Brevet FR2522688A1 — publié le 19830909

PROCEDE ET INSTALLATION DE TRAITEMENT THERMIQUE DE BARRES EN ACIER ALLIE PRETES A L'EMPLOI, NOTAMMENT POUR LA CONSTRUCTION MECANIQUE. L'invention se situe dans le domaine des traitements thermiques des barres en fin de laminage et concerne plus spécialement l'obtention direc- te de structures de trempe (bainite, martensite) dans la partie utile de barres en aciers de construction mécanique. La sidérurgie livre actuellement des aciers alliés à usinabilité améliorée qui présentent à l'état trempé et revenu une usinabilité compa- rable à celle des aciers classiques de même composition à l'état recuit. Dès lors, la possibilité d'usiner certaines pièces à partir de barres ayant les caractéristiques finales d'emploi présente un intérêt économique considérable, notamment du fait de la suppression du recuit pour usinage sur ébauche, du traitement de trempe et revenu pour l'utilisateur, des reprises d'usinage par rectification. Il en résulte une simplification des cycles de fabrication, une ré- duction des frais de traitements thermiques et un gain sur les délais d'exécution. On peut de surcroit, réaliser l'économie d'une austénitisation en procédant à la trempe dans la chaude de laminage des barres Il est même possible d'obtenir en fin de laminage un état austénitique plus intéres- sant que celui résultant d'une austénitisation classique du fait de mises en solutions plus complètes au préchauffage, d'une taille de grain austénitique adaptable à la trempabilité désirée, d'un état d'écrouissage de l'austénite, éventuellement favorable au moment de la transformation Y a. Les raisons pour lesquelles ces traitements de barres ne sont guère développés jusqu'ici tiennent surtout à la maîtrise du refroidissement dans la chaude de laminage Il faut savoir d'abord que les industries mé- caniques sont surtout intéressées par des barres de diamètre important ( 50-150 mm) en nuances mi-dures, qui sont pratiquement les seules permet- tant d'obtenir à coeur de ces barres des résistances de l'ordre de l OOON/mm 2 Obtenir une structure de trempe à coeur de belles barres exige un acier relativement trempant ( 42 CD 4, par exemple) et une vitesse de trempe élevée: les risques de tapures sont alors importants, même si, la durée du traitements n'étant pas limitée, on peut adopter le milieu de 39 trempe le moins sévère compatible avec le diamètre de la barre et la trem- pabilité de l'acier. La situation se complique encore pour les trempes au défilé juste après laminage Il faut savoir que les plus importants coefficients d'échange thermique que l'on sache réaliser pratiquement sur barres lis- sées sont actuellement de l'ordre de 104 W/m 2 OC (soit 104 kcal/m 2 h a C), et qu'il faudrait environ 20 secondes de traversée d'un milieu de trempe caractérisé par cette efficacité pour que la température moyenne d'une barrec dp 60 mmi do dinmètre passa de 9 so à àOPOC On rapp-lle que la tem- pérature moyenne dans la section d'une barre de rayon R est définie par R 202 ir e(r) dr o a(r) est la température à la distance r du coeur Comme la vitesse de laminage de ces barres est couramment de quelques mètres par seconde, il faudrait des longueurs de trempe déraisonnables pour former de la marten- site à coeur La trempe directe en piscine d'eau serait, pour sa part, in- suffisamment rapide pour les plus forts diamètres et risquerait de con- duire à des cintrages de barre (du fait des dissymétries de traitement), ou à des tapures (du fait de la mise en tension de la couche périphérique fragile de martensite lors du gonflement lié à la transformation ultérieu- re du coeur). L'invention a pour objet un -océdé et une installation permettant d'obtenir, sans cintrages ni tapures, des structures de trempe dans la section de barres en aciers alliés laminées en diamètres inférieurs à en- viron 150 mm. Le procédé consiste à faire subir à la barre laminée un cycle ther- mique comprenant 3 phases successives: a) lère phase: juste après laminage, on soumet la barre à l'action d'un milieu de trempe extrêmement sévère de manière à porter sa températu- re moyenne vers 400-550 GC en un temps correspondant à une longueur de dé- filement minimale Cette phase répond, de préférence, à 2 objectifs: former une couche annulaire superficielle adéquate de martensite, éviter la formation de perlite dans la plus grande partie de la section de la barre. Pour illustrer ces 2 objectifs, la figure 1 présente, à titre d'exemple, le diagramme de transformation en refroidissement continu d'un acier de construction mécanique type 42 CD 4 ( 0,42 l' de carbone, 0,7 % de manganèse, 1 l de chrome, 0,20 y de molybdène) après une austénitisation vers 85 G-9000 C conférant à la structure austénitique une taille de grain de l'ordre de 20 micromètres Ce type de diagramme, d'un usage courant en traitements thermiques, représente sur un graphique température-temps, les différents constituants micrographiques résultant, suivant les lois de re- froidissement considérées, de la transformation y + a de l'austénite mé- tastable repérée 1 Ainsi des lois de refroidissement rapides conduisent à la formation instantannée de martensite 2 dès que la température du métal descend en-dessous de la température Ms de l'acier ( 3100 C dans l'exemple choisi) A l'opposé, des lois de refroidissement très lentes conduisent à la formation de ferrite 3 et perlite 4 à des températures supérieures à 6000 C Enfin, des lois de refroidissement intermédiaires conduisent à la formation de bainite 5 et d'une fraction volumique d'autant plus impor- tante de martensite que la fin de refroidissement est accélérée Il faut se rappeler que, généralement, une martensite revenue a une meilleure té- nacité qu'une structure bainitique revenue à méme niveau de résistance fi- nale De façon générale, si on peut réaliser un revenu final, on recher- chera pour obtenir de bonnes caractéristiques mécaniques et améliorer l'homogénéité des structures dans la section, à obtenir dans la plus gros- se partie de cette dernière des structures formées aux plus basses tempé- ratures possibles Pour guider dans le choix du cycle de refroidissement, les diagrammes de transformation du type de celui présenté à la figure 1, présentent toutefois un certain nombre de limites D'abord, la forme du cycle thermique au dessus de la température A 3 de l'acier ( 8000 C dans le cas présenté) n'a généralement pas d'influence: on peut donc ne considé- rer les cycles thermiques qu'à partir de cette température, comme cela a été fait à la figure 1 Plus délicat est le fait que les conditions de transformation ne sont déterminées que pour les lois continues ayant servi à établir le diagramme; on ne peut donc superposer à ce diagramme, pour prévoir les structures finales, des cycles thermiques complexes tels que ceux préconisés par l'invention Ainsi lors d'une trempe sévère inter- rompue au défilé, une couche superficielle voit sa température chuter ra- pidement en-dessous de Ms puis remonter au niveau de la température moyen- ne de la section en fin de trempe; au contraire, le coeur de barre ne voit sa température baisser qu'après l'entrée dans le dispositif de trempe et n'atteindre que très lentement la température moyenne en fin de trempe. Toutefois, l'observation d'un diagramme tel que celui de la figure 1 sug- gère quelques remarques On ne formera pas de ferrite-perlite dans ce cas particulier si aucun point de la section ne voit sa température pasier de 800 à 6500 C en plus de 150 secondes Par ailleurs, un domaine de méstabi- lité de l'austénite entre les températures (supérieures à 6000 C) de forma- tion de la perlite et celles (inférieures à 5500 C) de formation de la bai- 39 nite permettra une réhomogénéisation thermique naturelle de la barre vers 5750 C sans transformation notable de l'austénite Enfin, dans le ca? pré- senté à la figure 1, des vitesses de refroidissement supérieures à 3 OC/s entre 550 et 3 MGOC sont nécessaires pour repousser les transformations oe la bainite à la martensite plus intéressante. Pour revenir aux 2 objectifs qui avaient été assignes à la lère phase de refroidissement des barres, on peut prévoir que l'épaisseur de martensite superficielle sera d'autant plus forte que la sévérité de tremoe et le diamètre de barre seront élevés Un 4 2 coefficient d'échange thermique de 10 W/m 2 OC donnera par exemple sur une 1 C barre de * 60 mm de diamètre une couche de martensite d'épaisseur = 5 mm, qu'un coefficient d'échange thermique de l'ordre de 10 W/m O C permettrait d'éviter la formation de perlite sur des barres de diamètre allant jusqu'à 150 mm laminées dans la nuance 42 CD 4 correspondant au dia- gramme de la figure 1 Les durées de trempe entre 9000 C et une température moyenne de 6000 C seraient alors respectivement de 7,5, 17 et 35 S pour des diamètres de 60, 100 et 150 mm, ce qui permet d'envisager des longueurs de traitement raisonnables Il faut d'ailleurs noter que, pour les plus forts diamètres, une augmentation du coefficient d'échange thermique serait aus- si nécessaire qu'une augmentation de la trempabilité de l'acier (addition de manganèse, molybdène, bore). b) 2 ème phase: la réhomogénéisation thermique naturelle à l'air de la section, d'une durée de l'ordre de 1 à 2 minutes, permet: au coeur, de voir sa température passer en dessous de 6000 C sans transformation notable en perlite ou bainite, à la couche annulaire superficielle de martensite, de voir amé- liorer sa ténacité par un auto-revenu de l'ordre de la minute au-dessus de 5000 C. Il va sans dire que, pour certaines nuances moins trempantes que le 42 CD 4 présenté, on pourra chercher à obtenir à coeur de barre, lors de cette 2 ème phase, une fraction volumique importante de perlite fine formée vers 625-650 e C: les caractéristiques mécaniques de ces perlites fines, notamment de celles durcies par microprécipitations, peuvent s'avérer sa- tisfaisantes pour certaines applications et présentent l'intérêt de ne pas nécessiter de revenu final Pour ces applications moins contraignantes que celles nécessitant le recours à des structures de trempe revenues, la 2 ème phase de refroidissement naturel sera exceptionnellement prolongée jusqu'à température ambiante. 39 c) 3 ème phase: après l'homogénéisation thermique plus ou moins complète vers 5500 C, on doit, si on recherche des structures essentielle- ment martensitiques à coeur, soumettre la barre à un second refroidisse- ment forcé permettant à la température du coeur de descendre en-dessous de 300 WC en un temps compatible avec les cinétiques de transformation baini- tique de l'acier considéré De fait, les bainites "inférieures" (celles formées à des températures un peu supérieures à Ms) ont, après revenu, des caractéristiques mécaniques comparables à celle de la martensite, si bien qu'il suffira souvent d'accélérer le refroidissement entre 550 et 4011 c. Pour des nuances particulièrement trempantes et (ou) des diamètres peu im- portants, un simple refroidissement naturel ou légèrement acceléré sera suffisant A titre d'exemple, il suffirait, dans le cas de la nuance 42 CD 4 présentée à la figure 1, d'un refroidissement à plus de 4 ou 5 OC/s entre 550 et 300 C pour obtenir une structure essentiellement martensitique à coeur de barre. Dans tous les cas, la couche annulaire superficielle de martensite obtenue dans la lère phase du traitement et auto-revenue dans la 2 ème pha- se a un double rôle dans la 3 ème phase de refroidissement forcé: elle réduit considérablement les risques de tapures lors d'une transformation martensitique ultérieure plus profonde, elle limite les risques de cintrage des barres par dissymétrie du refroidissement, puisqu'elle constitue une sorte de "corset" rigide annulaire. Ce double rôle permet d'envisager pour la 3 ème phase de refroidis- sement forcé des moyens de refroidissement moins exigeants en ce qui con- cerne la symétrie de révolution de la trempe que ceux utilisés dans la lère phase. L'installation selon l'invention découle du procédé décrit ci- dessus Elle comprend de préférence: pour la 1 ère phase: une botte à lame d'eau, modulaire, à grande efficacité thermique, du type de celle décrite dans la demande de brevet français N O 79/14383, ou éventuellement un dispositif de pulvérisation d'eau ayant une efficacité de refroidissement comparable. pour la 2 ème phase: un refroidissoir à "pas de pélerin" permet- tant la réhomog 6 néisation naturelle pendant 1 à 2 minutes d'une ou plu- sieurs barres en parallèle, pour la 3 ème phase: soit un dispositif de rampes oscillantes à pulvérisation d'eau installé sur la seconde partie du refroidissoir pré- cédent soit une piscine d'eau ou d'huile alimentée en barres par le re- 39 froidissoir et permettant une sortie continue de ces barres (plan incliné par exemple). Les modalités de fonctionnement de l'installation pré-décrite dé- pendront au niveau de chaque phase de refroidissement, du diamètre de bar- re considéré, de la vitesse de sortie du laminoir, de la trempa Lblité de la nuance d'acier considéré, des structures attendues à coeur des l Jarres. Ainsi, au niveau de la première phase, on a vu les 6 urges de re- froidissement nécessaires suivant le diamètre de barre pour un coefficient d'échanoe thermique du dispositif de trempe de l'ordrp de;wx 2 C:I connaissant les vitesses de sortie en laminage et les températures de fin ic de laminage, on peut en déduire les longueurs de trempe nécessaires Au niveau de la 2 ème phase, on peut, soit rechercher un auto- revenu maximum de la couche périphérique en laissant le coeur se transformer en p-rlite, soit éviter au maximum la transformation à coeur si la nuance et ie dia- mètre traités le permettent. Enfin, au niveau de la 3 ème phase, si on cherche à obtenir des structures essentiellement martensitiques, le mode de refroidissement sera d'autant plus sévère que le diamètre de barre sera important et les ciné- tiques de transformation en bainite supérieure rapides (importance de la trempabilité de l'acier considéré entre 600 et 300 C) Dans tous les cas, comme cela a déjà été précisé, il est peu souhaitable de poursuivre cette phase de refroissement en-dessous de 250 C (température à coeur) Un cas limite serait celui o la vitesse de défilement de la barre et la trempa- bilité de la nuance considérée permettrait l'évolution suivante de la tem- pérature moyenne de la section: fin de laminage vers 900 C, traversée d'une première boite à lame d'eau de 90 G à 600 C, refroidissement naturel en 1 à 2 minutes, traversée d'une seconde boite à lame d'eau de 600 à 300-400 C avant le revenu final Un autre cas limite est celui nu des structures perlitiques à coeur étant admises, les 2 ème et 3 ème n:ases s:, des refroidissements naturels à l'air sur refroidissoir clas) u Je. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention rersoetkiont de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés (autres que la figure 1 qui n'était destinée qu'à mieux faire comprendre le seul domaine technique de l'invention) qui représentent schématiquement, et uniquement à titre d'exemple, des modes de réalisation de l'invention, sur * lesquels: la figure 2 représente schématiquement une variante de l'instal- lation selon l'invention, la figure 3 représente schématiquement une autre variante de 7 l'installation selon l'invention, la figure 4 représente schématiquement des exemples de conditions de transformation obtenues sur 3 diamètres de barres en acier 42 CD 4 trai- tés selon une variante simplifiée du procédé, la figure 5 représente schématiquement des exemples de conditions de transformation obtenues sur 3 diamètres de barres en acier 42 CD 4 trai- tés selon une variante complète du procédé. A la figure 2, la barre sort de la dernière cage du laminoir 1 pour pénétrer dans 1 ou 2 boites à lame d'eau du type de celles décrites dans la demande de brevet français N O 79/14383 Cette barre est extraite à vi- tesse régulière des boites à eau grâce aux extracteurs 3, puis ralentie jusqu'à l'arrêt sur une ligne de rouleaux de freinage 4 Un dispositif à canalette 5 permet de déposer la barre sur un refroidissoir à pas de péle- rin permettant d'assurer à celle-ci une translation et une rotation lente sur elle-même Le refroidissoir comporte 3 zones, repérées 6, 7 et 8 a La zone 6 correspond au refroidissement naturel de la phase b selon l'inven- tion La zone 7 est un refroidissement naturel d'évacuation des barres après la phase de refroidissement forcé assurée sur la zone 8 a, mais on pourra éventuellement faire débuter le revenu final dès cette zone 7. Enfin, la zone 8 a correspond au refroidissement forcé de la phase c selon l'invention; ce refroidissement est, dans cet exemple, assuré par des rampes de pulvérisation d'eau parallèles aux barres et animées d'un mouve- ment de translation suffisant pour que le traitement soit homogène le long des barres. La figure 3 correspond très exactement au descriptif de la figure 2, à l'exception du refroidissement forcé de la phase c qui est réalisé en 8 b par immersion progressive en piscine d'eau ou d'huile Un dispositif avantageux de plans inclinés doit permettre l'introduction et l'extraction progressive des barres. A titre d'exemple, on a cherché, grâce à une installation telle que celle schématisée à la figure 3, à obtenir, à coeur d'une barre de 60 mm de diamètre, une résistance mécanique de 1000 N/mm 2 et une résilience Charpy V de 60 J/cm 2 sur un-acier type 42 CD 4. La figure 4, sur un diagramme température-temps, représente les conditions de transformation y * a le long des lois thermiques obtenues à coeur de barres en acier 42 CD 4 de diamètres respectifs: 60 mm pour la loi repérée 1, 100 mm pour la loi repérée 2, 150 mm pour la loi repérée 3 Ces lois thermiques correspondent aux traitement suivants: passage en boite à lame d'eau caractérisée par un coefficient 39 d'échange moyen de l'ordre de 104 W/m 2 OC, de manière que la température O moyenne de chaque barre passe de 9 SC C à 6 L Uo C (phase i selon l'inven- tion). refroidissement naturel ultérieur à l'air jusqu'à l'ambiante. On a représenté sur la figure 4: les cycles thermiques 1, 2 et 3 à partir de B O U C (température A 3 de l'acier) la ligne, repérée 4, de début de transformation de l'austénite la ligne, repérée 5, correspondant à 25 % de transformation la ligne, repérée 6, correspondant à 50 % de transformation la ligne, repérée 7, correspondant à 75 % de transformation la ligne, repérée 8, correspondant à la fin de la transformation. La figure 5 correspond aux mêmes représentations que la figure 4, mais avec une 3 ème phase de refroidissement selon l'invention caractérisée 3 2 OC par un coefficient d'échange thermique de 10 W/m 2 C. La comparaison des figures 4 et 5 montre que l'accélération du re- froidissement de la 3 ème phase a permis d'obtenir à coeur des 3 diamètres considérés plus de 50 % de structures formées en-dessous de 3000 C (marten- site). Pour la barre de * 60 mm de la figure 4, les conditions de transfor- mation bainitique se sont réalisées sensiblement du coeur jusqu'à r r 4 mm de la peau, la couche périphérique annulaire étant constituée de martensi- te auto-revenue Un revenu ultérieur d'une heure à 5000 C sur cette barre a permis d'obtenir une résistance mécanique à peu près uniforme dans toute la section et voisine de 1 000 N/mm 2 Malheureusement, la résilience Char- py V mesurée à coeur de barre n'a été que de 40 J/cm 2 à température ambi- ante. En optant pour un traitement complet selon l'invention comportant, la même phase 1 que précédemment, une phase 2 correspondant à 1 minute de refroidissement naturel vers 600-550 C, et une phase 3 correspondant à une trempe jusqu'à 1 00 C caractérisée par un coefficient d'échange moyen de l'ordre de 103 W/m 2 C, on suit, à coeur d'une barre de * 60 mm, la loi 1 de la figure 5 La transformation est alors entièrement martensitique sur toute la section Une trempe finale à l'huile, nettement moins efficace, aurait encore conduit à 70 % de martensite à coeur Pour les barres de 100 et 150 mm de diamètre, près des trois quarts de la transformation à coeur s'effectuent en dessous de 400 C avec près de 50 % de martensite Dans tous les cas, un revenu d'une heure à 600 GC a permis d'obtenir une résis- tancee de l'ordre de 1 000 N/mm 2 et une résilience Charpy V à l'ambiante 9 supérieure à 60 J/cm 2. Il est évident d'après les exemples précités que le procédé selon l'invention doit permettre une grande souplesse de traitement selon le diamètre des barres à traiter et le niveau de caractéristiques mécaniques désiré Il doit également permettre de réduire au maximum l'utilisation d'éléments d'addition dans l'acier en se prêtant bien dans sa version la plus générale à la mise en oeuvre de nuances économiques ayant seulement un "nez perlitique" (durée d'incubation de la transformation y + a vers 6000 C) relativement déggag et une cin 4 tique de transformation lente dans le domaine de la bainite supérieure (nuances au Mn-B, etc). Le procédé selon l'invention doit également particulièrement bien se prêter à la valorisation de laminages terminés à basse température (vers 850 C), qui permettent de conserver une austénite écrouie et non re- cristallisée au moment de la transformation y + a: l'héritage des défauts cristallins de l'austénite écrouie sera d'autant plus intéressant que l'on passera rapidement à des températures o la restauration de l'austénite est difficile, puis à des structures finales de trempe. IL REVENDICATIONS 1 ) Procédé de traitement thermique de barres en acier allié prêtes à l'emploi, notamment pour la construction mécanique, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre la b 3 rre, clans la chaude de laminage, d une trempe étagée dénommée bitrempe comprenant les phases suivantes: a) juste après laminage, on soumet la barre à un refroidissement fnrc sévèrp caractérise ppr un co Pfficipnt d'Achenpg thermique de il'ordre de 104 W/m 2 C pour abaisser la température moyenne de la section jusqu'à environ 600-550 C; ceci permet d'éviter la transformation ultérieure de l'austénite en ferrite ou perlite et de former une couche annulaire de martensite d'épaisseur comprise entre A et i b) on laisse ensuite refroidir la barre naturellement à l'air pen- dant environ une minute pour parvenir à une certaine rehomogénéisation thermique dans la section vers 550 C, c) puis on soumet à nouveau la barre à un refroidissement forcé de sévérité moins forte que celle mise en jeu dans la phase a, pour que la température moyenne de la section passe de 550 C à 3000 C en un temps infé- rieur à environ une minute. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la transformation allotropique du coeur de barre s'effectue pendant les pha- ses a et b en perlite fine et que la phase b de refroidissement naturel à l'air est prolongée jusqu'à température ambiante au détriment de la phase c. 30) Installation de mise en oeuvre du procédé selon les revendica- tions 1 et 2, caractérisée en ce que le refroidissement forcé de la phase a est réalisé, suivant le diamètre de la barre laminée, à la traversée d'une ou deux boîtes à lame d'eau du type de celles décrites dans la de- mande de brevet français n 79/14383. O O 4 ) Installation de mise en oeuvre du procédé selon la revendica- tion 3, caractérisée en ce que le refroidissement forcé de la phase a est réalisé par une pulvérisation d'eau sur la barre en défilement, pulvérisa- tion d'eau assurant un coefficient d'échange thermique moyen supérieur à 5. 13 W/m 2 O C. 50) Installation de mise en oeuvre du procédé selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que les refroidissements des phases b et c s'effectuent sur un refroidissoir à longerons mobiles assurant une trans- lation régulière "à pas de pelerin" et une rotation lente sur elle-même de f? la barre Sur ce refroidissoir, après une à deux minutes de translation à l'air libre (phase b), la barre passe en moins d'une minute sous des ram- pes de pulvérisation d'eau animées d'un mouvement oscillatoire parallèle- ment à l'axe de barre, puis achève éventuellement son refroidissement à l'air libre. 60) Installation de mise en oeuvre du procédé selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que le refroidissement naturel de la phase b s'effectue sur Li refroidissoir à longerons mobiles assurant une transla- tion régulière des barres vers une piscine d'eau ou d'huile permettant le refroidissement forcé de la phase c, un nouveau tronçon de refroidissoir classique assurant éventuellement le retour à l'ambiante de la température des barres La piscine comporte de préférence 2 plans inclinés assurant respectivement une introduction et une extraction progressives des barres permettant de moduler la durée de trempe de la phase c selon le diamètre de la barre et sa composition chimique. 70) Installation selon l'une des revendications 5 ou 6, caractéri- sée en ce qu'elle comprend en outre une installation de revenu derrière les refroidissoirs permettant éventuellement d'éviter le retour à l'ambi- ante de la température des barres.