Brevet FR2551369A1 — publié le 19850308

La présente invention concerne des dispositifs de fixation du type formant étampe, incluant une pluralité de gorges combinées de blocage et formant col de rupture et un manchon apte à être écrasé ou enfoncé dans les gorges, dont l'une agit en tant que col de rupture, ce qui a pour effet que la longueur excessive de la broche est séparée d'une manière générale à l'extrémité du manchon, et concerne également un procédé de fabrication de la broche utilisable dans un tel dispositif de fixation. La présente invention concerne des dispositifs de fixation à plusieurs éléments de serrage, du type décrit dans les brevets US n 4 208 943 et n 4 342 529. Comme cela est visible dans les brevets indiqués, les organes de fixation du type à éléments de serrage 15 multiples, comportant une broche munie de gorges combinées de blocage et formant col de rupture et un manchon apte à être enfoncé ou -crasé dans ces gorges Le contour des gorges est tl que l'une quelconque des gorges, lorsqu'elle est située à l'extrémité du manchon, peut agir à la manière d'un col de 20 rupture Cependant on a trouvé que dans le cas de l'utilisation de broches constituées par des matériaux ferreux, il peut se produire des ruptures irrégulières dues à des modifications du matériau et/ou à des variations de son traitement. C'est pourquoi si le matériau est trop cassant, il peut se 25 produire des ruptures à un endroit situé à une distance de plusieurs gorges à l'extérieur du manchon, ou bien le manchon peut ne pas être enfoncé complètement avant qu'interviennent des ruptures de la broche D'autre part, le matériau, tel qu'il est traité, peut présenter une microstructure permettant 30 un étirage excessif avant de se rompre, ce qui entraîne des ruptures dans le manchon et/ou des ruptures s'étendant sur plus d'une gorge. Conformément à la présente invention, la broche à éléments de serrage multiples est amenée d'une ma35 nière générale dans sa forme finale, puis est soumise à une opération de traitement thermique destinée à fournir une microstructure souhaitable, ce qui a pour effet qu'il apparaît des ruptures plus régulières au niveau de la gorge sélectionnée. Selon une forme de la présente invention, une microstructure souhaitable est constituée de façon prépondérante par des amas de perlite avec une matrice de ferrite proeutectoide, intercalée au niveau des limites des amas de perlite On peut régler la quantité et l'épaisseur de 10 la ferrite proeutectoide de manière à obtenir la ductilité désirée de la broche On a trouvé que, pour le fonctionnement de la broche, il est plus avantageux d'avoir une quantité moins importante de ferrite proeutectolde présentaà l'intérieur d'un acier à gros grains La taille des amas de perlite (ou la taille apparente des grains austénitiques) est en général supérieure à la taille ASTM 5 (le sigle ASTM est celui de la Société Américaine d'essais de matériaux) et est située d'une manière générale dans une gamme s'étendant d'environ ASTM 1 à environ ASTM 5. Un procédé de fabrication d'une broche pour un dispositif de fixation du type formant étampe, dans lequel ladite broche comporte une pluralité de gorges combinées de blocage et formant col de rupture et une pluralité de gorges de traction, est caractérisé en ce qu'il consiste 25 à: a) former un lingot d'acier, b) laminer à chaud ledit lingot sous la forme d'une barre, c) dimensionner ladite barre en l'amenant 30 au diamètre désiré, d) découper des ébauches de longueur désirée dans ladite barre dimensionnée et former une tête de broche élargie sur lesdites ébauches découpées, e) laminer lesdites ébauches d Ocoupées de. 35 manière à former une broche possédant des gorges combinées de blocage et formant col de rupture, et f) normaliser ladite broche dans une atmosphère de régénération du carbone de manière à rendre austénitique et régénérer l'acier. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un dispositif de fixation à éléments de serrage multiples, 10 incluant une broche et un manchon et représenté en position assemblée avec deux pièces à travailler et en contact opérationnel avec un outil de montage; la figure 2 est une vue semblable à la figure 1, montrant le dispositif de fixation à éléments de 15 serrage multiples après sa saisie par l'outil de montage; la figure 3 est une vue à plus grande échelle d'une microphotographie prise avec un grossissement 100 X d'une forme préférée de microstructure, montrant des amas de perlite, avec une matrice de ferrite proeutectoide fine; et 20 la figure 4 est un organigramme ou un schéma-bloc illustrant les phases opératoires du procédé selon la présente invention tel qu'il est appliqué à la fabrication de la broche à éléments de serrage multiples. En se référant maintenant à la figure 1 25 des dessins, on y voit représenté un dispositif de fixation à éléments de serrage multiples, qui comporte un organe en forme de broche 12 possédant une tête 14 à l'une de ses extrémités et une partie en forme de tige allongée 16 L'élément en forme de broche 12 possède une extrémité extérieure 30 18 comportant une pluralité de gorges de traction 20 et une partie intérieure 23 possédant des gorges combinées 22 de blocage et formant col de rupture Les gorges de traction 20 peuvent posséder une construction classique; les gorges combinées 22 et les gorges de traction 20 peuvent être toutes 35 les deux du type représenté et décrit dans le brevet US n 4 342 529 mentionné et par conséquent on ne donnera aucun détail sur ces gorges, afin de simplifier la description. La broche ou l'organe en forme de broche 12 à éléments de serrage multiples est agencée de manière à 5 être insérée dans des ouvertures alignées 24 et 26 ménagées dans deux pièces à traiter 28 et 30, qui doivent être réunies par le dispositif de fixation 10 Un organe tubulaire 32 possédant la forme d'un manchon à bride, de forme générale cylindrique, est disposé sur la partie en forme de tige 16, la 10 bride portant contre la pièce à traiter 30. Un outil de montage ou de traction 34, qui est d'une construction classique, possède une enclume d'étampage 36 Plusieurs mâchoires de serrage 38 peuvent être engagée dans les gorges de traction 20 et sont adaptées 15 de manière à être déplacées vers l'arrière par rapport à l'enclume d'étampage 36 L'actionnement de l'outil 34 a pour effet d'écarter les mâchoires 38,de l'enclume 36 et de les engager dans les gorges de traction 20 et de les saisir de manière à exercer ainsi une force de traction ou de mise en 20 tension sur la broche 12 et contre le manchon 32 Au départ ceci bloque les pièces à traiter 28 et 30 l'une contre l'autre Lorsque l'outil 34 continue à exercer son action de traction, l'enclume 36 provoque l'enfoncement ou l'écrasement du manchon 32 en faisant pénétrer ce dernier dans les gorges 25 combinées 22 (voir figure 2) La poursuite de l'actionnement de l'outil 34 provoque une rupture au niveau de la gorge 22 a, qui est de façon souhaitable la gorge la plus à l'extérieur et qui est la première remplie par le matériau du manchon. Comme cela a été noté, il apparaît qu'avec 30 des broches 12 à éléments de serrage multiples, constituées par des matériaux ferreux, la microstructure peut être un facteur important affectant l'uniformité des ruptures ou fractures apparaissant au niveau de la gorge désirée faisant partie des gorges combinées 22 Ainsi avec une microstructure 35 constituée principalement par de la perlite (en réalité des amas de perlite) avec une faible matrice de ferrite proeutectoide ou aucune matrice de ferrite proeutectoide, la broche 12 possède une caractéristique qui fournit des ruptures non uniformes et/ou un enfoncement ou écrasement partiel du man5 chon 32 D'autre part une microstructure, qui contient la matrice de ferrite à un degré trop élevé, présente une ductilité excessive qui entraîne une réduction excessive de section dans le manchon 32 et qui favorise des ruptures à l'intérieur de ce manchon 32 et/ou sur plus d'une gorge Il faut noter que la ferrite situê aux limites des amas de perlite est une matrice (ou un réseau) de ferrite proeutectoide; ceci est à l'opposé du ferrite contenu dans les amas de perlite, ces amas contenant également de la cémentite (Fe 3 C). Conformément à la présente invention, les 15 broches 12 à éléments de serrage multiples sont traitées de manière à fournir une microstructure possédant la combinaison désirée d'amas de perlite à gros grains, intercalés dans une matrice de ferrite proeutectoide, de telle sorte que les broches 12 ne sont pas totalement inélastiques et simultané20 ment ne permettent pas une déformation excessive avant rupture La figure 3 est une microphotographie illustrant la structure désirée indiquée en dernier Ainsi sur la figure 3 les amas de perlite à gros grains sont repérés par la lettre P et les limites F marquees en blanc sont les matrices de ferrite proeutectoide La microphotographie particulière de la figure 3 est une coupe longitudinale de la partie intérieure 23 (comportant les gorges combinées 22) de la broche 12, la coupe étant prise à la moitié du rayon du pied de la broche (à mi-chemin entre les surfaces du pied et l'axe de la broche 12) L'éprouvette est en acier AISI 1541 possédant une dureté Rc 26 et une taille de grains ASTM 4 On a utilisé une attaque chimique au nital à 3 % et la photographie originale fut prise avec un grossissement 100 x, le dessin de la figure 3 étant une vue à plus grande échelle avec un facteur 35 de grossissement 1,75 x. Il faut noter que dans une forme de la présente invention, il est souhaitable que le dispositif de fixation à éléments de serrage multiples possède au moins les caractéristiques mécaniques finales établies d'un boulon à gros filetage SAE J 429, qualité 2, ou d'un boulon ASTM A 307, qualité A. Ainsi-il est souhaitable que la microstructure de la broche 12 finie soit constituée principalement par des amas de perlite à gros grains dans une matrice fine de 10 ferrite proeutectoide Afin d'aboutir de façon raisonnable à une telle structure, il est avantageux de partir d'un lingot possédant une quantité minimum de ségrégations Afin d'obtenir une pièce à travailler de départ possédant une microstructure d'une manière générale uniforme ou homogène, on 15 soumet l'acier de préférence à une coulée en ligne (continue), en utilisant des pratiques classiques de broyage à gros grains lors de la coulée et des procédures ultérieures de laminage à chaud Lors de la mise en oeuvre de tels procédés, la formation d'une microstructure à grains fins dans 20 la barre finie est empêchée; par conséquent, l'acier est par exemple calmé avec du silicium (pour la désoxydation); si l'acier est désoxydé en étant calmé avec de l'aluminium, l'aluminium résiduel favoriserait l'obtention d'une taille de grains fins. Les différentes phases opératoires du procédé de fabrication de la broche 12 à éléments de serrage multiples sont illustrées sur l'organigramme de la figure 4. Cependant, avant de suivre la mise en oeuvre du procédé, il faut considérer la formation du matériau du lingot. Pour les broches indiquées, on utilise des aciers demi-doux tels que SAE ou AISI 1541 ou SAE ou AISI 1340 Par conséquent le matériau est de préférence un acier demi-doux qui comporte les éléments suivants (en poids): Carbone: entre environ 0,3 % et environ 0,6 % Manganese: entre environ 0,9 % et environ 2 % Phosphore: environ 0,5 % (max) Soufre: environ 0,5 % (max) Silicium: entre environ 0,1 % et environ 0,6 % Fer: le reste. Lorsqu'il est un combiné au fer, le carbone fournit le composant dur du matériau Le manganèse contribue à accroître l'aptitude à la trempe Le pourcentage de manganèse est un reflet de la quantité désirée pour les différents diamètres des broches 12 depuis environ 0,48 cm 10 jusqu'à environ 1,91 cm D'une manière générale pour des diamètres plus importants de broche, la quantité de manganèse sera supérieure à la gamme indiquée, tandis que pour des broches de diamètre plus faible, cette quantité sera inférieure On pourrait utiliser d'autres éléments d'alliage classiques à la place du manganèse ou en association avec ce dernier, comme par exemple du molybdène, du chrome et du vanadium Etant donné que le phosphore et le soufre sont des impuretés indésirables, les quantités indiquées reflètent d'une manière générale une limite supérieure Le silicium est présent par suite de la désoxydation au silicium lors de la formation du lingot et ne limite pas de façon substantielle la croissance des grains Le silicium est utilisé pour désoxyder l'acier lors de sa formation et n'entraîne pas luimême une croissance des grains; cependant il n'empêche pas 25 la croissance des grains à la manière d'autres agents désoxydant tels que l'aluminium, etc, qui, si on les laisse subsister en solution, tentent à fournir une microstructure à grains fins, qui est indésirable. En considérant maintenant l'organigramme 30 de la figure 4 au stade du lingot coulé, on forme un lingot de préférence au moyen d'une coulée en ligne ou en continu en utilisant des procédures classiques de broyage à grains grossiers, c'est-à-dire de l'acier qui a été désoxydé au silicium De préférence le lingot possède une microstructure 35 en général homogène; la ségrégation en bandes,c'est-à-dire la formation de bandes longitudinales de perlite, de manganèse, de silicium, etc a été réduite au minimum. Ensuite on réalise un laminage à chaud du lingot, ce qui amène celui-ci sous la forme de tiges ou de 5 barres de diamètre réduit Lors de cette phase opératoire, on peut optimiser la microstructure en vue de son utilisation dans la broche finie On peut réduire la quantité de ferrite proeutectoide, si on le désire, en créant une structure à gros grains Ainsi la microstructure est constituée principa10 lement par des amas de perlite à gros grains, avec une taille apparente de grains austénitiques comprise entre environ ASTM 1 et environ ASTM 5, intercalés dans une matrice de ferrite proeutectoide. La décarburation du lingot et de la barre 15 peut être réduite au minimum, ce qui améliore également les propriétés mécaniques de la broche terminée Si l'on doit effectuer un recuit de la tige afin de faciliter des opérations ultérieures de refoulage et de laminage, la matrice de ferrite proeutectoide et la décarburation de la surface de la barre ou 20 du substrat n'ont pas besoin d'être contrôlées de façon précise En tout cas, on peut obtenir les caractéristiques désirée lors d'un traitement thermique ultérieur de la broche munie d'une tête et laminée Cependant il est avantageux que ces caractéristiques soient obtenue au moins partiellement dans la barre, étant donné qu'on peut les obtenir plus aisément complètement lors d'un traitement thermique. Dans certains cas il est préférable de soumettre la barre à un recuit afin de faciliter les étapes ultérieures de formage, c'est-à-dire la formation de la tête, 30 etc Par conséquent on traite la barre au niveau de l'opération de recuit, pendant laquelle elle est chauffée à une température comprise entre environ 649 C et 760 C pendant la durée nécessaire pour réaliser un recuit de sphéroidisation de l'acier Dans une application, la barre fut maintenue à la 35 température de recuit pendant environ vingt-huit ( 28) heures. Dans certaines applications il peut être souhaitable de réaliser une commande cyclique dans le temps de la température par exemple entre environ 749 C et 693 C, etc La barre recuite est refroidie dans un four et possédera une dureté désirée possédant une valeur comprise entre environ la dureté Rockwell Rb 85 et environla dureté Rockewell Rb 95 de manière à faciliter la formation d'une tête et le laminage. Au niveau de la phase opératoire de nettoyage et de décalaminage, le revêtement d'oxyde est éliminé, 10 tandis qu'au niveau de la phase opératoire de dimensionnement, la barre décalaminée est mise aux dimensions, par exemple par étirage, de manière à être amenée au diamètre désiré. Ensuite, on découpe des ébauches de longueur désirée dans la barre mise à la cote et on réalise un 15 refoulement des ébauches de manière à former la tête élargie 14 de la broche On fait ensuite subir aux ébauches munies d'une tête un laminage de manière à former des gorges combinées 22 de blocage et formant col de rupture et les gorges de traction 20 Alors la broche 12 a été conformée de 20 manière à posséder essentiellement sa forme géométrique définitive Mais la broche 12 ne possédera pas la microstructure désirée à cause de la phase opératoire de recuit de sphéroidisation et de la décarburation au niveau de la surface et du substrat adjacent dans la barre formée Si la broche 12 était 25 alors simplement normalisée de manière à fournir la microstructure et la dureté désirées sans régénération du carbone au niveau de la surface, la surface (et le substrat) de la broche 12 contiendrait un excès de ferrite et serait déficiente au niveau de la perlite plus dure Par conséquent la dureté 30 au niveau de la surface devrait être inférieure à celle présente au centre La microstructure située au niveau de la surface et du substrat adjacent de la broche 12 est importante pour le contrôle des ruptures Ceci est dû au fait que, pour avoir des ruptures fiables, la surface de la gorge 35 de blocage doit transmettre totalement la force exercée sur elle sous l'action d'étampage exercée par le manchon Si cette surface est molle, elle s'écrase partiellement et ne transmet pas la charge complète Par conséquent, la ferrite en excès est indésirable au niveau et à proximité de la sur5 face de la broche 12. Afin de donner à la broche 12 la dureté souhaitée et également d'obtenir la microstructure désirée au niveau et à proximité de la surface, on réalise une trempe de la broche 12 au cours d'une phase opératoire de norma10 lisation, lors de laquelle intervient également la régénération du carbone. Ainsi après un décapage classique, les broches 12 sont normalisées dans une atmosphère de régénération du carbone à une température comprise entre environ 871 C et environ 982 C Dans une application les broches 12 ont été maintenue à la température d'austénisation pendant environ une heure et demie Les broches 12 sont maintenues à cette température suffisamment longtemps pour réaliser l'austénisation de l'acier et la régénération du carbone de ce dernier Afin de régénérer le carbone perdu au niveau de la surface et du substrat adjacent, on réalise la régénération du carbone en maintenant le point de rosée de l'atmosphère du four entre environ -3,89 C et environ 1,67 C afin de réaliser un potentiel de carbone compris entre environ 0,4 % et envi25 ron 0,6 % au niveau et à proximité de l'interface Dans un système, on a utilisé un point de rosée d'environ 3,33 C dans le four de normalisation Ainsi de cette manière la surface au niveau et à proximité de la surface de la broche 12 possède une dureté au moins égale à celle du noyau On estime 30 que ceci favorise l'obtention de propriétésplus uniformes entre le noyau et la surface et contribue de ce fait à un contrôle de la rupture Ainsi, bien que la microstructure au niveau de la surface de la broche et du substrat adjacent soit importante, il est préférable que la microstructure fi35 nale soit complémentaire entre la surface et le noyau, c'est- il à-dire à la fois la dureté et la microstructure On notera qu'à ce niveau, la ségrégation longitudinale sous forme de bandes a été efficacement minimisée. Ensuite on refroidit les broches 12 à une température située de façon typique entre environ 37,8 C et environ 204 C dans l'air ou dans une atmosphère formée d'un gaz inerte, tel que de l'azote On fait varier la température et la vitesse de refroidissement en fonction de l'aptitude du matériau à la trempe Une fois que les broches 10 12 ont été substantiellement refroidies (à une température inférieure à environ 538 C), on peut ensuite leur faire subir une trempe dans un liquide La dureté finale désirée pour le type de la broche 12 indiquée sera située de façon typique dans la gamme s'étendant entre environ la durée 15 Rockwell 19 Rc et environ la dureté rockwell 29 Rc. La phase de normalisation indiquée cidessus peut être modifiée en fonction du matériau, c'est-àdire en fonction de la quantité de régénération de carbone désirée et de la dureté finale désirée. Une opération optionnelle de trempe intervenant à la suite de la normalisation peut être utilisée pour contrôler la dureté finale de la broche finie Les températures typiques utilisées varient entre environ 204 C et 5380 C La dureté des broches trempées reste située dans la 25 gamme comprise entre environ la dureté Rockwell 19 Rc et environ la dureté Rockwell 29 Rc. REVENDICATIONS 1 Dispositif de fixation ( 10) du type formant étampe, comprenant une broche ( 12) possédant une pluralité de gorges combinées ( 22) de blocage et formant col de -:, _ 7 rupture et un manchon ( 32) apte à être enfoncé dans lesdites gorges, dont l'une agit à la manière d'un col de rupture, ce qui a pour effet que la longueur en excès de ladite broche ( 12) est supprimée en général au niveau de l'extrémité dudit manchon ( 32), caractérisé en ce que ladite broche ( 12) pos10 sède une microstructure homogène dans son ensemble constituée principalement par des amas de perlite dans une matrice de ferrite proeutectoide dont la quantité est contrôlée de manière à améliorer la rupture au niveau d'une gorge sélectionnée parmi lesdites gorges ( 22). 2 Dispositif de fixation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la taille apparente des grains austénitiques desdits amas de perlite se situe d'une manière générale dans une gamme s'étendant entre environ ASTM 1 et environ ASTM 5. 3 Procédé de fabrication d'une broche ( 12) prévue pour un dispositif de fixation ( 10) du type formant étampe, dans lequel ladite broche ( 12) comprend une pluralité de gorges combinées ( 22) de blocage et formant col de rupture, et une pluralité de gorges de traction ( 20), carac25 térisé par le fait qu'il consiste à: a) former un lingot d'acier, b) laminer à chaud ledit lingot sous la forme d'une barre, c) dimensionner ladite barre en l'amenant 30 au diamètre désiré, d) découper des ébauches de longueur désirée dans ladite barre dimensionnée et former une tête de broche élargie sur lesdites ébauches découpées, e) laminer lesdites ébauches découpées de 35 manière à former une broche ( 12) possédant des gorges combi- nées de blocage et formant col de rupture, et f) normaliser ladite broche ( 12) dans une atmosphère de régénération du carbone de manière à rendre austénitique et réqénérer l'acier. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit lingot est constitué par de l'acier demi-doux contenant entre environ 0,3 et environ 0,6 % en poids de carbone, entre environ 0,9 et environ 2 % en poids de manganèse, jusqu'à environ 0,5 % en poids de phosphore, 10 jusqu'à environ 0,5 % de poids de soufre, entre 0,1 et environ 0,6 % en poids de silicium, le restant étant formé par du fer. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit lingot est formé par coulée continue, que ledit lingot est désoxydé au silicium et qu'après laminage à chaud, ladite barre est recuite à une température comprise entre environ 649 C et environ 760 C. 6 Procédé selon l'une quelconque des 20 revendications 3 à 5, caractérisé en ce que, après formation des gorges par laminage de sa surface, ladite broche ( 12) est normalisée à une température comprise entre environ 871 C et environ 982 C. 7 Procédé selon l'une quelconque des 25 revendications 3 à 6, caractérisé en ce que ladite atmosphère de régénération du carbone est constituée par une atmosphère de four de normalisation, dont le point de rosée est compris entre environ 3,89 C et environ 1,67 C. 8 Procédé selon l'une quelconque des 30 revendications 3 à 7, caractérisé en ce que ladite atmosphère de régénération du carbone fournit un potentiel de carbone au niveau ou à proximité de la surface, qui est compris entre environ 0,4 % et environ 0,6 %. 9 Procédé selon l'une quelconque des 35 revendications 3 à 8, caractérisé par le refroidissement de ladite broche normalisée à une température comprise entre environ 37,8 C et environ 204 C. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que la broche ( 12) 5 réalisée à l'aide dudit procédé possède une microstructure dans son ensemble homogène constituée essentiellement par des amas de perlite à gros grains dans une matrice fine de ferride proeutectolde, dont la quantité est réglée de manière à améliorer la rupture au niveau d'une gorge sélectionnée 10 faisant partie desdites gorges.