ACIERS CHROME-TUNGSTÈNE : ACIER6 A COUPE RAPIDE

Étude théorique (Album, PI. XXVIII). — Les aciers chrome-tungstène ont donné lieu à la création d'aciers spéciaux à outils connus sous le nom d'aciers à coupe rapide, qui jouissent de la propriété de pouvoir travailler l'acier à une température relativement élevée (au rouge sombre) sans perdre les propriétés données par la trempe.

Nous esquisserons ici la théorie de ces aciers, telle qu'elle semble découler des travaux d'un certain nombre de savants.

Les observations de M. Osmond, d'une part, de M. Otto Bohler, d'autre part, ont montré les variations de position du point critique dans ces aciers :

1° On abaisse les points critiques au refroidissement, lorsqu'on élève la température du chauffage précédent;

2° Si cet abaissement est assez important et si la température de chauffage a été supérieure à une température minimum, l'acier

reste dur. Suivant l'expression anglaise, il est self-hardened. Dans une étude parue dans la Revue de Métallurgie, de juin 1904, M. Osmond donne la théorie des aciers rapides, que nous tenons à reproduire dans ses grandes lignes.

« L'effet de la présence des métaux alliés tels que le chrome ou le tungstène est de gêner, pendant le refroidissement, la ségrégation de la cémentite suffisamment pour que Ton puisse, en première approximation dans une certaine mesure et entre certaines limites, négliger les variations delà vitesse de refroidissement. C'est un fait d'expérience. 11 en résulte que les points de transformation sont abaissés pendant le refroidissement, môme assez lent, d'autant plus que la teneur à l'origine est plus élevée au-dessus de l'eutectoïde. Et, si rabaissement est suffisant, les transformations restent plus ou moins incomplètes.

« La trempe, qui était, pour les aciers au carbone, un moyen indirect d'obtenir le môme résultat, n'est plus ici nécessaire. La position des points critiques sur l'échelle des températures, c'est-à-dire le durcissement éventuel, ne dépendra plus que de la teneur en carbone dissous au début du refroidissement, comme elle dépend de la teneur en nickel et en manganèse, quand l'un de ces corps est substitué au carbone.

« La teneur en carbone dissous est, elle-même, fonction directement de la température de chauffage et indirectement de la composition chimique.

« Bref, des deux facteurs, teneur en carbone et vitesse de refroidissement, utilisés dans les aciers au carbone pour obtenir toute la gamme des constituants structuraux, nous avons éliminé le second, et le premier à lui seul nous permet d'obtenir le même résultat. Nous pourrons donc avoir, comme état final, en faisant varier par la température de chauffage la teneur en carbone dissous, l'un quelconque des membres de la série perlite, sorbite, troostite, martensite, austénite, sans parler des mélanges de ces constituants entre eux, avec la cémentite en

excès. Je dis « nous pourrons avoir », parce que, en raison delà composition chimique, les termes extrêmes, inférieurs ou supérieurs, peuvent manquer.

« L'hypothèse que la répartition homogène du carbone est instantanée pendant le chauffage au-dessus des . points critiques, hypothèse admise provisoirement au paragraphe précédent pour la commodité de la démonstration, est, en réalité, complètement inexacte pour les aciers perlitiques. La dissolution pendant le chauffage est difficile, tout comme la ségrégation pendant le refroidissement: ce sont les deux faces d'une même propriété. De plus, dans ces aciers rapides, pour une cause que j'ignore, la cémentite est souvent sphérolitique et non perlitique, de sorte que les noyaux de cémentite sont relativement écartés les uns des autres et que la répartition du carbone en est très retardée. Pour ces deux raisons ou, tout au moins, pour la première qui est constante, si le chauffage n'est pas très lent, la répartition du carbone n'est généralement pas homogène ou ne le devient qu'au-dessus d'une température élevée. Au-dessous de cette température on aura des ilôts à carburation maximum autour des noyaux de cémentite et un fond à carburation minimum dans l'intervalle, c'est-à-dire deux constituants inégalement carbures, en négligeant les transitions. Si le refroidissement commence dans ces conditions, chaque fraction se comportera comme si elle était seule et aura sa recalescence à une température fonction de la teneur en carbone. Le dédoublement fréquent de la recalescence est ainsi expliqué. Gomme corollaire, quand ce dédoublement se produit, l'état final sera naturellement hétérogène et on aura un mélange de deux constituants au moins. J'ai obtenu expérimentalement, dans un échantillon donné, en élevant successivement la température de chauffage la série suivante :

1° Sorbite et cémentite (une recalescence);

2° Troostite et cémentite (une recalescence);

3° Troostite et martensite (deux recalescences) ;

4° Martensite et mélange de martensite et d'austénite (une recalescence enregistrée et la seconde, non douteuse, non en-

registrée, parce que le refroidissement n'a pas été suivi jusqu'au bout).

« L'influence du temps de chauffage, signalée par M. Otto Bôhler, s'explique avec la même facilité : la diffusion du carbone se poursuit à température constante, comme elle le ferait plus rapidement grâce à une élévation plus grande et plus courte de température.

« En général, la recalescence est simple si le chauffage n'a pas dépassé une température T4 peu supérieure et Ac 3.2.1., parce que la diffusion de la cémentite indépendante est encore pratiquement négligeable; elle se dédouble après chauffage, entre T4 et T2 > Tt, et redevient simple au-dessus de T2 quand la répartition du carbone est devenue homogène.

« Il peut arriver que la recalescence, simple après chauffage au-dessus de T2, redevienne double après chauffage à une température encore supérieure T3. C'est qti'on est arrivé dans la région de fusion partielle.: l'acier s'est de nouveau scindé en deux constituants, l'un liquide, et l'autre solide, dont les teneurs en carbone sont inégales et qui sont restés distincts pendant le refroidissement.

« La présence du chrome, du tungstène, etc., abaisse la teneur eutectoïde.

« Les aciers rapides sont donc généralement hypereutectoïdes. Dans le cas contraire, on a, au refroidissement, un point Àr 3,2 indépendant de Arl. Le même fait peut se produire dans un acier hypereutectoïde, si la cémentite est sphérolitique.

« Dans tous les cas, les points séparés se réunissent ordinairement quand on élève la température de chauffage et qu'on obtient ainsi la diffusion complète du carbone.

«Sur l'élévation de la température de revenu dans les aciers rapides, je n'ai pas d'explication spéciale : le fait paraît être une conséquence de plus de la difficulté de ségrégation du carbure. Il est possible aussi que l'austénite se transforme d'abord en martensile au revenu, d'où un durcissement au lieu de radoucissement auquel on est habitué avec les aciers au carbone. Cette dernière idée m'a été suggérée par M. Henri

Le Chatelier, et elle est très plausible. J'ai constaté moi-même que, à un certain moment du revenu, l'austénite devenait plus dure que la marlensite ; mais les mesures n'étaient que relatives.

« En résumé, il n'y aurait pas de théorie spéciale des aciers rapides.

«Pour rendre immédiatement applicable la théorie des aciers au carbone, il suffit de faire entrer en ligne de compte le fait que la ségrégation du carbure pendant le refroidissement et la dissolution correspondante pendant le chauffage sont rendues difficiles par la présence du chrome, du tungstène et autres corps assimilables. Dès lors on peut obtenir sans la trempe toute la série des équilibres interrompus qui caractérisent la trempe dans les aciers au carbone, y compris, avec l'austénite, l'absence de toute transformation. »

Étude industrielle. — Avantages de ces aciers. — Les aciers à coupe rapide ont fait leur apparition à l'Exposition Universelle de 1900. Ils. étaient utilisés sur des machinesoutils spéciales situées à l'Annexe de Vincennes.

Dans la conférence qu'il fit à la Société d'Encouragement pour l'Industrie nationale, le 27 avril 19041, M. H. Le Chatelier rappelle que Ton voyait s'enrouler d'énormes copeaux bleuissant, au moment où ils s'arrachaient de la masse métallique, par l'élévation de leur température. Aucun arrosage n'était employé pour le refroidissement: c'était la négation de tout ce que Ton savait sur le travail normal des outils. En général, le plus léger échautrement suffit pour les détremper et leur enlever toute dureté, les rendant ainsi incapables de faire aucun travail utile.

Le traitement auquel ces nouveaux aciers étaient soumis pour les durcir n'était pas moins extraordinaire. Avant trempe, on les chauffait jusqu'au voisinage de leur point de fusion, ce qui eût suffi pour brûler des aciers au carbone ordinaire et les

i. Revue de Métallurgie, juin 1904.

rendre impropres à tout usage. Enfin ces mômes aciers, au lieu d'être trempés à l'eau, Tétaient dans un bain de plomb à 600% température plus que suffisante pour adoucir amplement les aciers employés jusque-là.

Ces nouveaux aciers à outils renfermaient quelques centièmes de chrome, de tungstène, parfois même de molybdène et des quantités de carbone variant de 1 à 2 0/0. Ils avaient été découverts par deux ingénieurs américains des usines de Bethlehem, MM. White et Taylor.

Un progrès avait déjà été fait avec l'acier Mushet au tungstène; ces aciers permettaient d'atteindre la température de 300\ sans qu'il y eût à craindre de voir l'acier se détremper.

Avec les nouveaux aciers chrome-tungstène, on peut aller jusqu'à 600°.

Voici, d'ailleurs, les résultats d'expériences faites à Manchester et reproduits par M. H. Le Ghatelier.

Ces expériences ont porté sur différents aciers rapides et sur un acier à outils ordinaire au carbone destiné à servir de terme de comparaison. Les aciers travaillés avec ces outils correspondaient aux trois teneurs en carbone de 0,2, 0,3 et 0,5.

Les chiffres du tableau suivant sont les moyennes des résultats obtenus avec les meilleurs aciers à outils ayant servi aux expériences, avec ceux qui ont été capables de faire un travail continu de vingt minutes sans altération. Les qualités de tous ces aciers était d'ailleurs très voisine, et c'est à des causes accidentelles qu'il semble falloir attribuer l'insuccès des uns ou des autres dans telle ou telle expérience.