Brevet FR2064240A1 — publié le 19710716

La présente invention se rapporte aux grands vilebrequins et en particulier à leur fabrication. Par grands vilebrequins, on doit comprendre ici ceux dont les tourillons ont un diamètre allant de 300 à 1000 mm et au-delà. 5 En particulier dans la construction navale, les unités sont devenues de plus en plus grandes, et le besoin en vilebrequins correspondants s'est nécessairement accru. Du côté des fabricants de vilebrequins^, on a suivi l'évolution en fabriquant des manetons séparés en fonte d'acier sur lesquels, pour obtenir des vilebrequins, 10 sont montés à force les tourillons. Pour les vilebrequins soumis aux charges les plus élevées, on a forgé des manetons séparés que, de même que les manetons en fonte d'acier, on a assemblés et montés à force pour constituer des vilebrequins complets. Pour pouvoir obtenir de meilleurs caractéristi-15 ques technologiques dans la matière et par suite une plus grande capacité de charge de vilebrequins complets, on a mis au point et constamment perfectionné le forgeage avec continuité de la fibre. Dans ce procédé, comme on le sait, on déplace, selon les formes du maneton, les lignes de ségrégation plus ou moins fortement marquées 20 dans les grands lingots avec la fibre qui se forme au cours du for-geage. On utilise ainsi le fait connu que les caractéristiques longitudinales sont, en général, dans les pièces forgées supérieures aux caractéristiques transversales. Dans les vilebrequins assemblés et montés à force, les contrain-25 tes de contraction dans les joues représentent une charge de la matière dans le sens transversal car, lorsqu'on évide les joues, il faut entamer la fibre dans la direction transversale. On tient compte de ce fait en dimensionnant largement en conséquence les sections transversales dans les joues et par suite en maintenant faibles les 30 sollicitations spécifiques de la matière. Oes nécessités, qui du point de vue technologique ne s'imposent pas, entraînent des poids fâcheusement élevés des vilebrequins et par suite des poids élevés des lingots de départ. En outre, on ne peut monter à force que des vilebrequins ayant des manetons relativemat longs, car il doit sub-35 sister une longueur de matière suffisamment grande et porteuse entre le tourillon de maneton et le tourillon de palier. Un facteur décisif pour la durabilité de vilebrequins complets et par suite pour leur stabilité est le rayon de l'arrondi reliant le tourillon à la joue. Relativement au diamètre du tourillon, on 40 ne peut pas reculer à volonté les limites dans les vilebrequins for 70 36521 "2" 2064240 gés d'une seule pièce en général, et dans le forgeage avec continuité de la fibre en particulier. Ce sont d'une part les poids des lingots et d'autre part les dispositifs de forgeage qui ne permettent plus d'augmenter la grandeur de vilebrequins entiers ou même 5 de manetons. En ce qui concerne la durabilité, on doit toujours considérer comme critique la zone de transition entre le tourillon et la joue à cause des pointes de contrainte qui apparaissent à cet endroit. L'invention vise la réalisation de grands vilebrequins dans 10 lesquels, tout en maintenant ou améliorant les avantages apportés par une contexture, ou allure, favorable de la fibre, on obtient un accroissement de la durée, line aptitude plus grande aux sollicitations, une construction plus ramassée, un poids inférieur à celui des vilebrequins antérieurs fabriqués par assemblage, ou cer-15 tains seulement de ces avantages. Suivant l'invention, on fait subir à l'acier, avec un degré voulu, élevé, de corroyage, calculé à partir du lingot brut, une déformation à chaud le mettant à l'état de barres rondes de diamètres égaux ou légèrement inférieurs aux diamètres des tourillons du 20 vilebrequin à fabriquer, après quoi on déforme chaque barré ronde en partie pour en faire une partie tourillon et l'autre extrémité de la barre ronde pour en faire une partie joue, cette dernière, au moins, étant formée par refoulement de manière que la surface refoulée de la joue fasse un angle aigu avec l'axe du tourillon. Après 25 ce formage à chaud des deux parties, on assemble par soudage deux joues pour constituer une moitié de maneton et deux telles moitiés de maneton pour constituer un maneton et enfin les manetons, en nombre désiré,et décalés de la façon habituelle l'un par rapport à l'autre, pour constituer un vilebrequin complet. 30 De façon plus détaillée, il est recommandé de procéder comme suit relativement à ces opérations et à leurs combinaisons s Lors de sa déformation qui le transforme en barre ronde, le lingot brut doit subir un forgeage répété au moins deux fois et de préférence trois ou quatre. Il se forme ainsi un faisceau uniforme 35 des fibres. Il est avantageux de donner, par déformation à chaud à partir de la barre ronde, aux quatre parties d'un maneton la même forme et les mêmes dimensions. Il suffit alors d'une seule matrice. Dans cette déformation à chaud, on peut, à la zone de transition entre le 40 tourillon et la joue, imprimer dans la. joue un creux fortement ar 70 36521 "3" 2064240 rondi en forme de poche. Cette réalisation d'une forme qui augmente extrêmement l'aptitude aux sollicitations est particulièrement simple avec les conditions indiquées pour les parties constitutives, de sorte qu'on peut éviter une fabrication, par exemple par usinage 5 avec enlèvement de copeaux, "bien qu'il soit précisé qu'un tel usinage n'est pas exclu. le soudage est exécuté, de préférence, par le procédé du soudage électrique sous laitier et/ou le procédé de soudage sous poudre protectrice. Il est particulièrement avantageux de relier les 10 joues par le procédé de soudage électrique sous laitier et les manetons par le procédé de soudage sous poudre protectrice. Avant de souder les faces de liaison des joues, on les revêt de préférence d'une couche-tampon. Le dépôt de telles couches-tam-pons au moyen d'une ou plusieurs couches de matière de soudure est 15 connu en soi. Dans le présent cas, l'épaisseur de la couche-tampon doit suffire pour empêcher que, lors du soudage auquel on procédera ensuite pour relier les tourillons entre eux, des effets thermiques soient exercés sur la matière des tourillons* On améliore notablement la qualité du vilebrequin si, après 20 l'assemblage par soudage, on dépose par soudage des chargements convenables sur les tourillons et/ou les zones de transition entre les tourillons et les joues. Il peut être avantageux de faire pénétrer le chargement à des profondeurs différentes dans l'acier du tourillon. 25 Dans le cas de la présente invention, on procède au traitement thermique, en particulier une trempe et un revenu, de préférence su& les manetons individuels avant l'assemblage du vilebrequin. Après avoir assemblé les manetons entre eux par soudage, on devrait procéder uniquement à un traitement thermique au-dessous de la tem- , 30 pérature de revenu. Pour la liaison, par soudage, des joues et/ou des manetons, il est particulièrement indiqué d'utiliser une matière d'apport qui, par ses propriétés technologiques, de préférence sa limite d'allongement, soit supérieure à la matière de base. Il est apparu que la 35 matière de la composition suivante convenait particulièrement comme matière d'apport pour l'assemblage par soudage : 0,05 à, 0,60 i» de carbone 0,20 H 1,0 ^ de manganèse 0,30 " 1,0 Jé de silicium 40 0,50 * 2,0 i» de chrome 70 36521 2064240 0,30 à 2,5 £ de molybdène 0,20 M 0,70 i» de vanadium 0,30 " 1,0 Jf de tungstène le reste étant du fer. 5 Pour le chargement par soudage,on préfère les matières plus plastiques et plus aptes à la consolidation (durcissement) que la matière de base. Tel est le cas de 1*acier de la composition s 0,05 à 0,30 $> de carbone 0,20 tt 1,0 i» de manganèse 0,30 II 1,0 JÉ de silicium 0,50 t» 2,0 jfc de chrome 0,30 tt 1,9 Jé de molybdène le reste étant du fer* Pour améliorer davantage la qualité, on peut exécuter un polis— 15 sage à pression à galets, ou galetage, connu en soi, qu'on exécute ici sur le tourillon et/ou sur la zone de transition entre le tourillon et la joue. Pour les surfaces de transition (poches), on peut également avantageusement remplacer le galetage par un cinglage superficiel ponctuel, en particulier au moyen de fines billes 20 d'acier. Le nouveau procédé présente un grand nombre d'avantages, dont on mentionnera quelques-uns ci-après. Parmi les avantages du procédé, on indiquera que, pour la fabrication de grandes pièces forgées pour vilebrequins, il n'est plus 25 nécessaire de partir de lingots de dimensions excessives et qu'il y a des taux élevés de corroyage, de préférence triples ou quadruples, ce qui assure des propriétés technologiques optimales. Ainsi qu'on le sait, des dimensions plus petites de lingot ont l'avantage d'entraîner des conditions plus favorables de cristallisation et de 30 ségrégation et par suite de meilleures propriétés dynamiques du vilebrequin complet dans son état final. On est en putre assuré que le procédé par matriçage, qu'on utilise de préférence, assure une meilleure position de la fibre dans la joue. Un autre avantage est la possibilité, pour relier des parties 35 séparées de maneton pour constituer des manetons complets, ou des manetons complets pour constituer des groupes de manetons, d'utiliser des matières d'apport de haute qualité qui sont complètement exemptes de ségrégation et sans fibres et, du point de vue technologique, ont des propriétés considérablement supérieures à celles de 70 36521 ~5~ 2064240 la matière de base. Quand, avant le traitement thermique des parties séparées du maneton, on tamponne les surfaces frontales ou bien on fait complètement disparaître par le traitement thermique l'effet thermique sur les zones de transition, il est possible de 5 conserver, une fois exécutée la totalité de la liaison, les qualités de la matière de base et d'obtenir éventuellement à l'emplacement de la soudure des caractéristiques supérieures dues à la matière d'apport de qualité supérieure. Un autre avantage du procédé vient de ce que la totalité de la 10 zone des tourillons de palier et de maneton, y compris les zones de transition en direction d'une joue, est soumise sur une large surface à un revêtement de chargement continu par soudage avec emploi d'une matière particulière. Cette matière se laisse remarqueblement bien cingler, parvient à des consolidations élevées dans la région 15 des zones dynamiques critiques de charge et assure ainsi la plus grande insensibilité à l'égard de l'apparition de fissures permanentes. Par des épaisseurs de couche déposée, différentes dans les zones de transition, entre le tourillon et la joue, qui sont soumises à des sollicitations qui sont dynamiquement particulièrement 20 élevées, on peut, en fonction de cette nécessité, obtenir des consolidations particulièrement profondes par le galetage ou des mesures similaires. Des avantages notables sont également constitués par la forme choisie par les parties de manetons à souder ensemble, car il en 25 résulte la possibilité d'une fabrication simple et sûre, avec une allure optimale des fibres. / Pour assurer le succès technique, on a, suivant l'invention, mis au point des matières qui ont par elles-mêmes de hautes propriétés dynamiques et qu'on utilise donc comme matières de base 30 pour les vilebrequins. Comme matière-tampon pour les soudures ultérieures de liaison, on prévoit des alliages qui possèdent une bonne compatibilité avec la matière de base et, en outre, présentent par elles-mêmes, après un traitement thermique convenant à la matière \ de base, des propriétés technologiques qui, considérées dans leur 35 complexité, sont encore supérieures à celles de la matière de base. Une autre propriété de ces aciers est leur aptitude, quand on les fond à nouveau en leur amenant une matière d'apport d'une nature analogue,, à fournir, sans traitement par trempe et revenu, des qualités optimales, qui du point de vue de la limite d'allongement et 40 de la résistance, dépassent celles de l'état de revenu. Egalement 70 36521 ^ 2064240 la résilience de cette matière est supérieure à celle de la matière de base. Dans ces conditions, on peut compter sur des résistances d'endurance fortement augmentées de la matière de liaison et, par suite, les risques d*amorces de fissures et de cassures sont "bannis. 5 Outre -une absence complète de ségrégation et un grain primaire et tua grain secondaire extrêmement fins, il y a une tendance suffisante à l'écrouissage; " Pour mieux faire comprendre l'invention et les effets qu'elle permet d'obtenir, on a illustré par des dessins le procédé suivant 10 l'invention. Chacune des figures 1,2 et 7 représente en élévation, avec coupe partielle, un maneton de vilebrequin, les figures 3 à 6 permettent de reconnaître les propriétés technologiques des matières après l'exécution des différents traitements, et la figure 8 est une coupe suivant la ligne x - y de la figure 7 « 15 A partir d'un lingot brut convenable, on a, avec un taux suffi sant de corroyage, amené des barres rondes de longueur convenable, pour les parties de maneton 1, 2, 3 et 4 à une dimension inférieure de 5 à, 30 mm à la cote prévue. On a introduit alors une extrémité de barre, destinée à constituer un tourillon 6, dans une matrice con-20 venable, entre 30 et 70 5& de la longueur de la barre, suivant les dimensions de la joue et la forme, pouvant dépasser de la matrice. On a forgé alors la joue 5 à partir de cette partie dépassante de la barre. Après refroidissement, on a effectué un contrôle soigneux de la matière en appliquant tous les procédés convenables pour déteiv 25 miner la densité et l'absence de défauts. On a exécuté ensuite un chargement par soudage, en utilisant une matière particulière, dans les zones 5 et 6, qu'on avait précédemment forgées pour les amener à une dimension inférieure à la cote prévue. Après le chargement par soudage, on a assemblé ces parties de maneton convenablement trai-30 tées pour constituer un maneton complet et on a exécuté les soudures de liaison 7 et 8. On a muni ensuite les faces frontales 9 et 10 des parties extérieures de maneton 3 et 4 de zones tampons, dont l'épaisseur était comprise entre 10 et 20 mm. On a soumis au traitement déôrit plus haut de trempe et de revenu un maneton ainsi assem-35 blé, puis on l'a examiné du point de vue de l'absence de défauts et de ses propriétés technologiques. Au moyen de la soudure de liaison 11 dans la zone des faces 9 et 10 de tourillon, on a procédé ensuite à l'assemblage, à l'état de vilebrequins complets, des manetons ainsi fabriqués d'avance et soumis au traitement de revenu. Par indue-40 tion, on a procédé ensuite, au-dessous de la température de revenu, 70 36521 2064240 au traitement conduit spécialement du point de vue thermique pour faire disparaître les tensions internes. Par galetage, on a provoqué dans les régions 12 et 13 de la figure 2 de fortes déformations plastiques qui, d'une part, ont consolidé et cinglé la totalité de 5 la surface et, en outre,produit des contraintes suffisantes de compression dans les régions dans lesquelles, en cas de sollicitations de traction ou alternées, on devait s'attendre à des amorces de fissures ou à des ruptures par fatigue. Du point de vue de la matière, les figures 3 à 6 donnent des 10 indications sur un acier choisi à titre d'exemple, une" matière d'apport de soudage convenant à cet acier et les mesures de traitement choisies pour influencer cet acier et cette matière. Comme matière de hase, on a utilisé un acier contenant 0,45 $ de carbone, 0,35 fi de silicium et 0,70 fi de manganèse. Après évacu-15 ation de la chaleur de soudage par refroidissement, il possédait, dans la zone de transition thermique,, la pointe de dureté représentée sur la figure 3 et une texture largement martensitique. On a exécuté le soudage avec un acier de la composition suivante : carbone 0,05 silicium 0,60 fi, manganèse 0,75 fit chrome 2,0 fi et molyb-20 dène 1,0 fi» Après un traitement de trempe et revenu à l'huile à 850°C et à l'air à 650°C,l'état dans la liaison était celui représenté sur la figure 4» Exprimé numériquement, il signifie que les rt p pointes de dureté de 110 kg/mm avaient été ramenées à 70 kg/mm par le traitement par trempe et revenu et que la soudure elle-même 25 présentait une résistance de 71 kg/mm . Il y a donc une bonne concordance entre les résistances de la matière de base et de la soudure. SlCt maintenant, on ouvre la soudure de manière qu'une couche de 8 mm subsiste de part et d'autre de l'ouverture, et si l'on soumet les surfaces de séparation se faisant face et distantes de 20 mm à >• 30 un nouveau soudage et à un traitement à 550^2 pour. faire disparaître les tensions internes, on obtient une courbe de dureté suivant la figure 5. la résistance est alors supérieure de 12 kg/mm à celle de la matière de base. On doit viser à un tel état quand à la fois la \ limite d'allongement et toutes les caractéristiques de déformation 35 de la matière d'apport doivent être supérieures à celles de la matière de base, ce à quoi on doit également viser. Si par exemple les valeurs maximales de résilience pour la matière de base étaient de 7 kg,m/mm^ dans le sens de la longueur, on a trouvé que, dans la soudure, elles étaient de 17 kg.m/mm . Pour la figure 6, on a traité 40 la couche, de chargement par soudage en utilisant son aptitude à la 70 36521 2064240 A consolidation, de sorte que sa résistance était montée à 92 kg/mm , ce qu'on obtenait par exemple par une déformation plastique à froid de 10 fs par galetage de la couche de revêtement. Dans cet état, la totalité de la surface du tourillon et la partie critique de là 5 joue se trouvent dans un état favorable de précontrainte de compression. Même des charges très élevées de la totalité de la section du vilebrequin seront dans la zone extérieure, en ce qui concerne les . sollicitations de fatigues la flexion, toujours présentes à 13état de charges de seuil dans la zone de compression et non à l'état de 10 charges alternées avec une transition dangereuse de pénétration dans la zone de traction. Les sollicitations de torsion ne peuvent pas non plus avoir une action nuisible, car ici aussi l'état de précontrainte de compression représente une condition favorable pour éviter les ruptures. 70 36521 - REVENDICATIONS 1 .- Procédé de fabrication d'un grande vilebrequin dont les tourillons ont un diamètre allant de 300 à 1000 mm et au-delà et qui convient à une sollicitation dynamique élevée, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on fait subir à l'acier, avec un taux nécessai— 5 re élevé de corroyage, une déformation à chaud le mettant-à l'état de barres rondes de diamètres égaux ou inférieurs aux diamètres des tourillons du vilebrequin à fabriquer, on fait subir ensuite à chaque barre ronde une déformation à chaud dans laquelle une partie de la barre ronde devient une partie tourillon et l'autre partie 10 devient par refoulement une partie joue dont la surface refoulée fait un angle aigu avec l'axe du tourillon, après quoi on assemble par soudage deux joues pour constituer une moitié de maneton, deux telles moitiés de maneton pour constituer un maneton et enfin le nombre désiré de manetons pour constituer un vilebrequin complet. 15 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, dans sa déformation le mettant à l'état de barres rondes, on fait subir au lingot brut un forgeage répété au moins deux fois, et de préférence trois ou quatre. 3.- Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caracté-20 risé en ce que les quatre parties d'un maneton sont amenées à des dimensions uniformes. 4.— Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on imprime dans la joue, à l'emplacement de transition entre le tourillon et la joue, un creux fortement arrondi en 25 forme de" poche. 5.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 4» caractérisé en ce qu'on exécute le soudage par le procédé de soudage électrique sous laitier ou sous poudre protectrice. 6.— Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5» caracté-30 risé en ce qu'on relie ensecible les joues par le procédé de soudage électrique sous laitier et les manetons par le procédé de soudage sous poudre protectrice. 7.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'avant de souder 'ensemble les surfaces de liaison 35 des tourillons, on les revêt d'une couche-tampon dont l'épaisseur suffit pour empêcher que, dans le soudage de liaison qui suivra, 2064240 70 36521 10~ 2064240 des effets thermiques soient exercés sur la matière des tourillons. 8.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'après l'assemblage par soudage, on munit les tourillons et/ou les emplacements de transition, entre les tourillons et 5 les roues, de chargements par soudage. 9.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le chargement par soudage a une profondeur variable dans la joue. 10.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 9» caracté- 10 risé en ce qu'on traite thermiquement, de préférence par trempe et revenu, les manetons individuels avant l'assemblage du vilebrequin. 11.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'après avoir assemblé les manetons par soudage,on procède uniquement à un traitement thermique au-dessous de la tempéra- 15 ture de revenu. 12.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que, pour la liaison par soudage des joues et/ou des manetons, on utilise une matière qui, par ses propriétés technologiques, de préférence sa limite d'allongement, est supérieure à la matière 20 de base. 13.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que, pour la soudure de liaison, on utilise un acier de la composition 0,05 à 0,60 de carbone 25 0,20 tt 1,0 * de manganèse 0,30 n 1,0 de silicium 0,50 » 2,0 1° de chrome 0,30 M 2,5 de molybdène 0,20 tt 0,70 + " de vanadium 30 0,30 tt 1,0 $ de tungstène le reste étant du fer. 14»- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 13» caractérisé en ce que, pour le chargement par soudage, on utilise des matières qui sont plus plastiques et plus aptes à la consolidation 35 que la matière de base. 15.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que^pour le chargement par soudage, on utilise un acier 70 36521 -11- 2064240 de la composition 0,05 à 0,30 i» de carbone 0,20 H *,0 % de manganèse 0,30 si 1,0 de silicium 0,50 H 2,0 d@ etaom© 0,30 si 1,9 d® soljMèn© le reste étant du fero 16.- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 15» caractérisé en ce qu'on soumet préalablement au galetage les tourillons et/ 10 ou la zone de transition entre le tourillon et la joue. 17*- Procédé suivant l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'on remplace le galetage des zones de transition (poches) par un cinglage ponctuel superficiel. /