Brevet FR2319800A1 — publié le 19770225

Un alliage de titane et de niobium a déjà trouvé emploi antérieurement, uniquement pour ses propriétés supraconductrices,dans l'industrie électronique, mais non comme matériau de structure ou de fixation. Le problème que se pose l'inver.tion est de disposer d'un rivet qui soit léger, de résistance aubisaillement relativement élevée et dont le fflt soit à même de former facilement une rivure; Considérant par exemple le cas du rivetage de tales en alliages dits 6À1-4V et titane CP, les rivets de l'art antérieur présentent les inconvénients suivants. On ne peut utiliser des rivets en aluminium bien qu'ils soient légers et faciles à écraser, cars ils se corrodent rapidement dans des tales de titane plus noble, sont inutilisables à des températures supérieures à environ 175tu, et sont de résistance mécanique relativement tro faible. On utilise des rivets en alliage dit MONEL dont la résistance au cisaillement est de ltordre de 7,75 kgf/cm2, mais ils sont relativement lourds comparés au poids des tales, ils sont plus difficiles à écraser et entraient des déformations des tales minces. On peut se servir de rivets en titane dit CP qui sont sans doute plus légers, mais provoquent des déformations inacceptables des tales minces et sont nettement plus difficiles à écraser en exigeant par conséquent des pistolets riveteurs et des contrebouterolles plus lourds, entraînant une fatigue accrue du personnel préposé au rivetage, ce qui est un point très important, enfin ils sont de rivetage difficile dans les endroits peu accessibles où il faut utiliser des contre-bouterolles, de formes moins commodes que la normale. On a essayé des rivets en alliage dit A-286 du fait qu'ils sont plus robustes aux températures ambiantes et aussi à des températures élevées allant jusqu'à 700ex, mais ils sont beaucoup plus lourds, sont très difficiles à poser et entraient une de'foration très accentuée des tôles fines. On a aussi essayé des rivets en alliages de titane dits bbta mais la pose était beaucoup trop dure et ces rivets sont lourds. Sur des tales en aluminium telles qu'en alliages dits 2024 T3 et 7075 T 6, on a utilisé antérieurement des rivets monoblocs en Monel plaqué de cadmium ainsi que des rivets monoblocs en titane dit CP qui ont une résistance nominale au cisaillement satisfaisante. L'emploi le plus connu de ces rivets monoblocs en Monel'cadmié et en titane CP sur des cellules en aluminium d'avions a été celui fait sur 1'avion anglo-français Concorde. On a alors remplacé le Monel cadmié par du titane CP pour gagner du poids, mais le titane CP entrasse une vitesse de corrosion accrue de l'aluminium dans des environnements à projections d'eau salée et bien que les rivets en titane CP soient posés sur rev8tement primaire humide au chromate de zinc, ou autre revêtement isolant anti-corrosion, appliqué sur les rivets et les trous de rivets, cette solution ntest pas jugée entièrement satisfaisante du fait que, pratiquement, ou bien le revêtement primaire ne recouvre pas complètement les surfaces d'aluminium, ou bien sèche avant pose du rivet et saute en lant.Une corrosion galvanique accélérée de l'aluminium a lieu qui est de nature a provoquer un desserrage de la liaison. Enfin, à la suite de cette action galvanique, le titane CP peut absorber de l'hydrogène, des hydrures se forment et le rivet peut lâcher. Dans le domaine des méthodes de façonnage à froid, la référence de l'art antérieur la plus intéressante dont la demanderesse ait connaissance est le brevet américain N' 3 626 531, mais ce brevet ne vise que des rivets constitués par des matériaux déjà énumérés ci-dessus pour les emplois de l'art antérieur, et les processus envisagés ne permettent pas de prédéterminer la longueur de la que ductile du tat de rivet. Dans le procédé suivant l'invention, au contraire, ctest pratiquement toute la longueur de serrage du rivet qui est durcie par écrouissage, de manière à aboutir à un rapport défini entre la partie ductile non écrouie du fat de rivet et le diamètre de ce fat. Le rivet proposé par l'invention est d'abord léger, il a en outre une résistance accrue au cisaillement proportionnée à la longueur de serrage du rivet, ce qui fait qu'il comble un besoin qu'aucun autre rivet monobloc de l'art antérieur ne satisfaisait. Le rivet de la présente invention est supérieur en ce qu'il procure la résistance nécessaire au cisaillement, tout en étant plus facile à poser que tout autre rivet de l'art antérieur, de résistance au cisaillement comparable; ce rivet peut être posé sur des tales minces sans entraîner de déformation de celles-ci; il conserve très bien sa resistance et sa ductilité à des températures allant jusqutà 425'C; sa résistance, sa ductilité et ses autres caractéristiques mécaniques se sont avérées stables d'après des essais jusqu'à 1000 heures de maintien à 4250C; du fait de la facilité de pose, on peut utiliser des marteaux riveteurs et des contre-bouterolles moins lourds, la fatigue du personnel préposé s'en trouve réduite et les rivets peuvent être posés dans des endroits peu accessibles au moyen de contre-bouterolles de forme coudée ou autres moins commodes que la forme normale, sans que les tetes des rivets posés soient déjetées. On a constaté qu'après exposition prolongée à 4250C, ces rivets subissent un revenu et acquièrent une résistance mécanique accrue. Par exemple, au bout de 244 heures à 425'C, 89% de rivets façonnés à froid constitués par l'alliage suivant l'invention, avaient une résistance à la rupture de 20,15 kgf/cm2 pour une élongation de 24%, à comparer à une résistance avant traitement de 13,33 kgf/cm2 pour la même élongation de 24%.Cette étape de revenu du procédé de fabrication peut, dans certains cas, devenir très importante. Les rivets de l'invention fabriqués par le procédé suivant l'invention résolvent les problèmes de corrosion, meAme en l'absence de revêtement des surfaces des tôles. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins annexés correspondants, dans lesquels - la Fig. 1 est une vue d'un tourillon cylindrique destiné à faire un rivet - la Fig. 2 montre comment le tourillon de la Fig,l est introduit dans une matrice - la Fig. 3 est une vue du tourillon sur lequel une première tête a été formé - la Fig. 4 montre comment le tourillon avec première tete de la Fig. 3 est disposé dans la matrice - la Fig. 5 est une vue d'un rivet/sortant de la matrice - la Fig. 6 montre comment le rivet fini est disposé dans la matrice, une fois que la cavité cylindrique de fat de celle-ci a vu sa longueur augmentée - la Fig. 7 est une vue d'un rivet dont la tête tronconique est d'un angle au sommet de valeur accrue - la Fig. 8 montre comment le rivet de la Fig. 7 est disposé dans une seconde matrice - la Fig. 9 montre comment le rivet suivant l'invention est posé en rivetage préféré - la Fig. 10 montre comment le rivet suivant l'invention est posé en rivetage tel que pratiquement toute la partie non durcie du rivet est écrasée au-dessous de la tole inférieure assemblée. Tel qu'il est mpnsenté à la Fig. 1, un tourillon 1 est une pièce cylindrique en un alliage titane-niobium précis; ci-aHl-s, pièce obtenue par tronçonnage d'un fil dans une tronçonneuse à froid. Ce tourillon est introduit dans une matrice 2 comme le montre la Fig. 2. L'extrémité de fût 3 du tourillon stengage dans une cavité correspondante 4 d'un diamètre légèrement supérieur à celui du tourillon. Celui-ci repose sur un refouloir cylindrique d'extrac- tion 5. La majeure partie du tourillon se trouve placée dans une cavité de tête 6, de plus grand diamètre et ouverte à sa partie supérieure pour permettre l'insertion du tourillon. Le diamètre de la cavité de tête 6 est d'au moins 30 % supérieur à celui de la cavité de fdt 4. Un poinçon 7 s'engage étroitement dans la cavité de tête 6 et, au moment où il est animé d'un mouvement de descente, il refoule le matériau constitutif du tourillon en lui faisant épouser la forme de la cavité de tête 6, à la manière représentée à la Fig. 4.L'extrémité de fût 3 du tourillon est tenue de façon à ne pouvoir s'expanser en aucune façon au-delà de la cavité de fht 4 de diamètre restreint, alors que l'extrémité supérieure du tourillon s'élargit pour remplir complètement la cavité de toute 6 de la partie supérieure de la matrice. Ceci se traduit par un formage à froid du tourillon donnant une première tête 8 et une partie tronconique 9 épousant la forme de la cavité élargie de tête 6. La partie tronconique 9 fait l'objet d'un formage à froid progressivement décroissant, depuis son intersection avec la tête 8 jusqu'à son intersection avec la partie terminale de fût 3. Une fois que le tourillon a pris la forme représentée aux Figs. 3 et 4, on abaisse le refouloir 5 ou on le retire en position flottante, comme indiqué à la Fig. 6, et on abaisse le poinçon 7 un peu plus loin dans la cavité de tête 6, de manière à contraindre le tourillon 1 à s'enfoncer dans la cavité de fût 4 de la matrice, comme le montre la Fig. 6. Ceci se traduit par un nouveau formage du matériau de la partie tronconique 9 et de la tête 8 des Figs. 3 et 4. Le rivet ainsi façonné est alors éjecté de la matrice par retrait du poinçon et montée du refouloir 5, le rivet obtenu ayant alors la forme représentée à la Fig. 5. L'angle au sommet de la partie tronconique 9 (Fig. 3) est d'environ 304. C'est cet angle qui est utilisé le plus souvant pour permettre une extrusion aisée de façonnage à froid du tourillon passant de la forme de la Fig. 3 à celle de la Fig. 5. Mais il est possible d'utiliser des angles autres que 300 et, par exemple, un angle de 7000. L'ébauche résultant des opérations de formage dans une matrice unique 2 présente un fût 11 et une tete 12 bronconique ayant un angle au sommet de 300, comme le montre la Fig. 5. Si l'on n'utilise pas dans le formage que l'on vient de décrire un angle supérieur allant jusqu'à 1000, il suffit de transférer l'ébauche de la Fig. 5 à une seconde matrice 10, dans laquelle le fût 71 du rivet est maintenu inchangé alors que la tête 12 est portée à une nouvelle forme 13. Une fois le rivet ainsi façonné à la forme finie voulue, il est soumis à un traitement de revenu qui va augmenter ses résistances à la traction et au cisaillement de la totalité du matériau le constituant, qui a subi un façonnage accentué à froid mais sans effet ou presque sur 1'extrémité de fAt non façonnée 3 du rivet. Le traitement de revenu préféré consiste à porter le rivet tout entier à une température de 425vu maintenue pendant environ 5 heures, sous un vide d'environ 10-4 torr . A la suite d'un tel traitement, la résistance au cisaillement de la partie façonnée à froid du rivet est portée à environ 4200 kgf/cm2 et l'extrémité non façonnée de fût 3 conserve sa résistance initiale au cisaillement d'environ 3500 kg/cm2 ainsi que sa ductilité initiale, telle qu'elle puisse être facilement écrasée pour former la rivure. Pour disposer de la quantité voulue de matière permettant de former une rivure, il est préférable que la longueur de l'extrémité non façonnée de fût 3 soit d'environ 0,8 fois le diamètre du fût. Par exemple, pour un rivet d'un diamètre de 6,35 mm (1/4 de pouce), la longueur de l'extrémité non façonnée de fût 3 sera de 3, mm (0,2 pouces). On a constaté que, dans le rivet fini, la partie du rivet qui n'a pas été façonnée à froid est pratiquement la longueur de ltextrémité de fût 3 se trouvant dans la cavité de fût 4 (Fig. 4). Cependant, la longueur non affectée par le façonnage à froid se prolonge axialement dans le fût 11 jusqu'à une surface limite qui est sensiblement en forme de calotte sphérique comme indiqué par une ligne en trait interrompu à la Fig. 7. La longueur de l'extrémité non façonnée de fût 3, telle qu'elle a été précisée ci-dessus, est telle quten cours de pose du rivet fini dans des tôles 15, 16, comme le montre la Fig. 10, c'est pratiquement toute l'extrémité non durcie de fût 3 qui s'détend tout d'abord au-dessous de la tale inférieure 16. Cette longueur en saillie du fût de rivet est sensiblement équivalente au diamètre de ce fût. A la Fig. 9, on a représenté la pose du m8me rivet en serrage sur l'épaisseur maximale recommandée, l'extrémité de fût 3 du rivet ne faisant saillie que partiellement, par exemple sur une distance qui, par rapport au diamètre du rivet, peut lui être inférieure d'un montant allant jusqu'à 1,6 mm (1/16 de pouce) en donnant encore suffisamment de matière pour former une rivure satisfaisante des tales 17, 18 assemblées.Dans l'un et l'autre cas, la majeure partie du fût du rivet est en l'état façonné à froid et durci et est par conséquent en mesure de supporter des charges de cisaillement plus élevées que celles qu'accepterait le matériau initial sans revenu. Bien que la composition optimale des rivets pour avion soit de 55 % de titane et de 45 % de niobium, une gamme de 40 à 75 % de titane s'avère satisfaisante. Une moindre teneur en titane réduirait les charges requises à l'écrasement de rivetage mais augmenterait le poids. Un léger accroissement de la teneur en niobium pourrait améliorer les propriétés thermiques. Une théorie permettant d'expliquer l'accroissement des résistances à la traction et au cisaillement des rivets constitués par l'alliage suivant l'invention sans accroissement des charges requises à l'écrasement de rivetage invoque un effet de "filage" (texturing) au sein du matériau du rivet traité à la manière décrite, cet effet rendant le matériau capable de se comporter comme un matériau composite, comprenant une matrice douce renforcée par des fibres longitudinales de haute résistance. Un tel rivet a des résistances élevées à la traction et au cisaillement du fait des robustes fibres de renforcement mais il oppose peu de résistance à une compression longitudinale. RvEND lC AT IONS 1 - Rivet caraetérisé en ce qu'il est constitué par un alliage de titane et de niobium. 2 - Rivet selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1'alliage renferme davantage de titane que de niobium. 3 - Rivet selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage renferme de 51 % à 70 % de titane et le reste de niobium. 4 - Rivet selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1'alliage renferme 55 % de titane et 45 % de niobium. 5 - Rivet selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est pourvu d'une tête à l'une de ses extrémités par façonnage à froid. 6 - Rivet selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est façonné à froid et durci par revenu. 7 - Rivet selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est façonné à froid, de façon à laisser une éxtrémité non façonnée ductile dont la longueur correspond environ au diamètre du fût et renfermant en conséquence suffisamment de matière pour former la rivure. 8 - Rivet selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite extrémité non façonnée est au total d'une longueur correspondant environ à 0,8tirs le diamètre du fût du rivet0 9 - Rivet selon la revendication 6, caractérisé en ce que dit fût est durci par revenu à une température d'environ 425C maintenue pendant environ 5 heures sous un vide d'environ 10-4 torr 10 - Procédé de farrication de rivet, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : on part d'un tourillon cylindrique monobloc en alliage de titane et de niobium, on forme à froid une tête sur ce tourillon, on façonne à froid cette tête et une portion prédéterminée dudit tourillon pour former un fût durci par écrouissage de longueur prédéterminée, en laissant une queue de longueur prédéterminée qui soit ductile et capable de former une rivure. il - Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte en plus une étape de durcissement par revenu. 12 - Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que ladite étape de durcissement par revenu consiste à porter le rivet à une température d'environ 4250C maintenue pendant environ 5 heures sous un vide d'environ 10-4 torr 13 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit fût est façonné à froid de façon à avoir une longueur telle que la partie non façonnée ductile restante soit au total d'environ 03 fois le diamètre du fût. 14 - Procédé de fabrication de rivet, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : on part d'un tourillon cylindrique monobloc en alliage de titane et de niobium, on place ce tourillon dans une cavité de matrice telle qu'une première partie de la cavité est cylindrique et sensil3lement de même diamètre que celui du tourillon et une seconde partie, ouverte, de la forme voulue pour former une première tête sur le tourillon et on enfonce le tourillon dans la matrice pour que ladite seconde partie de celle ci forme à froid ladite première tête, on augmente la longueur de la première partie de la cavité de la matrice et on poursuit ltenfoncement du tourillon dans la matrice pour refouler une partie de ladite première tête dans la première cavité et former ainsi une portion prédéterminde du fût du rivet, en laissant une partie terminale prédéterminée du fût du rivet en son état ductile initial.