Brevet FR2411240A1 — publié le 19790706

La présente invention due à la collaboration de MM. René EL HAIK et Maurice VOLMI se rapporte a un procede de traitement thermique de pièces forgées et, en particulier, de recuit direct après forge apportant, en meme temps qu'une économie d'énergie calorifique, une amélioration appréciable de leur usinabilite. Suivant la technique connue, les pièces d'acier sont forgees des temperatures de l'ordre de 1 100-1 2000C, puis refroidies a température ambiante, généralement en bennes, pour subir ensuite un chauffage d'austénitisation précédant trois cycles principaux : trempe et revenu ou normalisation pour les pièces utilisées en l'état après usinage ou recuit isotherme pour les pièces d'usinage délicat, avec un traitement final de qualite (cémentation, carboni truration...) assurant leurs propriétés finales d'emploi. L'objet de la presente invention relève du domaine de cette dernière technique. Aussitôt auprès forgeage, les pièces subissent un grossissement anarchique de grain, source d'hétérogénéités de structure, qui nécessitent un recuit isotherme d'homogénéisation ou l'on recherche un affinage des zones a grains grossiers.Selon l'invention, ce recuit isotherme n'est plus effectué ultérieu- rement par un traitement a partir d'un echauffement des pièces refroidies après forgeage mais directement par un refroidissement contrelé des pièces aussitot après forgeage, jusqu' un premier palier de recuit isotherme, suivi d'un second refroidissement contrôle, jusqu'a un second palier de recuit isotherme. Les pièces sont ensuite refroidies et usines avant le traitement final leur conférant leurs caractéristiques de fonctionnement. Après les recuits isothermes directs selon l'invention, les pièces ont une structure homogène de grains grossiers precedemment jugee indésirable dans ses formations accidentelleslors des traitements précites de l'art antérieur. Selon l'invention, par sa généralisation en une structure homogene a gros grains, a perlite lamellaire avec une répartition régulière dite " dwamiers"r il en résulte une amélioration sensible des conditions d'usinage propres a cette structure homogène gros grains. Par ailleurs, un tel recuit isotherme direct peut hêtre réalise avec un très faible cout énergétique en recuperant, lors des refroidissements contrôlés des pièces, la chaleur cédée par celles-ci pour compenser les pertes calorifiques des opérations de recuit. Les pieces apportent ainsi l'énergie calorifique precedemment nécessaire a leur forgeage pour assurer leur traitement de recuit. On assurera efficacement ces refroidissements contrôles et ces recuits directs avec récupération calorifique dans des installations a lits fluidises dont les taux d'echanges calorifiques elevés permettent un contrôle efficace de telles opérations au moyen d'une boucle de circulation d'un fluide calopor teur assurant la suspension des lits fluidises. Ainsi, en résumé, l'invention concerne un procédé de traitement thermique de pièces forgées par recuit isotherme avant refroidissement à température ambiante, usinage et traitement final de mise aux caractéristiques mécaniques d'emploi, caractérisé en ce que les pièces subissent aussitôt après forgeage au moins un refroidissement contrôlé suivi d'un recuit isotherme a la température atteinte en fin de refroidissement contrôlé. On récupère la chaleur cédée par les pièces pendant les refroidissements contrôlés pour assurer le maintien a température des pièces subissant l'opération de recuit isotherme. A cet effet, on assure la régulation de température du palier de recuit isotherme par une boucle de fluide caloporteur s'échauffant au contact des pièces forgées dont il assure les refroidissements contrôlés et cédant la chaleur acquise au milieu de maintien des pièces en recuit isotherme. Par exemple, suivant un mode de réalisation préféré, le fluide caloporteur effectuera ses échanges calorifiques dans des lits fluidises recevant les pièces en assurant le maintien en suspension des lits fluidises. Les pieces forgees ainsi obtenues présentent, après les opérations de recuit isotherme direct, une structure à gros grains, de l'ordre de 4 à 6 unites ASTM a perlite lamellaire a répartition homogène dite structure "a damiers". Ces pièces pourront entre traitées selon l'invention dans au moins une unité de traitement thermique par recuit direct selon le procédé precité en vue d'obtenir la structure de pièces forgées avant usinage précisée ci-dessus, cette unite comportant un lit fluidisé de refroidissement contrôlé et un lit fluidisé de recuit isotherme, chacun en enceintes fermées séparées par une cloison commune et maintenues en suspension par une meme boucle de circulation de gaz insufflé et regulé thermiquement a l'entrée de chaque lit, des sas à tambour assurant l'introduction des pièces dans le lit de refroidissement contrôlé et leur évacua- tion du lit de recuit isotherme, les pièces étant transférées d'un lit à l'autre par un tapis transporteur recouvrant le fond des lits fluidisés et passant de l'un a l'autre par une ouverture a la base de leur cloison commune, ledit transporteur s'élevant au-dessus du niveau du lit de recuit isotherme en fin de parcours de celui-ci pour déverser les pièces dans le tambour d 'éva- cuation. Un exemple de réalisation d'un traitement par recuit direct selon l'invention sera décrit ci-dessous en référence aux dessins annexés, où - la figure 1 représente un schéma comparatif d'un cycle de traitement selon l'invention et d'un traitement équivalent de la pratique connue, - la figure 2 représente une structure micrographique de pièce obtenue et la figure 3, la structure résultant de la technique antérieure par réchauffage après forge. Sur le schéma de la figure 1, comportant en abscisse les tempéra- tures et en ordonne le temps passé, le diagramme en trait continu représente le cycle selon l'invention et le diagramme en pointillé un cycle équivalent de la pratique habituelle. Suivant ce dernier, après chauffage vers 1 150 0C et forgeage a cette température, les pièces sont refroidies à l'air libre, puis réchauffées vers 9000C pour subir un premier recuit à cette température, suivi d'un refroidissement contrle jusqu'à 6500C où elles sont maintenues à un second palier de recuit isotherme, pour être ensuite refroidies à température ambiante avant usinage. I1 résulte de cette régénération de structure après forge la structure ferrite-perlite de la figure 3 (grossissement 200) qui correspond à une grosseur de grains de l'ordre de 7 à 9 suivant l'échelle des normes ASTM. il est à noter que, dans cet exemple, la teneur en soufre de l'acier, un acier 30 CD4, a été portée à 0,033 % pour favoriser l'usinabilite qui, selon le test d'usinabilité faisant l'objet de la norme expérimentale A.F.N.O.R. NO A 03-654 (atout 1975), est de D 17,03. Le cycle à trait continu du schema de la figure 1 montre, selon l'invention, qu'apres chauffe et forgeage, comme dans le cas précédent, la pièce est refroidie rapidement, par exemple en lift fluidisé jusqu'a 8250C, maintenue en palier à cette température, puis refroidie dans les mêmes conditions jusqu'a 6500C et maintenue en palier à cette température pour un second recuit isotherme après lequel la pièce peut être refroidie avant usinage. Sa structure est alors celle de-la figure 2, également pour de l'acier 30 CD4, soit une structure ferrite-perlite de grosseur de grains 4 a 6 (suivant l'échelle des normes ASTM) avec une usinabilite nettement améliorée de D 0,20 = 18,80 suivant le test d'usinabilité precédent, alors que la teneur en soufre n'a pas été augmentée et a été maintenue à sa valeur résiduelle d'elabo- ration de 0,011. Ainsi le traitement selon l'invention permet-il dans cet exemple, tout en améliorant néanmoins l'usinabilité, de s'affranchir des teneurs en soufre elevées qui nuisent aux propriétés finales de l'acier si elles en facilitent l'usinage.L'amélioration se produit donc à la fois sur l'usinabilite et sur les propriétés xecaniques finales dans cet exemple. De plus, selon l'invention, on récupère la chaleur des refroidissements contrôles des pieces pour assurer le maintien en température de celles-ci pendant les paliers de recuit isotherme. On effectuera simplement ce transfert calorifique par une boucle d'échange d'un milieu de circulation, par exemple le gaz porteur d'installations de traitement thermique à lits fluidités suivant une technique courante dans ce domaine. Ainsi, l'installation pourra comporter au moins deux lits fluidisés, l'un de refroidissement et l'autre de recuit isotherme fermés à leur partie supérieure et disposés côte à cOte avec une cloison commune et une communication à la base de cette cloison de séparation, traversée par un tapis transporteur, par exemple a channe, recouvrant leurs fonds et assurant le transport des pieces forgées d'un lit à l'autre dans le bain de sable des lits. Les dimensions respectives des lits et les vitesses de déplacement du transporteur seront fonction des caractéristiques prévues pour les pièces et le type de recuit direct souhait8. Les pièces seront introduites en chute directe dans le lit fluidisé de refroidissement a travers un sas à tambour à la partie supérieure de celui-ci. Acheminees au fond des lits fluidisés par le tapis transporteur à chaines qui s'incurvera vers le haut en élévateur jusqu'au-dessus du niveau du lit fluidise de recuit en fin de parcours de celui-ci, elles seront alors déversées dans le tambour d'un sas de sortie pour être soit refroidies à l'air libre, soit déversées directement dans un nouveau lit fluidise de refroidissement d'une unité identique, adaptée à un second palier de recuit direct. La régulation thermique de telles unités s'effectuera par la circulation du gaz de fluidisation d'un lit à l'autre. Le gaz, échauffé par les pièces, est capté à la partie supérieure du lit de refroidissement et insufflé par ventilateur, au besoin à travers une régulation thermique ajustant sa température à la base du lit fluide de recuit isotherme dont il assure ainsi le maintien a température des pièces. De même, le gaz alors refroidi, recueilli à la partie supérieure de ce lit, est insufflé, également par ventilateur, au besoin à travers une régulation de température, à la base du lit de refroidissement contrôlé, complétant ainsi la boucle de régulation à fluide caloporteur précitée. REVENDICATIONS 1 - Procédé de traitement thermique de pièces forgées par recuit isotherme avant refroidissement à température ambiante, usinage et traitement final de mise aux caracteristiques mécaniques d'emploi, caractérisé en ce que les pièces subissent aussitôt après forgeage au moins un refroidis sement contrôle suivi d1 un recuit isotherme à la température atteinte en fin de refroidissement contrôlé. 2 - Procédé de traitement thermique selon la revendication t caractérisé en ce que l'on récupère la chaleur cédée par les pièces pendant les refroi dissements contrôlés pour assurer le maintien à température des pièces subissant l'opération de recuit isotherme 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on assure la régulation de température du palier de recuit isotherme par une boucle de fluide caloporteur s'échauffant au contact des pièces forgees dont il assure les refroidissements contrôles et cédant la chaleur acquise au milieu au maintien des pièces en recuit isotherme. 4 - Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le fluide calo porteur effectue ses echanges calorifiques dans des lits fluidités recevant les pièces en assurant le maintien en suspension des lits fluidités 5 - Pièces forgées suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisées en ce qu'elles présentent, après les opérations de recuit isotherme direct, une structure à gros grains de l'ordre de 4 à 6 unités ASTM, à perlite lamellaire, à répartition homogène dite structure "à damiers". 6 - Unité de traitement thermique par recuit direct selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 a 4 en vue d'obtenir la structure de pieces forgées avant usinage de la revendication 5 caractérisée en ce qu'elle comporte un lit fluidisé de refroidissement contrôlé et un lit fluide de recuit isotherme, chacun en enceintes fermées séparées par une cloison commune et maintenues en suspension par une même boucle de circu lation de gaz insufflé et régule thermiquement à 1 'entrée de chaque lit des sas à tambour assurant l'introduction des pièces dans le lit de refroi dissement contrôlé et leur évacuation du lit de recuit isotherme, les pièces étant transférées d'un lit a l'autre par un tapis transporteur recouvrant le fond des lits fluidisés et passant de l'un à l'autre par une ouverture à la base de leur cloison commune1 ledit transporteur s'élevant au-dessus du niveau du lit de recuit isotherme en fin de parcours de celui-ci pour déverser les pièces dans la tambour d'evacuation.