Brevet FR2585269A1 — publié le 19870130

i La présente invention concerne un tube métallique allongé à paroi épaisse, ayant un diamètre externe au maxi- mum d'environ 30 mm et ayant en particulier des organes tubulaires externe et interne emmanchés à force l'un dans l'autre, le tube étant utilisé par exemple comme tuyauterie d'injection de carburant à haute pression formant un passage d'alimentation en carburant d'un moteur diesel. Comme on peut le noter par exemple sur un tube d'une tuyauterie de carburant à haute pression, ce type de tube métallique composite a été réalisé jusqu'à présent par des opérations qui comprennent l'emmanchement à force de tuyauteries d'acier de grand diamètre et de petit dia- mètre, ayant chacune une couche de cuivre placée préalable- lement à sa surface circonférentielle de coopération, puis le traitement thermique des tubes afin qu'ils soient brasés l'un sur l'autre, les couches de cuivre constituant un matériau de charge disposé le long des surfaces circon- férentielles complémentaires; le tube peut aussi être réalisé par une procédure plus simple qui comprend l'intro- duction de l'une des deux tuyauteries,qui ont des diamètres différents, dans l'autre et leur emmanchement à force par filage à l'état solide ou analogue. Cependant, dans le premier de ces procédés, il faut des opérations complexes car le cuivre doit être appliqué à une surface interne et à une surface externe des tuyauteries, et le coût de fabrication est élevé. Dans le cas de tuyauteries d'acier inoxydable, le dépôt de cuivre et le brasage présentent des difficultés. Ainsi, des pro- blèmes se posent. Selon le second procédé, étant donné que la confi- guration résultante a des surfaces complémentaires simple- ment soumises a un emmanchement à force, l'interface cir- conférentielle présente un phénomène nuisible de relaxa- tion qui provoque une réduction de la résistance mécanique lorsque le tube composite est utilisé comme tuyauterie d'injection de carburant. Ce phénomène provoque souvent une fissuration ou une rupture, étant donné les vibrations subies à chaque tour du moteur. La présente invention résout les problèmes précités. On a constaté à la suite d'études poussées que les problèmes posés par les procédés connus pouvaient être résolus par utilisation d'une technologie comprenant l'emmanchement à force de tuyauteries d'acier ayant des diamètres faible et élevé afin qu'une pression superficielle élevée soit appliquée à l'interface de coopération, puis le traitement thermique en atmosphère non oxydante. L'invention peut ainsi être mise en oeuvre. Selon l'invention, la force de liaison à l'inter- face de coopération commune aux tuyauteries interne et externe est accrue comme si un tube intégré était formé. Par exemple, lorsque le tube est ensuite mis en forme afin qu'il constitue une tête de raccord ayant un dessin voulu dans un produit, le tube métallique obtenu résiste aux pressions élevées et a une excellente résistance mécanique (par exemple dans le cas d'une tuyauterie d'injection de carburant à haute pression dans un moteur diesel). L'invention concerne ainsi un tube métallique composite à paroi épaisse comprenant une tuyauterie d'acier au carbone ou une tuyauterie d'acier inoxydable constituant l'organe tubulaire interne, emmanché à force dans une tuyauterie d'acier au carbone formant l'organe tubulaire externe afin que l'interface des organes tubulaires interne et externe disparaisse au moins en partie afin qu'une liai- son continue soit formée. D'autre part, l'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un tube métallique compo- site à paroi épaisse, comprenant l'introduction d'une tuyauterie d'acier au carbone ou d'acier inoxydable de petit diamètre dans une tuyauterie d'acier au carbone de grand diamètre, l'emmanchement à force des tuyauteries l'une dans l'autre par filage afin que leurs diamètres soient réduits, et le traitement thermique des tuyauteries interne et externe dans un four en atmosphère non oxydante, de préférence entre 1000 et 1200 C, afin que les faces en regard soient liées mutuellement. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris & la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en réfé- rence aux dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est une élévation avec des parties arrachées représentant un organe tubulaire interne placé dans un organe tubulaire externe, au cours de la mise en oeuvre du procédé de l'invention; la figure 2 est une élévation en coupe partielle illustrant une opération de filage; la figure 3 est une élévation en coupe partielle représentant une tête de raccord formée sur une tuyauterie d'injection de carburant à haute pression à partir d'un tube métallique composite à paroi épaisse selon l'invention; la figure 4 est une élévation latérale en coupe partielle d'une tête de raccord d'une 'tuyauterie d'injec- tion de carburant à haute pression formée à partir d'un tube métallique composite à paroi épaisse de type classi- que; la figure 5a est un schéma représentant l'emplace- ment des photomicrographies des figures 5b et 5c; la figure 5b est une coupe représentant la partie de coopération des deux tuyauteries selon la technique antérieure; la figure 5c est analogue à la figure 5b, mais correspond à une tuyauterie selon l'invention; la figure 6a est une coupe schématique représentant l'emplacement de la coupe de la figure 6b; la figure 6b est une photomicrographie d'une coupe d'une partie d'extrémité d'un tube selon l'invention; et la figure 7 est une photomicrographie d'une coupe de tube réalisée après traitement thermique à une tempé- rature de 900 C. Selon l'invention, une tuyauterie 1 d'acier au carbone est utilisée comme organe tubulaire externe, alors qu'une tuyauterie 2 d'acier au carbone ou d'acier inoxydable est utilisée comme organe tubulaire interne. Lorsqu'une tuyauterie d'acier inoxydable est utilisée comme organe tubulaire interne, une érosion par cavitation peut ère efficacement évitée car la résistance à la corro- sion et la résistance mécanique sont accrues et la résis- tance à la pression aussi. Le diamètre externe de l'organe tubulaire interne 2 utilisé comme tuyauterie est de préférence légèrement inférieur au diamètre interne de l'organe tubulaire externe afin que l'introduction de l'organe interne dans l'organe externe soit facilitée et qu'il reste un espace aussi petit que possible entre la surface circonférentielle externe de l'organe interne et la surface circonféren- tielle interne de l'organe externe, après introduction. L'épaisseur de la paroi de l'organe interne est de préfé- rence comprise entre 10 et 30 % de l'épaisseur totale après filage, afin que l'interface de coopération présente une bonne coopération par emmanchement à force après le filage. Le filage est réalisé de préférence par introduc- tion d'un mandrin de fixation dans l'organe tubulaire interne, les tuyauteries interne et externe étant mises sous forme solidaire par passage dans une filière assurant une réduction de section de 30 à 50 % par passage. Cette opération est choisie car elle assure un contact intime des faces en regard, tout en assurant l'application d'une pression élevée sur les différentes surfaces après le filage, si bien que l'effet du traitement thermique ulté- rieur apparaît suffisamment. La raison pour laquelle l'interface des organes tubulaire interne et externe disparaît au moins en partie et présente une liaison par intégration ou solidarisation est sans doute que cette liaison est obtenue par diffusion à l'état solide d'un métal à l'interface entre les organes tubulaire interne et externe comme si les métaux subis- saient une fusion. La température préférée pour le traitement thermi- que est comprise entre 1000 et 1200 C. Lorsque la tempe- rature est inférieure à 1000 C. la liaison obtenue entre les organes tubulaires interne et externe à l'interface est peu robuste ou même inexistante. Lorsque la température dépasse 1200 C, les propriétés mécaniques des tuyauteries interne et externe sont réduites et en particulier la résistance mécanique d'une tuyauterie d'acier au carbone constituant l'organe tubulaire externe est réduite de manière défavorable. Le temps de chauffage est compris entre 2,5 et 20 minutes et de préférence entre 5 et 15 minutes. Lorsqu' il est inférieur à 2,5 minutes, la liaison des tuyauteries interne et externe à l'interface est peu robus- te. Un temps de chauffage supérieur à 20 minutes est super- flu et n'est pas rentable. Le traitement thermique doit être réalisé en atmosphère non oxydante. En effet, des matières étrangères telles que des couches oxydées, apparaissent aux surfaces des tubes lorsque le traitement thermique est réalisé en présence d'oxygène, si bien que les caractéristiques obtenues avec le tube selon l'invention sont réduites lors d'une utilisation comme tuyauteries d'injection de carburant à haute pression. Lorsque le traitement thermique est réalisé en atmosphère non oxydante, le produit obtenu peut avoir une valeur commerciale élevée car aucune conta- mination superficielle d'un des tubes n'existe. L'atmosphère non- oxydante peut être obtenue par utilisation d'un gaz inerte tel que l'azote ou l'argon ou d'un mélange gazeux pratiquement dépourvu d'oxygène, par exemple un mélange d'azote, d'hydrogène, d'anhydride carbonique et d'oxyde de carbone. Divers types de fours de chauffage, par exemple un four électrique, peuvent être utilisés comme fours à atmosphère non oxydante. Le traitement thermique est de préférence réalisé avec avance continue du tube sur une courroie métallique circulant de manière répétée dans le four. Le tube métallique composite selon la présente invention peut être soumis à une déformation plastique par flexion ou compression comme un matériau unique, car les organes tubulaires interne et externe sont emmanchés à force et mis sous forme d'un tube unique, les faces en regard étant liées à la suite du traitement thermique. Lorsque ce tube doit être utilisé comme tuyauterie d'injec- tion de carburant à haute pression, aucune déformation par flambage n'apparaît par glissement de l'organe tubu- laire interne, lorsque la tête d'un raccord est formée. Ainsi, une tuyauterie d'injection de carburant sous pres- sion élevée, ayant une tête de dessin voulue et un passage interne régulier de circulation, peut être obtenue. Selon le procédé de l'invention, aucun traitement compliqué, tel qu'un cuivrage ou un brasage, n'est néces- saire si bien que le coût de fabrication est réduit. En outre, lorsqu'une tuyauterie d'acier inoxydable à paroi mince est utilisée comme organe tubulaire interne, le tube métallique composite à paroi épaisse obtenu a une excellente résistance à la corrosion et une excellente résistance mécanique en présence d'une pression interne, sans augmentation du coût total du matériau. Les exemples qui suivent illustrent plus complète- ment l'invention, sans que celle-ci soit limitée à ces exemples. Exemple 1 Comme l'indique la figure 1, une tuyauterie 1 d'acier au carbone du type STS 38, ayant un diamètre externe de 9,0 mm et une épaisseur de paroi de 2,3 mm, constituant l'organe tubulaire externe, et une tuyauterie 2 d'acier inoxydable du type SUS 304, ayant un diamètre externe de 4,0 mm et une épaisseur de paroi de 0,4 mm, ont été dégraissées et lavées au solvant "Tri-Clene", avant un traitement de nettoyage de l'organe tubulaire externe, à sa surface interne, et de l'organe tubulaire interne, par brossage. Ainsi, les matières étrangères adhérant à la surface circonférentielle interne de l'organe externe et à la surface circonférentielle externe de l'or- gane interne, telles que les huiles, les graisses et la calamine, ont été retirées. Ensuite, l'organe tubulaire interne 2 a -été placé dans l'organe tubulaire externe 1. Comme l'indique la figure 2, un mandrin 3 a alors été introduit dans l'organe interne. Les organes interne et externe ont circulé alors, ensemble, dans une filière 4 et ont été filés dans le sens de la flèche, leurs extré- mités étant serrées. Le diamètre d'entrée de la filière était de 12,0 mm et le diamètre de sortie de 6,40 mm. La réduction de section obtenue par étirage était de %, le tube composite obtenu ayant des tuyauteries interne et externe étroitement emmanchées l'une dans l'au- tre, avec un diamètre externe de 6,35 mm et un diamètre interne de 2,0 mm. L'épaisseur totale du paroi du tube était de 2,175 mm alors que l'épaisseur de paroi du tube interne était de 0,40 mm, soit 18,4 % de l'épaisseur totale de paroi. Ensuite, le tube a circulé dans un four de trai- tement thermique continu en atmosphère non oxydante, dans lequel il a été traité thermiquement à 1100 C, avec un temps de maintien de 5 minutes, le tube métallique compo- site obtenu ayant les faces complémentaires liées l'une à l'autre en une seule pièce. Un four électrique de chauf- fage a été utilisé, ce four étant rempli d'un mélange gazeux contenant 62 % d'azote, 24 % d'hydrogène, 6 % d'anhydride carbonique et 8 % d'oxyde de carbone, consti- tuant l'atmosphère non oxydante. Le tube métallique composite ainsi formé a été utilisé pour la formation d'une tuyauterie ayant une tête 5 de raccord comme représenté sur la figure 3, la tuyau- terie étant destinée à être utilisée comme tuyauterie d'injection de carburant à haute pression. La figure 4 représente un tube classique qui n'a pas subi de brasage ni de traitement thermique, et qui pose un problème car, lorsque la tête 15 du raccord est formée à l'extrémité du tube, l'organe interne 12 glisse en direction axiale et provoque une déformation 16 par flambage si bien que le passage de circulation de carburant est rétréci. Comme l'indiquent les figures 3 et 4, le tube métallique composite à paroi épaisse selon l'invention présente d'excellentes propriétés lorsqu'il est utilisé comme tuyauterie d'injection de carburant à haute pression. Les figures 5a et 5c représentent des photomicro- graphies de sections de parties coopérantes de tubes métal- liques composites, la figure 5b représentant un tube selon la technique antérieure, c'est-à-dire avant le traitement thermique réalisé dans l'exemple 1, alors que la figure c représente le tube métallique composite obtenu dans l'exemple 1, la figure 5a indiquant l'emplacement des coupes des figures 5b et 5c. Comme l'indique la figure 5c, contrairement aux tubes classiques, le tube selon l'invention présente une liaison indiquant la disparition totale de l'interface des organes tubulaires interne et externe, l'interface ayant une structure dense. Cette microphotographie indique que les faces coopérantes des deux organes tubulaires sont complètement liées par diffu- sion du métal à l'état solide, comme si les deux tubes avaient été associés par fusion. La figure 6b est une photomicrographie de l'extré- mité d'un tube selon l'invention, après mise en forme, et plus précisément elle représente une photomicrographie agrandie de la proximité de la surface circonférentielle interne (correspondant à la partie A de la figure 3) de la tête d'un raccord formé par estampage, par exemple de la tuyauterie d'injection de carburant formée à partir du tube métallique composite de l'exemple 1. Comme l'indi- que la figure 6b, les organes tubulaires interne et externe du tube selon l'invention ont été liés sans séparation par pelage à l'interface, même après estampage. Exemple 2 Une tuyauterie d'acier au carbone du type STSD 38 ayant un diamètre de 9, 0 mm et une épaisseur de paroi de 2,0 mm, constituant l'organe tubulaire externe, et une tuyauterie d'acier au carbone du type STS 38, ayant un diamètre externe de 4,6 mm et une épaisseur de paroi de 0,7 mm, constituant l'organe tubulaire interne, ont été soumis au même traitement de nettoyage que dans l'exem- ple 1, puis l'organe interne a été placé dans l'organe externe. Ensuite, un mandrin a été introduit dans l'organe interne, & l'aide d'un appareil d'étirage de tuyauterie. Les organes interne et externe ont été mis en coopération intime par passage dans une filière. Le rapport de réduc- tion de section pendant le filage était de 45 % et a donné un tube composite ayant des organes tubulaires interne et externe coopérant étroitement par emmanchement, ayant un diamètre externe de 6,35 mm et un diamètre interne de 2,0 mm. Ce tube a circulé dans un four continu de trai- tement thermique contenant une atmosphère non oxydante et dans lequel il a été traité à une température de 1050 C, avec un temps de maintien de 5 minutes. Le tube métallique composite a alors été réalisé avec des surfaces de coopé- ration parfaitement liées. Exemple 3 Des tubes de 6,35 mm de diamètre externe et 2,0 mm de diamètre interne, réalisés de la même manière que dans l'exemple 1, ont circulé dans un four continu de traitement thermique contenant une atmosphère non oxydante, dans lequel ils ont subi un traitement thermique à diverses températures pendant divers temps de chauffage. Le tableau qui suit indique la relation entre la température de traitement thermique et le temps de chauffage, les résultats étant obtenus par examen de photo- micrographies de coupes représentant la liaison a l'inter- face des tubes, le signe X indiquant la présence d'une interface nette c'est-à-dire une mauvaise liaison des deux organes tubulaires, le signe O indiquant que l'inter- face a disparu dans presque toute la région, si bien que la liaison est bonne, et le signe I indiquant un état intermédiaire de l'interface, par rapport aux deux précé- dents. Température de chauffage ( C) 5.900 950 1000 1050 1100 1150 1200 X - O - O - - X - O - O - - - - O O O -O O cA o C 7,5 - I O - - - - 5 X I I O O O O 2,5 X - I O - O - 1 - - - I -. - - -: nessai non effectué Comme l'indique l'essai qui précède, la température de traitement thermique est de préférence comprise entre 1000 et 1200 C alors que le temps de chauffage est de pré- férence compris entre 2,5 et 20 minutes et de préférence entre 5 et 15 minutes. Une bonne liaison ne peut pas être obtenue lorsque la température de traitement thermique est inférieure à 1000 C, par exemple à 900 C, même lorsque la durée de chauf- fage est prolongée. La figure 7 est une photomicrographie d'une coupe d'un tube obtenu dans des conditions de traite- ment thermique correspondant à une température de 9000C et à un temps de chauffage de 5 minutes, la figure indi- quant que l'interface des deux organes tubulaires apparaît nettement et donne une mauvaise liaison. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux tubes et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Tube métallique composite à paroi épaisse, carac- térisé en ce qu'il comporte un organe tubulaire interne (2) formé d'ûne tuyauterie d'acier et emmanché à force dans un organe tubulaire externe (1) formé d'une tuyauterie d'acier au carbone, les deux tuyauteries étant liées d'une manière telle qu'une partie au moins de l'interface des organes interne et externe a disparu. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe tubulaire interne (2) est une tuyauterie d'acier au carbone. 3. Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe tubulaire interne (2) est formé d'une tuyau- terie d'acier inoxydable. 4. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le diamètre maximal de l'organe tubulaire externe (1) est égal à 30 mm. 5. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de paroi de l'orga- ne tubulaire interne (2) est comprise entre 10 et 30 % de l'épaisseur totale de paroi. 6. Procédé de fabrication d'un tube métallique composite à paroi épaisse, caractérisé en ce qu'il comprend l'introduction d'une tuyauterie d'acier (2) de petit diamètre dans une tuyauterie (1) d'acier au carbone de grand diamètre, et le filage des deux tuyauteries afin que le diamètre soit réduit et que les deux tuyauteries soient emmanchées à force, le tube résultant subissant ensuite un traitement thermique dans un four, en atmosphère non oxydante, afin que les surfaces coopérantes des deux tuyauteries interne et externe soient liées. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la tuyauterie (2) d'acier de petit diamètre est formée d'un acier au carbone. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la tuyauterie (2) d'acier de petit diamètre est formée d'acier inoxydable. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le traitement thermique est réalisé à une température comprise entre 1000 et 1200 C. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 6 à 9, caractérisé en ce que le filage est réalisé par introduction d'un mandrin (3) dans la tuyauterie de petit diamètre et par mise des tuyauteries sous forme soli- daire par passage dans une filière (4). 11. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 6 à 9, caractérisé en ce que le filage est réalisé avec un taux de réduction de section de 30 à 50 %.