Brevet FR2463814A1 — publié le 19810227

La présente invention concerne un procédé de traitement de matériaux formant des matrices ainsi que les produits obtenus, De façon générale, l'invention concerne les aciers d'outils et en particulier un procédé pour traiter de tels aciers et améliorer la durée de vie de tels outils utilisés notamment sur des laminoirs à pas de pélerîn- Les laminoirs à pas de pèlerin utilisent des outils antagonistes avec une rainure conique à la périphérie des outils dans la zone de travail. Le mouvement réciproque des outils antagonistes sur le tube en cours d'usinage, est absorbé par un mandrin et provoque la réduction à. froid du tube. L'un des critères de caractéristiques satisfaisantes est le nombre de mètres de tube que l'on peut fabriquer pendant la durée d'utilisation d'un tel outil. De façon caractéristique on utilise les outils jusqu'à ce que la surface de la gorge soit détériorée à un point tel qu'il en résulte des défauts à la surface du tube. La gorge et la périphérie de l'outil sont alors réusinées, par exemple par meulage pour éliminer les défauts et permettre la réutilisation des outils. Les outils sont ainsi réusinés et réutilisés autant de fois que cela est possible dans les limites des dimensions des outils ou de la machine. Le remeulage peut au total se faire six fois ou plus. La raison en est si l'on considère l'utilisation de machines, de laminoirs à pas de pélerin pour la fabrication par exemple de tubes en Zircaloy pour des réacteurs nucléaires. L'un des éléments principaux dans la fabrication de tubes en Zircaloy-4 pour revêtir le combustible d'un réacteur nucléaire est le comportement à l'hydruration du produit final. La formation des hydrures dans le matériau du tube est une conséquence naturelle de la corrosion en cours d'utilisation du Zircaloy-4 par l'eau de refroidissement, qui est chaude. Une partie de l'hydrogène dégagée par la réaction de corrosion tend à diffuser dans le matériau du tube et à former des plaquettes d'hydrure de Zirconium. La présence de ces hydrures détériore les caractéristiques mécaniques du tube en particulier si les plaquettes sont orientées dans la direction radiale dans la paroi du tube. Un procédé principal pour réduire au minimum la formation de tels hydrures orientés radialement consiste à régler la nature cristallographique du tube de façon que les plaquettes d'hydrure se forment de préférence à la périphérie. Cela se fait principalement à l'aide d'un contr8le approprié du procédé de fabrication des tubes et. en particulier de la réduction finale dans un laminoir à froid à pas de pélerin. La solution pour réduire au minimum l'hydruration radiale dans des tubes de Zircaloy-4 consiste à rendre maximum la réduction de la paroi en fonction de la réduction du diamètre pendant l'usinage à froid. Cela consiste à fabriquer les tubes suivant un rapport LO important entre le pourcentage de réduction de la paroi et le pourcentage de réduction du diamètre. Cela se traduit par une texture de ce matériau voisin d'une structure hexagonale, avec une orientation des p8les de base, principalement dans la direction radiale. Le développement de cette structure aboutit à un matériau qui est très résistant à la formation des hydrures dans la direction radiale pendant les essais d'hydruration et lorsque le matériau est utilisé dans un réacteur nucléaire. L'invention concerne ainsi un procédé de fabrication de matrices de laminoirs à pas de pèlerin, durcies, pour obtenir une enveloppe dure présentant des contraintes de compression résiduelles et un corps dense, le procédé de durcissement des matrices de laminoirs à pas de pélerin étant caractérisé en ce qu'on chauffe la matrice jusqu'à une température de la plage de transformation austénitique, on élimine sélectivement la chaleur de la matrice à une vitesse prédéterminée plus rapide, dans la direction de l'enveloppe voulue par rapport à la vitesse d'évacuation de la chaleur des autres parties de la matrice et on effectue un trempage de la matrice. On utilise un alliage qui peut durcir à l'air, dans un bain d'huile ou un bain d'eau, suivant l'utilisation parti- culière, définitive ainsi que, suivant le traitement, permettant de former une enveloppe durcie. On a obtenu des résultats particulièrement intéressants dans des laminoirs à froid à pas de pélerin,.pour des compositions d'huile de durcissement utilisées pour de l'acier tel que l'acier 52100. Un acier très proche est celui fabriqué par la Société Bofers sous la réfé- rence SR1855. De façon caractéristique, de telles compositions contiennent environ 1 % de carbone, jusqu'à 1,5 % de silicium, jusqu'à environ 1 % de manganèse, jusqu'à environ 1,25 % de chrome et le complément de fer, comprenant les impuretés inci- 3 2 4 6 38 1 4 dentes, habituelles. La technique de durcissement directionnel de tels matériaux consiste à raffiner par un traitement thermique pour obtenir un produit parfaitement durci et trempé au niveau de la surface de travail de la matrice, et présentant un corps dense, pour les autres parties de la matrice. Ce corps dense présente généralement une dureté moindre. Sur ce plan, la périphérie et la rainure forment l'une des surfaces utiles de la matrice et sont soumises à un traitement thermique pour arriver aux contraintes résiduelles de compression par suite de l'absence de durcissement total du noyau ou du corps de la matrice. Les contraintes résiduelles de compression permettent à la surface de la rainure de résister à la détérioration en cours d'usage et la forte dureté de l'enveloppe donne la résistance nécessaire à l'usage. En même temps, les autres parties de la matrice sont dans un état de contrainte et de traction. Cela se fait en appliquant un moyen d'isolation au perçage dela matrice et à toutes les surfaces exposées sauf à la périphérie et à la rainure de la matrice, à l'endroit o l'on veut une enveloppe durcie. En appliquant ainsi l'isolant et le traitement thermiquesen fonction des recommandations des fabricants d'acier, on obtient une périphé- rie et une rainure, durcies, qui ont une forte résistance et des contraintes résiduelles de compression, alors que le corps de la pièce en acier présentera la densité requise et sera principalement mis dans un état de contrainte à la traction par opposition à la contrainte de compression de surface de la matrice à durcissement directionnel. L'invention sera plus clairement expliquée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est un schéma d'un moyen de durcis- sement directionnel d'une matrice de laminoir à pas de pélerin. - la figure 2 est un graphique donnant la dureté transversale d'une matrice caractéristique de laminoir à pas de pélerin selon l'invention. - la figure 3 est une coupe de la matrice, montrant le profil en dureté. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on choisit une matrice en acier destinée à former l'enveloppe 24638 14 durcie, appropriée, et le corps dense, que l'on peut utiliser pour arriver à une périphérie extérieure de forme appropriée et pouvant s'adapter aux équipements. Lorsqu'on réalise des tubes de revêtement de combustible, à base de Zircaloy-4, on a constaté qu'un acier durci à l'huile, convenait particulière- ment bien, bien qu'il soit également possible d'utiliser un acier durci à l'air ou à l'eau. En particulier, on a utilisé avec succès deux compositions suivantes: La première composition SR1855 contient 1,0 % de carbone, 1,5 % de silicium, 0,8 % de manganèse, 1,0 % de chrome, le complément étant du fer contenant des impuretés. La seconde composition est connue sous la dénomina- tion 52100 et contient 1 % de carbone, 0,3 % de silicium, 0,4 % de manganèse, et environ 1,45 % de chrome, le complément étant du fer contenant des impuretés. Ces produits qui sont recuits dans des conditions appropriées, peuvent 9tre usinés pour arriver aux caractéristiques de rainure appropriées de la matrice; on peut également les percer pour les monter sur un laminoir à pas de pélerin. Ce n'est que lorsque la matrice présente sa forme définitive c'est-à-dire que lorsqu'elle comporte le perçage, que l'on peut fixer cette matrice à un laminoir à froid à pas de pélerin et qu'elle comporte une rainure périphérique servant à l'usinage proprement dit du tube de revêtement de combustible, en Zircaloy-4, après un usinage de finition selon l'invention, que le matériau est prêt pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. La matrice portant globalement la référence 10 à la figure 1 comporte un perçage 12 et une surface périphérique 14 dans laquelle a été usinée une rainure 16 de forme appropriée; cette rainure est usinée par des moyens appropriés. La matrice est munie à la suite de cela d'au moins un matériau d'isola- tion thermique servant à boucher le perçage 12; ce bouchon porte la référence 18. Au voisinage de la paroi latérale de la matrice 10, il est prévu un matériau d'isolation thermique, analogue, constitué par une feuille portant la référence 20 de façon à pouvoir 9tre maintenu au voisinage immédiat et de préférence en contact avec la paroi latérale de la matrice 10. Une plaque d'acier 22 est prévue contre la feuille de matériau isolant, en regard de la face de la paroi du corps 10 de la matrice et l'ensemble est ainsi bloqué par la vis 24 et l'écrou 26 passant de la plaque d'extrémité 22, en acier, d'un c8té, à travers la matrice jusqu'à la plaque d'extrémité en acier de l'autre c8té de la matrice. La matrice de laminoir à pas de pélerin, ainsi montée, est prgte pour le traitement thermique. Le matériau d'isolation thermique, réfractaire, décrit précédemment peut 9tre un matériau tel que celui vendu par la Société Carborundum sous le nom '"FiberFrax" ou encore un matériau fabriqué par la Société Hitco, sous le nom de "Refrasil". Les deux produits ont été utilisés avec le meme bon résultat. Quel que soit le matériau utilisé, il faut qu'il soit un isolant thermique, réfractaire, pour que la chaleur extraite par les parois latérales et le perçage c'est-à-dire aux endroits o se trouve le matériau isolant réfractaire, soit évacuée à une vitesse beaucoup.plus faible que celle aux endroits o il n'y a pas de matériau isolant à la chaleur, réfractaire, c'est-à-dire à la périphérie et au niveau de la rainure de la matrice. Lorsque l'ensemble est ainsi monté, on peut le chauffer à la température de transformation austénitique, pendant une durée appropriée pour mettre la partie de la matrice à cette température, puis on effectue une trempe de la matrice. De façon plus particulière, on a constaté qu'il était intéressant d'effectuer un traitement thermique consistant à chauffer la matrice à une température comprise entre 8300C et 9500C, et de préférence entre 8700C + 70C. A cette température et dans cette plage de températures, on maintient en général la matrice pendant environ 1 heure, puis on trempe la matrice y compris l'isolant, dans un bain d'huile à une température comprise entre 500C et 700C. A ce moment particulier, le contrÈle de la périphérie de la matrice doit présenter une dureté Rockwell Rc, de l'autre de 61Rc et le perçage doit avoir une dureté Rockwell d'environ 45R Après la trempe, on soumet le matériau à un traite- ment de mise en température, qui en fait, se compose générale- ment d'un double traitement à une température comprise entre 2750C et 350'C suivant la densité et la dureté nécessaires du perçage et de la périphérie. Comme la trempe à l'huile en par- tant de la température de transformation austénitique peut provoquer la rétention d'une partie de la phase austénitique, il est souhaitable d'effectuer un double traitement thermique de la matrice pour lequel la partie austénitique, retenue, reste pour la structure microscopique. Pour démontrer plus clairement le résultat du procédé et du traitement thermiques de l'invention, on pourra se reporter à la figure 2 qui est un schéma donnant la dureté en fonction de la distance à partir de la surface périphérique réelle de la matrice, selon l'invention. La courbe 30 représente la distance à partir du début de la surface à la base de la rainure 34, comme cela est représenté schématiquement dans la vue en coupe 38 selon la figure 3; la courbe 32 représente la dureté en fonc- tion de la distance par rapport à la périphérie suivant un chemin mesuré le long de la ligne 36 (figure 3). Il apparait ainsi clairement que le procédé de l'invention permet d'avoir une enveloppe dure et un corps dense, pour la matrice 38 utili- sée dans un laminoir à pas de pèlerin. La description suivante concerne la comparaison de la durée de vie moyenne d'une première rainure d'une matrice de laminoir à pas de pèlerin obtenue selon différents traite- ments thermiques y compris le procédé de l'invention. Un moyen approprié de mesure consiste à exprimer la durée de vie en fonction du nombre de mètres (ou de pieds) de tube de revête- ment de combustion au Zircaloy-4, fabriqué au cours des trois dernières réductions du laminoir à pas de pélerin. La dernière réduction est celle qui est la plus coûteuse pour le laminoir et profite le plus d'une augmentation de la durée de vie. Pendant une période donnée d'un an, on a utilisé la durée de vie de la première matrice à rainure en effectuant une simple trempe en scories, et cela a permis de fabriquer une moyenne de 8000 mètres de tube (25276 pieds). En remplaçant le traite- ment thermique par une trempe multiple, pour arriver à une enveloppe durcie selon les procédés de trempe habituels, on a abouti à une production de trois mois pour la durée de vie de la première rainure, donnant environ 6300 mètres (20045 pieds) de tube. Par ailleurs,1la durée de vie moyenne de la première rainure des matrices qui a été traitée selon l'invention a donné une moyenne de 13000 mètres (41500 pieds) de tube pour la durée de vie de la première rainure. Les considérations précédentes montrent l'économie importante que permet le procédé de l'invention pour la durée de fonctionnement d'un laminoir à pas de pélerin, entre deux 7 2463814 changements de matrice, ce qui réduit le coCt de la matrice par unité de longueur de tube fabriquée selon le procédé à pas de pélerin. En outre, on réduit la fréquence de remplacement des matrices par unité de longueur de tube à pas de pélerin et notamment la continuité de la production. Dans un seul type de matrice, on estime que l'économie se situe aux environs de 200000 Francs par an. On voit ainsi que le résultat du traitement thermique ainsi utilisé est une enveloppe martinsi- tique, à très grande dureté, comprise généralement entre les duretés Rockwell 55R et 53R, les autres parties du corps de la matrice se composant de bainite ou de bainite trempé, dont la dureté est comprise entre 38Rc et 45Rc Cela donne le corps dense et assure que, la surface de l'acier étant en contraintesde pression, le corps est en contraintes de traction. 8 24638 14 R E V E N D I ATI NS ) Procédé pour durcir des matrices de laminoirs à pas de pélerin, pourobtenir une enveloppe dure présentant des contraintes de compression, résiduelles et un corps dense, procédé caractérisé en ce qu'on chauffe la matrice à une tempé- rature comprise dans la plage des températures de transforma- tion austénitiques, on évacue sélectivement de la chaleur de la matrice à une vitesse prédéterminée-plus rapide dans la direction de l'enveloppe que la vitesse de l'évacuation de la chaleur des autres parties de la matrice, puis on effectue la trempe de la matrice (10). ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe se compose d'une gorge à section trapé- zoidale et la périphérie de la matrice ainsi que les autres parties de la surface exposée de la matrice sont munies d'un revatement isolant au moins pendant le traitement de transfor- matique austénitique. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe a une épaisseur comprise entre 12 mm et 25 mm mesurée à partir de la périphérie de la matrice avec une dureté correspondante comprise entre 53 Rc et 63 RC. ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la périphérie extérieure est durcie à une valeur comprise entre 61 R et 63 R et l'autre partie de la matrice est durcie à une valeur comprise entre 35 R et 45 R c c ) Produit obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé eu ce qu'il s'agit notamment d'une matrice pour un laminoir à pas de pélerin, matrice dont la surface périphérique est durcie.