Brevet FR2010925A1 — publié le 19700220

L'invention concerne l'utilisation d'un acier allié pour la fabrication de produits ou objets cémentés - tels que des tiges, barres, tubes, roues dentées, trépans amovibles pour forage etc - qui doivent avoir une surface dure résistante à l'u-5 sure et une partie centrale tenace. Ces produits sont réalisés en un acier au manganèse à faible teneur en carbone mais dont la surface a une teneur élevée obtenue par cémentation en carbone. La caractéristique essentielle des produits ou articles selon l'invention consiste en ce qu'ils sont réalisés en un acier calmé 10 contenant, outre le fer et les impuretés courantes : C 0,01 - 0,04$, de préférence 0,01 - 0,03$ Mn 2,2 - 6,0$, " 2,5 - 5,0 $ Si 0,5 - 2,0$; " 0,7 - 1,5 $ Al (soluble dans les 15 20 25 acides) jusqu'à 0,2$ " 0,01- 0,1 $ Niobium et/ou Vanadium 0,01 - 0,5$ " 0,02-0,2 $ mais le niobium peut être remplacé en tout ou partie par du tantale N jusqu'à 0,03$, de préférence entre 0,005 et 0,02$ Zr jusqu'à 0,2$ et ayant une surface dure riche en carbone et qu'on obtient en soumettant lesdits produits ou objets en tout ou partie, après leur façonnage, à une cémentatfc>n de leur surface suivie d'une trempe. Ainsi, sauf en ce qui concerne sa teneur en carbone, la couche superficielle cémentée a la même composition que la partie centrale. L'acier non cémenté a une structure grenue très fine et des caractéristiques de résistance très satisfaisantes. En faisant "30 varier la teneur en manganèse du métal, on peut faire varier sa limite d'élasticité et sa résistance à la traction entre de larges limites, suivant les besoins. La limite d'élasticité pourra varier entre 60 et 100 kg/mm . Ce métal est très tenace et sa température de transition de rupture au choc est inférieure à -40°C, même 35 pour la résistance maximale. Comme indiqué ci-dessus, cet acier doit contenir 2,2 à 6$, de préférence 2,5 à 5$ de manganèse. Pour certaines applications, une teneur en manganèse entre j5 et 5$ est à préférer. La teneur en silicium de cet acier doit être comprise entre 0,5 69 19771 2 2010925 et 2$. Avec une teneur en silicium inférieure à la limite de 2$, la cémentation progresse lentement ou bien n'est pas uniforme. La teneur en silicium- de préférence comprise entre 0,7 et 1,5$-a de l'importance pour le traitement par cémentation parce que le 5 silicium augmente l'activité du carbone si bien qu'on peut ainsi cémenter la surface d'un produit ou objet de façon uniforme en relativement peu de temps. De plus, l'austénite résiduelle qu'on obtient en général au cours des opérations de cémentation, en particulier si la teneur en manganèse est élevée, doit dispa-10 raître si la teneur en silicium est comprise entre les limites indiquées ci-dessus. De plus, cet acier doit contenir 0,01 à 0,5$, de préférence 0,02 à 0,1$ de (niobium + tantale) et/ou de vanadium. En général il doit contenir au maximum 0,5$ de (niobium + tantale) pour des 15 motifs de solubilité et ne doit, de préférence, pas contenir plus de 0,5$ de vanadium, principalement par raison d'économie. Cet acier se prête très bien aux opérations d'usinage et peut être facilement travaillé aux outils de œrupe. Le graphique du dessin ci-annexé représente l'usinabilité d'un acier n° 2756 au 20 cours d'un essai de fraisage comparé à un acier classique n° 2541 soumis au même essai de fraisage. L'acier n° 2736 contient 0,052$ C, 1,15$ Si, 5>85$ Mn, 0,070$ Al, 0,15$ N et 0,015$ N et a subi un traitement thermique destiné à porter sa limite d'élas- 2 2 ticité à 75 kg/mm , sa résitance à la rupture à 95 kg/mm et 25 sa dureté Brinell à 550. L'acier classique n° 2541 a sensiblement la composition ci-après : C 0,55$; Si 0,25$; Mh 0,7 %, Cr 1,4$; Ni 1,4$; Mo 0,2$; et cet acier a subi un traitement thermique pour porter sa dureté Brinell à 270. Dans ce graphique, le volume des copeaux en centimètres cubes est porté en ordonnées 30 en fonction de la vitesse de coupe en m/mn portée en. abscisses, le fraisage ayant été effectué avec un outil en aci'er rapide. Le façonnage de l'acier peut être réalisé de plusieurs manières différentes. On peut préparer une ébauche par coulée, laminage, forgeage etc. On donne ensuite à l'ébauche la forme 35 voulue par usinage ou estampage à chaud ou à froid. L'objet ou pièce ainsi obtenu est ensuite so'umis à une cémentation superficielle aux endroits où l'on désire une surface 'dure. On peut cémenter des portions superficielles intérieures et/ou extérieures de la dite pièce. L'opération de cémentation 69 19771 3 2010925 est exécutée par un procédé connu, par exemple par cémentation à la poudre, cémentation au cyanure ou cémentation aux gaz. L'épaisseur de la couche superficielle cémentée peut varier de 0,1 à 2,5mm environ, suivant les dimensions de l'objet. On choisit ^ en général des profondeurs de cémentation voisines de la limite inférieure de cet intervalle pour des articles de petites dimensions tandis qu'on choisit des profondeurs de cémentation voisines de la limite supérieure dudit intervalle pour des pièces de machine de grandes dimensions. 1 q La teneur en carbone de la partie cémentée doit être comprise entre 0,5 et 1,5$ , de préférence entre 0,7 et 1,2$. A titre d'exemple, on peut signaler que,dans un cas, le traitement de l'objet en acier était réalisé à 900°C pendant 6 heures, de façon à obtenir une couche cémentée ayant une épaisseur de 1mm et une teneur en carbone d'environ 0,9$. Dans le cas le plus simple, la trempe est exécutée immédiatement après la cémentation et à partir d'une température légèrement inférieure à celle d'exécution de la cémentation. En variante, on laisse l'objet refroidir après la cémentation, ensuite on le ré-20 chauffe à la température de trempe et on le trempe. La trempe peut être effectuée à l'eau, à l'huile, à l'air, au bain de sel etc. Le traitement de l'objet comprend en général également un recuit à basse température constituant la dernière opération. Après l'achèvement du traitement thermique le produit a en géné-25 ral une dureté superficielle de 55 à 65 Rockwell. Un exemple de produit ou objet selon l'invention est un trépan amovible pour forage. Pour fabriquer un tel trépan oh façonne une ébauche ayant la forme désirée du trépan de la manière indiquée ci-dessus, ensuite on cémente ia couche superficielle sur 20 les faces intérieures et/ou extérieures. Ensuite, on fixe, par soudage, sur le trépan des pièces de métal dur, cette opération comprenant un traitement thermique si nécessaire. Au cours d'une opération de brasage, le trépan est, en règle générale, chauffé partiellement à une température comprise entre 1000 et 1200°C. De même , un mode opératoire commode consiste à chauffer tout d'abord l'ensemble du trépan à une température inférieure, par exemple entre 800 et 900°C et à continuer à chauffer la partie avant du trépan - dans laquelle on a ménagé des rainures des ca- . vités et des trous pour les pièces en métal dur,- jusqu'à la 69 19771 4 2010925 température de soudage. On peut aussi utiliser d'autres modes de traitement thermique. Un autre exemple de produit ou article selon l'invention est une roue dentée à laquelle on a donné de la manière sus-mention-5 née la forme demandée. Quand le corps de la roue a fait l'objet d'un usinage ou d'une autre opération de finissage, les dents sont cémentées à leur surface, ensuite ladite roue dentée est traitée par trempe et recuit de façon à obtenir le degré de dureté désiré. 10 Les produits ou articles selon l'invention présentent de grands avantages en ce qui concerne leurs propriétés et la commodité de leur fabrication à l'échelle industrielle. A noter en particulier les points ci-après : 1) la matière de départ est un acier qui se prête très faci-15 lement à toutes les variétés d'opérations d'usinage, réduisant ainsi au minimum le coût de ces opérations. 2) Grâce à sa surface cémentée, le produit a une résistance élevée à l'usure et à la fatigue. 3) La partie centrale du métal conserve sa ténacité même 20 après la cémentation. 4) Grâce à sa couche superficielle dure et à "son noyau tenace, le produit a une résistance élevée aux chocs et impacts, ladite matière amortissant les chocs. 5) Grâce à la ténacité de la matière de départ, les variations 25 de dimensions du produit provoquées par les traitements à chaud (par exemple ceux exécutés au cours des opérations de soudage) sont réduites au minimum; ceci a, à son tour, pour conséquence une répartition plus favorable des contraintes dans le joint soudé . 30 6) Le produit est moins coûteux à fabriquer que, par exemple, les produits en l'acier classique n° 25^1 sus-mentionné. 19771 5 2010925 REVENDICATIONS 1 - Produit en acier cémenté réalisé en un acier alUé calmé au manganèse, ledit produit comprenant un noyau tenace ayant la composition suivante : 5 C 0,01 - 0,04$, de préférence 0,01 - 0,03$ Mn 2,2 - 6,0 $, " 2,5 - 5,0 $ Si 0,5 -2,0$, " 0,7 -1,5$ Al (soluble dans les acides) jusqu'à 0,2$ " 0,01 - 0,1 $ -jq Niobium et/ou Vanadium 0,01-0,5 $ " 0,02 - 0,2 $ mais le niobium peut être remplacé en tout ou partie par du tantale N jusqu'à 0,03$ , de préférence entre 0,005 et 0,02$ Zr jusqu'à 0,2$ le reste étant du fer et des impuretés courantes, et au moins une couche superficielle cémentée dure ayant une teneur en carbone plus élevée que ledit noyau mais ayant par ailleurs, sauf en ce 20 qui concerne ladite teneur en carbone, la même composition que ledit noyau. 2 - Produit en acier selon la revendication 1, constitué par un trépan amovible pour forage, caractérisé en ce qu'il comprend une couche superficielle cémentée sur sa face extérieure et/ou 25 sa face intérieure. 3 - Produit en acier selon la revendication 1, constitué par une roue dentée, caractérisée en ce qu'elle comprend des dents dont la surface est cémentée. 4 - Procédé d'obtention d'un produit en acier selon la reven-20 dication 1, caractérisé en ce qu'on façonne une ébauche en acier ayant la composition ci-après. C 0,01 - 0,04$, de préférence 0,01 - 0,03$ Mn 2,2 - 6,0 $, " 2,5 - 5,0 $ Si 0,5 - 2,0 $, " 0,7 - 1,5 $ Al (soluble dans les acides) jusqu'à 0,2% " 0,01-0,1 $ Niobium et/ou Vanadium 0,01 - 0,5$ " 0,02 - 0,2 $ mais le niobium peut être remplacé en tout 69 19771 6 2010925 ou partie par du tantale N jusqu'à 0,03$ , de préférence en tre 0,005 et 0,02$ Zr jusqu'à 0,2$ 5 le reste étant du fer et des impuretés courantes, de façon à lui donner la forme du produit désiré et on la soumet ensuite à une cémentation suivie d'une trempe intéressant au moins une de ses surfaces. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce 10 que ladite trempe est suivie d'un recuit. 6 - Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit façonnage est une opération d'usinage. 7 - Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractéiisé en ce que ledit façonnage est un estampage.