Brevet FR2316337A1 — publié le 19770128

L'invention concerne des pièces d'acier allongées, pré-renforcées et détendues, et plus particulièrement en aciers de haute résistance à latraction et à la déformation, et dont le taux de contraintes résiduelles est faible. Les barreaux d'acier pré-renforcés, laminés à froid, sont caractérisés par la combinaison d'une résistance élevée et d'une bonne aptitude à l'usinage, permettant la fabrication de pièces de qualité, selon diverses opérations d'usinage, sans nécessiter de traitement thermique ultérieur. I1 est généralement connu d'obtenir des barreaux d'acier laminés à froid et pré-renforcés, par tréfilage à froid, en effectuant une réduction relativement sensible de la surface transversale des barreaux, suivi d'une opération de redressement, au cours de laquelle on fait passer les barreaux dans des laminoirs planeurs, du type Lewis ou Medart, comportant une série de cylindres qui redressent les barreaux par déformations successives suivant des arcs de courbure décroissante. On fait préferablement suivre l'opération de planage d'une opération de détente des contraintes internes, destinée à augmenter la résistance à la traction, tout en atténuant les contraintes résiduelles du barreau. Ce traitement de stabilisation ou de détente des contraintes s'effectue généralement, par lots ou en continu, dans un four dont la température est maintenue dans la gamme de 260 à 6500C environ. L'uniformité de texture dans un barreau, ou entre les barreaux, traités dans le four, constitue un facteur important dans le processus qui a pour but d'augmenter au maximum la résistance à la traction tout en réduisant au minimum les contraintes résiduelles. L'uniformité de texture est en relation directe avec I'uniformité du degré de température maintenu au cours du traitement thermique. Pour des raisons économiques, dans la fabrication de masse des barreaux détendus, on charge les fours de plusieurs tonnes de barreaux à la fois, de sorte que l'on ne peut obtenir l'uniformite désirable qu'en maintenant les barreaux à la température convenable pendant plusieurs heures, généralement de l'ordre de 5 heures, ou plus. Même avec une durée aussi longue de maintien des barreaux dans le four, il est difficile de réaliser l'uniformité idéale, en ce qui concerne à la fois la température à laquelle les barreaux sont maintenus, et la durée de leur maintien à la température désirable, tout en assurant un rendement économique de production. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de barreaux d'acier pré-renforcés, détendus, de résistance à la traction et à la déformation élevées, et dont les contraintes résiduelles sont faibles, qui ne présente pas les inconvénients décrits ci-dessus. Le procédé de l'invention permet d'obtenir rapidement et de façon économique de telles pièces d'acier allongées, pré-renforcées, stabilisées avec une uniformité améliorée dans le traitement thermique d'un seul barreau, ainsi que des barreaux entre eux. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen des exemples et dessins annexés, qui représentent, à titre non limitatif, divers modes de réalisation suivant l'invention. Sur ces dessins la figure 1 donne une représentation graphique de la relation entre la déformation et l'effort (ou contrainte) de pièces d'aciers avant et après leur redressement; la figure 2 donne une représentation graphique de l'effet de la durée du maintien de l'acier -à une température élevée, au cours de son traitement de détente sur les propriétés de résistance à la traction et à la déformation et de contraintes résiduelles; la figure 3 est un schéma représentant une opération de tréfilage à froid;; la figure 4 est un schéma représentantuneopération de redressement dans un appareil de planage du type Lewis; les figures 5 et 6 représentent schématiquement une opération dans un appareil de planage du type Medart; la figure 7 est un schéma représentant une opération de détente des contraintes internes, suivant le procédé de l'invention. On peut, selon l'invention, augmenter au maximum les valeurs des résistances à la traction et à la déformation d'une pièce d'acier, tout en réduisant au minimum ses contraintes résiduelles, en la soumettant à un écrouissage pour la pré-renforcer, suivi d'une opération de planage, puis de détente, à température élevée, effectuée par chauffage rapide, généralement de l'ordre de 10 minutes, à la température désirée.Les pièces allongées ainsi traitées présentent une plus grande uniformité de produit, une aptitude amé liorée à l'usinage et des contraintes résiduelles sensiblement réduites On voit sur la figure 1, qui représente le diagramme effort, ou contrainte-déformation, qu'après l'étirage à froid de la pièce d'acier, les allongements sont proportionnels aux efforts et la courbe de variation est une droite jusqu'à ce que l'on atteigne la limite d'élasticité (ou de proportionnalité) au-delà de laquelle la courbe s'incurve; passé cette limite, l'effort subi est plus graduel que la déformation. Cependant, l'opération de redressement, précédemment décrite, produit un effet quelque peu différent, comme le montre la comparaison des deux courbes de la figure 1.On voit, d'après la courbe inférieure, qui se rapporte à une pièce étirée à froid, puis redressée, que la relation de l'effort à la déformation est linéaire jusqu'à ce que l'on atteigne- la limite d'élasticité, au-delà de laquelle l'effort subi augmente plus lentement, pour une déformation croissante. Ainsi,l'étirage à froid a pour effet de renforcer le métal, mais aussi de lui conférer des contraintes résiduelles.Par contre, l'opération de redressement a pour effet de réarranger ou redistribuer les contraintes reste duelles, mais aussi de lui conférer une diminution de la limite élastique Sur la figure 1, la limite élastique, c'est-à-dire la contrainte correspondant à un allongement de 0,2%, est représentée par Çy pour la pièce étirée à froid et par 6 y pour la pièce étirée y y à froid, puis redressée; on voit que la valeur de 6y est supérieure à celle de ' . y y L'opération de détente des contraintes ou tensions internes, précédemment décrite, a pour but d'augmenter la résistance à la déformation. La figure 2 représente une série de courbes montrant l'effet d'un traitement de détente de contraintes sur les propriétés de résistances à la traction et à la déformation, dont les valeurs sont portées en fonction du logarithme de la durée du traitement thermique. A chaque propriété, correspondent deux courbes, l'une pour une température T1 (de l'ordre de 3150C), l'autre pour une température T2 (de l'ordre de 4800C). On voit que les résistances à la traction et à la déformation d'une pièce étirée à froid, puis refroidie, décroissent toutes deux au cours de la durée du traitement de détente, à température élevée, la vitesse de cette décroissance s'accélérant avec la durez du traitement thermique. Par contre, en ce qui concerne les contraintes résiduelles, la vitesse de leur décroissance est beaucoup plus rapide.Selon l'invention, un chauffage rapide et uniforme dans l'opération de détente de contraintes permet, en réduisant la durée du traitement de la pièce à haute température, d'obtenir la même diminution qu'en général des contraintes résiduelles, mais des valeurs maximales de résistance à la traction et à la déformation. En d'autres termes, par l'application d'un chauffage rapide et uniforme, l'opération de détente est effectuée avant que la décroissance rapide des résistances à la traction et à la déformation ne puisse s'amorcer. Selon le procédé de l'invention, on soumet un barreau d'acier, ou pièce de forme semblable, à un écrouissage,préférablement l'éti- rage à froid, pour obtenir une réduction de la surface de la section de la pièce qui suffit à fournir une augmentation appréciable de sa résistance. On peut effectuer l'étirage à froid selon les techniques usuelles, comme représenté à la figure 3 où l'on fait simplement passer une pièce allongée 10 à travers une filière de réduction 12, pour former une pièce 14 pré-renforcée. On entend ici par le terme "etirage à froid", une opération d'étirage effectuée à une température inférieure à la plus basse température critique de l'acier. Après son étiragè à froid, on soumet la pièce à une opération de planage, par contre-cintrage progressif au moyen de flexions décroissantes, pour obtenir une pièce redressée. On peut utiliser les appareils planeurs usuels du type Lewis, ou Medart, schématiquement représentés aux figures 4, 5 et 6. Selon un mode de mise en oeuvre préférable du procédé de l'invention, on effectue le chauffage rapide de la pièce, dans le traitement thermique de détente, en la chauffant directement par résistance, par application du courant électrique. La résistance électrique de la pièce au passage du courant est cause de son échauffement rapide. Les connexions électriques sont de préférence établies aux deux extrémités de la pièce, de telle sorte que le courant la traverse complètement. Etant donné que le courant traverse unifor mément le barreau, la température du barreau augmente uniformément, selon ses deux axes, de sorte que l'intérieur et l'extérieur de la pièce sont chauffés simultanément, sans qu'il se produise de tensions thermiques.Il est préférable d'utiliser un courant électrique à basse fréquence, ou encore préférablement, le courant continu. On peut ainsi chauffer très rapidement une pièce de grandes dimensions, simplement par l'emploi de sources de puissance suffisamment élevée. La figure 7 représente schématiquement un mode de mise en oeuvre du chauffage par résistance électrique de la pièce 14, sur laquelle les contacts 16 et 18 assurent le passage du courant à travers toute la longueur de la pièce. Il est préférable de mettre la pièce 14 sous tension, pendant son traitement thermique, pour compenser l'expansion thermique de la pièce et prévenir son gauchissement à tèmpérature élevée. Cette tension légère que l'on applique à la pièce, au cours de l'opération de détente des contraintes, sert à préserver son redressement et ne produit aucune déformation plastique. L'opération de détente dépend de la durée et de la température. L'emploi du chauffage par résistance électrique nécessite d'élever la pièce à des températures légèrement plus élevées, par exemple d'environ 10 à 930C, qu'avec le chauffage au four, pour obtenir le même niveau de propriétés mécaniques, à cause des vitesses relativement faibles de variation de ces propriétés à une température donnée. Pour cette raison cependant, et parce que les tensions résiduelles diminuent beaucoup plus vite, on obtient un taux sensiblement plus bas des tensions résiduelles. I1 est essentiel, selon le procédé de l'invention, d'effectuer un chauffage uniforme et rapide, pour obtenir une pièce présentant les propriétés précitées. Une durée de chauffage de moins de 10 minutes, et de préférence de 15 à 120 secondes, est en général suffisante pour atteindre la température désirée. I1 peut être désirable de maintenir encore la pièce à la température désirée, pendant 1 seconde à 5 minutes de plus. La température de chauffage de la pièce est généralement comprise entre environ 2600C et la température critique inférieure de l'acier, préférablement entre environ 260 et 7000C. La température légèrement plus élevée employée dans le procédé de l'invention est probablement due au fait que l'opération complète de chauffage est tellement rapide et uniforme, comparativement aux nombreuses heures de chauffage au four. On a déjà proposé de chauffer un fil métallique, après son étirage, pour la normalisation ou détente de ses tensions, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 2 281 132. Cependant, dans ce brevet, le fil n'est pas redressé avant son traitement de détente, et en conséquence, on n'a pas eu à surmonter la difficulté d'une résistance diminuée à la déformation, comme dans la présente invention. Le procédé de l'invention s'applique au traitement d'une grande variété d'aciers, y compris les aciers au carbone et faiblement alliés, comme les aciers contenant 0,10 à 0,75% en poids de carbone, faiblement alliés ou non. L'invention convient particulièrement au traitement de barreaux d'aciers répondant aux normes américaines AISI/SAE,1144, 4142 et 4142H, ainsi qu'aux aciers 4142 et 4142H contenant des additifs pour améliorer leur aptitude à l'usinage. De tels aciers contiennent en général des pourcentages en poids de 0,10 à 75 de carbone, 0,50 à 1,50 de manganèse, 0,01 à 0,07 de phosphore, 0,01 à 0,50 de soufre, 0 à 1,50 de chrome, 0 à 0,50 de molybdène, et 0,10 à 0,80 de silicium, le reste étant constitué de fer, avec ses impu retés habituelles. L'invention est encore illustrée par les exemples pratiques suivants. EXEMPLE 1 On traite un lot de barreaux d'acier 1144, laminés à chaud, provenant tous de la même chaude, par des opérations successives de décalaminage, de tréfilage jusqu'à une réduction assez importante, et planage sur un redresseur rotatif de Médart. On divise ensuite les barreaux en deux sous-groupes, dont le premier est traité dans un four de passage pendant 5 heures, tandis que le second est détendu par chauffage par résistance pendant 60 à 90 secondes. Les propriétés mécaniques obtenues sont les suivantes Four Résistance (environ 4700C) (environ 4800C) Résistance à la traction K/cm2 8507 89-29 à à la déformation: 7101 7945 K/cm' 7101 7945 Allongement : % 12 10 Réduction : % 32 27 Dureté : RC 23 23 On effectue le planage de tous les barreaux, puis on leur fait subir un essai d'usinabilité sur une machine du type dit National Acme Automatic Screw Machine, 25,4 mm RAN. Chaque lot subit un essai de 8 heures, à des vitesses et sous des pressions prédéterminées, pour fournir les pièces d'essais. Les résultats des essais montrent une nette supériorité des barreaux chauffés par résistance, en ce qui concerne les deux paramètres observés : caractéristiques de forage et gonflement à l'usinage. Tandis qu'il est nécessaire de changer les forets trois fois au cours des 8 heures pour les barreaux traités au four, on a pu conserver les memes forets pendant l'essai entier de 8 heures effectué sur les barreaux chauffés par résistance. De même, avec ces derniers, le gonflement des pièces, qui est relié à l'usure de l'outil, n'est que d'environ 0,0203 mm, alors qu'il atteint environ 0,0381 mm avec les barreaux traités au four. Au cours du même essai,on mesure aussi l'uniformité des deux types de matériaux par des essais de dureté.On trouve une dispersion des duretés de 6 RC pour les barreaux traités au four et seulement de 4 RC pour ceux chauffés par-résistance, ce qui représente une uniformité bien meilleure de ces derniers. EXEMPLE 2 On traite un autre lot de barreaux d'acier 1144, provenant de la même chaude, comme décrit dans l'exemple 1, pour obtenir les mêmes propriétés mécaniques. Les températures sont ici d'environ 4540C pour le four et 5540C pour le chauffage par résistance. Les deux lots sont ensuite soumis comparativement à des essais critiques d'usinage qui consistent en très légères passes d'enlèvement de surface avec un outil de forme ainsi qu'en un perçage de longue durée. Le paramètre critique est constitué par la durée de vie de ltoutil de forme sur la machine automatique à vis, mesurée d'après le nombre de pièces produites au moment de la rupture. Les résultats d'essai montrent que les barreaux chauffés par résistance produisent 1290 pièces avant rupture de l'outil de forme, alors que ceux traités au four ne produisent que 970 pièces. On peut en conclure que le traitement de détente par chauffage par résistance permet d'obtenir une augmentation de 33% de la durée de vie de l'outil de forme. EXEMPLE 3 Un troisième lot de barreaux d'acier 1144, provenant de la même chaude, est traité comme précédemment décrit, à des températures d'environ 4820C dans le traitement au four, et environ 5650C dans le chauffage par résistance, pour obtenir les mêmes propriétés mécaniques. Les deux types de barreaux sont ensuite soumis à des essais sur une machine du type Pratt and Whitney, pour tailler des vis mères, réglée pour tailler un filet de vis d'environ 25,4 mm-5 Acme. Les distorsions provenant des contraintes résiduelles dans les barreaux d'acier laminés à froid, pré-renforcés, constituent un problème majeur dans la fabrication des vis mères. On mesure cette distorsion d'après l'erreur sur la vis mère, sur une longueur d'environ 30,5 cm, une erreur d'environ 0,0076 mm étant généralement considérée comme excellente et n'étant d'ordinaire obtenue que par meulage après une coupe de dégrossissage. On obtient les mesures suivantes d'erreurs, après une coupe profonde en une passe, pour les deux types de matériaux a- Détente par traitement au four : erreur d'environ 0,03048 mm sur une longueur d'environ 30,5 cm; b- Détente par chauffage par résistance : erreur d'environ 0,00127mm sur une longueur d'environ 30,5 cm. De tels résultats sont remarquables si on considère que les deux lots présentent une résistance à la traction d'environ 8 788K/cm2 et que la seule différence entre eux consiste dans leur traitement thermique. Ces résultats indiquent que les tensions résiduelles des barreaux chauffés par résistance sont inférieures, de plus d'un ordre de grandeur, à celles des barreaux chauffés au four. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes, accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela de 11 esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de pièces d'acier allongées, pré-renforcées et détendues, caractérisé en ce que l'on effectue sur une pièce d'acier au carbone ou faiblement allié, une opération d'écrouissage pour la pré-renforcer, suivie d'un redressement de la pièce par contre-cintrage, puis d'un chauffage rapide de détente, de moins de 10 minutes, à une température comprise entre environ 2600C et la température critique de l'acier, de façon à maintenir un niveau élevé des propriétés mécaniques, avec un faible taux de contraintes résiduelles. 2.- Procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce que l'on chauffe la pièce d'acier par le passage du courant électrique à travers ladite pièce. 3.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe la pièce d'acier à une température comprise entre environ 260 et 7040C. e 4.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe la pièce d'acier à la température désirée, en 1 seconde à 5 minutes. 5.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue le redressement à l'aide d'un appareil de planage du type Lewis 6.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue le redressement à l'aide d'un appareil de planage du type Médart. 7.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier est un acier au carbone, ou faiblement allié, dont la teneur en carbone est comprise entre 0,10 et 0,75% en poids. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il s'applique à un acier désigné sous la norme américaine AISI/SAE 1144+. 9.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce est soumise à une opération d'étirage pour réduire son diamètre et pour augmenter sa résistance à la traction. 10.- Procédé suivant les revendications 1 et 9, caractérisé en ce que la pièce est soumise à une opération d'étirage à froid. 11.- Procédé suivant la revendication 1, 9 ou 10, caractérisé en ce que l'opération d'étirage à froid est effectuée au-dessous de la température critique inférieure de l'acier. 12.- Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on chauffe la pièce à une vitesse qui est sensiblement uniforme dans le sens transversal de ladite pièce. 13.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue le redressement de la pièce en la faisant passer entre une série de rouleaux planeurs destinés à déformer la pièce pour la redresser. 14.- Pièce en acier détendue, pré-renforcée, formée d'un acier au carbone ou faiblement allié, caractérisée par un traitement tel que décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 13. 15.- Pièce en acier selon la revendication 14, caractérisée en ce que l'acier contient 0,10 à 0,75% en poids de carbone. 16.- Pièce en acier suivant la revendication 14, caractérisée en ce que l'acier contient : 0,10 à 0,75% en poids de carbone, 0,50 à 1,5% en poids de manganèse, 0,01 à 0,07% en poids de phosphore, 0,01 à 0,50% en poids de soufre, 0 à 1,5% en poids de chrome, 0 à 0,50% en poids de molybdène et 0,10 à 0,80% en poids de silicium, le reste étant constitué de fer avec ses impuretés usuelles.