Brevet FR2000961A1 — publié le 19690919

La présente invention concerne des outils et autres pièces analogues qui sont soumis à de grands efforts d'usure et, plus spécialement mais en aucun cas exclusivement, à des dents ou plastrons de godets excavateurs et à des éléments analogues d'appareils de chargement et de transport. Il est connu d'utiliser pour les outils des pièces de forme en aciers au bore. On opère pour cela avec des alliages d'acier pour la fabrication desquels on désoxyde tout d'abord de l'acier en fusion par des terres rares, qu'on dénitrure ensuite par des générateurs énergiques de nitrures, comme le zirconium, le titane, éventuellement aussi le bore, etc.. Après dénitruration, on obtient par des additions dosées de bore une amélioration considérable à coeur, si le bore reste sous forme à solubilité acide. La teneur en bore de l'alliage a pour ordre de grandeur 0,003 à o,oo6%. Les pièces de forme coulées avec cet alliage sont améliorées de manière habituelle par chauffage au-dessus du point Acg, puis par trempe. Les pièces d'oeuvre et pièces moulées qui ont été traitées de la manière décrite ne répondent pas aux exigences pour de grands efforts dtusure. Il s'avère désavantageux que ltétat de surface, par décarburation sur les bords lors du recuit au-dessus du point Ac3 sans atmosphère protectrice, n'atteigne pas les valeurs souhaitées pour de hautes contraintes d'usure. En d'autres termes, lors de l'amélioration mentionnée, on n'obtient la dureté voulue, selon la profondeur de décarburation super il cille, qutà une profondeur importante de plusieurs millimètres. On peut certes tenter d'éviter ce défaut en carburant et durcissant les pièces par des procédés connus pour les aciers de cémentation selon un traitement thermique de longue durée, pour parvenir à une surface cassante. Mais cela implique l'inconvénient que cette surface éclate en éeailles sous l'effet de contraintes brutales. Les outils qui doivent reprendre de grands efforts dtusure sont cependant soumis aussi à de telles contraintes subites. Ctest le cas, aussi et notamment, pour les dents de godets excavateurs. L'invention a pour but d'indiquer omment utiliser des pièces de forme en acier à outils fortement allié pour des outils soumis à de grands efforts d'usure et de fortes contraintes de chocs. Elle a pour objet l'application, à des outils ou autres pièces analogues soumis à de grands efforts d'usure, notamment aux dents ou plastrons de godets excavateurs, etc..,, de pièces de forme en acier à outils à teneur en bore comprise entre 0,003 et 0,006, qui ont été réchauffées au-dessus du point Acg, ont été carburées vers cette température par cémentation ou bain de sel, ont été traitées en même temps par des additions qui provoquent une ségrégation des nitrures et qui ensuite ont été trempées en bain chaud ou de manière plus énergique. On désigne en général la carburation qui a lieu avec traitement simultané par des additions provoquant la ségrégation des nitrures par l'expression carbonitruration; elle s'effectue avec des agents usuels de carburation et nitruration. On opère généralement, pour l'application conforme à l'invention, de façon que les pièces de forme soient d'abord adoucies par recuit ou normalisées à température d'environ 7200C, puis soient soumises à la carburation, la nitruration simultanée et la trempe. S'il s'agit d'un alliage d'acier coulable, très résistant de composition répondant à l'usage ou aux normes, il est approprié, après carbonitruration, de tremper les pièces à température d'environ 1800C dans un bain chaud et en mebme temps de les détendre.La composition d'un tel alliage peut par exemple être la suivante o,28% de carbone 0,50 de silicium l,55% de manganèse 0,76% de chrome 0,45 de molybdène 0,013 de phosphore 0,008% de soufre 0,005 de bore (à solubilité acide) le reste étant constitué par du fer et des impuretés habituelles. Les pièces utilisées à titre d'outils selon l'in- vention sont étonnamment adaptées aux grands efforts d'usure et aussi aux contraintes dues aux chocs car, dans leur zone superficielle, les nitrures de bore assurent une bonne tenue à l'usure et ce pour une ténacité convenable, tandis qu ta coeur, le bore à solubilité acide qui s'y trouve présent assure une bonne amélioration dans la masse. La transition entre le coeur et la zone superficielle est de façon étonnante insensible à tout écla temente En d'autres termes, le bore se présente en composé de bore-azote-carbone dans la couche carbonitrurée et, dans les régions restantes, sous forme de bore dissous dans le fer.Autrement dit, le bore dissous assure un bon durcissement à coeur pour de- faibles teneurs en carbone dans la zone non carbonitrurée, tandis qu'une teneur en carbone d'environ 0,9 dans la zone carbonitrurée;suscite dans le composé de bore-azote-caroone une ténacité et une résistance à l'usure optimales. Ceci donne les avantages déjà cités et, par ailleurs, au cours de la fabrication des pièces conformes à l'invention, il n'est plus nécessaire d'avoir habituel le traitement thermique/ décrit avec carbonitruration précéde par normalisation, recuit de diffusion et nouveau réchauffage à la température de durcissement. Par conséquent, on peut considérer que l'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'outils propres à supporter de grands efforts d'usure, qui sont en acier à outils dont la teneur en bore vaut 0,00) à 0,006, procédé selon lequel l'alliage est tout d'abord désoxydé, dénitruré et ensuite allié entre autres avec du bore et selon lequel on produit et plus précisément on coule avec cet alliage des pièces de forme correspondant aux outils. L'invention consiste alors, au point de vue procédé, à réchauffer les pièces de forme, en renonçant à la normalisation, au recuit de diffusion et autres traitements analogues, au-dessus du point Ac3 et, vers cette température, à en faire la cémentation et à les traiter simultanément par des additions provoquant la ségrégation des nitrures, ctest-à-dire à les carbonitrurer, pour ensuite les tremper en bain chaud ou de manière plus énergique. Il est ainsi également caractéristique-de l'application conforme à l'invention que les pièces de forme soient coulées avec un acier fondu tout d'abord désoxydé, puis dénitruré et ensuite allié au bore. On-réalise opportunément les réactions de désoxydation, de dénitruration et d'alliage au bore dans l'acier liquide quand il entre dans la poche de coulée ou peu avant soutirage de ltensemble de fusion, à intervalles de temps bien déterminés, en ajoutant à l'acier fondu des éléments pressés qui provoquent successivement la mise en oeuvre des constituants désoxydants, dénitrurants et d'alliage. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être mise-en pratique. La figure 1 représente une dent excavatrice fabriquée selon l'invention. La figure 2 est la coupe A-A de la figure 1. On coule dans des moules en sable, pour donner des pièces pour dents d'excavateurs 1, un acier fondu dont la compo sition chimique est la suivante 0,28% de carbone 0,50 de silicium l,55vo de manganèse o,76 de chrome 0,45 de molybdène 0,013% de phosphore 0,008% de soufre 0,003% de bore (à solubilité acide), après que la masse fondue, avant l'addition de bore, a été désoxydée par mischmétal de cérium et calcium-silicium -et a été dénitrurée par addition de ferro-zirconium-silicium. Les pièces coulées dégagées des éléments de moulage sont adoucies par recuit vers 7200C pendant trois heures, avant enlèvement des attaches de jets et des évents, pour être débarrassées des tensions de coulée. Une série de dents désignée par A est ensuite soumise au traitement thermique usuel bien déterminé, par normalisation pendant 3 heures vers 880 à 900 C, trempe de 8800C dans l'huile et ensuite revenu pendant 2 h 50 mn vers 500 à 520 C, Une série de dents désignée par B est carbonitrurée, après prétraitement identique des pièces coulées, pendant 2 h 30 mn vers 95000 dans un bain de sel dont la teneur en cyanure s'élève à 10% et dont l'activateur constitue 50 à 60%.Après achèvement de la carbonitruration, on refroidit et détend dans un bain chaud à 18000. On observe et détermine les résultats suivants dans un essai pour la durée de vie des dents et leur usure dans le temps, selon le débit dans un éboulement de granit sur une pelleteuse mécanique comportant une cuiller à dents en deux parties La quantité de matière débitée jusqu'au changement des dents, dû à leur usure totale, s'élève pour la série A à 90500 t et pour la série B à 14.000 t. La perte de poids,en fonction de la quantité res pective de matière excavée, s'élève à Après excavation de : 2.500 t 5.000 t 7.500 t 9.500 t 14.000 t Série A 450 g 590 g 780 g 10050 g Série B 110 g 260 g 505 g 760 g 1.010 g On examine les deux séries de dents après leur traitement thermique, quant -à leur décarburation et leur dureté superficielle, et on constate les valeurs suivantes Dans la série A, on trouve sur les bords des décarburations comprises entre 1,7 et 2,3 mm. La zone superficielle décarburée existait en partie déjà à l'état de coulée. On détermine par un essai de micro-dureté après l'amélioration faite par le procédé usuel une dureté superficielle Rockwell de 25 à 29 HRc. La dureté dans la zone non décarburée est de l'ordre de 48 à 50 HRc. Dans la série B, on rencontre une zone 2 carburée et nitrurée sur une épaisseur allant jusqu'à 1,6 mm. Cette zone offre une dureté de 61,5 à 63 HRc, qui s'abaisse à coeur à une valeur de 50 à 52 HRc. Il est impossible de dissocier la couche carbonitrurée de la structure améliorée sous-jacente même par des contraintes de flexion par chocs. REVENDICATIONS 1, Application de pièces de forme en acier à outils au bore, dont la teneur en bore vaut 0,003 à o,o06%, qui ont été réchauffées au-dessus de la température AcD,ontété carbu isverscette température par cémentation ou bain de sel et ont été traitées en même temps par des additions provoquant la ségrégation des nitrures, puis ont été trempées en bain chaud ou de manière plus énergique, à des outils et autres pièces analogues soumis à de grands efforts d'usure, plus spécialement à des dents ou plastrons de godets excavateurs. 2. Application selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les pièces de forme subissent tout d'abord un recuit de détente à environ 7200C, puis sont soumises à la carburation, la nitruration simultanée et la trempe. 3. Application selon les revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que les pièces de forme, après carbonitruration, sont trempées en bain chaud à environ 18o0c et sont détendues. 4. Application selon les revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que les pièces de forme-ont été coulées à partir d'un acier fondu, en premier lieu désoxydé, puis dénitruré et ensuite allié au bore. 5. Procédé de fabrication d'outils soumis à de grands efforts d'usure et, plus spécialement, de dents ou plastrons de godets excavateurs à partir de pièces de forme en acier à outils dont la teneur en bore est comprise entre 0,003 et 0,006, caractérisé par le fait que lesdites pièces sont chauffées au-dessus de la température Ac3, sont carburées vers cette température par cémentation ou bain de sel et sont en même temps traitées par des additions provoquant une ségrégation des nitrures, puis sont trempées en bain chaud ou de façon plus énergique. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les pièces de forme sont tout d'abord détendues par recuit à environ 720cl, puis sont soumises à la carburation, la nitruration simultanée et la trempe. 7. Procédé selon les revendications 5 ou 6, caractérisé par le fait que, après carbonitruration, les pièces de forme sont trempées en bain chaud à environ 1800C et sont détendues. 8. Outils fabriqués par l'application selon les revendications l à 4 ou le procédé selon les revendications 5 à 7.