Brevet FR2594145A1 — publié le 19870814

La présente invention est relative à un procédé de traitements mécaniques et thermochimiques des métaux, et notamment des aciers. Elles se propose d'exploiter les caractéristiques physiques singulières de ces métaux lors de leur transformation allotropique. I1 est connu que les métaux, et notamment les aciers, subissent une transformation structurelle lorsque leur température passe de la température ambiante à une température excédant notablement 8000C. Une telle transformation, généralement appelée transformation allotro pique, qui accompagne le passage de la phase alpha ( C ) à la phase gamma ( X ) correspond à un réarrangement de la structure cristalline du métal, et elle se traduit par une modification des caractéristiques physiques, telles que, notamment, chaleur spécifique et volume massique, et des caractéristiques électromagnétiques. Cette transformation est réversible. Les travaux menés antérieurement ont permis de mettre en évidence que le domaine de cette transformation allotropique, c est-à-dire la température initiale, la température finale, et la durée de la transformation de la structure alpha en structure gamma, étaient fonction de - la composition de l'acier de la pièce traitée - la densité de flux énergétique transmis ou perdu par la pièce traitée ; et, - le vécu thermique et mécanique précédant la transformation. par la également démontré par la présente titulaire Il a été également démontré que, pendant la durée de cette transformation, les énergies de liaisons inter-atomiques passent par un minimum, qui peut etre identifié, cas par cas, à l'aide de moyens expérimentaux appropriés, ou même qui peut être prédéterminé à partir des caractéristiques métallurgiques initiales de la pièce à traiter. Les travaux de la titulaire ont également permis de mettre en évidence que, par des moyens de mesure appropriés, il était possible de modéliser le comportement d'une pièce en acier de composition connue, et, ainsi, de concevoir un équipement permettant avec précision d'amener et de maintenir cette pièce dans un état thermique prédéterminé, en fonction d'objectifs de production donnés, cet état thermique pouvant se situer au voisinage immédiat ou à l'intérieur du domaine de transformation. En conséquence, la présente invention a pour objet un procédé exploitant les caractéristiques particulières mentionnées ci-dessus des aciers, dans la zone de température qui correspond à la transformation allotropique de ces aciers (zone dans laquelle se situe le point de Curie), en créant une instabilité struc turelle et en gérant sa durée, afin de permettre de réaliser des traitements mécaniques, thermiques ou chimiques des aciers considérés. Cette invention a donc pour objet un procédé de traitementsmecaniqueS thermiques et chimiques de pièces métalliques, notamment de pièces d'acier, caractérisé en ce que l'on contrôle le flux énergétique transmis ou perdu par ladite pièce, par variation en trains d'ondes, en ce qu'on détermine avec précision la température initiale et la température finale de la transformation allotropique dudit acier, et en ce qu'on gère la densité du flux transféré soit pour maintenir la pièce entre la température initiale et la température finale, soit pour compenser uniquement les pertes thermiques, soit pour passer ålternative- ment en-dessous et au-dessus des températures initiale et finale. On comprend que, pour mettre en oeuvre le procédé objet de cette invention, il est nécessaire de contrôler le flux énergétique transmis ou perdu par la pièce métallique, d'une part, et de connaltre, d'autre part, avec précision les températures initiale et finale de la transformation allotropique de l'acier, selon les épaisseurs de métal intéressées, les échanges pouvant se faire, par exemple, par rayonnement, conduction, convection ou induction. Cependant, il est nécessaire que l'équipement de réchauffage et de refroidissement utilisé dans ce procédé soit particulièrement flexible, afin de faire varier rapidement la température d'une partie, ou de la totalité, de la pièce.Le contrôle du flux énergétique par variation en trains d'ondes permet d'obtenir des inversions successives de la transformation = X avec passage corrélatif à chaque inversion par le minimum précité. Ces variations vont de quelques de degrés à une centaine de degrés, selon le traitement visé. Selon le procédé de cette invention, les températures initiale - et finale de la transformation sont repérées à l'aide de moyens de mesure de température, ou par l'intermédiaire des caractéristiques électro-magnétiques ou thermo-dynamiques de la pièce traitée. Compte tenu de l'imprécision des mesures des valeurs absolues des grandeurs ainsi mesurées, pour une exploitation industrielle de ce procédé, on identifie les limites du domaine de températures (température initiale-température finale) en suivant l'évolution de l'une quelconque de ces grandeurs caractéristiques et par rapport à une autre de ces grandeurs ou le temps ; par exemple température-temps.Dès que le niveau de température correspondant au domaine est atteint, la gestion de la densité de flux énergétique transféré permet, soit de maintenir la pièce entre la température initiale et la température finale, en compensant uniquement ses pertes thermiques, soit de faire fluctuer son niveau énergétique, afin de passer alternativement en-dessous et au-dessus des températures initiale et finale. Selon l'invention, la périodicité des fluctuations du niveau énergétique de la pièce traitée peut varier de l'ordre de la seconde à la minute, en fonction des épaisseurs de métal considérées et des moyens de refroidissement associée au réchauffage. Les applications de l'invention sont très nombreuses, étant donné que les traitements, pouvant être réalisés lorsque la pièce d'acier est amenée dans les conditions d'instabilité structurelles mentionnées ci-dessus;sont multiples. A titre d'exemple, non limitatif, on a donné ci-après quelques applications du procédé objet de cette invention. 10 - Insertion d'atomes, par exemple de carbone La pièce d'acier à traiter est, de préférence à tout autre mode de transfert thermique, placée à l'intérieur d'un inducteur dont l'alimentation est définie de façon à concentrer l'énergie transmise à la pièce dans la zone que l'on cherche à traiter. Ce contrôle de l'épaisseur de métal concernée se fait par adaptation de la fréquence du courant d'alimentation de l'inducteur. Dès le début du réchauffage par induction, la pièce à traiter est balayée par une atmosphère cémentante (CH4, alcool, . .) qui, au contact de la surface chaude, va se dissocier, permettant au carbone ainsi libéré d'être disponible à la surface de la pièce d'acier. En faisant varier l'alimentation de l'inducteur, ce carbone va rapidement diffuser vers l'intérieur de la pièce, mais dans la limite de l'épaisseur déterminée par l'effet de peau, épaisseur contrôlée par l'apport enthalpique dû au courant induit, d'une part, et, d'autre part, aux pertes par diffusion vers le coeur de la pièce et par rayonnement vers l'enceinte.En effet, dans la zone traitée, et du fait des variations de structure, l'acier en phase X capture les atomes de carbone, puis, à son rerour en phase eC , expulse les atomes excédentaires vers les sites g disponibles les plus proches, ce qui aboutit à une vitesse apparente de diffusion 3 à 10 fois supérieure à la vitesse théorique de diffusion et à une homogénéité de distribution du carbone dans la couche contrôlée. Si un profil particulier de concentration en carbone depuis la peau vers le coeur est recherché, il suffit, une fois la quantité totale visée de carbone absorbée par la pièce, de substituer à l'atmosphère de cémentation une atmosphère différente, et de modifier l'épaisseur de peau pour obtenir, par diffusion, le profil recherché. Cette diffusion peut être ou non suivie d'une trempe. 2" - Déformation plastique d'une pièce d'acier Le procédé objet de cette invention peut être utilisé pour effectuer des opérations de déformation, telles que, notamment, forgeage ou formage, opérations qui, à l'heure actuelle, sont effectuées entre 1050 et 12500 C. Selon la présente invention, on effectue ces traitements à des températures très inférieures aux températures ci-dessus en opérant de la façon suivante - on identifie les températures initiale et finale de la transformation de l'acier, ainsi que la variation d'énergie entre ces températures - on identifie l'apport énergétique correspondant à ltopération de déformation recherchée, telle que, par exemple : forgeage, emboutissage, etc. ; et, - avant l'opération de déformation, on amène la pièce à un niveau énergétique tel que l'addition de 11 énergie de déformation ne porte pas cette pièce (ou la zone de cette pièce intéressée par le traitement) à une température supé rieure à la température finale de transformation. Dans ce but, il peut être nécessaire de refroidir l'outillage utilisé pour la déformation de la pièce. 3 - Dispersion d'éléments d'addition dans une pièce d'acier, sans ac croissement de la taille des grains Si la pièce présente une dispersion du carbone ou des éléments d'addition non satisfaisante, elle est amenée dans le domaine de températures mentionné ci-dessus (température initiale-température finale de la transformation allotropique), puis elle est soumise à un cycle de réchauffage et de refroidissement successifs, afin que l'acier qui la compose passe alternativement de la structure OC à la structure J , dans la zone d'épaisseur dont on veut corriger l'homogénéité. La pièce est ensuite trempée en mettant en oeuvre des procédés classiques et en choisissant une vitesse de trempe qui permet de privilégier les structures recherchées. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux divers exemples de mise en oeuvre et d'application décrits et mentionnés cidessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé de traitements mécaniques, thermiques et chimiques de pièces métallique, notamment de pièces d'acier, selon lequel on exploite les caractéristiques physiques desdits métaux dans le domaine de températures qui correspond à leur transformation allotropique, c'est-à-dire le passage de la phase cs à la phase Y , en créant une instabilité structurelle et en en gérant sa durée, caractérisé en ce que l'on contrôle le flux énergétique transmis ou perdu par ladite pièce dans ledit domaine de transformation par variation en trains d'ondes, en ce qu'on détermine avec précision la température initiale et la température finale de cette transformation allotropique, et en ce qu'on gère la densité du flux énergétique transféré, soit pour maintenir la pièce entre-les températures initiale et finale, soit pour compenser uniquement les pertes therniques, soit pour passer directement en-dessous et au-dessus des températures initiale et finale, respectivement. 2 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les échanges thermiques sont effectués par rayonnement, conduction, convection ou induction. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on repère les températures initiale et finale de transformation à l'aide de moyens de mesure de température. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on repère les températures initiale et finale de la transformation par l'intermédiaire des caractéristiques électro-magnétiques de la pièce traitée. 5 - Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'on identifie les limites du domaine de températures : température initialetempérature finale, en suivant l'évolution de la dérivée de la température en fonction du temps, ladite dérivée présentant deux points singuliers très caractéristiques en début et en fin dudit domaine de températures. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la périodicité des fluctuations du niveau énergétique de la pièce traitée varie de l'ordre de la seconde à la minute, en fonction des épaisseurs de métal considérées et des moyens de refroidissement associés au réchauffage. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la déformation plastique d'une pièce d'acier, et en ce qutil comporte les étapes suivantes - identification des températures de début et de fin de transformation, ainsi que de la variation d'énergie entre ces températures ; - identification de l'apport énergétique correspondant à l'opération de défor mation visée, telle que, notamment, forgeage, emboutissage et autres ; et, - avant l'opération de déformation, amenée de la pièce à un niveau énergétique tel que l'addition de l'énergie de déformation ne porte pas cette pièce à une température supérieure à la température finale de la transformation. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est appliqué à l'insertion d'atomes, notamment de carbone, dans une pièce d'acier, et en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - positionnement de la pièce dans un inducteur dont l'alimentation est choisie afin de concentrer l'énergie transmise à la pièce dans la zone devant être traitée ; - dès le début du réchauffage de la pièce, balayage de celle-ci par une atmos phère cémentante permettant au carbone libéré d'être disponible à la surface de la pièce et de diffuser dans celle-ci, dans la limite de l'épaisseur dé terminée par l'effet de peau, en faisant varier l'alimentation de l'inducteur ; ; et, contrôle de l'épaisseur par l'apport enthalpique dû au courant induit, d'une part, et, d'autre part, aux pertes par diffusion vers le coeur de la pièce traitée et par rayonnement vers l'enceinte de traitement. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est appliqué à une dispersion d'éléments d'addition, notamment de carbone, sans accroissement de la taille des grains, et en ce qu'il comporte les étapes suivantes - amenée de la pièce à traiter dans le domaine de transformation ; - exécution de cycles de réchauffage et de refroidissement successifs, de façon à passer alternativement de la structure sX à la structure g dans ltépais- seur dont on veut corriger l'homogénéité ; et, - trempe de la pièce.