Brevet FR2402710A1 — publié le 19790406

L'invention se situe dans le domaine des traitements conférant aux aciers une structure appropriée pour le formage à froid et-concerne plus précisément un traitement thermique précédant le classique recuit de sphéroidisation. Actuellement, en raison des cadences élevées de production qu'il permet, le formage à froid prend une importance croissante. On recherche généralement, pour les aciers mis en forme par ce procédé, une dureté pas trop élevée, afin de réduire la puissance des machines ou l'usure des outils et une bonne ductilite. Ces qualites étant liées notamment à la structure et à la morphologie des carbures, la structure la plus fréquemment envisagee est constituée de ferrite et de perlite globulisée, c'est- -dire pour laquelle la cémentite, au cours d'un traitement adéquat, est passée de la morphologie lamellaire a la morphologie globulaire. On a déjà proposé un grand nombre de traitements de sphéroidisation, car il est bien évident que, suivant la composition et la structure initiale de l'acier, la cémentite ne globulisera pas dans les mêmes conditions. Ces traitements peuvent cependant être classés en trois grandes catégories - maintien prolonge (jusqu'à une vingtaine d'heures) à une température légèrement inferieure au point de transformation A1, suivi d'un refroidissement lent ; - cyclage thermique repété autour de la température A1 ; - maintien relativement court à une température légèrement supérieure à A1 suivi d'un refroidissement très lent ou-d'un refroidissement rapide jusqu'à transformation complète de l'austénité puis d'un refroidissement lent. Les structures obtenues conviennent parfaitement pour l'utilisation prévue, mais tous ces traitements ont pour inconvénient majeur une durée très longue (huit à vingt heures) ce qui, bien que l'étape suivante soit extrêmement rapide augmente de façon appréciable le coût des pièces formées à froid. D'autre part, on a déjà proposé, pour réduire la durée de globulisation, des techniques du type perlito-formage, consistant à faire subir à la perlite une déformation plastique à une température voisine de celle de formation de la structure désirée. Mais ces procédés nécessitent des installations spéciales et sont difficiles à mettre en oeuvre. Le but de la présente invention est précisément de fournir un traitement thermique préalable permettant de raccourcir considérablement la durée du recuit de spheroidisation. A cet effet l'invention a pour objet un procéde de traitement des aciers destinés au formage à froid, précédant le recuit de sphéroidisation habituel à une température légèrement inférieure à A1, procedé selon lequel on effectue une austénitisation complète ou partielle suivie d'une trempe pseudo-isotherme au voisinage du nez perlitique de la courbe TTT de l'acier considere. Par trempe pseudo-isotherme on entend un refroidissement depuis l'état austénitique jusqu'à une temperature de maintien pour laquelle le temps d'incubation de la transformation peut être inférieur, pour la nuance considérée, au temps de mise en temperature du produit. Selon une variante du procédé suivant l'-invention on effectue, après austénitisation et prealablement à la trempe pseudo-isotherme, un refroidissement lent jusqu'au seuil d'apparition de la perlite. Dans son application aux aciers mi-durs le procédé selon l'invention comporte, de préférence, une durée de mise en température de la trempe pseudoisotherme inférieure au temps d'incubation minimal de la réaction perlitique. Comme on le comprend, lors des traitements de sphêroidisation, le temps nécessaire pour que la reaction soit achevee, la forme et la taille des globules obtenus dépendent de l'état initial de l'acier, cet état initial dépendant luimême, bien entendu, du mode de refroidissement qui a été appliqué au métal. La relation entre la structure initiale et le comportement de l'acier au cours du recuit de sphéroidisation est complexe, mais on connais depuis longtemps un certain nombre de tendances. Ainsi, la globulisation est généralement d'autant plus rapide et les particules finales plus fines que l'espacement interlamellaire au départ est plus faible. De même, dans une structure ferrito-perlitique, une augmentation de la quantité de ferrite favorise la sphéroidisation de la perlite plus riche en carbone.Compte tenu de ces considérations, les travaux du demandeur lui ont permis de mettre au point un traitement thermique adéquat qui confère à l'acier une structure appropriée à une globulisation rapide de la cémentite, au cours d'un recuit classique de spheroidisation. Cette structure initiale est obtenue par formation de la perlite, au cours de la trempe pseudoisotherme, à la température la plus basse possible dans le domaine de la perlite très fine dégenérée, c'est-à-dire comprenant des rangées parallèles de particules allongées de cémentite. La présence d'une teneur élevée en ferrite est un facteur favorable pour la durée de sphéroidisation elle-meme et également pour la ductilité finale du produit traite. C'est pour cela que, dans une variante du procédé selon l'invention, on favorise par refroidissement lent préalable, l'apparition du maximum de ferrite et l'enrichissement maximal en carbone des plages d'austénite non transformée. En fait, la vitesse initiale de refroidissement, entre la température d'austénitisation complète ou partielle et le seuil d'apparition de la perlite n'est pas très critique tant que la structure à globuliser ne s'est pas formée. On peut ainsi envisager, suivant la trempabilité de la nuance considérée, une assez grande variété de débuts de refroidissement pour contrôler la proportion relative de ferrite proeutectoïde ou la finesse du grain de ferrite. De plus, pour certains aciers le temps de mise en température serait beaucoup trop long et, par refroidissement lent initial, on bénéficie d'une certaine marge pour la détemination de la trempe pseudo-isotherme. Le traitement thermique selon l'invention permet donc de réduire considérablement le temps de maintien à une température voisine de A1, au cours duquel s'effectue la sphêroidisation. Cela constitue, d'une part, un gain d'énergie important et donc une économie appréciable pour l'ensemble des opérations de formage à froid. D'autre part, on diminue sensiblement les risques de décarburation, toujours à craindre aux températures élevées, susceptibles de necessi- ter un traitement ultérieur du produit fini. De plus, les pieces pourront être portées à la température du recuit de globulisation dès la fin de la trempe pseudo-isotherme, sans repasser par la température ambiante, donc en economisant encore de l'énergie. L'invention sera de toutes façons bien comprise en se reportant à la description qui va suivre, donnée a titre d'exemple en référence aux planches de dessin annexées sur lesquelles - la figure 1 schématise le traitement thermique selon l'invention, - la figure 2 correspond à la variante d'exécution du procédé selon l'invention, - la figure 3 représente, pour un acier eutectoide, des couples de valeurs de la résistance et de la striction pour différents traitements thermiques précédant le recuit de sphëroidsation, - les figures 4 et 5 sont deux micrographies électroniques (grossissement 10 000) d'un acier eutectoide en cours de globulisation, - la figure 6 montre les mêmes couples de valeurs, pour un acier mi-dur. Sur les figures 1 et 2 ont été représentées, sur des diagrammes TTT, les deux variantes du procédé selon l'invention. Les phases identiques des traitements portent les mêmes références Les domaines d'existence des différents constituants ont été reperés par les initiales de ceux-ci : A pour austenite, P pour perlite, B pour bainite, M pour martensite, F pour ferrite. Les température et les durées des différentes opérations n'ont pas étc indiquées, afin de laisser à ces exemples toute leur généralité, mais, dans chaque cas particulier, le specialiste pourra se reporter aux courbes- TTT de l'acier considéré et saura déterminer la température et la durée de chacune des etapes du procédé. On effectue d'abord une austénitisation complete ou partielle par chauffage au-dessus de A1 (segment ab) et maintien a cette température pendant un temps suffisant (segment bc). Ensuite, dans le cas représente figure 1, on effectue la trempe pseudo-isotherme directement dès que l'austénitisation est achevée. Cette trempe correspond à un refroidissement rapide au départ, puis plus lent lorsqu'on approche de la température choisie, voisine du nez perlitique de la courbe.La pièce est maintenue à cette température jusqu'à la fin de la transformation de l'austénitê (courbe cd) Pour les aciers mi-durs, il est préférable d'atteindre la température de trempe dans un temps inferieur a la durée d'incubation minimal de la réaction perlitique (durée que tout spécialiste ayant à sa disposition la courbe TTT de l'acier consideré déterminera très facilement). Dans le cas de la variante représentée figure 2, l'austénitisation est suivie directement d'un refroidissement lent jusqu'à la courbe d'apparition de la perlite (courbe ch) puis d'une trempe pseudo-isotherme depuis le seuil d'apparition de la perlite jusqu'à la même température que dans le cas précédent, au voisinage du nez perlitique (courbe hd).Une fois la transformation achevée on peut effectuer directement le recuit de sphéroidisation par chauffage jusqu'à une température légèrement inférieure à A1 (segment de) et maintien, jusqu'à ce que la sphéroidi- sation soit complète (segment ef), suivi d'un refroidissement naturel à l'air (courbe fg). Les caracteristiques et avantages du procédé selon l'invention ressortiront de façon encore plus claire au vu des deux exemples qui suivent, dont l'un concerne un acier eutectoïde et T'autre un acier mi-dur. Pour bien mettre en évidence les effets du traitement suivant l'invention et apprécier l'évolution du taux de globulisation on peut suivre cette dernière à travers celle de la striction. En effet, et les travaux du demandeur ont contribué à le montrer, la valeur de la striction d'une structure ferrito-perlitique est liée à la forme des globules de cémentite en cours de coalescence et ceci quel que soit le traitement de départ.De meme, pour une structure initiale determinee, il existe une relation unique entre la striction et la résistance, quel que soit le traitement de globulisation. Ainsi, pour des pièces identiques, soumises au même recuit de sphéroidisation, mais ayant subi avant ce dernier divers traitements, le tracé des courbes striction-résistance permet de comparer avec une exactitude satisfaisante l'influence de ces traitements sur l'avancement de la globulisation. Dans le premier exemple on considère un acier eutectoide dont la température A1 est voisine de 7300C et le nez de la perlite, sur un diagramme TTT,correspond sensiblement à une transformation y + a, s'effectuant vers 575"C entre deux secondes et une dizaine de secondes. Une piece, réalisée dans cet acier, est austénitisée à 850"C pendant 30 minutes environ, puis subit une trempe pseudoisotherme à 5750C ; le temps de maintien à cette température est également voisin de 30 minutes.D'autre part deux autres pièces identiques sont également austénitisées et refroidies, de maniere à former pour l'une de la martensite (trempe) et pour l'autre une perlite lamellaire grossière (refroidissement à 350"C par heure). Les trois pièces sont ensuite portées à la température de 700 C, choisie pour le recuit de spheroidisation. Apres différentes durées de ce dernier, on mesure les valeurs de la striction Z et de la résistance Rm, celles ci sont portées sur la figure 3 ou la courbe 1 correspond à la pièce traitée, selon le procédé de l'invention, la courbe n0 2 à la martensite et la courbe n" 3 à la perlite grossière.Comme on peut le voir sur cette figure, apres 15 h de maintien à 7000C la perlite grossiere (courbe 3) présente une striction Z de 42 % pour une résistance Rm de 650 N/mm2. D'autre part on peut voir sur la figure 4 qu'elle n'est que très imparfaitement globulisée. Par contre, la martensite et la perlite formée au cours du traitement selon l'invention correspondent, après seulement 30 minutes de recuit, à une striction Z de 60 % alliee respectivement à des résistances Rm d'environ 750 et 800 N/mm2. De plus, comme le montre la figure 5, la sphéroidisation des lamelles élémentaires de cementite est presque complète apres 30 minutes pour la perlite formée au cours de la trempe pseudoisotherme et l'uniformisation des tailles de ces globules intervient au bout de quelques heures. Le second exemple concerne un acier mi-dur, du type XC 38 (0,38 % C ; 0,60 X Mn ; 0,25 % Si), dont le point A1 est voisin de 750"C et le nez de la perlite, sur un diagramme TTT est situe vers 6O00C. Quatre pieces, réalises dans cette nuance d'acier, sont austénitisées à 8500C pendant une trentaine de minutes. A la fin de l'austénitisation, la première est soumise à une trempe isotherme à 600 C avec maintien à cette température pendant trente minutes environ, la seconde à un refroidissement lent jusqu'au seuil d'apparition de la perlite, puis à une trempe isotherme à 575"C avec maintien à cette température pendant une quinzaine de minutes.Pour la troisieme on forme, par refroidissement rapide, une martensite et pour la quatrième une ferrite-perlite grossière de recuit. Les pieces sont ensuite portées à 7000C, température choisie pour le recuit de sphéroidisation. Après différentes durees de ce traitement, on mesure les valeurs de la striction Z et de la résistance Rm pour chacune des pieces.Sur la figure 6, la courbe 4 est représentative de la première pièce, traitée par le procédé selon l'invention, la courbe 5 de la seconde pièce qui correspond aux erreurs d'expérience près à la variante du traitement thermique suivant l'invention, la courbe 6 à la martensite et la courbe 7 à la ferrite-perlite grossière Comme on peut le voir sur cette figure, au bout d'une heure de maintien à 700"C la ferrite perlite grossière présente une résistance Rm d'environ 600 N/mm2 et une striction Z inferieure à 60 %, les autres pièces, par contre ont des resistances comparables, comprises entre 650 et 700 N/mm2 et des strictions supérieures à 70 %. Il va de soi que le procéde dëcrit peut présenter de nombreuses variantes sans pour autant sortir du cadre de la présente invention, en particulier, le traitement thermique préconisé peut être précédé diun maintien préalable, apres austénitisation, dans le domaine intercritique, à une température légèrement superieure a A1, maintien qui conduit souvent à une accélération de la cinétique de sphéroidisation. De plus, comme on a pu le constater dans les deux exemples, une structure martensitique posséde généralement une resistance et une striction du même ordre de grandeur que la perlite formée lors du traitement selon l'invention et présente, par conséquent, une rapidité de sphéroidisation comparable. Il en est de même pour les structures bainitiques. Ainsi l'utilisateur qui aurait des difficultés à contrôler de façon précise, à cause des dimensions des produits, des propriétés particulières de la nuance traitée ou pour toute autre raison, la trempe isotherme, obtiendra tout de même des resultats satisfaisants du point de vue durée du recuit de sphéroidisation en refroidissant, avant ce recuit, à une vitesse assez élevée pour former de la bainite ou de la martensite. REVENDICATIONS 1 - Procédé de traitement des aciers destinés au formage à froid, precédant le recuit de sphéroidisation habituel à une température legerement inferieure à A1 > procédé caractérisé en ce que l'on effectue une austénitisation complète ou partielle suivie d'une trempe pseudo-isotherme au voisinage du nez perlitique de la courbe TTT de l'acier considere. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, après austénitisation et préalablement à la trempe pseudo-isotherme on effectue un refroidissement lent jusqu'au seuil d'apparition de la perlite. 3 - Procédé selon la revendication 1 caractérise en ce que, dans le cas des aciers mi-durs, la durée de mise en température de la trempe pseudo-isotherme est inférieure ou voisine au temps d'incubation minimum de la réaction perlitique. 4 - Acier pour formage à froid obtenu par le procédé selon les revendications 1 à 3.