L’usinabilité des aciers à teneur moyenne en carbone est fortement recherchée par les usineurs. Dans une étude très complète, des métallurgistes d’ArcelorMittal ont expliqué comment passer de la théorie à la pratique. Résumé de cette étude de A. Kirsch-Racine, A. Bomont-Arzur, M. Confente.

Une des solutions pour augmenter l’usinabilité de pièces mécaniques d’acier à teneur moyenne en carbone consiste à améliorer le traitement au calcium de certains oxydes de ces nuances. Ce traitement a pour effet de modifier la nature abrasive des oxydes contenus dans le métal aux températures d’usinage, en optimisant la métallurgie secondaire, afin d’obtenir des oxydes à bas point de fusion. Partant de ce postulat, les chercheurs d’ArcelorMittal Global R&D Gandrange se sont appuyés sur le logiciel CEQCSI, développé par ArcelorMittal Global R&D Maizières, afin de déterminer la quantité optimale de calcium. Publiée en anglais par la Revue de Métallurgie, il y a déjà une décennie, cette étude est toujours d’actualité pour nos lecteurs, afin de leur permettre un choix éclairé en approvisionnement d’acier.

Essais métallurgiques et d’usinage
La quantité optimale de calcium nécessaire à l’obtention de ces oxydes a été déterminée en s’intéressant particulièrement aux éléments aluminium, soufre et oxygène présents dans le métal. Leurs niveaux ont effectivement un impact important sur la suite de la recherche. Les essais ont été effectués à ArcelorMittal Gandrange, sur des coulées d’acier chimiquement homogène, à teneur moyenne en carbone (0,35 à 0,40%), resulfurisées et à teneur en aluminium diminuée, afin de favoriser la visée process.
Les produits de diamètre 130 mm ou 110 mm sont obtenus à partir de blooms de 320 x 360 mm2. Ils ont été caractérisés par microscope électronique et spectromètre, afin de déterminer leur niveau de propreté inclusionnaire. A l’état normalisé, les aciers de test présentaient une dureté de 170 Hv, résistance à la traction de 600 MPa et allongement de 29%. Les essais en usinage ont été effectués par chariotage à sec des diamètres indiqués, sur 500 mm de long, avec des outils en acier rapide (HSS), en carbure et en carbure revêtu. Les essais ont été suivis selon la loi de Taylor, afin de mesurer l’index d’usinabilité (VX), le temps de durée de vie de l’outil (T), suivant la vitesse de coupe (Vc).
L’objectif du traitement au calcium des oxydes considérés visait à créer une couche de transfert favorable à la coupe entre l’outil et la pièce, au moment de l’usinage. Car les oxydes prévus par les calculs montrent que les coulées traitées calcium sont censées contenir une quantité plus importante d’oxydes liquides à la température visée. Effectivement, les oxydes à bas point de fusion obtenus par le traitement au calcium devaient favoriser la formation d’une couche de transfert sur le copeau, dans un domaine de températures comprises entre 800°C et 1 200°C. Ces températures sont atteintes pour des vitesses de coupe très rapides. Cette couche de transfert, d’une épaisseur de 10 à 20 µm, devait agir comme un troisième corps proche d’une fusion plastique, qui réduirait les forces de friction entre la pièce et l’outil, et donc l’usure de l’outil par abrasion. Les chercheurs espéraient aussi que cette couche de transfert constitue également une barrière, face à l’usure de l’arête de l’outil par diffusion.

Des résultats probants, validés dans le temps
Les résultats ont été à la hauteur des espérances, essentiellement pour l’usinage à sec avec l’outil en carbure revêtu. En fonction des paramètres de coupe pour tous les essais (voir tableau 1), l’outil en carbure revêtu s’est révélé le meilleur outil, avec une augmentation de 31% d’usinabilité pour l’acier 1 et l’acier 2, comparé à l’usinabilité d’un acier référent de même type, mais sans traitement des oxydes au calcium. Ces essais ont été conduits avec des paramètres de coupe identiques.
Le principal avantage du traitement des oxydes par calcium réside dans le fait de conserver leur stabilité à température basse et moyenne, mais d’augmenter leur plasticité à partir de températures comprises entre 800° et 1 200°C. Cette température est celle de l’usinage à sec, avec des grandes vitesses de coupe.
La présence de ces oxydes contrôlés, associée aux inclusions de sulfure de manganèse (MnS), présente de meilleurs avantages que la seule présence de MnS. Dans le cas de seules inclusions de MnS, sans oxydes contrôlés, lorsque la vitesse de coupe augmente, la température augmente trop rapidement, ce qui enlève les propriétés viscoplastiques de la couche de transfert. L’outil se détériore alors beaucoup plus rapidement.
Atteignant des vitesses de coupe supérieures, l’usinage avec un outil en carbure revêtu bénéficie pleinement du traitement au calcium des oxydes. La couche de transfert obtenue par la création du copeau aux températures indiquées joue alors pleinement son rôle de lubrifiant viscoplastique et de protection de l’arête de l’outil.
Depuis, de nombreux progrès ont encore été faits pour améliorer l’usinage des aciers à la fois chez ArcelorMittal et chez les fabricants d’outils. Notamment, le centre de recherche des produits longs du groupe ArcelorMittal, basé en France et dont l’activité est orientée sur les barres et les fils continue ses recherches dans cette thématique. Il s’est équipé de machines-outils instrumentées et attire de jeunes talents. Ceux-ci impulsent de nouvelles idées pour créer les matériaux avancés de demain, offrant le meilleur compromis résistance et usinabilité