EP3249060B1 - Procédé de traitememnt thermique d'aciers austénitiques - Google Patents

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EP3249060B1
EP3249060B1 EP17167986.3A EP17167986A EP3249060B1 EP 3249060 B1 EP3249060 B1 EP 3249060B1 EP 17167986 A EP17167986 A EP 17167986A EP 3249060 B1 EP3249060 B1 EP 3249060B1
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EP
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austenitic
hns
precipitates
steel
temperature
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Joël Porret
Christian Charbon
Vincent Fays
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Swatch Group Research and Development SA
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the heat treatment of austenitic steels. More specifically, the present invention relates to austenitic steels alloyed with nitrogen well known under their Anglo-Saxon name Austenitic High Nitrogen Steel or austenitic steels HNS. The invention is also interested in austenitic steels with high concentrations of interstitial atoms, better known by their Anglo-Saxon name Austenitic High Interstitial Steel or austenitic steels HIS.
  • Austenitic steels alloyed with nitrogen which, for convenience, we will call hereafter austenitic steels HNS
  • austenitic steels with high concentrations of interstitial atoms which will be called hereafter austenitic steels HIS have properties of hardness, corrosion resistance and hypoallergenic which make them very interesting in particular for applications in the field of watchmaking and jewelry, both for the manufacture of trim elements intended to come into contact with the skin due to their very low nickel concentration, and for the manufacture of watch movement components because they are very hard, in particular after hardening.
  • HNS austenitic steels contain interstitial nitrogen atoms in high concentrations which can extend up to 1.5% in weight depending on the composition and use of the alloy.
  • HIS austenitic steels directly derived from HNS austenitic steels, contain significant amounts of interstitial carbon atoms in addition to interstitial nitrogen atoms.
  • HNS and HIS austenitic steels exhibit in particular interesting hypoallergenic properties due to their very low nickel content and their resistance to corrosion.
  • HNS and HIS austenitic steels are very difficult to machine, especially because they have a very high elastic limit, strain hardening rate and ductility. Tests show, for example, that the machining operations are two to three times longer than for steel 1.4435 and the wear of the machining tools is very important.
  • the machining of these austenitic HNS and HIS steels which, in many respects, is similar to machining titanium, is therefore long, difficult and expensive and constitutes the main obstacle to the use of these steels, particularly in the field of watchmaking and jewelry.
  • the document US 5,714,115 describes an austenitic steel alloy having the chemical composition 17.5% Cr, 4% Mo, 11% Mn, 0.02% C, 0.88% N and 0.01% Ni, the residue consisting of Fe The alloy is remelted in an electrically conductive slag, then forged. After annealing in solution at 1150 ° C., a homogeneous austenitic alloy is obtained, free from precipitation and delta ferrite, that is to say completely non-magnetic.
  • CN103233174B discloses a process for preparing high nitrogen austenitic stainless steel for vascular stents.
  • the subject of the present invention is a process for the heat treatment of austenitic steels of the HNS and HIS type, the aim of which is to make such austenitic steels more easily machinable.
  • an austenitic steel alloy HNS is provided. or HIS that is brought to its austenitization temperature or that is sintered at the austenitization temperature, then, immediately from the austenitization temperature, the temperature of the austenitic steel alloy HNS is lowered or HIS sufficiently slowly for precipitates of the nitride, carbide or even carbonitride type of chromium and / or molybdenum to appear in the structure of the resulting austenitic steel HNS or HIS, then finally the austenitic steel HNS or HIS is brought back at room temperature.
  • step which consists in causing precipitates to appear in an HNS or HIS austenitic steel precedes the step which, after machining this austenitic HNS or HIS steel, consists in putting the precipitates back into solution.
  • the heat treatment process applies equally well to parts obtained by casting and subsequent thermomechanical treatment, as to parts obtained by powder metallurgy such as metal injection molding also known by its English name. -saxonne Metal Injection Molding or MIM.
  • powder metallurgy such as metal injection molding also known by its English name.
  • MIM powder metallurgy
  • immediately after sintering the alloy at its austenitization temperature in order to obtain an austenitic steel of the HNS or HIS type it is possible, according to a method which is not part of the claimed invention, to cool slowly. the alloy in order to promote the formation of precipitates.
  • Slow cooling is understood to mean cooling which, after austenitization or sintering, promotes the appearance of precipitates in the microstructure of the austenitic HNS and HIS steels thus treated, as opposed to the classic heat treatment of quenching which consists in rapidly cooling the HNS and HIS steels. HIS after austenitization or sintering in order to avoid the formation of precipitates.
  • the austenitic steels HNS and HIS be subjected to a slow cooling heat treatment which is not part of the of the invention claimed to promote the appearance of precipitates, it goes against the usual practice of cooling the alloys as quickly as possible in order to avoid as much as possible the formation of precipitates in austenitic HNS steels and Resulting HIS.
  • the austenitic steel HNS or HIS after the austenitic steel HNS or HIS has undergone a heat treatment of austenitization or sintering at the austenitization temperature, then quenching, it is heats the austenitic steel HNS or HIS again to a temperature and for a period of time such that precipitates of the nitride, carbide or else carbonitride type of chromium and / or molybdenum appear.
  • This second variant is the most practical because it makes it possible to be able to perfectly control the parameters of the various heat treatments.
  • the first and second implementation variants of the heat treatment process of an austenitic HNS or HIS steel are therefore more particularly intended for obtaining trim elements for timepieces or jewelry, because they promote the corrosion resistance of these steels.
  • These two variants have in common that after application of a heat treatment of austenitization to an austenitic steel HNS or HIS and subsequent machining, one can indeed bring the resulting part to the annealing temperature, then quench the latter in order to return precipitates in solution.
  • an HNS or HIS austenitic steel is brought to its annealing temperature, in other words to its austenitization temperature, then it is rapidly cooled (quenching) so that no precipitate does not form, it is cold deformed and then this austenitic HNS or HIS steel is brought to a temperature and for a period of time such that precipitates of the nitride, carbide or else carbonitride type of chromium and / or molybdenum appear.
  • the hardness of the austenitic steel HNS or HIS obtained after austenitization and cold deformation is very little affected by the precipitation treatment carried out subsequently.
  • the machinability of such steels is appreciably improved.
  • the present invention proceeds from the general inventive idea which consists in subjecting the austenitic steels HNS and HIS to a heat treatment aiming to make the precipitates which have been made to appear in such austenitic steels HNS or HIS, for example during ironing back into solution. a pre-treatment of precipitation.
  • heat treatment of precipitation means a treatment which aims to place these austenitic steels HNS and HIS for a certain period of time under temperature conditions which allow the appearance of precipitates such as nitrides, carbides or carbonitrides, in particular of molybdenum and / or of chromium.
  • this annealing treatment will preferably but not be limited to trim elements for watches or for jewelry for which corrosion resistance and ability to polish are more important properties than hardness.
  • each HNS or HIS austenitic steel composition has a time-temperature-transformation diagram which is specific to it and which is also a function of the nature of the precipitate considered.
  • the figure 1 is a time (t) - temperature (T) - transformation diagram which illustrates the heat treatment of an austenitic HNS or HIS steel according to the implementation variant of the process which is not part of the claimed invention.
  • Tr1 be the austenitization or annealing temperature of an austenitic steel of the HNS or HIS type and let a be the curve which, on the time-temperature-transformation diagram of the figure 1 , delimits an area which corresponds to the time and temperature conditions which allow the formation of rushed.
  • the figure 2 is a time (t) - temperature (T) - transformation diagram which illustrates the heat treatment of an austenitic HNS or HIS steel according to the first implementation variant of the process.
  • Tr2 be the austenitization or annealing temperature of an austenitic steel of the HNS or HIS type and let b be the curve which, on the time-temperature-transformation diagram of the figure 2 , delimits an area which corresponds to time and temperature conditions which allow the formation of precipitates.
  • Tr2 the austenitization or annealing temperature of an austenitic steel of the HNS or HIS type
  • b the curve which, on the time-temperature-transformation diagram of the figure 2 , delimits an area which corresponds to time and temperature conditions which allow the formation of precipitates.
  • the figure 3 is a time (t) - temperature (T) - transformation diagram which illustrates the heat treatment of an austenitic steel HNS or HIS according to the second implementation variant of the process.
  • Tr3 be the austenitization or annealing temperature of an austenitic steel of the HNS or HIS type and let c be the curve which, on the time-temperature-transformation diagram of the figure 3 , delimits an area which corresponds to time and temperature conditions which allow the formation of precipitates.
  • the steel in question here is an austenitic HNS or HIS steel which has been cooled sufficiently rapidly from its temperature of annealing Tr3 to room temperature in order to avoid any formation of precipitates.
  • such an austenitic HNS or HIS steel is heated according to curve 10 and maintained at a temperature and for a period of time such that precipitates appear (curve 12), then is cooled (curve 12). 14).
  • the third implementation variant of the process differs from the second variant of the same process only in that, after receiving treatment followed by quenching and before the precipitation treatment, the austenitic steel HNS or HIS is work hardened, that is, cold-deformed.
  • the heat treatment which consists in bringing an austenitic steel to a temperature and for a period of time such that precipitates are formed is therefore applied, in this fourth variant, to a material hardened beforehand by work hardening.
  • the fourth and last implementation variant of the process consists in subjecting the austenitic steel to a cold deformation treatment after heat treatment according to one of the first three implementation variants.
  • the figure 4 is a view of a metallographic section of a sample of HIS X20CrMnMoN17-11-3 steel which has been annealed at its austenitization temperature and then quenched. It is noted on examination of this figure that the grain boundaries are not very marked, which denotes the absence of precipitates.
  • the figure 5 is a view of a metallographic section of a sample of austenitic steel HIS X20CrMnMoN17-11-3 having undergone a heat treatment in accordance with the second variant implementation of the method.
  • the grain boundaries are marked, which denotes the presence of significant amounts of precipitates along these grain boundaries.
  • Some larger precipitates have grown inside the grains from the grain boundaries.
  • concentration of precipitates could be obtained by bringing, after rapid cooling from the annealing temperature, the austenitic steel HIS X20CrMnMoN17-11-3 at a temperature of 800 ° C for two hours.
  • the figure 6 is a view of a metallographic section of a sample of austenitic steel HIS X20CrMnMoN17-11-3 which is in the form of a bar whose outer diameter is reduced from 3 mm to 2.5 mm by cold deformation by wire drawing, ie a reduction in diameter of 16.6%.
  • this sample was then brought to a temperature of 800 ° C. for two hours according to the temperature curve shown in figure 3 .
  • the steel has many precipitates, both at the grain boundaries and inside the grains.
  • the figure 7 is a graph which shows the evolution of the hardness of the austenitic steel HIS X20CrMnMoN17-11-3 of the figure 6 depending on the temperature to which this steel is brought to form the precipitates. It is observed that the hardness of austenitic steel without precipitation treatment and after cold working is 450 HV10 (symbol in the form of a square on the graph). The same austenitic steel is, after cold work hardening, heat treated in accordance with the third implementation variant of the process.
  • Samples of this steel are brought respectively to temperatures of 750 ° C, 800 ° C, 850 ° C, 900 ° C and 950 ° C for a period of two hours, then cooled (diamond-shaped symbols on the graph) . It is observed that, for samples heated between 700 ° C and 900 ° C, the hardness is between approximately 425 HV10 and 375 HV10. In other words, the hardness of these samples of austenitic steel heat-treated in accordance with the third variant of the process varies little with respect to the hardness of austenitic steel which has been cold-worked but which has not been subjected to a precipitation treatment.
  • the machinability of the austenitic steel samples which have undergone a precipitation heat treatment according to this third variant of the process is markedly improved. Only the austenitic steel sample heated to 950 ° C for two hours has a hardness significantly lower than that of austenitic steel without precipitation treatment (less than 350 HV10). Finally, a sample of austenitic steel HIS X20CrMnMoN17-11-3 having only undergone an annealing treatment followed by quenching (symbol in the form of a triangle on the graph) has a hardness less than 250 HV10.
  • the figure 8 is a view of a metallographic section of a sample of austenitic steel HIS X20CrMnMoN17-11-3 which is in the form of a bar whose outer diameter is reduced from 3 mm to 2 mm by cold deformation by drawing , or an even greater reduction in diameter of 33.3%.
  • This steel sample undergoes the same heat treatment as at the figure 6 by being brought to a temperature of 800 ° C. for two hours in accordance with the third variant of the implementation of the method.
  • the phenomenon of precipitation is even more pronounced since, in addition to the precipitates which form along the grain boundaries and from the grain boundaries towards the interior of the grains, there is a high concentration of precipitates within themselves. grains.
  • the figure 9 is a graph which shows the evolution of the hardness of the steel of the figure 8 depending on the time and the temperature to which this steel is heated after work hardening to form the precipitates. It is observed that the hardness of austenitic steel without precipitation treatment and after cold work hardening is between 550 HV10 and 560 HV10 (symbol in the form of a square on the graph). This hardness is greater than that at the figure 7 because the work hardening rate is higher.
  • the diamond-shaped symbols on the figure 9 correspond to samples of austenitic steel brought to respective temperatures of 700 ° C, 750 ° C, 800 ° C and 850 ° C for 45 minutes.
  • HNS and HIS steels to which the precipitation process can be applied are: X5CrMnN18-18, X8CrMnN19-19, X8CrMnMoN18-18-2, X13CrMnMoN18-14-3, X20CrMnMoN17-11-3 or even X5MnCrMoN23-21.
  • precipitates that can form during the precipitation process are: M23C, MC, M6C or even M2N, where M denotes one or more of the metallic elements of the alloy which can be combined with carbon or nitrogen. to form carbides or nitrides or carbonitrides.
  • the invention applies in particular to jewelry and to the trim elements of timepieces.
  • the present invention teaches a process for the heat treatment of a HNS or HIS austenitic steel containing precipitates, this process comprising the step which consists, after machining of parts, in particular of jewelry or watchmaking, carried out in using an HNS or HIS austenitic steel containing precipitates, to put the precipitates back into solution by bringing these HNS or HIS austenitic steel parts to their austenitization temperature, then cooling these parts sufficiently quickly, typically by quenching, to prevent the precipitates to form again.
  • machining operations is understood to mean in particular but not exclusively the operations of boring, milling, drilling, threading, tapping and cutting.

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Description

    Domaine technique de l'invention
  • La présente invention concerne un procédé de traitement thermique d'aciers austénitiques. Plus précisément, la présente invention s'intéresse aux aciers austénitiques alliés à l'azote bien connus sous leur dénomination anglo-saxonne Austenitic High Nitrogen Steel ou aciers austénitiques HNS. L'invention s'intéresse également aux aciers austénitiques à fortes concentrations en atomes interstitiels, mieux connus sous leur dénomination anglo-saxonne Austenitic High Interstitial Steel ou aciers austénitiques HIS.
    • Arrière-plan technologique de l'invention
  • Les aciers austénitiques alliés à l'azote que, pour plus de commodité, nous appellerons par la suite aciers austénitiques HNS, et les aciers austénitiques à fortes concentrations en atomes interstitiels qui seront appelés ci-après aciers austénitiques HIS présentent des propriétés de dureté, de résistance à la corrosion et hypoallergéniques qui les rendent très intéressants notamment pour des applications dans le domaine de l'horlogerie et de la bijouterie, à la fois pour la fabrication d'éléments d'habillage destinés à venir en contact avec la peau en raison de leur très faible concentration en nickel, et pour la fabrication de composants de mouvements horlogers car ils sont très durs, notamment après écrouissage.
  • Les aciers austénitiques HNS renferment des atomes interstitiels d'azote en concentrations élevées qui peuvent s'étendre jusqu'à 1,5% en poids en fonction de la composition et de la mise en œuvre de l'alliage. Les aciers austénitiques HIS, directement dérivés des aciers austénitiques HNS, renferment quant à eux des quantités importantes d'atomes interstitiels de carbone en plus des atomes interstitiels d'azote.
  • Comme mentionné ci-dessus, certains aciers austénitiques HNS et HIS présentent notamment d'intéressantes propriétés hypoallergéniques en raison de leur très faible teneur en nickel et de leur résistance à la corrosion. Cependant, les aciers austénitiques HNS et HIS sont très difficiles à usiner, notamment car ils présentent une limite élastique, un taux d'écrouissage et une ductilité très élevés. Des essais montrent, par exemple, que les opérations d'usinage sont deux à trois fois plus longues que pour l'acier 1.4435 et l'usure des outils d'usinage est très importante. L'usinage de ces aciers austénitiques HNS et HIS qui, par bien des aspects, se rapproche de l'usinage du titane, est donc long, difficile et coûteux et constitue le principal frein à l'utilisation de ces aciers notamment dans le domaine de l'horlogerie et de la bijouterie.
  • Dans l'article intitulé « Influence of heat treatment on creep of a Mn-N stabilised austenitic stainless steel » paru dans le Journal of Materials Science, publié par Kluwer Academic Publishers, BO, volume 43, n°. 15, 24 juin 2008, pages 5350-5357, Wisniewski et al. divulgue un procédé de traitement thermique consistant à maintenir un acier austénitique 21-4N à une température de 1200°C pendant une heure, puis à le refroidir dans le four à une vitesse de 6°C/min.
  • Dans l'article intitulé « Stress corrosion cracking, structure, and properties of nitrogen-hardened austenitic chromium-manganese steels » paru dans Fizika Metallov I Metallovedenie, volume 65, n°. 6, 1 janvier 1988, pages 1131-1137, Goikhenberg Yu N et Al divulgue des aciers HNS. Les aciers ont subi un traitement thermique d'austénitisation à 1150°C pendant une demi-heure, avant d'être refroidi à l'air.
  • Dans l'article intitulé « Effect of microstructure on the heat affected zone toughness of high nitrogen containing Ni-free austenitic austenitic stainless steel" paru dans Transactions JWRI, volume 30, n°1, 1 janvier 2001, pages 77-84, Woo Insu, Horinouchi Tsutomu et Kikuchi Yasushi décrivent un procédé de traitement thermique consistant à chauffer rapidement un acier HNS jusqu'à 1300°C, puis à maintenir cet acier à cette température avant de le refroidir selon des vitesses de refroidissement différentes.
  • Le document US 5,714,115 décrit un alliage d'acier austénitique ayant la composition chimique 17,5% Cr, 4% Mo, 11% Mn, 0,02% C, 0,88% N et 0,01% Ni, le résidu étant constitué par du Fe. L'alliage est refondu sous laitier électro-conducteur, puis forgé. Après un recuit en solution à 1150 ° C, on obtient un alliage austénitique homogène, exempt de précipitations et de ferrite delta, c'est-à-dire complètement non magnétique.
  • CN103233174B divulgue un procédé de préparation de l'acier inoxydable austénitique à haute teneur en azote pour stents vasculaires.
  • Il existait donc dans l'état de la technique un besoin pour des aciers austénitiques HNS et HIS qui soient plus facilement usinables tout en conservant leurs propriétés de biocompatibilité, de dureté et de résistance à la corrosion.
    • Résumé de l'invention
  • La présente invention a pour objet un procédé de traitement thermique d'aciers austénitiques de type HNS et HIS dont le but est de rendre de tels aciers austénitiques plus facilement usinables.
  • L'invention est définie par les revendications.
  • A cet effet, la présente invention concerne un procédé de traitement thermique d'un acier austénitique HNS ou HIS renfermant des précipités du type nitrures, carbures ou bien encore carbonitrures de chrome et/ou de molybdène, ce procédé comprenant une étape de:
    • avant usinage, faire apparaître des précipités du type nitrures; carbures ou bien carbonitrures de chrome et/ou de molybdène dans l'acier austénitique HNS ou HIS, ce résultat étant atteint en se munissant d'un alliage d'acier austénitique HNS ou HIS que l'on porte à sa température d'austénitisation ou que l'on fritte à la température d'austénitisation, puis que l'on soumet à un traitement thermique de refroidissement immédiatement depuis la température d'austénitisation, le refroidissement de l'acier austénitique HNS ou HIS résultant étant interrompu lorsque la température à atteint une valeur à laquelle apparaissent des précipités, cet acier austénitique HNS ou HIS étant maintenu à cette température et pendant une durée telle qu'apparaissent des précipités, l'acier austénitique HNS ou HIS étant enfin ramené à température ambiante ;
    ce procédé comprenant en outre une étape qui consiste,
    • après usinage de l'acier austénitique HNS ou HIS renfermant les précipités, à remettre les précipités en solution en portant l'acier austénitique HNS ou HIS à sa température d'austénitisation, puis en refroidissant cet acier austénitique HNS ou HIS suffisamment rapidement pour éviter de reformer des précipités.
  • Ces caractéristiques se révèlent très avantageuses car elles permettent, lorsque cela est souhaité, de faire disparaître les précipités après que les pièces en acier austénitique HNS ou HIS aient été usinées. Dans le cas particulier des pièces d'horlogerie, on pourra notamment mettre cette possibilité à profit pour faire disparaître les précipités dans les éléments d'habillage (carrures, fonds de boîtes de montres, lunettes, couronnes, poussoirs, fermoirs, maillons de bracelets etc.) afin de rendre la matière la plus homogène possible et d'éliminer les contraintes résiduelles. Les aciers résultants auront ainsi une meilleure résistance à la corrosion et une plus grande ductilité. La même chose est vraie lorsque l'on souhaite fabriquer des bijoux.
  • Selon une caractéristique qui ne fait pas partie de l'invention revendiquée, pour faire apparaître des précipités dans l'acier austénitique HNS ou HIS avant usinage, on se munit d'un alliage d'acier austénitique HNS ou HIS que l'on porte à sa température d'austénitisation ou que l'on fritte à la température d'austénitisation, puis, immédiatement depuis la température d'austénitisation, on abaisse la température de l'alliage d'acier austénitique HNS ou HIS de manière suffisamment lente pour qu'apparaissent des précipités du type nitrures, carbures ou bien carbonitrures de chrome et/ou de molybdène dans la structure de l'acier austénitique HNS ou HIS résultant, puis enfin on ramène l'acier austénitique HNS ou HIS à température ambiante.
  • On comprendra que l'étape qui consiste à faire apparaître des précipités dans un acier austénitique HNS ou HIS précède l'étape qui, après usinage de cet acier austénitique HNS ou HIS, consiste à remettre les précipités en solution.
  • On notera également que le procédé de traitement thermique s'applique aussi bien à des pièces obtenues par coulée et traitement thermomécanique subséquent, qu'à des pièces obtenues par la métallurgie des poudres telle que le moulage par injection de métal encore connu sous sa dénomination anglo-saxonne Metal Injection Moulding ou MIM. En effet, immédiatement après frittage de l'alliage à sa température d'austénitisation afin d'obtenir un acier austénitique de type HNS ou HIS, il est possible, selon une méthode qui ne fait pas partie de l'invention revendiquée, de refroidir lentement l'alliage afin de favoriser la formation de précipités.
  • Par refroidissement lent, on entend un refroidissement qui, après austénitisation ou frittage, favorise l'apparition de précipités dans la microstructure des aciers austénitiques HNS et HIS ainsi traités, par opposition au traitement thermique classique de trempe qui consiste à refroidir rapidement les aciers HNS et HIS après austénitisation ou frittage afin d'éviter la formation de précipités.
  • En préconisant de soumettre, immédiatement après austénitisation ou frittage à la température d'austénitisation, les aciers austénitiques HNS et HIS à un traitement thermique de refroidissement lent qui ne fait pas partie de l'invention revendiquée pour favoriser l'apparition de précipités, on va à l'encontre de la pratique habituelle qui consiste à refroidir les alliages le plus rapidement possible afin d'éviter le plus possible la formation de précipités dans les aciers austénitiques HNS et HIS résultants.
  • On a effectivement constaté qu'en soumettant les aciers austénitiques HNS et HIS au procédé de traitement thermique du genre décrit ci-dessus, les atomes d'azote et de carbone par exemple ont tendance à migrer vers les joints de grains et à se combiner assez facilement avec des atomes de chrome ou de molybdène pour former des précipités du type nitrures, carbures ou bien encore carbonitrures de chrome/molybdène. Or, ces précipités ont une très faible adhérence avec la matrice, de sorte qu'ils rendent les copeaux cassants et facilitent les opérations d'usinage.
  • Selon encore un autre mode de mise en œuvre du procédé conforme à l'invention revendiquée, après que l'acier austénitique HNS ou HIS a subi un traitement thermique d'austénitisation ou de frittage à la température d'austénitisation, puis de trempe, on chauffe à nouveau l'acier austénitique HNS ou HIS à une température et pendant une durée telles qu'apparaissent des précipités du type nitrures, carbures ou bien carbonitrures de chrome et/ou de molybdène.
  • Cette seconde variante est la plus pratique car elle permet de pouvoir parfaitement maîtriser les paramètres des différents traitements thermiques.
  • Les première et deuxième variantes de mise en œuvre du procédé de traitement thermique d'un acier austénitique HNS ou HIS sont donc plus particulièrement destinées à l'obtention d'éléments d'habillage pour des pièces d'horlogerie ou de bijouterie, car elles favorisent la résistance à la corrosion de ces aciers. Ces deux variantes ont en commun qu'après application d'un traitement thermique d'austénitisation à un acier austénitique HNS ou HIS et usinage subséquent, on peut en effet amener la pièce résultante à la température de recuit, puis tremper cette dernière afin de remettre les précipités en solution.
  • Selon une troisième variante de mise en œuvre du procédé, on porte un acier austénitique HNS ou HIS à sa température de recuit, autrement dit à sa température d'austénitisation, puis on le refroidit rapidement (trempe) de façon à ce qu'aucun précipité ne se forme, on le déforme à froid puis on amène cet acier austénitique HNS ou HIS à une température et pendant une durée telles qu'apparaissent des précipités du type nitrures, carbures ou bien carbonitrures de chrome et/ou de molybdène.
  • Grâce à ces caractéristiques, la dureté de l'acier austénitique HNS ou HIS obtenue après austénitisation et déformation à froid est très peu affectée par le traitement de précipitation effectué ultérieurement. Par contre, l'usinabilité de tels aciers est sensiblement améliorée.
    • Brève description des figures
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront plus clairement de la description détaillée qui suit d'un exemple de mise en œuvre du procédé de traitement thermique d'aciers austénitiques HNS et HIS conforme à la présente invention, cet exemple étant donné à titre purement illustratif et non limitatif seulement en liaison avec le dessin annexé sur lequel :
    • la figure 1 est un diagramme schématique temps-température-transformation qui illustre le traitement thermique d'un acier austénitique HNS ou HIS selon la variante de mise en œuvre du procédé qui ne fait pas partie de l'invention revendiquée ;
    • la figure 2 est un diagramme schématique temps-température-transformation qui illustre le traitement thermique d'un acier austénitique HNS ou HIS selon la première variante de mise en œuvre du procédé ;
    • la figure 3 est un diagramme schématique temps-température-transformation qui illustre le traitement thermique d'un acier austénitique HNS ou HIS selon la deuxième variante de mise en œuvre du procédé ;
    • la figure 4 est une vue d'une coupe métallographique d'un échantillon d'acier HIS X20CrMnMoN17-11-3 qui a été recuit à sa température d'austénitisation puis trempé et qui ne présente pas de précipités ;
    • la figure 5 est une vue d'une coupe métallographique d'un échantillon d'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 ayant subi un traitement thermique conforme à la deuxième variante de mise en œuvre du procédé ;
    • la figure 6 est une vue d'une coupe métallographique d'un échantillon d'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 ayant subi un traitement thermique conforme à la troisième variante de mise en œuvre du procédé ;
    • la figure 7 est un graphe qui montre l'évolution de la dureté de l'échantillon d'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 de la figure 6 en fonction de la température à laquelle cet acier est porté pour former les précipités.
    • la figure 8 est une vue d'une coupe métallographique d'un échantillon d'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 ayant subi un écrouissage plus important que l'échantillon d'acier austénitique de la figure 6 avant un traitement thermique conforme à la troisième variante de mise en œuvre du procédé, et
    • la figure 9 est un graphe qui montre l'évolution de la dureté de l'échantillon d'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 de la figure 8 en fonction de la température à laquelle cet acier est porté pour former les précipités.
    Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention
  • La présente invention procède de l'idée générale inventive qui consiste à soumettre les aciers austénitiques HNS et HIS à un traitement thermique visant à faire repasser en solution des précipités que l'on a fait apparaître dans de tels aciers austénitiques HNS ou HIS par exemple lors d'un traitement préalable de précipitation. Par traitement thermique de précipitation, on entend un traitement qui vise à placer ces aciers austénitiques HNS et HIS pendant une certaine durée dans des conditions de température qui permettent l'apparition de précipités tels que des nitrures, des carbures ou des carbonitrures, notamment de molybdène et/ou de chrome. On a en effet observé que ces précipités sont généralement peu liés à la matrice du matériau, de sorte qu'ils favorisent la formation et l'enlèvement des copeaux lors de l'usinage des pièces. Ainsi, conformément à l'invention, il est possible, après usinage de pièces réalisées en un acier austénitique HNS ou HIS renfermant des précipités, de soumettre ces pièces à un second traitement d'austénitisation qui consiste à porter à nouveau ces pièces à leur température de recuit, puis à les tremper de manière à remettre les précipités en solution solide. Comme le fait de porter après usinage les aciers austénitiques HNS et HIS une seconde fois à leur température de recuit provoque une élimination des contraintes internes dans le matériau et donc une diminution de sa dureté, on réservera de préférence mais non limitativement ce traitement de recuit à des éléments d'habillage pour montres ou pour bijoux pour lesquels la résistance à la corrosion et l'aptitude au polissage sont des propriétés plus importantes que la dureté.
  • On comprendra que les diagrammes illustrés aux figures 1 à 3 sont des représentations schématiques simplifiées. En effet, chaque composition d'acier austénitique HNS ou HIS a un diagramme temps-température-transformation qui lui est propre et qui est également fonction de la nature du précipité considéré.
  • La figure 1 est un diagramme temps (t) - température (T) - transformation qui illustre le traitement thermique d'un acier austénitique HNS ou HIS selon la variante de mise en œuvre du procédé qui ne fait pas partie de l'invention revendiquée. Soit Tr1 la température d'austénitisation ou de recuit d'un acier austénitique de type HNS ou HIS et soit a la courbe qui, sur le diagramme temps-température-transformation de la figure 1, délimite une aire qui correspond à des conditions de temps et de température qui permettent la formation de précipités. On désigne par 1 la courbe de refroidissement rapide qui permet de ramener l'acier austénitique HNS ou HIS depuis sa température de recuit jusqu'à la température ambiante en évitant toute formation de précipités, et par 2 la courbe de refroidissement qui combine les paramètres temps et température de façon telle qu'en abaissant la température de l'acier austénitique HNS ou HIS suivant cette courbe 2, on permet l'apparition de précipités dans cet acier.
  • La figure 2 est un diagramme temps (t) - température (T) - transformation qui illustre le traitement thermique d'un acier austénitique HNS ou HIS selon la première variante de mise en œuvre du procédé. Soit Tr2 la température d'austénitisation ou de recuit d'un acier austénitique de type HNS ou HIS et soit b la courbe qui, sur le diagramme temps-température-transformation de la figure 2, délimite une aire qui correspond à des conditions de temps et de température qui permettent la formation de précipités. On commence par refroidir rapidement l'acier austénitique HNS ou HIS depuis sa température de recuit Tr2 selon la courbe 4, puis on interrompt le refroidissement de l'acier austénitique HNS ou HIS lorsque la température à atteint une valeur Tp2 à laquelle peuvent apparaître des précipités, et on maintient cet acier à cette température Tp2 pendant une durée telle qu'apparaissent des précipités (courbe 6). Finalement, on ramène l'acier à température ambiante (courbe 8).
  • La figure 3 est un diagramme temps (t) - température (T) - transformation qui illustre le traitement thermique d'un acier austénitique HNS ou HIS selon la deuxième variante de mise en œuvre du procédé. Soit Tr3 la température d'austénitisation ou de recuit d'un acier austénitique de type HNS ou HIS et soit c la courbe qui, sur le diagramme temps-température-transformation de la figure 3, délimite une aire qui correspond à des conditions de temps et de température qui permettent la formation de précipités. L'acier dont il est question ici est un acier austénitique HNS ou HIS qui a été refroidi suffisamment rapidement depuis sa température de recuit Tr3 jusqu'à la température ambiante pour pouvoir éviter toute formation de précipités. Conformément à la deuxième variante de mise en œuvre du procédé, un tel acier austénitique HNS ou HIS est chauffé selon la courbe 10 et maintenu à une température et pendant une durée telles qu'apparaissent des précipités (courbe 12), puis est refroidi (courbe 14).
  • La troisième variante de mise en œuvre du procédé ne diffère de la deuxième variante du même procédé qu'en ce que, après traitement de reçut suivi d'une trempe et avant le traitement de précipitation, l'acier austénitique HNS ou HIS est écroui, c'est-à-dire déformé à froid. Le traitement thermique qui consiste à porter un acier austénitique à une température et pendant une durée telles que des précipités se forment est donc appliqué, dans cette quatrième variante, à un matériau préalablement durci par écrouissage.
  • Enfin, la quatrième et dernière variante de mise en œuvre du procédé consiste à soumettre l'acier austénitique à un traitement de déformation à froid après traitement thermique selon l'une des trois premières variantes de mise en œuvre.
  • Différents essais ont été menés sur l'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3.
  • La figure 4 est une vue d'une coupe métallographique d'un échantillon d'acier HIS X20CrMnMoN17-11-3 qui a été recuit à sa température d'austénitisation puis trempé. On remarque à l'examen de cette figure que les joints de grains sont peu marqués, ce qui dénote l'absence de précipités.
  • La figure 5 est une vue d'une coupe métallographique d'un échantillon d'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 ayant subi un traitement thermique conforme à la deuxième variante de mise en œuvre du procédé.
  • Comme on peut e voir à l'examen de la figure 5, les joints de grains sont marqués, ce qui dénote la présence en quantités importantes de précipités le long de ces joints de grains. On voit même (zones entourées d'un cercle sur la figure 5) que certains précipités, plus gros, ont crû à l'intérieur des grains depuis les joints de grains. Une telle concentration en précipités a pu être obtenue en portant, après refroidissement rapide depuis la température de recuit, l'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 à une température de 800°C pendant deux heures.
  • Pour certaines applications, comme des composants d'un mouvement horloger, il n'est pas envisageable de recuire les pièces (après traitement de précipitation) dans la mesure où l'on souhaite préserver la dureté obtenue après déformation à froid. Des échantillons d'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 ont donc été soumis à un procédé de traitement thermique conforme à la troisième variante de mise en œuvre du procédé et consistant, après traitement de recuit suivi d'une trempe et écrouissage, à porter l'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 à une température et pendant une durée telles que des précipités se forment. On a observé qu'après déformation à froid, la formation des précipités est beaucoup plus rapide. En effet, les dislocations et les lacunes induites par la déformation à froid créent des chemins de diffusion favorables à la germination et à la croissance des précipités.
  • La figure 6 est une vue d'une coupe métallographique d'un échantillon d'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 qui se présente sous la forme d'un barreau dont le diamètre extérieur est ramené de 3 mm à 2,5 mm par déformation à froid par tréfilage, soit une réduction de diamètre de 16,6%. Conformément à la troisième variante de mise en œuvre du procédé, cet échantillon a ensuite été porté à une température de 800°C pendant deux heures suivant la courbe de température représentée à la figure 3. On voit que l'acier présente de nombreux précipités, aussi bien aux joints de grains qu'à l'intérieur des grains.
  • La figure 7 est un graphe qui montre l'évolution de la dureté de l'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 de la figure 6 en fonction de la température à laquelle cet acier est porté pour former les précipités. On observe que la dureté de l'acier austénitique sans traitement de précipitation et après écrouissage à froid est de 450 HV10 (symbole en forme de carré sur le graphe). Le même acier austénitique est, après écrouissage à froid, traité thermiquement conformément à la troisième variante de mise en œuvre du procédé. Des échantillons de cet acier sont portés respectivement à des températures de 750°C, 800°C, 850°C, 900°C et 950°C pendant une durée de deux heures, puis refroidis (symboles en forme de losange sur le graphe). On observe que, pour les échantillons chauffés entre 700°C et 900°C, la dureté est comprise entre environ 425 HV10 et 375 HV10. Autrement dit, la dureté de ces échantillons d'acier austénitique traités thermiquement conformément à la troisième variante du procédé varie peu par rapport à la dureté de l'acier austénitique écroui mais n'ayant pas fait l'objet d'un traitement de précipitation. Par contre, l'usinabilité des échantillons d'acier austénitique ayant subi un traitement thermique de précipitation selon cette troisième variante du procédé est nettement améliorée. Seul l'échantillon d'acier austénitique chauffé à 950°C pendant deux heures a une dureté sensiblement inférieure à celle de l'acier austénitique sans traitement de précipitation (moins de 350 HV10). Enfin, un échantillon d'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 ayant subi uniquement un traitement de recuit suivi d'une trempe (symbole en forme de triangle sur le graphe) a une dureté inférieure à 250 HV10.
  • La figure 8 est une vue d'une coupe métallographique d'un échantillon d'acier austénitique HIS X20CrMnMoN17-11-3 qui se présente sous la forme d'un barreau dont le diamètre extérieur est ramené de 3 mm à 2 mm par déformation à froid par tréfilage, soit une réduction de diamètre plus importante encore de 33,3 %. Cet échantillon d'acier subit le même traitement thermique qu'à la figure 6 en étant porté à une température de 800°C pendant deux heures conformément à la troisième variante de mise en œuvre du procédé. On voit que, comparé à la figure 6, le phénomène de précipitation est encore plus prononcé puisque, outre les précipités qui se forment le long des joints de grains et depuis les joints de grains vers l'intérieur des grains, on a une forte concentration de précipités à l'intérieur-même des grains.
  • La figure 9 est un graphe qui montre l'évolution de la dureté de l'acier de la figure 8 en fonction de la durée et de la température à laquelle cet acier est porté après écrouissage pour former les précipités. On observe que la dureté de l'acier austénitique sans traitement de précipitation et après écrouissage à froid est compris entre 550 HV10 et 560 HV10 (symbole en forme de carré sur le graphe). Cette dureté est plus grande que celle à la figure 7 car le taux d'écrouissage est plus élevé. Les symboles en forme de losange sur la figure 9 correspondent à des échantillons d'acier austénitique portés à des températures respectives de 700°C, 750°C, 800°C et 850°C pendant 45 minutes. Les symboles en forme de rond correspondent à des échantillons d'acier austénitique portés à des températures respectives de 700°C, 750°C, 800°C et 850°C pendant deux heures. Si l'on compare les graphes des figures 7 et 9, on observe que plus le taux d'écrouissage est élevé, plus la formation de précipités est facilitée. En effet, les tensions mécaniques au cœur de l'acier permettent de faire germer et croître les précipités.
  • On observe que, pour une même température de traitement de précipitation, la dureté des échantillons d'acier austénitique est plus faible lorsque la durée du traitement de précipitation est plus longue. On observe également que, pour une même durée de traitement de deux heures, la dureté de l'acier est d'autant plus faible que la température de précipitation est élevée. Toutefois, ces graphes montrent qu'il est possible d'obtenir des aciers avec de nombreux précipités et dont les duretés sont néanmoins proches des duretés initiales.
  • Il va de soi que la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit et que diverses modifications et variantes simples peuvent être envisagées par l'homme du métier sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications annexées. Quelques exemples non limitatifs d'aciers HNS et HIS auxquels le procédé de précipitation peut être appliqué sont: X5CrMnN18-18, X8CrMnN19-19, X8CrMnMoN18-18-2, X13CrMnMoN18-14-3, X20CrMnMoN17-11-3 ou bien encore X5MnCrMoN23-21. Enfin, quelques exemples de précipités qui peuvent se former durant le procédé de précipitation sont : M23C, MC, M6C ou bien encore M2N, où M désigne un ou plusieurs des éléments métalliques de l'alliage pouvant se combiner au carbone ou à l'azote pour former des carbures ou nitrures ou carbonitrures. L'invention s'applique notamment aux bijoux et aux éléments d'habillage des pièces d'horlogerie.
  • On a compris, de ce qui précède, qu'il est avantageux d'usiner un élément, par exemple de bijou ou bien d'une montre-bracelet, à l'aide d'un acier austénitique de type HNS ou HIS renfermant des précipités. Il peut cependant être également avantageux, après usinage, de faire disparaître ces précipités. En effet, si les précipités rendent les opérations d'usinage plus aisées en favorisant la formation et l'enlèvement des copeaux lors de l'usinage des pièces, il peut être intéressant d'éliminer ces copeaux après usinage afin d'améliorer la ductilité et la résistance de ces pièces à la corrosion. C'est pourquoi, la présente invention enseigne un procédé de traitement thermique d'un acier austénitique HNS ou HIS renfermant des précipités, ce procédé comprenant l'étape qui consiste, après usinage de pièces, notamment de bijouterie ou d'horlogerie, réalisées au moyen d'un acier austénitique HNS ou HIS renfermant des précipités, à remettre les précipités en solution en portant ces pièces en acier austénitique HNS ou HIS à leur température d'austénitisation, puis en refroidissant ces pièces suffisamment rapidement, typiquement par trempe, pour empêcher les précipités de se former à nouveau. Par opérations d'usinage, on entend notamment mais non exclusivement les opérations d'alésage, de fraisage, de perçage, de filetage, de taraudage et de découpage.

Claims (3)

  1. Procédé de traitement thermique d'un acier austénitique du type High Nitrogen Steel ou acier austénitique HNS, ou bien d'un acier austénitique du type High Interstitial Steel ou acier austénitique HIS, cet acier austénitique HNS ou HIS renfermant des précipités du type nitrures, carbures ou carbonitrures de chrome et/ou de molybdène, ce procédé comprenant une étape de:
    • avant usinage, faire apparaître des précipités du type nitrures; carbures ou bien encore carbonitrures de chrome et/ou de molybdène dans l'acier austénitique HNS ou HIS, ce résultat étant atteint en se munissant d'un alliage d'acier austénitique HNS ou HIS que l'on porte à sa température d'austénitisation ou que l'on fritte à la température d'austénitisation, puis que l'on soumet à un traitement thermique de refroidissement immédiatement depuis la température d'austénitisation, le refroidissement de l'acier austénitique HNS ou HIS résultant étant interrompu lorsque la température a atteint une valeur à laquelle apparaissent les précipités, cet acier austénitique HNS ou HIS étant maintenu à cette température et pendant une durée telle qu'apparaissent les précipités, l'acier austénitique HNS ou HIS étant enfin ramené à température ambiante;
    ce procédé comprenant en outre une étape qui consiste,
    • après usinage de l'acier austénitique HNS ou HIS renfermant les précipités, à remettre les précipités en solution en portant l'acier austénitique HNS ou HIS à sa température d'austénitisation, puis en refroidissant cet acier austénitique HNS ou HIS suffisamment rapidement pour éviter de reformer des précipités.
  2. Procédé de traitement thermique d'un acier austénitique du type High Nitrogen Steel ou acier austénitique HNS, ou bien d'un acier austénitique du type High Interstitial Steel ou acier austénitique HIS, cet acier austénitique HNS ou HIS renfermant des précipités du type nitrures, carbures ou carbonitrures de chrome et/ou de molybdène, ce procédé comprenant une étape de:
    • avant usinage, faire apparaître des précipités du type nitrures; carbures ou bien encore carbonitrures de chrome et/ou de molybdène dans l'acier austénitique HNS ou HIS, ce résultat étant atteint en soumettant l'alliage d'acier austénitique HNS ou HIS à un traitement thermique d'austénitisation ou de frittage à la température d'austénitisation, puis en trempant cet alliage d'acier austénitique HNS ou HIS et en le chauffant à nouveau jusqu'à une température et pendant une durée telle qu'apparaissent des précipités du type nitrures, carbures ou bien encore carbonitrures de chrome et/ou de molybdène;
    ce procédé comprenant en outre une étape qui consiste,
    • après usinage de l'acier austénitique HNS ou HIS renfermant les précipités, à remettre les précipités en solution en portant l'acier austénitique HNS ou HIS à sa température d'austénitisation, puis en refroidissant cet acier austénitique HNS ou HIS suffisamment rapidement pour éviter de reformer des précipités.
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel après la trempe et avant d'amener l'acier austénitique HNS ou HIS à une température et pendant une durée telles qu'apparaissent des précipités du type nitrures, carbures ou bien encore carbonitrures de chrome et/ou de molybdène, on déforme à froid l'acier austénitique HNS ou HIS.
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