Brevet FR2383234A1 — publié le 19781006

La présente invention concerne le traitement des matériaux par le froid. En particulier, elle concerne le traitement par le froid d'outils et d'autres appareils et équipements qui doivent effectuer en service de durs travaux. L'outil ou un autre appareil ou instrument peut être constitué d'un acier à outil ou d'un "cermet" tel que du carbure de tungstène. Le traitement thermique des aciers à outil est bien connu en pratique. Il comprend généralement une première étape consistait à chauffer à une température élevée (typiquement égale ou supérieure à lOOOnC) à tremper l'acier à outil qui vient d'être chauffé, puis à lui faire subir un revenu en le chauffant jusqu'à une température de 250 C. I1 faut qénéralement plus d'une opération de revenu. Cependant, si l'on adopte le procédé de la demande de brevet britannique NO 1 353 753 déposée par BOC International Ltd., le nombre des chauffages de revenu nécessaires peut être réduit.Ce procédé implique une étape de refroidissement au-dessous de OOC que l'on effectue dans une seule région se situant initialement à une température égale à la t mpérature ambiante ou voisine de celle-ci. On réalise l'étape de refroidissement au-dessous de OOC après la trempe, mais avant le revenu. La Demande de brevet de la République Fdérale d'elle magne N0 DT-Os 2 517 147 propose un procédé de traitement de matériaux, en particulier de métaux, selon lequel on peut amé- liorer, en en raffinant la structure, les propriétés métallurgiques du matériau par un refroidissement sans chauffage préalable ou subséquent.Donc, cette demande de brevet DT-DS 2 517 147 propose, pour le traitement de matériaux, en particulier des nuances de fer et des aciers à des températures extrêmement basses, un procédé qui se caractérise par le fait que lton refroidit progressivement le matériau de la température normale jusqu'à une température extrêmement basse, par exemple -196nC, à une vitesse à laquelle la formation de craquelures résultant d'une chute trop rapide de la température du matériau ne se produit pas, on maintient pendant un certain temps au moins, par exemple durant 18 à 30 heures ou même plus longtemps, le matériau à cette très basse température, puis on le laisse revenir à la température ambiante. Contrairement aux procédés selon les demandes de brevet précitées, le procédé selon la présente invention concerne un traitement applicable notamment aux aciers à outil ou à des aciers analogues (par exemple des aciers dont on fait des cylindres ou des engrenages) et selon lequel on les soumet à un cycle de traitement par le froid après achèvement du cycle de traitement par un ou des chauffages. Le but de ce traitement par le froid consiste à prolonger la vie de l'outil. On peut également appliquer le traitement par le froid à d'autres matériaux dont on fait des outils. La Demanderesse envisage ainsi le traitement d'outils et d'autres appareils et instruments métalliques constitués en des matériaux comme du carbure de tunqstène ou les alliages "durs" comme du métal de type Stellite". Selon la présente invention, celle-ci propose un procédé pour traiter un outil ou un autre instrument ou appareil formé au moins en partie de (a) de l'acier à outil (ou un acier analogue) ayant subi un traitement complet de chauffaqe (que l'on désignera cl- après par l'expression "traitement thermique") ;; (b) de l'alliage à base de cobalt, à base de nickel ou à base de fer et qui résiste à l'usure (par exemple les alliages vendus sous la marque commerciale "Stellite", ou (c) un "cermet" (par exemple du carbure de tungstène, du nitrure de silicium ou du carbure de titane), ce procédé consistant à abaisser la température de l'outil, de l'instrument ou d'un autre appareil jusqu'à une température égale ou inférieure à -500C (par exemple égale ou inférieure à -1960C), à maintenir l'outil, l'instrument ou un autre appareil à une température égale ou inférieure à -500C (par exemple à -1960C) durant une heure au moins, puis à laisser la température de l'outil, de l'instrument ou d'un autre appareil revenir à la température ambiante. L'alliage ou le cermet résistant à l'usure peut être refroidi jusqu'à une température inférieure à -75 C et maintenu à cette température. Cependant, on préfère refroidir et maintenir cet alliage ou ce cermet à une température inférieure à -1000C et de façon typique inférieure à -150 C. Une température de -1960C peut être atteinte en immergeant l'outil dans de l'azote liquide. Par l'expression "ayant subi un traitement thermique complet" telle qu'elle sert ici, on entend un traitement thermique qui consiste à chauffer jusqu'à une température supérieure à l'ambiante, à tremper, puis à effectuer un revenu, avec, si on le désire, une étape-de refroidissement jusqu'à une température inférieure à OOC que l'on effectue entre la trempe et le revenu ou en un autre endroit du cycle de traitement thermique. La température de l'outil, de l'instrument ou d'un autre appareil peut être abaissée jusqu'à la température requise par contact direct avec l'azote liquide si la température choisie doit être de -1960C. Si l'on désire réduire la température jusqu'à une valeur inférieure à -196DC, on peut utiliser un liquide cryogène ayant un point d'ébullition inférieur à -196 C. Par exemple, on peut utiliser de l'hydrogàne liquide ou de l'hélium liquide. En effectuant le traitement par le froid, on doit prendre soin d'éviter de soumettre l'outil, l'instrument ou un autre appareil à un choc thermique. Le contact direct avec l'azote liquide, l'hydrogène liquide ou l'hélium liquide peut être toléré si l'outil, l'instrument ou un autre appareil n'a pas une faible masse. Sinon, s'il comporte un ou plusieurs facteurs pouvant engendrer des contraintes, on doit prendre des précautions pour éviter de provoquer par un choc thermique des craquèlements de l'outil, de l'instrument ou d'un autre appareil. En variante, on peut utiliser un contact indirect ou un échange de chaleur avec l'azote liquide. Dans certains cas, il peut suffire tout simplement d'envelopper l'outil, l'instrument ou un autre appareil dans du papier journal ou dans un autre matériau d'emballage jouant le rible d'isolant thermique. Dans d'autres cas, ces précautions peuvent ne pas suffire ou bien l'on peut préférer éliminer le risque de choc thermique en utilisant l'équipement illustré dans les dessins accompagnant la demande précitée de brevet britannique NO 1 353753 selon laquelle on utilise de l'azote gazeux froid. Dans certains cas, si des températures inférieures à -1000C ne sont pas indispensables, on peut utiliser un réfrigérateur mécanique. Si le refroidissement doit être effectué par contact direct avec l'azote liquide, l'hydrogène liquide ou l'hélium liquide, le gaz liquéfié peut etre projeté par pulvérisation dans ou sur l'outil, l'instrument ou un autre appareil ou, en variante, l'outil, l'instrument ou un autre appareil peut être immergé directement dans le gaz liquéfié (bien qu'il faille alors prendre grand soin d'éviter un choc thermique provoquant des craquelures à la surface de l'outil, de l'instrument ou autre appareil). Au cours du refroidissement, la vitesse de réduction de la température est de préférence supérieure à laC par minute. Cette vitesse est de préférence supérieure à 50C par minute et elle peut être de l'ordre d'au moins 1OOC par minute. On maintient à la température choisie (par exemple une température égale ou inférieure à -1960C) l'outil, l'instrument ou autre appareil pendant une période d'au moins trois heures. Cependant, la période au cours de laquelle l'outil est maintenu à la température inférieure à OOC est, commodément, non supérieure à 24 heures. On peut maintenir la température à la valeur choisie en assurant la fourniture à la région de refroidissement, au cours de la période de maintien en température, de liazote liquide, de l'hydrogène liquide ou de l'hélium liquide. Si on le désire, un détecteur de température en contact thermique avec l'outil, l'instrument ou autre appareil ou avec un espace gazeux entourant cet outil, cet instrument ou autre appareil, peut servir à réguler la fourniture d'un liquide cryogène.Le détecteur de température peut, par exemple, engendrer des signaux agissant sur une soupape automatique (par exemple commandée par solénoide). De cette façon, on peut réaliser une commande automatique de la température. En variante, si, par exemple, l'outil, l'instrument ou autre appareil est maintenu en immersion dans le liquide cryogène, on peut ajouter de temps à autre du liquide cryogène supplémentaire afin de remplacer celui qui s'est évaporé. Lorsqu'on désire laisser l'outil, l'instrument ou autre appareil revenir à la température ambiante, on peut enlever cet outil, cet instrument ou autre appareil de la région de refroidissement ou, en variante, on peut laisser le liquide cryogène s'évaporer de la région de refroidissement sans le remplacer. En variante, si la région de refroidissement comprend un récipient contenant du liquide cryogène, ce liquide peut être déversé du récipient. Un appareil commode pour la réalisation de étape de refroidissement comprend un récipient interne contenant l'outil, l'instrument ou autre appareil et un récipient externe avec, entre les récipients interne et externe, un espace pouvant recevoir de l'azote liquide ou un autre liquide, cryogène convenable. Si on le désire, un détecteur de niveau peut etre disposé dans l'espace situé entre les récipients interne et externe, à un niveau choisi de manière que, si le niveau de l'azote liquide est supérieur à celui du détecteur, une soupape automatique (par exemple commandée par solénoïde) peut être mise en action pour arrêter la fourniture du liquide cryogène dans l'espace situé entre les deux récipients. L'agencement peut aussi être tel que, lorsque le niveau tombe audessous du détecteur, l'introduction de liquide cryogène dans l'es pace interne recommence. En outre, il peut y avoir un détecteur de température en contact thermique avec l'outil, l'instrument ou autre appareil. Ce détecteur de température peut etre monté de façon à fermer une seconde soupape automatique commandant la fourniture du liquadc cryogène à 1'espace ou intervalle entre les récipients si la température de l'outil, de l'instrument ou autre appareil tombe au-dessous de la température choisie La seconde soupape ausomatique doit être couplée à la première de manière qu'aucune des deux ne puisse être ouverte sans l'autre. Un procédé selon la présente invention peut servir à traiter une large gamme d'aciers à outils. Par exemple, le procédé peut servir à traiter des outils en aciers à outils codifiés par l'"Ame- rican Ircn and Steel Institut comme étant des types M, D, A, O, S & W.Ainsi, l'invention convient pour traiter.des broches, des peignes à fileter, des outils à mortaiser, des mèches de perceuses, des fraises en bout, des fraises-mères, des outils de tours, des fraises, des outils à raboter, des poinçons, des alésoirs, des détoureuses, des scies, des tarauds, des outils pour le travail du bois, des contre-poinçons, des matrices de moulage, de fausses cales, des filières d'extrusion, des matrices de forgeage, des mandrins de serrage, des filières et matrices à distributeur chaud,des mandrins,des poinçons,des outils à percer,des matrices à estampeur des flans à chaud, des matrices à poinçonner,des filières à ébarber, des outils de brunissage, des filières de mise en forme à froid, des filières d'étirage, des filières de calibrage, de moletage, de formation de feuilles, des rouleaux et cylindres, des lames de cisailles, des lames de cylindres fendeurs, des outils de formation de filetage par roulage, des coins pour produire des pièces de monnaie ou des médailles des moyeux principaux, des moules, des broches, des glissières pour des machines, des moules pour de la matière plastique, des burins, des outils à découper des tuyaux circulaires, des pinces, des ciseaux à main, des barres de piquage, des chasse-rivets, des lames de tournevis, des lames de cisailles, des poinçons d'emboutissage, des outils pour réparer ou monter du matériel roulant, des coussinets de freins, des mandrins de tours, des mandrins et pinces portefraises, des broches d'assemblage, des calibres, des pièces de machines-outils, des pignons, des c lés, des arbres creux, des axes, des forets coniques, des limes et des poinçons de joaillerie. La Demanderesse a constaté avec surprise que le procédé selon la présente invention peut prolonger les durées de service des outils, instruments et autres appareils formés au moins en partie de certains des aciers à outils spécifiés ci-dessus. Par exemple, grace à un traitement d'outils en acier à outil D2 pour trancher du papier, la Demanderesse a pu leur apporter jusqu'à 300 m de prolongation de leur durée possible de service. De plus, en traitant des forets en acier à outils M2 par le procédé de la présente invention, la Demanderesse q a pu leur apporter jusqu'à 100 Ó d'augmentation de la durée de service possible par rapport à la durée d'origine. La Demanderesse ne pense pas que ce phénomène est provoqué par une transformation de l'austénite retenue en martensite, car le phénomène apparaît dans le cas d'outils ayant une proportion néqliqeable d'austénite retenue avant leur traitement par le procédé de la présente invention. Cette opinion est étayée par le fait que la Demanderesse a obtenu une prolonqation de 40 Ó de la durée possible de service d'outils en carbure de tungstène en les traitant par le procédé de l'invention. Le carbure de tunqstène ne contient pas de phase d'austénite. En fait, la Demanderesse n'est pas certaine de l'explication vraie du phénomène. Si on le désire, l'outil peut être rectifié ou aff0té à nouveau avant qu'on luirait appliqué le procédé selon l'invention ou bien l'outil peut être tout d'abord affûté puis soumis au procédé selon l'invention. L'invention peut servir à traiter des trépans à molettes pour des roches . Ce sont des organes annulaires ou de forme semblable, en un métal pour travaux durs, contenant des pièces insérées en un métal semblable, ces pièces comportant des plaquettes de carbure de tungstène. Après leur traitement, de tels trépans à molettes peuvent être montés sur un outil de forage. I1 est possible de soumettre l'ensemble de l'outil ou du trépan de forage,après son montage, à un traitement selon l'invention, mais on ne préfère pas opérer ainsi.Puisque l'on peut utiliser plusieurs trépans contenant chacun deux ou plusieurs trépans à molettes dans une seule opération de forage, (par exemple lorsqu'on effectue un forage pour trouver du pétrole) une amélioration même faible de la durée de service possible des plaquettes de carbure de tungstène peut aboutir à une économie très considérable d'argent. Puisque les trépans pour roches ont au moins 20millimètres de diamètre de façon typique, ils peuvent tendre à subir des craquelures si on les refroidit trop rapidement. On préfère donc une vitesse de refroidissement inférieure à 100C ou même inférieure à 50C, par minuté. Typiquement, le trépan à molettespeut être refroidi dans un réfrigérateur à circulation forcée d'un gaz Du bien par contact indirect d'un liquide cryogène comme l'azote liquide. L'invention peut également servir à traiter d'autres outils, formés au moins en partie de carbure de tungstène et qui servent pour les forages au large des cotes en vue de trouver du pétrole. Par exemple, le procédé de- l'invention peut servir à traiter des stabilisateurs, des élargisseurs et des outils de repêchage. L'exemple non limitatif suivant permet de mieux illustrer 1' invention Exemple On refroidit plusieurs plaquettes de carbure UKENNAMETAL K 165" de qualité PO-1, d'une dureté de l'ordre de 150 sur l'échelle des duretés, en les immergeant dans de l'azote liquide pour atteindre en une heure une température de -1960C. Les plaquettes sont de forme cubique et ont pour dimensions 2 mm x 10 mm x 10 mm. On maintient les plaquettes à la température de -1960C durant deux heures. Puis on les enlève de l'azote liquide et on les laisse revenir à la température ambiante Des essais effectués sur les plaquettes ainsi traitées ont montré qu'il n'y a pas eu augmentation de la dureté, mais augmentation de la durée possible de service des plaquettes. L'augmentation moyenne de la durée possible de service des plaquettes, dans une opération de travail des mé- taux, a été de 400 " et dans un cas elle a meme été aussi élevée que 1600 %. On a également trouvé une plaquette qui, après ce traitement, a eu une durée de service inférieure à la durée moyenne d'une plaquette non traitée. On pense que cela peut être dû au fait que la plaquette, déjà avant le traitement, aurait eu une durée de service possible inférieure à la moyenne. RES'5NDICATIDNS 1. Procédé pour traiter un outil ou un autre instrument ou appareil, formé au moins en partie de (a) un acier à outils ayant subi un cycle complet d'opérations de traitement thermique (b) un alliage à base de cobalts à base de nickel ou à base de fer et qui résiste à l'-usure ; ou (c) un "cermet1,, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on abaisse jusqu'à une valeur égale ou inférieure à -500C la température de l'outil, ae l'instrument ou autre appareil, que I'on maintient à cette température égale ou inférieure à 5OOC durant au moins une heure, puis qu'on laisse revenir à la température ambiante. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on refroidit l'outil, l'instrument ou autre appareil jusqu'à une température inférieure à -100 C, à laquelle on le maintient. 3. Procédé selon la revendication 1, c-aractérisé en ce qu'on refroidit l'outil, l'instrument~ou autre appareil jusqu'a une température égale ou inférieure à -1960C à laquelle on le maintient. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on refroidit l'outil, l'instrument ou autre appareil par contact direct avec de l'azote liquide. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on projette par pulvérisation l'azote liquide dans ou sur l'outil, l'instrument ou autre appareil. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'an refroidit, par contact indirect avec l'azote liquide, l'outil, I'instrument ou autre appareil. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on maintient pendant une période de 3 à 24 heures à la température choisie, l'outil, l'instrument ou autre appareil. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le "cermet1, est en carbure de tungstène. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'outil, instrument ou autre appareil est choisi parmi des trépans à molettes pour roches, des stabilisateurs, des élargisseurs et des outils de repêchage. 10. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le "cermet" est choisi parmi du carbure de titane et du nitrure de silicium.