Brevet FR2347989A1 — publié le 19771110

La présente invention a pour objet un procédé de transformation de pièces massives en alliage réfractaire et plus précisément un procédé de façonnage par déformation plastique à chaud desdites pièces qui permet d'assurer la fabrication de produits longs tels que des barres, des fils, des tubes de petits diamètres, des profilés, des tôles et des produits cylin driques ou tubulaires de grandes longueurs. Ce procédé s'applique notamment au façonnage de pièces en alliages réfractaires, en particulier en alliages durs, comme les alliages à base de cobalt, certains alliages à base de fer, ou les alliages à base de nickel, qui trouvent actuellement de nombreux débouchés en raison de leurs propriétés très intéressantes de résistance aux frottements, à l'abrasion et à la corrosion, dans un large intervalle de températures. Ce procédé permet de résoudre certains problèmes posés par la fabrication de pièces en alliage de ce type, qui jusqu'à présent n'ont pu être obtenues sous la forme de produits longs tels que des barres ou des fils, en raison de la ductilité insuffisante à chaud et à froid de 1e plupart des alliages réfractaires qui conduit à une impossibilité de les façonner par forgeage, par laminage ou par filage. De ce fait, on ne peut fabriquer actuellement des pièces en alliage de ce type que par des procédés de coulée classiques ou par coulée centrifuge.Ce mode de fabrication ne permet pas de réaliser facilement des produits longs tels que des barres, desfils, et des tubes de petit diamètre et il limite ainsiies-possibi- lités d'application de ces alliages dans certains-dmaines. La présente invention a précisément pour objet un procédé de transformation de pièces massives en-ailiage'réfrac- taire qui permet justement de résoudre les- problèmes posés par la fabrication de produits longs en alliage de ce type car, malgré la ductilité insuffisante de ces alliages, ce procédé permet d'assurer leur façonnage par déformation plastique à chaud et il donne ainsi la possibilité de transformer en produits de grande longueur des pièces massives en alliages réfractaires. A cet effet, le procédé de transformation d'une pièce massive en alliage réfractaire difficile à déformer à chaud se caractérise en ce qu'on dispose ladite pièce dans une enveloppe d'épaisseur supérieure à 0,5 mm, ladite enveloppe étant en matériau ayant une résistance à la déformation plastique à chaud inférieure à celle dudit alliage, en ce qu'on soumet ensuite l'ensemble composite ainsi obtenu à un façonnage par déformation plastique à chaud et en ce qu'on pièce de ladite enveloppe à la fin dudit façonnage. Avantageusement, le façonnage par déformation plastique à chaud est un filage, un laminage ou un forgeage. Ce façonnage est effectué à une température inférieure à la température de fusion de l'alliage à transformer, cette température étant suffisamment élevée pour que le coefficient de résistance à la déformation de l'ensemble composite soit le plus faible possible. Ce procédé tire avantageusement profit du fait que le coefficient de résistance à la déformation de l'ensemble composite obtenu a une valeur intermédiaire entre celui de l'enveloppe et celui de l'alliage à façonner. Aussi, en disposant la pièce dans une enveloppe en matériau approprié, on parvient à réduire considérablement le coefficient de résistance à la déformation de l'alliage réfractaire et ce d'autant plus que l'enveloppe est épaisse. Cette diminution du coefficient de résistance à la déformation rend ainsi possible le façonnage par déformation plastique à chaud des pièces moulées disposées dans l'enveloppe. Ce procédé présente, d'autre part, de nombreux avantages. Dans le façonnage par déformation plastique à chaud, on reporte au niveau de l'enveloppe entourant la pièce à transformer les échanges thermiques entre l'ensemble composite et les outillages, ce qui permet de maintenir la pièce disposée dans l'enveloppe à une température pratiquement homogène et d'optimiser ainsi les conditions de transformation car les caractéristiques de déformation de l'alliage évoluent rapidement dans un faible intervalle de températures et ainsi on les maintient à une valeur pratiquement constante. On reporte également au niveau de l'enveloppe qui peut les supporter, les frottements de l'ensemble composite sur les outillages, et on évite ainsi l'apparition de défauts profonds dans la pièce en alliage réfractaire. De plus, dans le cas du filage, les conditions de filage de la pièce disposée dans l'enveloppe se rapprochent d'un filage sous contrainte hydrostatique car l'enveloppe joue le rôle de transmetteur de pression. Dans la mise en oeuvre de ce procédé, la nature du matériau qui constitue l'enveloppe a une grande importance. En premier lieu, il est nécessaire que ce matériau présente un coefficient de résistance à la déformation inférieure à celui de l'alliage que l'on désire transformer. En second lieu, il est avantageux que ce matériau ait un coefficient de résistance à la déformation qui varie peu en fonction de la température et qu'il puisse se déformer dans une importante gamme de températures avec des taux de corroyage élevés, sans engendrer de défauts importants. De plus, il est préférable d'utiliser des matériaux qui ne donnent pas lieu à une contamination significative de la pièce en alliage réfractaire par réaction avec cette dernière dans les conditions de transformation. Par ailleurs, il va de soi que le matériau de l'enveloppe doit supporter les températures utilisées dans le procédé de transformation.On utilise de préférence, une enveloppe en fer, en acier doux, en acier faiblement allié ou en acier inoxydable. Les alliages réfractaires susceptibles d'être traités par le procédé de l'invention sont les super-alliages difficiles ou impossibles à déformer à chaud tels que les alliages durs contenant un ou plusieurs éléments tels que le cobalt, le chrome, le fer, le molybdène, le nickel, le vanadium, le tungstène, le carbone, le bore, et le niobium plus tantale. A titre d'exemple, on peut citer les alliages à base de cobalt, les alliages à base de fer, les alliages à base de nickel, comme par exemple l'alliage à base de cobalt contenant en poids 26 à 32 % de chrome, de 4 à 14 % de tungstène, moins de 3 % de nickel, moins de 1 % de manganèse, de 0,4 à 2 % d silicium, de 1,2 à 1,7 % de carbone et moins de 3 % de fer, et l'alliage à base de fer contenant en poids 19 à 32 % de chrome, à 14 % de molybdène, 2 à 8 % de tungstène, 6 à 50 % de nickel, 0,3 à 2,8 % de carbone et de petites quantités de vanadium, niobium plus tantale, zirconium, silicium et manganèse. Après le façonnage, on extrait les pièces de l'enveloppe par un procédé mécanique ou par un procédé chimique afin d'obtenir la pièce en alliage réfractaire transformée. Cette élimination de l'enveloppe est réalisée, par exemple, par décapage chimique, par usinage ou encore par découpage dans le cas de produits plats. Les propriétés des alliages réfractaires transformés par le procédé de l'invention sont intégralement conservées. La déformation à chaud homogénéise la structure, l'affine et confère une meilleure ductilité aux alliages tout en conservant leurs propriétés de dureté, de résistance à la corrosion, de résistance à l'abrasion et de résistance aux frottements. De plus, grace à cette augmentation de ductilité, on peut réaliser ensuite un façonnage par déformation plastique à froid des pièces transformées à chaud jusqu'à un taux d'écrouissage pouvant atteindre 25 %. On augmente ainsi la dureté par écrouissage à froid et l'on peut obtenir des produits de duretés dif férentes pour une même nuance d'alliage. Dans ce dernier cas, après avoir extrait la pièce de l'enveloppe, on soumet ladite pièce à un façonnage par déformation plastique à froid. Ce façonnage à froid est effectué par des procédés classiques tels que l'étirage, le tréfilage, le laminage, le martelage, etc. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif et se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un diagramme représentant 1 'évolution du coefficient de résistance à la déformation de l'ensemble composite soumis au façonnage par filage à chaud, en fonction de l'épaisseur de l'enveloppe utilisée - la figure 2 est un diagramme illustrant les rapports de réduction susceptibles d'etre utilisés pour le filage d'alliages à base de cobalt, en fonction de l'épaisseur de l'enve- loppe - la figure 3 représente un ensemble composite destine au filage - la figure 4 représente un autre typede réalisation d'un ensemble composite destiné au filage, et - la figure 5 représente un ensemble composite destiné au filage simultané d'une pluralité de pièces massives. En se reportant à la figure 1 qui représente une courbe établie pour le filage d'une pièce en alliage à base de cobalt disposée dans une enveloppe en acier doux, on voit nettement l'influence qu'exerce l'épaisseur de l'enveloppe sur le coefficient de résistance à la déformation de l'ensemble composite. Ce coefficient de résistance à la déformation K est défini par la formule suivant : K = F 1 est défini par la formule suivante : K = x Ln Ra dans laquelle F est l'effort fourni par la presse, S est la section du conteneur, Ra est le rapport de réduction soit le quotient de la section initiale de l'ensemble composite par la section du produit filé. La valeur de F est donnée par le diagramme effortdéplacement enregistré au cours du filage. Pour chaque épaisseur d'enveloppe, on détermine deux valeurs du coefficient de résistance à la déformation soient un K moyen et un-K max., qui représentent respectivement la valeur moyenne du coefficient de, résistance à la déformation de l'ensemble composite lors du filage et la valeur maximum du coefficient de résistance à la déformation, lors du filage. De même, on détermine pour le filage de l'acier doux, ces deux valeurs du coefficient de résistance à la déformation, Les courbes illustrées sur la Fig. 1 montrent que le coefficient de résistance à la déformation de l'ensemble composite diminue fortement avec l'épaisseur de levlvezoppe et qu'il se rapproche progressivement des valeurs obtenues pour le filage de billettes réalisées uniquement en acier doux. A partir des résultats obtenus précédemment, on peut calculer les rapports théoriques de réduction que l'on peut atteindre en fonction de l'épaisseur de l'enveloppe. Les courbes illustrées sur la figure 2 représentent les valeurs de ces rapports en fonction de l'épaisseur de l'enveloppe, pour trois valeurs de contrainte exercées sur le fouloir : soit 110 kg/mm2, 120 kg/mm2 et 130 kg/mm2. On voit d'après cette figure que les rapports de réduction susceptibles d'être atteints, augmentent rapidement en fonction de l'épaisseur de l'enveloppe. Les exemples suivants donnés à titre non limitatif illustrent l'invention, dans le cas du filage et du laminage. EXEMPLE 1 Cet exemple concerne la transformation par filage d'une pièce massive, en super-alliage à base de fer contenant 19 à 32 % de chrome, 5 à 14 % de molybdène, 2 à 8 % de tungs tène, 32 à 38 % de nickel, 0,7 à 0,9 z de carbone et de petites quantités de vanadium, de niobium plus tantale, de zirconium, de silicium et de manganèse. Cette pièce est une pièce cylindrique de 66 mm de diamètre et de 215 Mfl de longueur. En premier lieu, on dispose la pièce dans une enveloppe de forme complémentaire de facon à obtenir un ensemble composite destiné au filage. En se reportant à la figure 3, on voit l'ensemble composite obtenu. Cet ensemble comprend la pièce cylindrique moulée 1 disposée à l'intérieur d'une enveloppe tubulaire 2 en acier étiré d'une épaisseur de 3 mm, munie de deux bouchons 3 et 4. Ces bouchons ont été soudés sur l'enveloppe 2, par exemple par soudure argon-arc. Le bouchon 4 est arrondi ou chanfreiné tandis que le bouchon 3 est plat. Sur la figure 4 on a représenté une variante de réa lisation de l'ensemble composite dans laquelle l'enveloppe 2 est usinée dans la masse et fermée par un seul bouchon plat 3 soudé par argon-arc. I1 va de soi qu'il est possible d'utiliser d'autres types d'enveloppes du moment que leur forme est adap tée à celle de la pièce à filer et qu'on peut enfermer la pièce dans l'enveloppe. L'ensemble composite ainsi préparé est ensuite porté à une température de 11500C, dans un four électrique sous atmosphère neutre, par exemple d'argon pendant 2 heures. Après ce réchauffage, on effectue le filage de l'ensemble composite sur une presse de 575 tonnes dans un conteneur d'un diamètre de 75 nain. Les outillages tels que conteneur et filière d'angle au sommet de 900, sont préchauffés à 3500C. Le filage est du type lubrifié au stéarate de calcium par exemple, ou par tout autre produit lubrifiant. Les paramètres de filage sont les suivants -vitesse fouloir : 1,92 mètre par minute, - rapport de réduction : 19,9 - vitesse de sortie : 43 mètres par minute. Les coefficients de résistance à la déformation sont de l'ordre de 43 hectobars en pointe et de 30 hectobars en valeur moyenne. A la fin du filage, on assure une élimination de l'en- veloppe par voie chimique. Le produit obtenu après élimination de l'enveloppe a un diamètre de 15 mn et une longueur de 3.500 mn. L'état de surface est légèrement ligneux. Dans certains cas, pour améliorer l'état de surface du produit obtenu, on effectue le filage en deux étapes ; un premier filage ou prés pilage effectué avec un rapport de réduction faible, suivi d'un usinage ou de tout autre procédé d'amélioration de l'état de surface, puis un second filage effectué avec le rapport de réduction nécessaire à l'obtention du diamètre voulu. EXEMPLE 2 Cet exemple concerne le filage de pièces en alliage à base de cobalt contenant 28 % de chrome, 4 % de tungstène et 4 % d'éléments tels que le carbone, le silicium, le manganèse etc. Dans la mise en oeuvre de ce procédé, on assure la fabrication simultanée de plusieurs fils de 1 mn de diamètre, grâce à une conception particulière de l'enveloppe. Les pièces sont des pièces cylindriques de 8 mn de diamètre de de 180 mn de longueur. Elles sont disposées dans une enveloppe comportant plusieurs canaux destinés chacun à la réception de l'une de ces pièces. La figure 5 est une représentation en coupe verticale d'une enveloppe destinée à la mise en place de 17 pièces. Cette enveloppe 10 est réalisée sous la forme d'un cylindre d'acier doux, percé de 17 canaux 12, d'un diamètre de 8 mn et de 180 mn de longueur. Dans chacun de ces canaux, on place une pièce 14 d'alliage de cobalt. Après mise en place de ces pièces, l'extrémité supérieure du cylindre d'acier doux est fermée par un bouchon comme dans le cas de la figure 4. Selon une variante, on peut utiliser une enveloppe constituée de tubes en acier doux hexagonaux extérieurement et cylindriques intérieurement, ces tubes étant rassemblés pour former un empilement hexagonal compact et étant maintenus par deux bouchons soudés. L'ensemble composite comprenant l'enveloppe à l'intérieur de laquelle sont disposées les 17 pièces en alliage de cobalt est porté à une température de 11500C, dans un four électrique sous atmosphère d'argon, pendant 2 h. A la suite de ce traitement on effectue le filage de l'ensemble composite dans les mêmes conditions que pour l'exemple 1. Les pa ramettes du filage sont les suivants - vitesse du fouloir : 1,92 mètre par minute, - rapport de réduction : 56,3, - vitesse de sortie : 110 m/minute. Les coefficients de résistance à la déformation sont de 24 hectobars en pointe et de 19 hectobars en valeur moyenne. A la suite du filage, on procède commue précédemment à l'élimination par voie chimique de l'enveloppe. Les pièces obtenues sont des fils d'un diamètre de 1,02 mm + 2/100 et d'une longueur unitaire de 8 m, soit au total 136 m. L'état de surface des fils est excellent et les aspérités sont inférieures au 1/100 mn. EXEMPLE 3 Cet exemple concerne la transformation par laminage de pièces en alliage de cobalt contenant 28 % de chrome, 4 % de tungstène et 4 % d'éléments tels que le carbone, le silicium, le manganèse, etc. Le laminage est réalisé à partir d'une pièce à section carrée de 28 mm de côté et de 100 mn de longueur. Cette pièce est disposée dans une enveloppe constituée par deux tôles en acier inoxydable à 17 % de chrome, de 5 nan d'épaisseur qui sont soudées à des plaques de rives en acier doux de 28 mm d'épaisseur. Après assemblage et soudure, l'ensemble composite obtenu est porté à 11500C dans un four électrique, pendant 2 heures, sous atmosphère d'argon. Le laminage est effectué par passés successives de 2 à 3 nrn. Après quatre passes, on procède à un réchauffage de l'ensemble composite. Ce réchauffage est effectué en portant l'ensemble à 11500C pendant 1/4 h, dans un four électrique sous atmosphère d'argon.On soumet ensuite l'ensemble ainsi réchauffé à de nouvelles passes de laminage en assurant un réchauffage après quatre passes. Le nombre de réchauffages est égal à 3. En fin d'opération, on élimine l'enveloppe par découpage à la cisaille. Le produit obtenu a une épaisseur de 1 nan et l'état de surface est bon. Après élimination de l'enveloppe, les produits obtenus par laminage ou filage à chaud peuvent être ensuite façonnés à froid par des procédés classiques tels que par étirage, par tréfilage, par laminage, ou par martelage. Dans le cas de l'étirage et du tréfilage, une passe de calibrage sur fils de petit diamètre (1 ou 2 'mn par exemple) permet d'obtenir un bon état de surface avec un taux d'écrouissage de quelques pour cent. Dans le cas du laminage, on peut obtenir une bonne finition par laminage à froid. Les taux de réduction que l'on peut atteindre peuvent aller jusqu'à 10 %. Dans le cas du martelage, on peut déformer à froid par martelage des barres filées à chaud. Leur état de surface est excellent. Le martelage peut être poursuivi après traitement thermique d'adoucissement à une température choisie en fonction de l'alliage à déformer. A titre d'exemple non limitatif, on décrit ci-après une séquence de transformation à froid par martelage rotatif d'une barre ronde en alliage à base de cobalt obtenue par filage sous enveloppe, à 11500C. L'alliage de cobalt contient 28 % de chrome, 4 % de tungstène et 4 % d'éléments tels que carbone, silicium, manganèse, etc.Le processus de transformation à froid après élimination de l'enveloppe est le suivant 1 ) Une série de 3 passes comprenant une première passe pour amener le diamètre de 10,5 mm à 10 nan correspondant à un taux d'écrouissage de 10% et amenant la dureté de 450 à 545 HV, une 2ème passe amenant le diamètre de 10 nan à 9,45 mm correspondant à un taux d'écrouissage de 11 % et amenant la dureté de 545 à 550 HV et une 3ème passe amenant le diametre de 9,45 à 8,98 nnn correspondant à un taux d'écrouissage de 10 % et amenant la dureté de 550 à 660 HV. L'état de surface est excellent. 20) Un traitement d'adoucissement. Pour adoucir le métal, on effectue ce traitement d'adoucissement par chauffage haute fréquence pendant 5 minutes, à 11500C, au défilé sous argon et on ramène ainsi la dureté de 660 à 420 HV. 30) Une série de trois passes - une première passe amenant le diamètre de 8,98 à 8,52 man correspondant à un taux d'écrouissage de 10 %, - une deuxième passe amenant le diamètre de 8,52 à 8,08 mm correspondant à un taux d 'écrouissage de 10 %, et - une troisième passe amenant le diamètre de 8,08 à 7,67 nin correspondant à un taux d 'écrouissage de 10 %. La dureté finale du produit est de 650 HV. Les caractéristiques des produits obtenus par le procédé de l'invention sont en tous points identiques à celles qui ont été mesurées sur des produits moulés. La déformation à chaud confère de plus à ces alliages une meilleure ductilité tout en conservant leur résistance et leur dureté, la microstructure est fine et homogène et les carbures sont finement dispersés Par exemple, pour un alliage à base de cobalt contenant 28 % de chrome, 4 % de tungstène et 4 % d'éléments tels que le carbone, le silicium, le manganèse, etc., la dureté ROCKWELL à froid du produit filé est de 40 à 43 RC, alors que celle du produit brut de coulée est de 39 à 45 RC.Pour cet alliage, les essais de traction à froid et à chaud ont donné les résultats suivants Produit brut de Produit obtenu coulée après filage Traction Traction Traction Traction froid 6500C froid à 6500C Charge de 2 /mm 2 kg/mm 2 rupture 8,9 kg/mm 69 kg/mm 96 kg/mm 86 kg/mm limite élas- 2 2 2 tique à 0,2 % 60 kg/mm 42 kg/mm 61 kg/mm2 43 ka/ Allongement 2 a 3 % 4 % 9,4 % 10,8 à la rupture ~ ~ Les caractéristiques d'usinabilité sont nettement améliorées. De plus, la contamination de la pièce obtenue, par le matériau de l'enveloppe est très faible, inférieure à 100 u et cette contamination est éliminée en totalité lors de la suppression de l'enveloppe par usinage ou par décapage chimique. Le procédé de l'invention permet ainsi de réaliser - des b:I 3s en grandes longueurs qui ne peuvent être fabriquées par moulage, - des fils de petits diamètres par filage en barillet, ces fils raboutés se calibrent par-martelage, - des profilés : par exemple des méplats, des cornières, des aubes de turbines à vapeur, etc., - des tubes longs de petits diamètres, - des produits plaqués intérieurement ou extérieurement avec des couches relativement fines, - des tôles brutes de transformation à chaud ou finies à froid, - des produits cylindriques ou tubulaires en grandes longueurs calibrés à froid par martelage ou étirage, ce qui est une technique éventuellement plus économique que d'utiliser des procédés conventionnels d'usinage, de rectification ou de rodage. Les pièces obtenues trouvent de nombreuses applications en raison de leurs bonnes propriétés. Ainsi, sous la forme de fils de grande longueur, ces produits sont avantageux pour le rechargement en alliages réfractaires car cette forme est favorable pour effectuer le dépôt de ces alliages par des procédés à grande vitesse ou par des procédés automatiques. REVENDICATIONS 1. Procédé de transformation d'une pièce massive en alliage réfractaire et difficile à déformer à chaud, caractérisé en ce qu'on dispose ladite pièce dans une enveloppe d'épaisseur supérieure à 0,5 mn, ladite enveloppe étant en un matériau ayant une résistance à la deformation plastique à chaud inférieure à celle dudit alliage, en ce qu'on soumet ensuite l'ensemble composite ainsi obtenu à un façonnage par déformation plastique à chaud et en ce qu'on extrait ladite pièce de ladite enveloppe à la fin dudit façonnage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on soumet en outre ladite pièce après l'avoir extraite de ladite enveloppe, à au moins un façonnage par déformation plastique à froid. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit façonnage par déformation plastique à chaud est un filage, un laminage ou un forgeage. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit façonnage par déformation plastique à froid est un laminage, un étirage, un martelage ou un tréfilage. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit alliage est un alliage dur contenant au moins un des éléments choisis dans le groupe comprenant le cobalt, le chrome, le fer, le molybdène, le nickel, le vanadium, le tungstène, le carbone, le bore et le niobium-tantale. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau de ladite enveloppe est du fer-, de l'acier doux, de l'acier faiblement allié, ou de l'acier inoxydable.