Brevet FR2441664A1 — publié le 19800613

La présente invention concerne un acier à ressort à haute résistance dont les grains cristallins deviennent de plus en plus fins depuis le noyau jusqu'à la couche de surface et dont les grains de la couche de surface sont extraordinairement fins, ce qui est obtenu par un chauffage répété à de courts intervalles de temps de la surface d'un matériau en acier de façon à chauffer le matériau dans tout son intérieur ou de créer un état de chauffage proche de celui-ci, par application d'un procédé de chauffage par induction à haute fréquence ou procédé analogue, suivi d'un refroidissement, puis d'un revenu à chauffage à induction à haute fréquence ou chauffage analogue. De façon plus spécifique, l'acier à ressort à haute résistance selon la présente invention est obtenu par chauffage de la surface de l'acier à une température supérieure au point de transformation AC3, puis par diminution de la température de surface de l'acier à une valeur inférieure au point de transformation Arl après arrêt du chauffage,ce cycle de chauffage et de refroidissement rapides de l'acier étant répété jusqu'à obtention d'un chauffage profond du volume complet de la pièce en acier ou d'un état proche de celui-ci, suivi d'un refroidissement de l'acier. I1 est nécessaire que les matériaux utilisés dans la fabrication des ressorts à boudin, des barres de torsion et analogues aient une résistance à la fatigue élevée, en particulier une résistance à la torsion importante. D'autre part, les contraintes de flexion ou de torsion exercées pendant le fonctionnement de ce type de ressort sont plus importantes près de la surface autour de son axe neutre, et les contraintes maximum se développent généralement dans la couche de surface du ressort. Dans le procédé classique de fabrication, par exemple d'un ressort à boudin, un acier à ressort qui a été étiré, puis a subi un revenu à l'huile de façon à augmenter sa résistance est formé à froid en ressort; ou bien un acier à ressort qui a été enroulé en spirale est refroidi et soumis à un traitement de revenu de façon à augmenter sa résistance. Dans chacune des méthodes, on cherche à obtenir une structure refroidie et trempée uniforme sur la totalité de la section par un traitement thermique de routine. Ainsi, le procédé classique de fabrication d'un acier à ressort ne permet pas d'obtenir un ressort ayant une résistance dont la distribution est comparable à celle des contraintes qui se développent dans le ressort pendant son fonctionnement.En outre, dans le procédé classique de fabrication d'un acier à ressort ou dans le procédé refroidissement-revenu classique du fil en acier à ressort,dans lesquels la totalité de la section du fil est chauffée jusqu'à l'amie une fois seulement au-dessus du point de transformation AC3, puis est refroidie immédiatement, on n'essaie pas particulièrement d'obtenir des grains à cristaux plus fins. Un moyen qui permet d'obtenir des grains à cristaux d'acier plus fins est appelé "procédé de refroidissement répété" et est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3.178.324; cependant, ce procédé n'estpas.utilisé dans la fabrication de ressorts en aFier. Selon ce procédé, l'acier est chauffé sur toute sa section à un température supérieure au point de transformation AC3, puis subit un refroidissement forcé de façon à rendre sa structure martensitique, ce cycle étant répété à la suite plus de deux fois. Si le procédé ci-dessus était utilisé pour refroidir un acier à ressort ou un acier à ressort à boudin, de fins grains de cristaux pourraient être produits, mais comme la production de grains fins a lieu de façon uniforme sur toute la section de l'acier, ce procédé permet difficilement de produire un ressort ayant une résistance dont la distribution correspondant à la distribution des contraintes qui se développent dans le ressort pendant son fonctionnement. Ce préambule étant présent à l'esprit, l'objet de la présente invention est de prévoir un acier à ressort qui soit caractérisé par sa solidité, par sa grande ténacité ainsi que par sa résistan- ce élevée à la fatigue, et qui ait des grains extraordinairement fins sur sa couche superficielle ainsi qu'une résistance dont la distribution corresponde à la distribution des contraintes de flexion ou de torsion qui se développent dans le ressort pendant son fonctionnement. L'acier à ressort à haute résistance selon la présente invention est obtenu par chauffage de sa surface à une température supérieure au point de transformation AC3 par un procédé de chauffage à induction à haute fréquence,puis par réduction de la température de surface àune valeur inférieure au point de transformation Arl grace à la conductibilité thermique de l'acier après arrêt du chauffage, ce cycle de chauffage et de refroidissement rapides étant successivement répété de façon à chauffer le morceau d'acier dans sa totalité ou de l'amener à un état de chauffage proche du précédent, chauffage qui est suivi par un refroidissement. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante qui sera faite en liaison avec le dessin ci-joint dans lequel La figure unique est une représentation schématique qui explique le cycle thermique utilisé dans le procédé de la présente invention. La présenteinvention sera maintenant décrite en détail. Comme cela a été indiqué ci-dessus, le procédé de fabrication classique d'un ressort à boudin vise à obtenir une structure ayant subi un refroidissement et un revenu uniformes sur toute sa section par un traitement thermique de routine et, par conséquent, on peut difficilement attendre de ce procédé classique qu'il permette de produire un ressort ayant une résistance mécanique correspondant à la distribution des contraintes qui se développent pendant le fonctionnement du ressort et,comme dans ledit traitement thermique, l'acier sur toute sa section jusqu'au noyau n'est chauffé qu'une fois au-delà du point de transformation AC3, puis est immédiatement refroidi, les cristaux ne peuvent pas être rendus fins. D'autre part, comme cela a été éaglement signalé précédemment, il existe une méthode bien connue de refroidissement rép- té qui, bien que n'étant pas appliquée à la fabrication d'un ressort, permet d'obtenir des cristaux fins. Selon ce procédé, la totalité de la section de l'acier est rapidement chauffée à une valeur supérieure au point de transformation AC3, puis est soumise à un refroidissement forcé jusqu'à la température ambiante, ce cycle thermique de chauffage rapide de refroidissement étant répété de façon à obtenir des grains cristallins d'acier plus fins, conférant ainsi une résistance mécanique à l'acier,plus particulièrement une résistance à la fatigue. Les caractéristiques de la présente invention par rapport à l'art antérieur sont les suivantes 1) Alors que dans l'art antérieur, c'est-à-dire dans l'art de la fabrication d'un ressort ainsi que dans l'art de rendre plus fins les cristaux d'acier, un chauffage rapide est effectué de façon à chauffer la totalité de la section à une valeur supérieure au point de transformation AC3, selon la présente invention, seule la surface superficielle de l'acier est chauffée à une valeur supérieure au point de transformation AC3. 2) Alors que dans l'art antérieur, qui permet d'obtenir des grains de cristaux plus fins dans l'acier sur toute sa section il faut refroidir de façon répétée l'acier pour obtenir cette finesse des cristaux, selon la présente invention seul un chauffage de la surface de l'acier est effectué et grâce au refroidissement exécuté entre des chauffages répétés, l'acier est refroidi à une valeur inférieureau point de transformation Ar grace à sa propre conductibilité thermique. 3) Alors que dans l'art antérieur, la fabrication d'un ressort ou le procédé d'obtention de grains d'acier plus fins nécessitent un chauffage de toute la section de l'acier à une température supérieure au point de transformation AC3, puis un refroidissement forcé jusqu'à la température ambiante, selon la présente invention, seule la couche superficielle de l'acier est chauffée à une température supérieure au point de transformation AC3, sauf lors du stade final de chauffage. Par conséquent, après arrêt du chauffage, l'acier peut être refroidi en un court laps de temps jusqu'à une valeur inférieure au point de transformation Arl grâce à son autorefroidissement dû à sa propre conductibilité thermique sans que l'on n'ait recours àun refroidissement forcé.Ainsi, dans l'art antérieur, après cessation du chauffage rapide,là totalité de l'acier est soumise à un refroidissement forcé jusqu'à la température ambiante, mais dans la présente invention, après cessation du chauffage rapide, l'acier de la couche de surface est refroidi dans un court laps de temps à une valeur inférieure au point de transfor mation Arl (et non à la température ambiante) sans avoir recours à un refroidissement forcé, ce cycle thermique étant répété, grâce à quoi le noyau de l'acier est graduellement chauffé de façon à obtenir un acier-dont le volume entier a été chauffé à fond, ou a été chauffé jusqu'à un état proche du précédent, chauffage qui est suivi d'un refroidissement rapide de l'acier pour effectuer son revenu. En conséquence, le procédé précédent de l'art antérieur qui permet de rendre les cristaux plus fins sur toute la section de l'acier est très différent du procédé selon la présente invention oa les grains sont rendus de plus en plus fins, depuis le noyau jusqu'à la couche de surface et où les grains de la couche de surface sont rendus extrêmement fins. La présente invention fournit, par conséquent, un procédé remarquable de fabrication d'un acier à ressort, en ce sens qu'ellepermetde conférer à l'acier une résistance qui correspond aux conditions de fonctionnement du ressort. I1 apparaîtra à l'homme de l'art que le point de transformation AC3 et le point de transformation Arl indiqués ci-dessus dépendent de la qualité de l acieret de sa composition chimique. La caractéristique essentielle de la présente invention est que l'acier est chauffé dans toute sa section par un chauffage à induction à haute fréquence de courte durée, avec une pause spécifiée, grace a quoi un effet de chauffage complet, ou un effet proche de celui-ci, est obtenu qui est suivi par un revenu de l'acier par chauffage par induction à haute fréquence ou par un chauffage analogue. Une caractéristique de la présente invention est décrite en liaison avec le dessin qui représente la relation entre les températures du noyau et de la surface d'un acier chauffé par induction à haute fréquence selon la présente invention, la température figurant en ordonnée et le temps en abscisse. L1 à L4 représentent les bobines de chauffage par induction à haute fréquence placées ensérie sur le trajet du fil en acier. Le fil W se déplaçant dans le sens de la flèche est soumis au cycle thermique selon la présente invention, pendant son passage dans les bobines L1 à L4. I1 va sans dire que les dimensions du fil et la fréquence de la source électrique induite doivent être liées de façon appropriée.En outre, le cycle thermique des bobines L1 à L4 peut être conçu de façon que la caractéristique d'augmentation de température A s'applique à la couche en surface du fil et que la caractéristique d'augmentation de température B s'applique à son noyau, comme cela est représenté dans le dessin, grâce à un réglage approprié de variables telles que le nombre de bobines de chauffage L1 à L4 placées sur le trajet du fil, les longueurs t1- t4 des bobines respectives, les écartements dl à d4 entre bobines et les puissances P1 à P4 appliquées à chaque bobine, en corrélation avec la vitesse de déplacement du fil. Ainsi, la température de surface du fil W s'élève à une valeur supérieure au point de transformation AC3 pendant la période de chauffage d'une durée de tl secondes lors du premier cycle thermique assuré par la bobine L1, mais, pendant le refroidissement à l'air de tl secondes séparant le moment où le fil quitte la bobine L1 et le moment où il entre dans la bobine L2, la température de surface du fil tombe à une valeur inférieure au point de transformation Arl. Pendant le chauffage d'une durée de t2 secondes lors du second cycle thermique assuré par la bobine L2, la couche de surface du fil atteint de nouveau une température dépassant le point de transformation AC3 et, pendant le refroidissement à l'air d'une durée de t2 secondes après que le fil W ait quitté la bobine L2, la couche de surface atteint une température inférieure au point de transformation Arl. Ensuite, on répète un cycle thermique semblable. Entre temps, le noyau du fil W est encore proche de la température ambiante, alors qu'il se trouve dans le premier cycle thermique assuré par la bobine L1, mais, pendant la répétition du cycle thermique, la température croît régulièrement et, par exemple, lorsque le cycle assuré par la bobine L4 est terminé, une température supérieure au point de transformation AC3 est atteinte. A ce stade, la température de surface ne tombe pas au-dessous du point de transformation Arl à l'issue du refroidissement à l'air d'une durée de t4 secondes; en conséquence, le même effet qu'un chauffage direct est obtenu, et le fil est refroidi rapidement à ce stade. A l'issue du refroidissement,et après chauffage de la pièce, s'il s'agit d'un fil, il subit ensuite un revenu, et,s'il s'agit d'une tige ayant une longueur définie, elle subit ensuite un revenu ou bien subit ce revenu sur une chaineséparée suivant une méthode connue, telle que par chauffage à induction à haute fréquence de façon à conférer à l'acier les propriétés mécaniques requises. Dans le but de vérifier les résultats obtenus avec la présente invention, l'inventeur a exécuté différents essais qui sont résumés ci-après. Essai nO 1 1) Conditions d'essai (1) Pièce d'essai Diamètre 10 mm Composition chimique conforme aux valeurs spécifiées dans la norme industrielle japonaise intitulée JIS G 4801 as SUP 6 C 0,55 à 0,65 % P inférieur à 0,035 % Si 1,50 à 1,80 % S inférieur à 0,035 % Mn 0,70 à 1,00 % (2) Disposition des bobines de chauffage par induction Comme cela est représenté, les bobines L1 à L4 sont disposées à des intervalles spécifiques sur le trajet du fil. (a) Longueurs des bobines L1 3 L3 = 30 mm L4 = 180 mm (b) Intervalles entre bobines dl d2 : 120 mm d3 : 360 mm (3) Conditions de chauffage (a) Puissance appliquée aux bobines respectives L1 L2 L3 L4 20 15 15 14 (kW) (b) Vitesse de déplacement du fil 120 mm/secondes. 2) Processus d'essai Dans les conditions indiquées ci-dessus, la pièce a été soumise à un cycle thermique répété selon la présente invention, et à l'issue du quatrième cyclea été refroidie à l'eau. La durée du chauffage par induction de chaque cycle thermique était de 0,25 seconde pour tl - t3 et de 1,5 seconde pour t4 et, au cours de ce chauffage, la pièce a atteint une température de surface de 880"C-9000C. Le refroidissement de la pièce a été immédiatement suivi par un revenu à 5000C d'une durée de 2 secondes par chauffage à induction à haute fréquence. 3) Résultats d'essai On a procédé à unecomparaison des dimensions en coupe des cristaux entre la pièce d'essai ains traitée et une pièce ayant la même composition chimique et un même diamètre que la pièce précéden te qui avait été chauffée seulement une fois pendant 3 secondes à une température de 880 - 9000C par chauffage à réduction à haute fréquence, chauffage suivi d'un refroidissement et du même revenu que pour la première pièce.Les résultats sont résumés dans le tableau I ci-dessous. TABLEAU Diamètre de grain Quatre chauffages cy avec un seul cliques chauffage (n ASTM) Diamètre té de grain (n" ASTN Couche de surface (profondeur de 1 mm par rapport à la Peau) 10 13 46 RC Couche moyenne I (profondeur de 3 mm I par rapport à la peau) 9 11 -- 45 RC Noyau 9 9 44 RC Essai n 2 1) Conditions d'essai (1) Echantillon Diamètre 10 mm Composition chimique : identique à celle de l'exemple 1 2) Processus d'essai Le même échantillon que dans l'exemple 1 a été soumis, comme dans l'exemple 1, à un chauffage en quatre cycles suivi d'un refroidissement et d'un revenu. La résistance de la traction et résistance à la fatigue (inversion complète) de cet échantillon ont été comparées à celles d'un échantillon ayant la même composition chimique et le même diamètre que le premier échantillon qui avait été chauffé par induction pendant 3 secondes à une température comprise entre 880 et 9000C, puis avait été refroidi et avait été soumis au même revenu que le premier échantillon, ainsi qu'aux résultats donnés par un échantillon qui avait été soumis à un revenu de routine à l'huile. Les résultats sont résumés dans le tableau II ciaprès. TABLEAU II Résistance à la Résistance à la fle traction xion (inversion tota (kg/mm2) le) (kg/mm2) Pièce trempée à l'huile 155 - 1 44 Pièce à refroidis sement et revenu par induction de routine 161 57 Pièce traitée selon la présente inven tion 163 j 66 D'après les résultats d'autres essais exécutés par le présent inventeur, d'excellents résultats peuvent être également obtenus meme avec un fil ayant une teneur en carbone supérieure ou inférieure à 0,3 %, si la teneur en Mn- et B- est respectivement réglée àune valeur supérieure à 1 % et à 0,001 %, ou avec un fil,pouvant être trempé, ayant la composition indiquée dans le tableau III, qui est soumis aux cycles thermiques répétés selon la présente invention. TABLEAU III C (%) Si (%) Mn (%) P (%) S (%) 0,18-0,24 0,15-0,35 1,35-1,65 0,04 0,05 0,17-0,23 0,15-0,35 1,20-1,50 0,03 0,03 I1 va sans dire que le nombre de cycles thermiques à exécuter n'est pas limité à quatre comme dans les exemples précédents,. La présente invention s 'applique avec un nombre de cycles supérieur à deux pour réaliser le chauffage global du fil ou pour l'amener à une condition de température voisine, fonction de la composition chimique du fil et de la température à laquelle sa surface doit être chauffée. Naturellement, on peut avoir simultanément recours à un moyen extérieur pour faciliter le refroidissement à l'air et obtenir une température de surface appropriée lorsque le cycle thermique est suspendu. Comme on le voit d'après les résultats d'essai précédents > il est possible d'obtenir un fil dont les grains sont de plus en plus fins depuis le noyau jusqu'à la surface,et qui a une structure extra ordinairement fine dans la couche de surface, grace au procédé de la présente invention dans lequd le fil est soumis à une transformation de structure répétéependantun court laps de temps par chauffage en surface obtenu par induction à haute fréquence et qui est répété après une courte pause. Le fil ainsi obtenu permet d'obtenir un acier à ressort caractérisé par sa résistance aux chocs élevée et par une distribution de ses caractéristiques de résistance qui correspond aux contraintes, telles que les contraintes de flexion ou de torsion qui se développent dans le ressort pendant son fonctionnement. Dans l'application de la présente invention, ou bien plusieurs bobines de chauffage par induction sont disposées à des intervalles spécifiques et le fil est acheminé à travers ces bobines pour etre soumis au cycle thermique répété, ou bien un court tron çon d'acier est fixé et soumis à une répétition similaire du cycle thermique assuré par de telles bobines. N'importe quel procédé peut être utilisé, pourvu qu'il soit capable de soumettre l'acier au cycle thermique indiqué ci-dessus. Dans le cycle thermique selon la présente invention, la surface chauffée du fil estrefroidie grace à sa conductibilité thermique et, par conséquent, l'énergie thermique consommée ne doit pas être perdue. Comme cela a été expliqué au début de cette description, une différence de consommationd'énergie apparaît par rapport au cas où le cycle thermique est répété avec refroidissement extérieur forcé.Selon la présente invention,le 1/3 environ de la puissance utilisée dans un procédé classique est employé. On a ainsi un procédé particulièrement économique et qui permet des gains d'6nergie, avantages que l'on ne peut ignorer à une époque où l'énergie est précieuse. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Acier à ressort à haute résistance, caractérisé en ce qu'il comporte des grains cristallins fins qui sont de plus en plus fins depuis le noyau jusqu'à la surface, caractéristique qui est obtenue par chauffage répété, à de courts intervalles de temps, de la surface de l'acier par induction à haute fréquence et par auto-refroidissement,de façon à chauffer graduellement l'acier dans sa totalité ou à l'amener à une condition proche de la précédente, à la suite de quoi, l'acier est refroidi puis subi un revenu par induction à haute fréquence. 2 - Acier à ressort selon la revendication i, caractérisé en ce que sa teneur en carbone est supérieure à 0,3 %. 3 - Procédé de fabrication d'un acier à ressort à haute résistance, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - chauffage de la surface de l'acier à une valeur supérieure au point de transformation AC3 par induction à haute fréquence - cessation du chauffage et, par conséquent, abaissement de la température de surface à une valeur inférieure au point de transformation Arl, mais supérieure à la température ambiante, par auto-refroidissement dû à sa propre conductivité thermique, ce cycle de chauffage de la surface de courte durée étant répété plus de deux fois de façon à assurer graduellement un chauffage de la totalité du corps de l'acier ou à l'amener à un état voisin du précédent, puis - refroidissement de l'acier. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'acier a une teneur en carbone supérieure à 0,3 %.