Substitution of lead in free-cutting steels

par Aurélien Pollet-Villard

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Muriel Véron.

Le président du jury était Yves Bréchet.

Le jury était composé de Muriel Véron, Marc Mantel, Roger Busi, Hans Roelofs.

Les rapporteurs étaient Pedro José Arrazola Arriola, Konrad Wegener.


  • Résumé

    SWISS STEEL, filiale du groupe SCHMOLZ + BICKENBACH, finance des travaux de thèse menés au Centre de Recherches d’UGITECH, en collaboration avec le laboratoire SIMaP de Grenoble. Le but de ce programme est de trouver des alternatives au plomb (Pb) dans les aciers bas carbone de décolletage. Les objectifs sont de conserver le niveau d’usinabilité des aciers de décolletage au plomb, sans leurs défauts (toxicité, recyclage des aciers au plomb). La production d’acier au plomb est stratégique pour SWISS STEEL, puisqu’elle représente environ 30% de son activité. Parmi les différentes alternatives signalées dans la littérature, l’addition d’étain, et la graphitisation des aciers, sont les concepts les plus intéressants. En effet, il est suggéré que l’étain présente un comportement similaire à celui du plomb lors de l’usinage. Par ailleurs, Le graphite est connu pour être un lubrifiant utilisé dans des applications industrielles, ce qui peut améliorer l’usinabilité. Une caractérisation complète d’aciers industriels au plomb, et sans plomb, en provenance de SWISS STEEL (11SMn30 et 11SMnPb30), a été menée : analyse chimique, observations métallographiques et microscopiques (MEB), propriétés mécaniques, etc. Ensuite, nous avons essayé de comprendre les mécanismes par lesquels le plomb améliore l’usinabilité des aciers de décolletage aux basses vitesses de coupes (Vc < 100 m/min), grâce à des essais d’usinage spécifiques. Des calculs thermodynamiques ont été menés sur le procédé de graphitisation, et des analyses d’aciers ont été déterminées. Ce qui nous a conduits à élaborer des aciers à l’étain et des aciers graphitiques à l’échelle du laboratoire. La caractérisation de ces coulées de laboratoire, avec la même procédure que celle utilisée par les aciers industriels, a permis de vérifier la fiabilité de ces concepts, et leur bienfaits sur l’usinabilité. Des résultats encourageants ont été enregistrés. Pour une étude plus approfondie, il a été proposé de produire, à l’échelle industrielle, une analyse d’acier particulière, susceptible de remplacer le plomb dans les aciers de décolletage au plomb.

  • Titre traduit

    Lead-free low carbon freecutting steel


  • Résumé

    SWISS STEEL, a steel company part of SCHMOLZ + BICKENBACH group, has supported a PhD program, lead in UGITECH’s Research Center, in collaboration with the SIMaP laboratory of Grenoble. The aim of this program is to find some alternatives to lead (Pb) in low carbon free-cutting steels. The objectives are to keep the machinability level of leaded free-cutting grades without their drawbacks (toxicity, recycling of Pb steels). The production of leaded free-cutting steels is strategic for SWISS STEEL, since it represents about 30% of its activity. Among the different alternatives pointed out by the bibliography, tin addition, and graphitisation of steels, were the most interesting concepts. Indeed, it is suggested that tin presents a similar behaviour to that of lead during machining. Moreover, graphite is a well known lubricant in industrial applications, which could improve machinability. A complete characterisation on leaded, and non-leaded, grades form SWISS STEEL has been carried out (11SMn30 and 11SMnPb30): chemical analysis, metallographic and SEM observations, mechanical properties, etc. Then we tried to understand, thanks to specific machining tests, the mechanisms by which lead improves the machinability of free-cutting steel, at low cutting speed (Vc < 100 m/min). Thermodynamic calculations have been performed to study the graphitisation process, and conducted to the determination of steels analyses. This lead us to develop tin-added-, and graphitic steels at the laboratory scale. The characterisation of these laboratory grades, with the same procedure, than that of industrial steels, allowed to check the reliability of these concepts, and their benefits on machinability. Promising results have been recorded. For deeper exploration, it has been proposed to produce, at the industrial scale, a particular steel analysis, which could replace leaded free-cutting steels.


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