Brevet FR2362942A1 — publié le 19780324

Des pièces forgées relativement petites, i base de fer, peuvent etre réalisées dans du métal malléable ou avec du métal en poudre. Cette dernière matière nécessite la mise en oeuvre d'une technique relativement récente de compression des poudres métalliques. Pour produire une telle pièce de grande dureté, par exemple d'une dureté Rockwell de 11 ordre de 60, ce qui signifie une teneur relativement élevée en martensite, associée à une bonne finition de surface et à une grande stabilité dimensionnelle, lá pièce malléabie doit erre soumise, après forgeage, au moins à des opérations complémentaires de refroidissement, d'usinage et de redurcissement. Chacune de ces opérations est conteuse et provoque des variations des caractéristiques du métal dont il faut tenir compte lors des opérations suivantes. Ire forgeage débauches en poudre de-mv'tal est donc devenu un procédé très répandu d'usinage du métal, en raison de ltavantage principal résultant de l'élimination des opérations d'usinage nécessair?s aux mentaux forgés. Dans un tel procédé, des poudres métalliques préalablement alliées sont mPlangées à du graphite et comprimées avec un lubrifiant, pour former des briquettes qui sont ensuite frittées et forgées.Ires avantages apportés par ce procédé relativement récent ntont pas été totalement utilisés, bien que cela ftt souhaitable Par exemple, lors de la production de pièces en poudre à baire-de fer, dont la surface de travail présente une dureté Rockwell environ 60, il a toujours été jugé nécessaire de travailler avec une teneur en carbone de 0,2 à 0,3% en poids, puis de carburer et ensuite bye durcir la pièce, ou bien de travailler avec une teneur en carbone de 0,5 à 0,7%, puis de donner à la pièce une structure austénitique et de la tremper. Bien que ces deux procédés puissentêtre mis en oeuvre de différentes manières, ils sont connus et il suffit, en ce qui concerne l'invention, de mentionner que, bien que chacun de ces procédés permette d'obtenir la dureté et la finition de surface souhaitée, ils provoquent des variations indésirables des dimensions de la pièce sous l'effet de la chaleur. L'invention élimine les problèmes mentionnés ci-dessus et se posant au forgeage des poudres métallurgiques. Elle concerne un procédé de forgeage en une seule passe de pièces présentant la densité et la dureté souhaitées, et des tolérances dimensionnelles très étroites, ainsi que le forgeage de pièces ne présentant pas de défauts de surface ni de défauts internes. Dé plus, le procédé selon l'invention permet la production d'une pièce présentant une dureté Rockwell élevée à peu près uniforme dans toute Sa masse plutôt que simplement à la surface, sans carburation. En bref, l'invention concerne un procédé de production de pièces forgées en pdudre de métal, durcies dans la masse et ne présentant pas de tapures, mais une densité au moins égale à environ 99,5% de la densité théorique. Ces pièces sont obtenues directement par forgeage et trempe. Ire procédé consiste à comprimer lmé poudre d'alliage de fer pour former nne briquette, a fritter cette dernière pour former une ébauche, à régler la température de l'ébauche chauffée à la valeur donnant à cette ébauche une structure austénitique, à forger l'ébauche chauffée au-dessus de la température d'austénitisation, à refroidir la pièce ainsi forgée pour la ramener à peu près à sa température d'austénitisation, à tremper ladite pièce forgée immédiatement après refroidissement, et à retirer cette pièce du bain de trempe au cours d'un cycle continu d'opérations. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est un organigramme du procédé selon l'invention. La figure est un organigramme 10 du procédé selon l'invention, dont l'opé-ration initiale est la préparation 12 de la poudre de métal préalablement allié. La composition de la poudre peut varier largement suivant les caractéristiques souhaitées pour la pièce finale. Ire fer constitue évidement le composant principal, auquel sont associées diverses quantités de métaux tels que le manganèse, le molybdène et le nickel. Du carbone, sous forme de graphite, est ajouté avant le briquetage. En réalité, il est avantageux d'allier d'abord le fer et les autres métaux de manière classique, puis d'atomiser l'alliage ge pour produire une poudre d 1alliage de fer. Cette poudre est ensuite mélangée avec le graphite et avec un lubrifiant. Ires lubrifiants utilisés sont généralement des matières à base dv cire ou de graisse, éliminées par br7tlage dans le four de frittage, comme décrit ci-après. Ires procédés d'alliage et d'atomisation sont classiques et n t entrent pas dans le cadre de l'invention. La poudre d'alliage de fer peut avoir la composition suivante en poids Manganèse 0,25 - 0,5 Molybdène 0,25 - 0,5 Nickel 0,25 - 2,25 Carbone 0,2 - 0,9 Fer Ire reste Au cours d'une opération 14, la poudre est ensuite mise sous la forme d'une briquette ou d'un élément compact non fritté,par compression dans une matrice. Ce briquetage permet de déterminer la densification, la forme et les tolérances dimensionnelles générales. Généralement, le briquetage peut effectuer une densification pouvant atteindre environ 85% de la valeur théorique. De meme que précédemment, le mode de compression utilisé peut varier, par exemple une pression uniaxiale ou isostatique. Après compression, la briquette ou ltébauche subit une opération 16 de frittage au cours de laquelle l'ébauche est placée dans un four. Ce dernier comprend classiquement une zone de préchauffage pour éliminer le lubrifiant par brÛlage, une zone chaude de frittage, et une zone de refroidissement. Ire frittage des matières ferreuses s'effectue généralement à une température d'environ 1120 à 11500G, sous une atmosphère de protection, ctest-à-dire sans oxygène, de manière à empe- cher toute oxydation interne et la formation d'écailles d'oxydation à la surface de l'ébauche. l'atmosphère du four dans lequel les ébauches sont frittées contient une certaine quantité de carbone pour maintenir le niveau souhaité de carbone combiné dans la matière de l'ébauche. Toutes les atmosphères de protection généralement utilisées conviennent à cet effet.Un procédé d'enrichissement de la surface, pour augmenter la teneur en carbone et pour réaliser ainsi une cémentation ou une carburation de la surface de ébauche, peut également être utilisé. Il est apparu, en pratique, qu'unie telle opération favorise non seulement le maintien de la dureté, mais élimine généralement les criques résultant de ltopération consécutive de trempe. Une caractéristique importante du procédé selon l'invention est l'opération 18 de cha-uffage de l'ébauche après frittage, de manière à ia porter à une température supérieure à sa température d'austénitisation avant le forgeage. Dans les fours classiques de frittage, l'ébauche est ramenée à la température ambiante et doit donc être ensuite réchauffée audessus de sa température d1austénitisation. La valeur supérieure à laquelle la température est portée est choisie principalement en fonction de la forme et de l'épaisseur de la section droite de l'ébauche. Ainsi, par exemple, une ébauche présentant une température d'austénitisation d'environ 8450C, peut autre amenée à une température d'environ 870 à 10400C avant le forgeage. Immédiatement après avoir été portée à la température convenable, l'ébauche est soumise à ltopération 20 de forgeage sous atmosphère protectrice, au cours de laquelle un seul choc (forgeage en une seule passe), d'une pression d'environ 95 à 125 kg/mm2, donne à l'ébauche la forme de la pièce finie. On laisse ensuite la pièce ainsi forgée prendre une température uniforme, à peu près égale à sa température d'austénitisation, puis elle est rapidement trempée dans un bain classique. Cette opération 22 constitue également une earactéristique impor-tante du procéda selon l'invention. Il est avantageux d'utiliser un bain de trempe classique à lthuile, bien que d'autres bains conviennent, par exemple des bains d'eau contenant de l'éthylène-glycol. Il est apparu qu'un réglage précis de la température avant le forgeage et la trempe évite d'avoir à effectuer tout traitement thermique supplémentaire avant le forgeage, et que la trempe évite tout autre traitement thermique ou usinage de la pièce pour lui donner les dimensions dans les tolérances souhaitées et lui donner la dureté désirée dans sa masse. De plus, le frittage et le forgeage étant effectués sous atmos phère protectrice, toute formation d'écailles d'oxydation est éliminée. La pièce 26 est finie lorsqu'elle sort du bain de trempe au cours de l'opération 24. En ce qui concerne la dureté, le procédé selon l'inven- tion permet d'obtenir une dureté Rockwell comprise entre 40 et 62 ou plus. Il est évident que dans le cas où une plus faible dureté est souhaitée, la pièce peut subir un autre traitement thermique. De mbeme,la pièce peut subir une opération de durcissement sélectif ou de durcissement de surface. Ires exemples suivants décrivent le procédé selon l'invention dans certaines de ses applications. EXEMPLE 1 On prépare une poudre d'alliage de fer ayant la composition suivante en poids Manganèse 0,25 Molybdène 0,5 Nickel 1,8 Carbone 0,6 Fer 96,85 100,00 Ire fer, le manganèse, le molybdène et le nickel sont alliés de manière classique et l'alliage est atomisé pour produire une poudre d'alliage de fer. Cette poudre est mélangée avec du graphite de manière à introduire le carbone, et avec un lubrifiant (du type "Acrawax", c'est-à-dire une cire synthétique blanche et dure, dont le point de fusion est de 94 à 970C). Ire mélange est placé dans la cavité de la matrice d'une presse classique de briquetage, où il est soumis à une compression de manière que la poudre forme une briquette (élément compact non fritté) de résistance suffisante pour pouvoir être manipulée. Ira briquette est ensuite frittée dans un four a' une température d'environ 1120 C, pendant à peu près 30 minutes, sous atmosphère protectrice. Le four est du type comprenant une zone d'élimination du lubrifiant par brûlage, une zone chaude de frittage et une zone de refroidissement. L'ébauche frittée est sortie du four à une température d'environ 950C, puis elle est portée à une température d'environ 9000C, sous atmosphère protectrice, dans un dispositif électrique chauffant. Cette température est supérieure à la température d'austénitisation (8450C) de la matière. L'ébauche chauffée est ensuite placée rapidement dans une presse de forgeage et mise en forme d'anneau fixe d'em- brayage, à diamètre- extérieur lisse et à diamètre intérieur cannelé, sous une pression d'environ 95 kg/mm2. Après forgeage, on laisse la pièce se stabiliser et redescendre à sa température-d'austénitisation qui est d'environ 8450C, puis elle est trempée rapidement dans un bain d'huile classique. La pièce ainsi produite ne présente pas de tapures superficielles d'oxydation et des essais ont montré que son poids spécifique est au minimum de 7,82 g/cm3 ou que sa densité est égale à 99,6% de la valeur théorique. Un poids spécifique de 7,87 g/cm3 correspond à la densité maximale théorique acceptable. De plus, la dureté Rockweîl de la pièce obtenue est comprise entre 59 et 62, et cette pièce présente la forme et les dimensions so?laitées, ce qui élimine tout: traitement supplémentaire nécessaire à l'obtention de la dureté désirée. EXEMPtE 2 On prépare une poudre d'alliage de fer comme décrit dans exemple 1, mais ayant la composition suivante en en poids Nickel 0,5 Manganèse 0,3 Molybdène 0,5 Carbone 0,65 Fer Le reste 100,0 Ire graphite et le lubrifiant sont ajoutés comme décrit dans l'exemple 1, et le mélange est placé dans la cavité drue matrice d'une presse classique de briquetage, et comprimé pour former une briquette qui est ensuite frittée, chauffée, forgée, trempée et détendue comme décrit dans 1exemple 1.Un contrSle de la pièce forgée ainsi produite montre une surface dtexcellente qualité, ne présentant pas de tapures dtoxydation ni d'autres imperfections. Cette pièce peut être immédiatement commercialisée sans au-tre traitement. Des essais ont montré que sa dureté s'étend à travers toute sa masse et qu'elle présente des caractéristiques analogues dans toutes les direckion.. EXEMPLE 3 On prépare une poudre d'alliage de fer et de nickel comme décrit dans exemple 1,ayant la composition suivante en poids Nickel 2,0 Manganèse 0,25 Molybdène 0,3 Carbone 0,5 Fer te reste 100,0 lies opérations de exemple 1 sont reprises pour former une pièce forgée finie. Un contrôle de cette dernière montre une surface d'excellente qualité, ne présentent pas de tapures d'ozydation ni d'autres imperfections. Cette pièce peut être immédiatement commercialisée sans autre -traitcment de surface. Un essai montre que sa dureté, de mzeme que dans le cas des exemples 1 et 2 précédents, s'étend à travers toute sa masse. Ires caractéristiques sont les mêmes dans toutes les directions et, dans cette forme de réalisation, la dureté Rockwell est comprise entre 55 et 57. Des essais effectués avec le procédé selon llinvention ont montré que la surface de la pièce obtenue présente une excellente qualité, permettant à cette pièce d'être commercialisée et expédiée en sortie de forgeage, sans qutil soit nécessaire de procéder aux opérations classiques d'usinage consistan-t à éliminer une couche superficielle de 0,5 à 0,75 mm d'épaisseur afin de faire disparattre les défauts de surface.-De plus, l'obtention par ce procédé de la pièce finie immédiatement en sortie de forgeage permet de respecter les tolérances dimensionnelles, contrairement aux procédés de l'art antérieur dans lesquels les dimensions des pièces variaient lors de la carburation après forgeage.Ainsi, le procédé selon l'invention, dans lequel la trempe suit immédiatement le forgeage, élimine les variations importantes des dimensions au-delà des d es tolérances comme c'est le cas au cours des opérations de ré chauffage demandées par les procédés antérieurs, par exemple lors des opérations de carburation ou de cémentation. La grande dureté obtenue par le procédé de forgeage et de trempe selon l'invention convient en particulier aux pièces mécaniques devant supporter des charges très importartes en cours de fonctionnement, et notamment aux pièces dont la dureté est si élevée, à savoir supérieure a la valeur Rockwell "G" égale à 35, que ces pièces sont difficilement usinables autrement que par rectification. Ires bagues de paliers antifriction, par exemple, s'usent rapidement et ont une durée de vie relativement courte lorsque leur dureté Rockwell "C" est inférieure à 57 ou 58. Il va de soi que de noinbreuses modifications peuvent autre apportées au procédé décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. RF,VESssDICATIONS 1. Procédé de production de pièces en poudre métallique forgée , sans tapures et durcies dans la masse, ayant une densité égale à au moins environ 99,5% de la valeur théorique, une dureté Rockwell "G" de surface au moins égale à 40, et des dimensions, en sortie de forgeage, ne nécessitant aucun usinage supplémentaire autre qutune rectification, ces caractéristiques résultant directement de ltopération de trempe; le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à comprimer une poudre d'alliage de fer pour former une briquette, à fritter la briquette pour former une ébauche, à régler la température de l'ébauche de manière à lui donner une structure austénitique, à forger l'ébauche ainsi chauffée en une seule passe, alors que sa structure est austénitique, à tremper la pièce ainsi forgée dans un bain d'huile à peu près immédiatement après le forgeage, alors que la structure de la pièce est toujours austénitique, et à retirer la pièce du bain de trempe avant de lui faire subir une détente pour obtenir une pièce en poudre métalliquc forgée, présentant une dureté Rockwell 11C'1 de surface au moins égale à 40, et lme finition de surface et des dimensions ne nécessitant aucune opération supplémentaire d'usinage autre qutune rectification. -2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition de la poudre de l'alliage est, en poids, de 0,25 à 0,5% de manganèse, de 0,25 à 0,5% de nickel, de 0,2 à 0,9% de carbone, le reste en fer. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le frittage de la briquette s'effectue sous atmosphère gazeuse à forte teneur en carbone, et produit un effet de cémentation ou de carburation de la surface de 11 ébauche. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la composition de l'alliage en poudre comprend 0,5 à 0,9% de carbone. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réglage de la température de l'ébauche avant le forgeage est effectué immédiatement après le frittage, de manière à conserver l'énergie thermique en utilisant la chaleur résiduelle de la pièce ou ébauche frittée pour porter cette dernière à une température comprise dans une plage lui donnant une structure austénitique, le réglage de la tempéra épure de ltébauche pouvant être également effectué en évitant diavoir dépenser de la chaleur lors de la carburation suivante pour atteindre la dureté souhaitée. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de la pièce forgée peut se stabiliser sensiblement après l'opération de forgeage et avant l'opération de trempe.