Brevet FR2525709A1 — publié le 19831028

VIS ET BOUCGNS EN P 2 CIER A HAUTES CRACERISTIQUES ECANIQUES ET EúCER D'ELABORATDN DE CES VIS ET BOULODNS L' invention concerne des vis, boulons, écrous, ou tous autres moyens de fixation en acier et aussi toutes autres pièces en acier à hautes carac- téristiques mécaniques obtenus par matriçage à froid ou à tiède à partir de fil ou de rond laminé à chaud. L'invention concerne plus particulièrement des vis, boulons, écrous ou autres pièces de fixation présentant une résistance à la rupture supé- rieure à 800 M Pa, une grande ductilité, une grande résistance à la fis- suration et à la fatigue, obtenus par matriçage à froid ou à tiède à partir de fil machine laminé à chaud sans traitement thermique ultérieur. Enfin, l'invention concerne également des vis, boulons, écrous ou tous autres mryens de fixation ayant une charge de rupture supérieure à 800 M Pa et une structure à prédominance bainitique à l'état d'utilisation. De la façon la plus courante, les vis, boulons, écrous ou autres pièces de fixation à haute résistance mécanique sont réalisés à partir d'acier à teneur en carbone moyenne tel que, par exemple, un acier 32 C 4, norme NFA 35551 dont la coaposition est la suivante en % en masse: C 0,30 à 0,35; Mn 0,60 à 0,90; Si 0,10 à 0,40; Cr 0,85 à 1,15 La transforma- tion de cet acier corporte habituellement les étapes suivantes: trans- formation à chaud à partir d'un lingot ou d'une barre de coulée continue et obtention par laminage à chaud d'un fil ou d'un rond d'un diamètre le plus souvent compris entre 12 et 24 mn Après un recuit éventuel de sphéroidisation, ce fil est éventuellement calibré par tréfilage à froid puis transformé par estarpage, matriçage, ou frappe à froid en vis, bou- lons, écrous ou autres pièces de fixation On réalise ensuite, par usi- nage ou roulage, les filetages nécessaires Enfin, la pièce ainsi réa- lisée subit un traitement thermique de trempe et revenu destiné à lui conférer les caractéristiques mécaniques désirées Des traitements de finition sont éventuellement appliqués aux pièces traitées pour améliorer leur aspect ou encore leur précision. Bien lque les produits ainsi obtenus donnent généralement satisfaction, on a recherché la possibilité de si Lplifier leur procédé d'obtention, en particulier en supprimant le traitement thermique final Celui-ci doit, en effet, être effectué avec beaucoup de précision et en atmss- phère contr 8 ôlée si on désire obtenir des caractéristiques mécaniques reproductibles et éviter la décarburation superficielle Il s'agit donc d'une opération coûteuse, en particulier en ce qui concerne la consom- mation d'énergie, et qui, de plus, peut nuire à la précision et à la qualité de présentation des pièces obtenues. Il a été proposé d'éviter la nécessité d'un tel traitement thermique final en faisant appel à un acier présentant à l'état brut de laminage des caractéristiques mécaniques plus élevées de façon que le simple écrouissage après le tréfilage, suivi du matriçage, lui confère les caractéristiques voulues, sans nécessiter de traitement thermique final. C'est ainsi que, au Congrès de Cincinnati d'Octobre 1980, de l'Interna- tional Wire Association, HISASHI GNDOH et al (NIPMXN STEEL Corp) ont décrit deux nuances d'acier permettant de réaliser des boulons à haute caractéristiques mécaniques à partir de fil machine étiré puis frappé à froid, sans traitement thermique. Le tableau I ci-dessous donne la cop -osition de ces deux nuances: Désignation C Si Mn P ii -Li m NHF 60 0,13 0,25 1,35 I 0,025 0,010,015,02 0,04 NHF 90 0,08 0,70 1,65 0,020 0,012 0,01 0,10 0,0025 - Ces aciers ont été transformes à chaud par laminage puis étirés à froid. Les résultats des essais mécaniques montrent que pour un taux d'écrouis- sage d'environ 20 % par étirage à froid, on obtient 790 à 860 M Pa de charge de rupture dans le cas de la nuance NHF 60 et 1080 à 1100 M Pa de charge de rupture dans le cas de la nuance NHF 90 On voit que ces deux nuances et, plus particulièrement, la deuxième permettent d'obtenir des caractéristiques très élevées par sinple écrouissage. Cependant, la nuance NIEF 90, dont les caractéristiques mécaniques très élevées sont dues à une addition de Ti et de B ne convient pas à la 3.réalisation par matriçage à froid de boulons comportant une tête, à cause probablement d'une ductilité insuffisante Il est connu, en effet, que l'addition de titane dans ce type d'acier tend à réduire la ductilité par la formation de nitrures et de carbures de titane qui ont une action fragilisante. On a donc recherché la possibilité d'éviter les additions de titane dans des aciers faiblement alliés à bas carbone, de façon à conserver une très grande ductilité, tout en obtenant, par un matriçage à froid ou à tiède, précédé éventuellement d'un tréfilage, sans aucun recuit intermé- diaire, et sans traitement thermique ultérieur, des vis, boulons ou écrous à hautes caractéristiques técaniques présentant en même temps une ductilité élevée On a recherché, en particulier, la possibilité de réaliser ainsi des boulons comportant une tête formée par matriçage à froid et ayant une charge de rupture supérieure à 800 M Pa, à l'état brut de matriçage tout en présentant une excellente ductilité et une excel- lente résistance à la fissuration et à la fatigue. On a eu l'idée, suivant l'invention, de faire appel, pour la réalisation de ces vis, boulons, écrous, ou autres pièces en acier à hautes caracté- ristiques mécaniques, à un acier présentant la composition suivante en % en masse: C 0,070 à 0,120; Si 0,30 à 0,70; Mn 1,5 à 2,00; Nb 0,05 à O l O; B 0,0025 à 0,0060; Al 0,040 à 0,080; N On a constaté qu'un tel acier est particulièrement apte à la transforma- tion par matriçage à froid, précédée éventuellement d'un tréfilage, grâce à une combinaison de caractéristiques mécaniques qui associe une résis- tance élevée à une grande ductilité. Suivant les teneurs en éléments d'addition, à l'intérieur des fourchettes de composition, il est, en effet, facile d'obtenir des charges de rupture de l'ordre de 600 à 750 M Pa à l'état brut de laminage à chaud puis, après un matriçage à froid, précédé éventuellement d'un étirage à froid d'envi- ron 30 à 50 %, on obtient facilement une charge de rupture comprise entre 800 et 1000 M Pa. L'une des raisons des performances particulières de cet acier à l'état écroui, est sa structure à prédominance bainitique très fine et honogène. C'est la finesse et l'homogénéité de cette structure, due à l'action com- binée de l'addition de niobium et de bore dans un acier à bas carbone, qui lui confère une aptitude particulière au matriçage à froid, ou encore à tiède Il est donc possible, au moyen de cet acier, de former des bou- lons comportant une tête à partir d'un fil machine brut de laminage à chaud ou ayant subi un étirage à froid, présentant une charge de rupture supérieure à 800 M Pa Ces charges de rupture mesurées sur les boulons ainsi formés atteignent couramment des valeurs de 900 à 1000 M Pa et mome davantage, la ductilité demeurant cependant suffisante pour que le boulon puisse subir avec succès les essais normalisés et en particulier l'essai de cale biaise (Norrme NF E 27-005). L'exemple ci-après décrit un mode de réalisation non limitatif d'un bou- lon suivant l'invention. On a élaboré un acier ayant la composition en % en masse: C 0,085; Si 0, 45; Mn 1, 52; Nb 0,060; B 0,0049; A 1 0,071; N 0,007; Ni 0,14; Cr 0,17; Cu 0,22; Mo O,05; S 0,028; P 0,017; reste Fe et impuretés habituelles. Après coulée en lingot et transformation en barres par des méthodes bien connues de l'honme de l'art, cet acier a été laminé à chaud avec refroidissement contrôlé jusqu'à obtention d'un fil machine de 11,5 mmn de diamètre Des prélèvements micrographiques effectués à ce stade ont mrontré une structure à prédominance bainitique fine et honmogène ayant une grosseur de grain d'environ 9 ASIM Ce fil a ensuite été étiré à froid jusqu'à un diamètre de 8 mm, c'est-à-dire avec un taux de réduction d'en- viron 50 % Les essais mécaniques effectués à l'état brut de laminage, puis à l'état étiré ont donné les résultats suivants: Charge de rupture Striction R (M Pa) Z (%) Brut de laminage 630 65 Etiré 875 45 E tiré 875 45 On voit qu' à ce stade, les fils écrouis ont une charge de rupture nettement supérieure à 800 M Pa associée à une ductilité élevée Ces fils ont été ensuite directement transformés en boulons par matriçage à froid. Ce matriçage peut aussi être avantageusement effectué à tiède à une tem- pérature de préférence comprise entre 100 et 3000 C. De très nombreuses variantes peuvent être apportées au procédé de réa- lisation de vis, boulons, écrous ou autres pièces en acier à hautes caractéristiques mécaniques qui vient d'être décrit, sans sortir du domaine de l'invention. -REVENDICATIONS 1 / Vis, boulons, écrous et toutes autres pièces en acier à hautes ca- ractéristiques mécaniques, caractérisés en ce qu'ils ont la composition suivante en % en masse: C 0,070 à 0,120; Si 0,30 à 0,70; Mn 1,50 à 2,0; Nb 0,05 à 0,10; B 0,0025 à 0,0060; A 1 0,040 à 0,080; N à chaud et refroidissement contrôlé, puis par matriçage précédé éventuel- lement d'un étirage à froid. 3 / Procédé suivant revendication 2, caractérisé en ce que le matriçage est effectué à température voisine de l'ambiante. 4 / Procédé suivant revendication 2, caractérisé en ce que le matriçage est effectué à température comprise entre 100 et 300 C.