La présente invention concerne un nouvel acier de type 20CrMoCo à faible teneur en carbone pour traitement thermochimique en particulier destiné au domaine des transmissions telles que les roulements et les engrenages.

Les roulements sont des organes mécaniques permettant d'assurer des mouvements relatifs et contraints en orientation et direction entre deux pièces. Les roulements comprennent plusieurs composants : bague interne, bague externe ainsi que des corps roulants (bille ou cylindre) disposés entre ces deux bagues. Pour assurer une fiabilité et des performances dans le temps, il est important que ces différents éléments aient de bonnes propriétés en fatigue de roulement, usure, etc.,...

Les engrenages sont des organes mécaniques de transmission de puissance. Pour assurer une densité de puissance favorable (ratio de puissance transmise par l'encombrement des engrenages) et la fiabilité de fonctionnement, les engrenages doivent présenter des bonnes propriétés en fatigue structurale (pied de dent) et fatigue de contact (flans de dent). Les techniques conventionnelles pour réaliser ces composants métalliques ont recours à des procédés d'élaboration d'aciérie électrique suivies d'opérations éventuelles de refusion, ou de refusions sous vide simples ou multiples. Les lingots ainsi réalisés sont ensuite mis en forme par des procédés de transformation à chaud comme le laminage ou le forgeage sous forme de barre, de tube ou de bague. II existe deux types de métallurgie pour assurer les propriétés mécaniques finales.

1er Type : la composition chimique du composant permet d'obtenir les propriétés mécaniques directement après traitement thermique adapté. 2ème Type : le composant requiert un traitement thermochimique permettant d'enrichir la surface en éléments interstitiels comme le carbone et l'azote. Cet enrichissement en général superficiel en éléments chimiques permet alors d'obtenir de hautes propriétés mécaniques après traitement thermique sur des profondeurs de quelques millimètres maximum. Ces aciers présentent en général de meilleures propriétés en ductilité que les aciers du 1er Type.

Il existe aussi des procédés thermochimiques appliqués aux aciers du 1er type visant à enrichir la surface en azote pour obtenir de très hautes propriétés mécaniques.

La première des propriétés requises dans le domaine du roulement ou des engrenages est l'obtention d'un très haut niveau de dureté. Ces aciers de type 1 et de type 2 présentent généralement des niveaux de dureté superficielles supérieures à 58 HRC. Les nuances les plus répandues et connues sous le vocable M50 (0,8%C-4%Cr-4,2%Mo-l%V), ou 50NÎL (0,12%C-4%Cr-4,2%Mo-3,4%Ni-l%V) ne dépassent pas après traitement thermochimique éventuel et traitement thermique adapté une dureté superficielle de 63 HRC.

La demande GB2370281 décrit un acier pour siège de soupape par la technologie de la métallurgie des poudres compactée à partir de mélanges de poudre d'une base fer et de particules plus dures dont la matrice a la composition suivante, en pourcentages en poids de la composition totale :

Carbone : 0,2-2,0;

Chrome : 1,0-9,0;

Molybdène : 1,0-9,0;

Silicium : 0,1-1,0; Tungstène : 1,0-3,0;

Vanadium : 0,1-1,0;

Nickel+ Cobalt + Cuivre : 3,0-15,0;

Fer : solde

Toutefois cette matrice comprend de 5 à 40% en volume de perlite, ce qui a pour conséquence un manque de ductilité de cette matrice et donc une fragilisation.

La demande de brevet WO2015/082342 décrit un acier pour roulement ayant la composition suivante, en pourcentages en poids de la composition totale :

Carbone : 0,05-0,5;

Chrome : 2,5-5,0;

Molybdène : 4-6;

Tungstène : 2-4,5;

Vanadium : 1-3;

Nickel : 2-4;

Cobalt : 2-8;

Fer : solde

ainsi que les impuretés inévitables, optionnellement comprenant en outre, un ou plusieurs des éléments suivants :

Niobium : 0-2 ;

Azote : 0-0,5;

Silicium : 0-0,7;

Manganèse : 0-0,7;

Aluminium : 0-0,15;

et en particulier la nuance MIX5 de composition (0,18%C-3,45%Cr- 4,93%Mo-3,05%W-2,09%V-0,30%Si-2,89%Ni-5,14%Co-0,27%Mn) qui est la plus intéressante car présentant la plus grande dureté superficielle. Cette nuance permet d'atteindre une dureté superficielle après traitement de mise en solution à 1150°C et revenu à 560°C à un niveau maximal de dureté d'environ 800 HV, soit un équivalent de 64 H C maximum (exemple comparatif 1).

L'obtention de duretés superficielles supérieures à 64 HRC, en particulier à l'aide d'un traitement thermique de mise en solution à une température inférieure ou égale à 1160°C, est donc difficile à obtenir alors qu'elles permettraient d'améliorer significativement les propriétés du composant.

Les inventeurs se sont aperçus de façon surprenante qu'en abaissant la teneur en tungstène de l'acier décrit dans la demande WO2015/082342, l'acier obtenu présentait, après traitement thermochimique, en particulier de cémentation et/ou nitruration, une dureté superficielle très élevée et même supérieure ou égale à 64 HRC après un traitement thermique de mise en solution à une température comprise dans la gamme 1100°C - 1160°C et revenu à une température supérieure ou égale à 475°C.

Ceci n'était pas du tout évident au vu de ce document qui incitait à utiliser une teneur élevée en tungstène telle que dans la nuance MIX5 (3% de tungstène) qui est considérée comme la composition présentant la meilleure dureté.

La demande de brevet US2004/0187972 décrit un acier ayant une teneur en tungstène comprise entre 0,5 et 2%. Toutefois un tel acier a une haute teneur en carbone (0,5-0,75%) et est donc difficilement cémentable et/ou nitrurable. Il n'appartient donc pas au même domaine technique que les aciers de la demande WO2015/082342 ni que les aciers selon la présente invention. En outre ce document justifie la fourchette en tungstène comprise entre 0,5 et 2% selon le paragraphe [0035] de la façon suivante:

0,5% : contribution à la dureté à chaud par mise en solution dans la matrice

- 2% : maximum pour limiter très fortement la formation de carbure M6C stables à haute température.

Il enseigne donc bien que le tungstène est connu de l'homme de l'art pour son action favorable concernant l'augmentation de dureté non seulement à chaud mais aussi à température ambiante. La seule raison pour limiter sa teneur dans ce document est donc d'éviter la formation de carbure M6C stables à haute température.

Or l'équilibre thermodynamique de l'acier décrit dans ce document est notablement différent de celui de la demande WO2015/082342 ou de celui selon la présente invention.

Ainsi la présence de carbure M6C n'est pas proscrit dans le cadre de la présente invention. L'homme du métier ne cherchera donc pas au vu de l'enseignement de ce document à diminuer la quantité de tungstène de l'acier de la demande WO2015/082342. Il aurait au contraire tendance à l'augmenter pour améliorer la dureté de cet acier.

Ainsi le fait que la baisse du niveau de tungstène de l'acier de la demande WO2015/082342 entraîne une augmentation de la dureté superficielle est donc totalement inattendu pour l'homme du métier.

La présente invention concerne donc une composition d'acier, avantageusement cémentable et/ou nitrurable, plus avantageusement cémentable, comprenant, avantageusement constituée essentiellement de, en particulier constituée de, en pourcentages en poids de la composition totale: Carbone : 0,05-0,40, de préférence 0,10-0,30 ;

Chrome : 2,50-5,00, de préférence 3,00-4,50;

Molybdène : 4,00-6,00;

Tungstène : 0,01 - 1,80, de préférence 0,02-1,50 ;

Vanadium : 1,00-3,00, de préférence 1,50-2,50;

Nickel : 2,00-4,00;

Cobalt : 2,00-8,00, de préférence 3,00-7,00;

Fer : solde

ainsi que les impuretés inévitables,

optionnellement comprenant en outre, un ou plusieurs des éléments suivants :

Niobium : < 2,00 ;

Azote : < 0,50, de préférence < 0,20 ;

Silicium : < 0,70, de préférence 0,05-0,50;

Manganèse :≤ 0,70, de préférence 0,05-0,50;

Aluminium : <0,15, de préférence < 0,10 ;

la teneur combinée en Niobium + Vanadium étant comprise dans la gamme 1,00-3,50 ;

et la teneur en Carbone + Azote étant comprise dans la gamme 0,05-0,50.

Une composition particulièrement intéressante comprend, avantageusement est constituée essentiellement de, en particulier est constituée de, en pourcentages en poids de la composition totale:

Carbone : 0,10-0,30, de préférence 0,15-0,25 ;

Chrome : 3,00-4,50, de préférence 3,50-4,50;

Molybdène : 4,00-6,00, de préférence 4,50-5,50;

Tungstène 0,02 -1,50, de préférence 0,03 -1,40 ;

Vanadium : 1,50-2,50; de préférence 1,70-2,30 ; Nickel : 2,00-4,00, de préférence 2,50-3,50 ;

Cobalt : 3,00- 7,00, de préférence 4,00-6,00;

Silicium : 0,05-0,50, de préférence 0,05-0,30;

Manganèse : 0,05-0,50, de préférence 0,05-0,30;

Fer : solde

ainsi que les impuretés inévitables,

optionnellement elle comprend en outre, un ou plusieurs des éléments suivants :

Niobium : < 2,00 ;

Azote : < 0,20 ;

Aluminium : <0,10 ;

la teneur combinée en Niobium + Vanadium étant comprise dans la gamme 1,00-3,50 ;

et la teneur en Carbone + Azote étant comprise dans la gamme 0,05-0,50.

En particulier les impuretés inévitables, notamment choisies parmi le Titane (Ti), le Soufre (S), le Phosphore (P), le Cuivre (Cu), l'Etain (Sn), le Plomb (Pb), l'Oxygène (O) et leurs mélanges, sont maintenues au plus bas niveau. Ces impuretés sont généralement dues essentiellement au procédé de fabrication et à la qualité de l'enfournement. De façon avantageuse la composition selon l'invention comprend au plus 1% en poids d'impuretés inévitables, avantageusement au plus 0,75% en poids, encore plus avantageusement au plus 0,50% en poids, par rapport au poids total de la composition.

Les éléments formateurs de carbures, qui ont aussi un effet stabilisant sur la ferrite, éléments dits alphagènes, sont essentiels à la composition d'acier selon l'invention de façon à fournir suffisamment de dureté, de résistance à la chaleur et à l'usure. Afin d'obtenir une microstructure exempte de ferrite qui fragiliserait le composant, il est nécessaire d'ajouter des éléments stabilisateurs de l'austénite, éléments dits gammagènes. Une combinaison correcte d'éléments stabilisateurs de l'austénite (Carbone, Nickel, Cobalt et Manganèse) et d'éléments stabilisateurs de la ferrite (Molybdène, Tungstène, Chrome, Vanadium et Silicium) permet d'obtenir une composition d'acier selon l'invention ayant des propriétés supérieures, en particulier après traitement thermochimique tel que la cémentation.

La composition d'acier selon l'invention comprend donc du carbone (C) en une teneur comprise dans la gamme 0,05-0,40%, de préférence 0,10- 0,30%, encore plus préférée 0,15-0,25%, encore plus avantageusement 0,18-0,20% en poids par rapport au poids total de la composition. En effet le Carbone (C) stabilise la phase austénitique de l'acier aux températures de traitement thermique et est essentielle pour la formation de carbures qui apportent les propriétés mécaniques en générale notamment la résistance mécanique, la haute dureté, la résistance à la chaleur et à l'usure. La présence d'une petite quantité de carbone dans un acier est bénéfique pour éviter la formation de particules intermétalliques indésirables et fragiles et pour former de petites quantités de carbures pour éviter la croissance excessive des grains pendant la trempe. La teneur initiale en carbone ne devra toutefois pas être trop élevée puisqu'il est possible d'augmenter la dureté superficielle des composants formés à partir de la composition d'acier par cémentation. Pendant la cémentation, le carbone est implanté dans les couches de surface du composant, de façon à obtenir un gradient de dureté. Le carbone est le principal élément pour le contrôle de la dureté de la phase martensitique formée après cémentation et traitement thermique. Dans un acier cémenté, il est essentiel d'avoir un cœur solide avec une faible teneur en carbone tout en ayant une surface dure avec une forte teneur en carbone après traitement thermochimique de cémentation.

La composition d'acier selon l'invention comprend en outre du Chrome (Cr) en une teneur comprise dans la gamme 2,50-5,00%, de préférence 3,00-4,50%, encore plus préférée 3,50-4,50%, encore plus avantageusement 3,80-4,00% en poids par rapport au poids total de la composition.

Le Chrome contribue à la formation de carbures dans l'acier et est, après le carbone, l'élément principal qui contrôle la trempabilité des aciers.

Toutefois le Chrome peut aussi favoriser la ferrite et l'austénite résiduelle. De plus, augmenter la teneur en Chrome réduit la température maximale de trempe. La teneur en Chrome de la composition d'acier selon l'invention ne doit donc pas être trop élevée.

La composition d'acier selon l'invention comprend également du Molybdène (Mo) en une teneur comprise dans la gamme 4,00-6,00%, de préférence 4,50-5,50%, encore plus préférée 4,80-5,20%, en poids par rapport au poids total de la composition.

Le Molybdène améliore la tenue au revenu, la résistance à l'usure et la dureté de l'acier. Toutefois, le Molybdène a un fort effet stabilisant sur la phase ferrite et ne doit donc pas être présent en trop grande quantité dans la composition d'acier selon l'invention.

La composition d'acier selon l'invention comprend de plus du Tungstène (W) en une teneur comprise dans la gamme 0,01-1,80%, de préférence 0,02-1,50 %, encore plus préférée 0,03-1,40 %, avantageusement 0,04-1,30%, encore plus avantageusement 0,05-1,30%, en particulier 0,1-1,30% en poids par rapport au poids total de la composition.

Le tungstène est un stabilisant de ferrite et un élément fortement formateur de carbures. Il améliore la résistance au traitement thermique et à l'usure et la dureté par formation de carbures. Il est cependant très coûteux et en tant que stabilisateur de la ferrite abaisse également la dureté superficielle de l'acier et surtout les propriétés de ductilité et ténacité. Pour que cet élément joue pleinement son rôle, il est nécessaire de procéder à des mises en solution à haute température.

La composition d'acier selon l'invention comprend en outre du Vanadium (V) en une teneur comprise dans la gamme 1,00-3,00%, de préférence 1,50-2,50 %, encore plus préférée 1,70-2,30 %, avantageusement 2,00- 2,30%, en particulier 2,00-2,20%, en poids par rapport au poids total de la composition.

Le Vanadium stabilise la phase ferrite et a une forte affinité avec le carbone et l'azote. Le Vanadium apporte la résistance à l'usure et au revenu par formation de carbures de vanadium durs. Le Vanadium peut être en partie substitué par le niobium (Nb), qui a des propriétés similaires.

La teneur combinée en Niobium + Vanadium doit donc être comprise dans la gamme 1,00-3,50 % en poids par rapport au poids total de la composition.

Si le Niobium est présent, sa teneur doit être ≤ 2,00 % en poids par rapport au poids total de la composition. Avantageusement, la composition d'acier selon l'invention ne comprend pas de Niobium. La composition d'acier selon l'invention comprend également du Nickel (Ni) en une teneur comprise dans la gamme 2,00-4,00%, de préférence 2,50-3,50 %, encore plus préférée 2,70-3,30 %, avantageusement 3,00-3,20%, en poids par rapport au poids total de la composition.

Le Nickel favorise la formation d'austénite et donc inhibe la formation de ferrite. Un autre effet du Nickel est de décroître la température Ms, c'est- à-dire la température à laquelle la transformation d'austénite en martensite commence lors du refroidissement. Cela peut empêcher la formation de martensite. La quantité de Nickel doit donc être contrôlée de façon à éviter la formation d'austénite résiduelle dans les composants cémentés. La composition d'acier selon l'invention comprend de plus du Cobalt (Co) en une teneur comprise dans la gamme 2,00-8,00%, de préférence 3,00- 7,00%, encore plus préférée 4,00-6,00%, avantageusement 4,50-5,50%, plus avantageusement 4,90-5,40%, plus particulièrement 4,90-5,20%, en poids par rapport au poids total de la composition.

Le Cobalt est un élément fortement stabilisateur de l'austénite qui empêche la formation de ferrite indésirable. Contrairement au Nickel, le Cobalt augmente la température Ms, ce qui à son tour diminue la quantité d'austénite résiduelle. Le Cobalt, en association avec le Nickel, permet la présence de stabilisateurs de ferrite tels que les éléments formateurs de carbures Mo, W, Cr et V. Les éléments formateurs de carbures sont essentiels pour l'acier selon l'invention en raison de leur effet sur la dureté, la résistance à la chaleur et à l'usure. Le Cobalt a un petit effet d'augmentation de la dureté sur l'acier. Toutefois, l'augmentation de la dureté est corrélée à la décroissance de la ténacité. Il ne faut donc pas que la composition d'acier selon l'invention contienne une quantité trop importante de Cobalt. La composition d'acier selon l'invention peut en outre comprendre du Silicium (Si) en une teneur < 0,70%, en poids par rapport au poids total de la composition. Avantageusement, elle comprend du Silicium, en particulier en une teneur comprise dans la gamme 0,05-0,50%, de préférence 0,05-0,30%, avantageusement 0,07-0,25%, encore plus avantageusement 0,10-0,20%, en poids par rapport au poids total de la composition.

Le Silicium stabilise fortement la ferrite, mais est souvent présent lors du procédé de fabrication de l'acier lors de la désoxydation de l'acier liquide. Des teneurs faibles en oxygène sont en effet également importantes pour obtenir de faibles niveaux d'inclusions non-métalliques et de bonnes propriétés mécaniques telles que la résistance à la fatigue et la résistance mécanique.

La composition d'acier selon l'invention peut en outre comprendre du Manganèse (Mn) en une teneur < 0,70%, en poids par rapport au poids total de la composition. Avantageusement, elle comprend du Manganèse, en particulier en une teneur comprise dans la gamme 0,05-0,50%, de préférence 0,05-0,30%, avantageusement 0,07-0,25%, encore plus avantageusement 0,10-0,22%, encore plus particulièrement 0,10-0,20% en poids par rapport au poids total de la composition.

Le Manganèse stabilise la phase austénite et décroit la température Ms dans la composition d'acier. Le Manganèse est en général ajouté dans les aciers lors de leur fabrication de façon à s'attacher au Soufre par formation de sulfure de Manganèse pendant la solidification. Cela supprime le risque de formation de sulfures de Fer qui ont un effet défavorable sur l'usinage à chaud des aciers. Le Manganèse fait aussi partie de l'étape de désoxydation comme le Silicium. La combinaison du Manganèse avec le Silicium donne une désoxydation plus efficace que chacun de ces éléments seuls.

Optionnellement, la composition d'acier selon l'invention peut comprendre de l'Azote (N¾), en une teneur < 0,50%, de préférence < 0,20 %, en poids par rapport au poids total de la composition.

L'Azote favorise la formation d'austénite et abaisse la transformation d'austénite en martensite. L'Azote peut dans une certaine mesure remplacer le Carbone dans l'acier selon l'invention. Toutefois la teneur en Carbone + Azote doit être comprise dans la gamme 0,05-0,50% en poids par rapport au poids total de la composition.

De façon optionnelle, la composition d'acier selon l'invention peut comprendre de l'Aluminium (Al), en une teneur < 0,15%, de préférence < 0,10 %, en poids par rapport au poids total de la composition.

L'Aluminium (Al) peut en effet être présent lors du procédé de fabrication de l'acier selon l'invention et contribue de manière très efficace à la désoxydation de l'acier liquide. C'est en particulier le cas lors des procédés de refusion tels que le procédé VIM-VAR. La teneur en Aluminium est en générale plus élevée dans les aciers produits en utilisant le procédé VIM- VAR que dans les aciers obtenus par la technologie des poudres. L'Aluminium génère des difficultés au cours de l'atomisation par obstruction de la busette de coulée par des oxydes. Une faible teneur en Oxygène est importante pour obtenir une bonne micro-propreté ainsi que de bonnes propriétés mécaniques telles que la résistance à la fatigue et la résistance mécanique. Les teneurs en Oxygène obtenues par voie lingot sont typiquement inférieures à 15 ppm. Avantageusement, la composition selon la présente invention est cémentable, c'est-à-dire qu'elle peut subir un traitement de cémentation, et/ou nitrurable, c'est-à-dire qu'elle peut subir un traitement de nitruration et même avantageusement elle peut subir un traitement thermochimique, en particulier choisi parmi la cémentation, la nitruration, la carbonitruration et la cémentation suivie de la nitruration.

Ces traitements permettent d'améliorer la dureté superficielle de l'acier, en ajoutant des éléments carbones et/ou azotes. Ainsi, si la cémentation est utilisée, la teneur en Carbone de la surface de l'acier augmente et donc sa dureté superficielle. La surface est ainsi avantageusement enrichie en Carbone avec un enrichissement en particulier compris entre 0,5% - 1,7% en poids, par rapport au poids total de la composition.

Si la nitruration est utilisée, c'est la teneur en Azote qui augmente à la surface de l'acier, et donc également sa dureté superficielle.

Si la carbonitruration ou la cémentation suivie de la nitruration sont utilisées, ce sont les teneurs en Carbone et Azote à la surface de l'acier qui sont augmentées et donc également sa dureté superficielle.

Ces procédés sont bien connus de l'homme du métier.

Dans un mode de réalisation avantageux, la composition d'acier selon l'invention présente, après un traitement thermochimique, avantageusement de cémentation ou de nitruration ou de carbonitruration ou de cémentation puis de nitruration, suivi d'un traitement thermique, une dureté superficielle supérieure ou égale à 64 HRC, avantageusement supérieure ou égale à 65 HRC, encore plus avantageusement supérieure ou égale à 66 HRC, mesurée selon la norme ASTM E18 ou norme équivalente. La composition d'acier obtenue grâce à ces traitements a avantageusement une concentration en carbone en surface comprise entre 1 et 1,25% en poids par rapport au poids total de la composition. Ledit traitement thermique peut comprendre :

- (1) une mise en solution de l'acier à une température comprise entre 1090°C-1160°C, avantageusement entre 1100°C-1160°C, plus avantageusement entre 1100 et 1155°C, en particulier entre 1100 et 1150°C, plus particulièrement de 1150°C,

- (2) suivi avantageusement d'un maintien à cette température jusqu'à austénitisation complète, en particulier pendant une durée de 15 minutes (trempe), (ces 2 phases (1) et (2) permettent la mise en solution totale ou partielle des carbures initialement présents),

- (3) puis éventuellement un premier refroidissement (trempe), en particulier sous gaz neutre à, par exemple, une pression de 2 bars, avantageusement jusqu'à la température ambiante, (cette phase permet d'obtenir une microstructure principalement martensitique avec de l'austénite résiduelle. Cette austénite résiduelle est fonction de la température de refroidissement : la teneur diminue avec la température de refroidissement),

- (4) suivi éventuellement d'un maintien à la température ambiante,

- (5) puis avantageusement d'un deuxième refroidissement à une température inférieure à -40°C, plus avantageusement inférieure à -60°C, encore plus avantageusement d'environ -75°C, en particulier pendant 2 heures (cette phase permet de diminuer la teneur en austénite résiduelle), - (6) et avantageusement un ou plusieurs revenus, plus avantageusement au moins trois revenus, avantageusement à une température supérieure ou égale à 475°C, plus avantageusement supérieure ou égale à 500°C, en particulier supérieure ou égale à 550°C, plus particulièrement d'environ 560°C, encore plus particulièrement pendant 1 heure chacun (ce ou ces revenus permettent la précipitation de carbures et la décomposition partielle ou totale de l'austénite résiduelle. Cela permet d'obtenir des propriétés de ductilité). L'intérêt de l'acier selon l'invention est donc d'obtenir de hauts niveaux de dureté avec un traitement thermique limité (température comprise entre 1090°C-1160°C, avantageusement entre 1100°C-1160°C _/ plus avantageusement entre 1100°C - 1155°C, en particulier entre 1100°C - 1150°C, plus particulièrement de 1150°C).

Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, la composition d'acier selon l'invention présente, après un traitement thermochimique, avantageusement de cémentation ou de nitruration ou de carbonitruration ou de cémentation puis de nitruration, suivi d'un traitement thermique, une structure martensitique ayant une teneur d'austénite résiduelle inférieure à 10% en poids et exempte de ferrite et de perlite, phases connues pour diminuer la dureté superficielle de l'acier.

Ledit traitement thermique peut être tel que décrit ci-dessus. La présente invention concerne en outre un procédé de fabrication d'une ébauche en acier ayant la composition selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend :

a) une étape d'élaboration de l'acier ; b) une étape de transformation de l'acier ;

c) un traitement thermochimique;

d) et un traitement thermique. Avantageusement le traitement thermique de l'étape d) du procédé selon la présente invention est tel que décrit ci-dessus.

De façon avantageuse, le traitement thermochimique de l'étape c) du procédé selon la présente invention consiste en un traitement de cémentation ou de nitruration ou de carbonitruration ou de cémentation puis de nitruration, avantageusement il s'agit d'un traitement de cémentation.

En particulier, l'étape b) du procédé selon la présente invention consiste en une étape de laminage, de forgeage et/ou de filage. Ces procédés sont bien connus de l'homme du métier.

Dans un mode de réalisation avantageux, l'étape a) d'élaboration du procédé selon la présente invention est mise en œuvre par un procédé d'élaboration conventionnelle four à arc affinage et refusion sous laitier conducteur (ESR), ou par un procédé VI -VAR, avec éventuellement une étape de refusion sous laitier conducteur (ESR) et/ou sous vide (VAR), ou par Métallurgie des poudres telle que atomisation par gaz et compression par compaction isostatique à chaud (HIP).

Ainsi l'acier selon la présente invention peut être élaboré par un procédé VIM-VAR. Ce procédé permet d'obtenir une très bonne propreté inclusionnaire et améliore l'homogénéité chimique du lingot. Il est aussi possible de procéder à une voie de refusion sous laitier conducteur (ESR : Electro Slag Remelting) ou de combiner des opérations ESR et VAR (refusion sous vide).

Cet acier peut être aussi obtenu par Métallurgie des poudres. Ce procédé permet de produire de la poudre métallique de grande pureté par atomisation, de préférence atomisation par gaz permettant d'obtenir de très faibles teneurs en oxygène. La poudre est ensuite comprimée par recours par exemple à une compaction isostatique à chaud (HIP).

Ces procédés sont bien connus de l'homme du métier. La présente invention concerne également une ébauche d'acier susceptible d'être obtenue par le procédé selon l'invention. Cette ébauche est faite à base d'acier ayant la composition selon la présente invention et telle que décrite ci-dessus. Elle concerne de plus l'utilisation d'une ébauche selon l'invention ou d'une composition d'acier selon l'invention pour la fabrication d'un organe mécanique, avantageusement dans le domaine de la transmission tels que les engrenages, les arbres de transmission et les roulements. Elle concerne enfin un organe mécanique, avantageusement un organe de transmission ou un engrenage, en particulier un engrenage, un arbre de transmission ou un roulement, plus particulièrement un roulement, en acier ayant la composition selon l'invention ou obtenu à partir d'une ébauche d'acier selon l'invention.

En effet, avec la composition d'acier selon l'invention, il est possible de combiner la haute dureté superficielle et la résistance à l'usure de surface avec un cœur ayant une haute résistance à la fatigue et une haute résistance mécanique.

Ces aciers sont donc utilisables dans des domaines exigeants tels que les roulements pour l'aérospatiale.

En outre l'acier obtenu est peu coûteux en raison en particulier de la faible teneur en tungstène, bien que présentant un niveau de dureté superficielle après traitement thermochimique élevé, avec une structure martensite exempte de phases massives de type austénite ou ferrite ou perlite.

L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples et des figures qui suivent qui sont donnés à titre indicatif non limitatif.

Dans les exemples, sauf indication contraire, tous les pourcentages sont exprimés en poids, la température est exprimée en degré Celsius et la pression est la pression atmosphérique.

La figure 1 représente le profil de dureté superficielle (microdureté en HV0,5 en fonction de la profondeur de l'acier (en mm) de deux exemples selon l'invention (nuances B et C) et d'un exemple comparatif (nuance A) selon la demande WO2015/082342 ayant la composition indiquée dans le tableau 1 ci-dessous ainsi que d'un exemple comparatif 50NÏL (0,12%C- 4%Cr-4,2%Mo-3,4%Ni-l%V), obtenus après cémentation et traitement thermique comprenant les étapes suivantes : (1) un chauffage à 1150°C, (2) un maintien pendant 15 min à 1150°C pour austénitisation, (3) un refroidissement sous gaz neutre à une pression de 2 bars, (4) une période à température ambiante, (5) un refroidissement à -75°C pendant 2 heures, et (6) 3 revenus à 550°C pour la nuance C et 560°C pour les nuances A et B pendant 1 heure chacun.

La figure 2 représente le profil de dureté superficielle (microdureté en HV0,5 en fonction de la profondeur de l'acier (en mm) de l'exemple 2 (nuance C) selon l'invention ayant la composition indiquée dans le tableau 1 ci-dessous ainsi que d'un exemple comparatif 50Nil_ (0,12%C-4%Cr- 4,2%Mo-3,4°/oNi-l%V), obtenu après cémentation et traitement thermique comprenant les étapes suivantes : (1) un chauffage à 1100°C, (2) un maintien pendant 15 min à 1100°C pour austénitisation, (3) un refroidissement sous gaz neutre à une pression de 2 bars, (4) une période à température ambiante, (5) un refroidissement à -75°C pendant 2 heures, et (6) 3 revenus à une température de 475°C ou de 500°C ou de 550°C ou de 575°C pour la nuance C ou de 560°C pour l'exemple comparatif 50Nil_ pendant 1 heure chacun.

La figure 3 représente le profil de dureté superficielle (microdureté en HV0,5 en fonction de la profondeur de l'acier (en mm) de l'exemple 2 (nuance C) selon l'invention ayant la composition indiquée dans le tableau 1 ci-dessous ainsi que d'un exemple comparatif 50NiL (0,12%C-4%Cr- 4,2%Mo-3,4%Ni-l%V), obtenu après cémentation et traitement thermique comprenant les étapes suivantes : (1) un chauffage à 1150°C, (2) un maintien pendant 15 min à 1150°C pour austénitisation, (3) un refroidissement sous gaz neutre à une pression de 2 bars, (4) une période à température ambiante, (5) un refroidissement à -75°C pendant 2 heures, et (6) 3 revenus à une température de 475°C ou de 500°C ou de 550°C ou de 575°C pour la nuance C ou de 560°C pour l'exemple comparatif 50NÏL pendant 1 heure chacun. Exemples 1 et 2 :

Trois coulées laboratoires de 110 Kg chacune environ(deux exemples selon l'invention : exemple 1 et exemple 2 et un exemple comparatif selon la demande WO2015/082342 : exemple comparatif 1) ont été élaborées par le procédé VIM-VAR selon la composition figurant au tableau 1 ci- dessous :

Tableau 1

Ces trois compositions sont très similaires. La principale différence tient à la teneur en W.

Ces trois coulées laboratoire ont été transformées en barre de diamètre 40 mm par un procédé de forgeage à chaud sous presse de 2000T. Des barreaux de diamètre 30 mm ont été usinés dans la barre et cémentés. Les barreaux cémentés ont été traités par (1) un chauffage à 1100°C ou 1150°C, (2) un maintien pendant 15 min à cette température pour austénitisation, (3) un refroidissement sous gaz neutre à une pression de 2 bars, (4) une période à température ambiante, (5) un refroidissement à -75°C pendant 2 heures, et (6) 3 revenus à une température entre 475°C et 560°C pendant 1 heure chacun.

Les profils de dureté superficielle en HV obtenus mesurés selon la norme ASTM E384 sont reportés dans les figures 1 à 3 avec ceux obtenus avec l'acier 50NÏL (0,12%C-4%Cr-4,2%Mo-3,4%Ni-l%V) ayant subi le même traitement d'austénitisation et de refroidissement à l'ambiante puis au froid, et 3 revenus à 560°C.

Les compositions selon l'invention ayant une faible teneur en W présentent des niveaux de duretés plus élevés, de l'ordre de 860 HV correspondant à 66 HRC. Il faut aussi noter que la baisse de la teneur en W par rapport à l'art antérieur n'affecte pas significativement le niveau de dureté du métal de base qui est de l'ordre de 540 HV correspondant à 51 HRC.

L'acier ayant la composition selon l'invention (faible teneur en W) permet donc d'obtenir de plus hauts niveaux de dureté avec un traitement thermique limité à 1150°C par rapport à celui de l'art antérieur ayant une plus forte teneur en W.

Il est à remarquer également qu'une température de revenu de 500°C est particulièrement intéressante puisque le niveau de dureté atteint les 66-67 HRC (avec traitement en solution à 1100°C et 1150°C) (figures 2 et 3). A 575°C, les résultats restent encore très intéressants avec des valeurs supérieurs à 64 HRC après mise en solution à 1150°C uniquement (figure 3).