la corrosion, elle est choisie entre 15% et 18%.
    Le cuivre est présent dans la composition pour stabiliser l'austénite. Il est limité, comme précisé dans l'art antérieur à une teneur inférieure à 4%. On préfère une teneur supérieure à 2% pour une meilleure stabilisation de l'austénite.
    Le soufre est limité à une teneur inférieure à 0.01 % et préférentiellement à une teneur inférieure à 0.002% afin de limiter la formation de sulfures de manganèse, préjudiciables à la transformation à chaud et à la tenue à la corrosion.
    On contrôle les autres éléments tels que le silicium à une teneur inférieure à 1 % et de préférence à 0.3%. La composition contient aussi du molybdène à une teneur inférieure à 0.8% et le phosphore à une teneur inférieure à 0.030%.
    L'ajout éventuel de bore à une teneur inférieure à 50 10-4% peut faciliter la transformation à chaud et à froid.
    Au final, l'acier devra atteindre une valeur de Md30 aussi basse que possible, et de préférence inférieure à -60, la valeur Md30 étant liée à la relation suivante : Md30 = 551 - 462(C%+N%) - 9,2Si% - 20 Mn% - 13,7 Cr% - 29 Ni% - 29 Cu% - 18,5 Mo%.
    Dans un exemple de réalisation, il a été comparé une composition d'un l'acier 1 selon l'invention avec d'un acier dit de référence, austénitique, standard dont les compositions sont présentées sur le tableau 1 suivant :
    %C %Si %Mn %Ni %Cr %Mo %Cu %N %S Md3 0 %α
    Acier 1 0,023 0,36 8,1 5,1 15,0 0,30 3,3 0,035 0,001 - 71,6
    Acier Ref 0,029 0,33 1,8 8,1 17,2 0,29 3,2 0,027 0,002 - 59,3
    Dans le domaine de la frappe à froid, l'acier selon l'invention présente une aptitude à la mise en oeuvre à froid, meilleure que l'acier de référence standard. Les tests de frappe cruciforme interrompue montrent que :
    • L'acier 1 selon l'invention proposée ne présente pas de fissuration.
    • L'acier de référence présente des amorces de rupture ductile aux l'angles de la croix.
    Dans le domaine de la corrosion, l'acier selon l'invention présente une bonne résistance à la corrosion, comparable à celle d'un acier de type 304 standard.
    Dans les domaines du magnétisme, de la soudure et de l'usinage, l'acier selon l'invention présente un caractère amagnétique à l'état recuit, et faiblement magnétique à l'état écroui, en soudabilité, une soudabilité équivalente à celle d'un acier du type 304 standard et en usinabilité, une usinabilité semblable à celle d'un acier du type 304 standard.
    L'acier de l'invention est commercialement d'un coût attractif en utilisant des éléments d'alliage moins chers que le nickel, et conserve une simplicité de mise en oeuvre à toutes les étapes de son élaboration, notamment grâce à une structure à chaud et des propriétés mécaniques compatibles avec une élaboration en production courante des aciers inoxydables austénitiques standards.
    L'acier de l'invention se prête bien à la réalisation de pièces comportant une première opération de frappe à froid suivi d'un usinage de finition.
    Le domaine de son utilisation est potentiellement, la fixation comme par exemple, visserie, boulonnerie, écrous, tiges filetées, et toutes pièces spéciales mises en oeuvre par frappe a froid comme par exemple, des pièces d'accastillage, des pièces pour l'automobile telles que fixations, air-bags, support et corps de sondes ou encore, des pièces pour la connectique de grande série comme par exemple, des pièces de visserie électrique.
    On peut citer aussi des applications faisant intervenir la transformation à froid de manière importante en recherchant un bon rapport performance coût dans le domaine des fils tréfilés et fils fins par exemple, pour des filtres ou des crépines, ou dans le domaine des ressorts.

    Claims (4)

    1. Acier inoxydable austénitique pour déformation à froid pouvant être suivi d'un usinage, caractérisé en la composition pondérale suivante :
      carbone < 0,030%
      0,3% < silicium < 1%
      5% < manganèse < 9%
      4,55% < nickel < 7%
      15% < chrome < 18%
      molybdène < 0,8%
      2% < cuivre < 4%
      0,02% < azote < 0,060%
      soufre < 0,01%
      phosphore < 0,030%
    2. Acier selon la revendication, 1 caractérisé en ce que la composition comprend, en outre, du bore à une teneur inférieure à 50.10-4%.
    3. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'indice Md30, défini par la relation : Md30 = 551 - 462(C%+N%) - 9,2Si% - 20 Mn% - 13,7 Cr% - 29 Ni% - 29 Cu% - 18,5 Mo% est inférieur à - 60.
    4. Acier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux de ferrite après réchauffage de la structure brute de solidification à 1240°C est inférieure à 10%, en satisfaisant la relation suivante : % Ferrite = 0,034 x2 + 0,284x - 0,347, dans laquelle, x = 6,903[ Cr éq - Ni éq / 1,029 - 6,998], avec Cr éq = Cr% et Ni éq = Ni% + 20,04 C% + 21,31 N% + 0,46 Cu% + 0,08 Mn%.
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