Brevet FR2625227A1 — publié le 19890630

"Acier allié pour boulonnerie à contrôle de serrage par ultrason". Les vis et boulons sont réalisés dans des matériaux dont les caractéristiques mécaniques sont déterminées en fonction des conditions d'utilisation du boulon mais aussi en fonction des conditions de fabrication. Pour déterminer plus facilement les. conditions d'utilisation, il est connu d'identifier les matériaux par des classes normalisées définissant la résistance mécanique minimale garantie et la limite élastique qui est garantie. Par exemple, la boulonnerie courante, sans traitement thermique, est répertoriée, selon la norme française NFE groupe 25000, en classes 6.8 correspondant à une résistance mécanique Rm de 600 N/mm2 et à une limite élastique de 480 N/mm2, tandis que la boulonnerie haute résistance est répertoriée en classes 10.9 ou 12.9, correspondant à une résistance mécanique Rm de, respectivement, 1000 et 1200 N/mm2 et à une limite élastique de respectivement 900 et 1080 N/mm2. Traditionnellement, la boulonnerie à haute résistance est, selon le diamètre de la vis, forgée à froid ou à chaud puis est soumise à un traitement thermique consistant, essentiellement, en une trempe suivie d'un revenu. Pour déterminer les caractéristiques mécaniques du matériau après trempe, caractéristiques variant en fonction du diamètre de la vis, puisqu'il est plus aisé d'obtenir une trempe à coeur pour une vis de petit diamètre que pour une vis de grand diamètre, par exemple supérieur à 22 mm, il est courant de se référer à l'indice JOMINY caractérisant la trempabilité garantie et se déduisant d'une courbe, du type montrée figure 2, représentant la variation de dureté HRC en fonction de la distance entre la zone de mesure et la face d'extrémité refroidie par un jet d'eau, d'une éprouvette sortant de trempe suivant la norme d'exécution de l'essai. Les caractéristiques du matériau sont aussi vérifiées après revenu au moyen d'un graphique du- type représenté figures 3 à 6, indiquant, en fonction de la température de revenu, la résistance mécanique Rm, l'allongement A %, la limite élastique R 0,002 et la résilience KCU à la suite de mesures effectuées sur des éprouvettes normalisées. Pour obtenir les caractéristiques mécaniques recherchées, il est d'usage d'utiliser des aciers alliés, c'est à dire composés de fer et de carbone auxquels sont ajoutés des additifs divers. Ainsi, les aciers alliés qui suivent, désignés suivant la norme AFNOR comprennent les additifs suivants, dont les proportions sont indiquées en valeur moyenne 35M5 1,35 0 de manganèse, outre 0,25 Ó de silicium et 0,36 % de carbone, 32C4 1,05 Ó de chrome et 0,85 , Ó de manganèse, outre 0,25 % de silicium et 0,34 Ó de carbone, 34CD4 1,10. Ó de chrome, 0,70 , Ó de manganèse, 0,25 % de mobybdène en complément de 0,34 Ó de carbone et 0,25 , Ó de silicium, 30NC11 2,80 % de nickel, 0,8 % de chrome, 0,50 t0 de manganèse en complément de 0,32 Ó de carbone et 0,25 i Ó de silicium. En raison du coût des additifs et en particulier du chrome et du Nickel, l'acier allié est bien plus onéreux qu'un acier courant, ce qui limite son utilisation. Par ailleurs, pour certains additifs, son élaboration métallurgique est complexe et intervient aussi sur le coût final. L'un des objets de l'invention est de fournir un acier allié pour la boulonnerie à haute résistance qui soit moins onéreux que les aciers alliés actuels, puisse être forgé à froid ou à chaud, et présente des performances mécaniques ne se rencontrant pas simultanément dans les aciers alliés normalisés actuels. Par ailleurs, il est connu de contrôler la contrainte de serrage d'une liaison par vis ou boulon au moyen d'un appareil de mesure ultrasonore, par exemple suivant la méthode décrite par l'inventeur dans son brevet français 2538470. Pour obtenir une mesure fiable et répétitive, il s'avère que la vis doit non seulement faire partie d'un lot provenant d'une même coulée, usinée de la même façon et avec des faces de réflexion ayant des positions et géométries précises, mais aussi présenter dans sa matière constitutive, après forge, trempe et revenu une homogénéité de sa structure cristalline de façon à posséder, à température constante, un indice de transparence ultrasonore constant.Les nombreux essais effectués ont permis de constater que les aciers alliés existants, répondant aux exigences de la boulonnerie à haute résistance, ne présentaient pas un bon indice de transparence ultrasonore, mais, au contraire, par l'hétérogénéité de leur structure cristalline, perturbaient les mesures. Un autre objet de l'invention est de fournir un acier allié pour boulonnerie à haute résistance présentant un bon indice de transparence ultrasonore, permettant d'effectuer des contrôles ultrasonores fiables. Enfin, si l'on connait déjà des alliages mangano-boreux, ceux-ci ne sont pas utilisés en boulonnerie haute résistance car leurs caractéristiques mécaniques1 qui varient en fonction de la température de revenu, n'atteignent pas les valeurs optimales aux températures de revenu recommandées pour la boulonnerie. De plus, les aciers alliés de ce type sont connus dans des compositions normalisées, conduisant à des matériaux utilisables seulement pour des boulons de petits diamètres. Ils ne sont pas forgeables à froid et ne procurent pas les caractéristiques mécaniques recherchées. L'invention a donc pour objet de fournir un acier allié mangano-boreux qui soit facile à élaborer, moins onéreux que les aciers alliés à base nickel ou chrome, forgeable à froid et à chaud, ayant de meilleures caractéristiques mécaniques que celles des aciers alliés actuels, et présentant un bon indice de transparence ultrasonore. Cet acier allié comprend, en proportion par rapport au poids total - entre 1,5 et 2,30 m de manganèse, - entre 0,26 et 0,32 i Ó de carbone, - entre 0,1 et 1,1 , Ó de chrome, - entre 0,003 et 0,006 Ó de bore, - entre 0 et 0,2 Ó de nickel, - entre O et 0,2 Ó de mobybdène, - entre O et 0,1 ' de cuivre, - des traces de phosphore inférieures à 0,025 %, - des traces de soufre inférieures à 0,03 oX - des traces de silicium inférieures à 0,2 Ó, - des traces de titane inférieures à 0,005 os - des traces d'aluminium inférieures à 0,04 m, - et pour le solde du fer formule dans laquelle les composants carbone, maganèse, chrome, nickel et mobybdène satisfont à la formule de trempabilité à coeur suivante 6C + Mn + Cr + Ni + Mo ) x dans laquelle x est > à 3,2 pour des vis forgeables à froid et x est C à 4,5 pour des vis forgeables à chaud. Les aciers alliés mangano-boreux de cette famille se caractérisent par un abaissement du taux de carbone ramené à une valeur inférieure à 0,32 , ç se situant au dessous de la valeur de 0,35 caractéristique du diagramme fer-carbone, et par un accroissement de la teneur en maganèse pouvant aller jusqu'à 2,30 , o. Cet acier, peu écrouissable, est aussi forgeable à froid, trempable à coeur et présente une résistance mécanique homogène. Sa trempabilité et sa résistance mécanique sont améliorées par la présence de chrome combiné, dans les limites de la formule de trempabilité, avec les composants carbone et manganèse et les traces de nickel et mobybdène. Les caractéristiques mécaniques de cette famille d'aciers alliés, après trempe, sont les suivantes résistance mécanique Rm J 1250 N/mm2 (correspondant à la classe 12.9 de la boulonnerie haute résistance) limite élastique R 0,02 ^' 0,9 Rm (classe 12.9) allongement A 0) 14 fragilité KCU 20 ) 8 daJ/cm2. Par ailleurs, il présente un bon indice de transparence ultrasonore garantissant la fiabilité de cette méthode de mesure des contraintes dans la boulonnerie. L'utilisation d'une base manganèse, avec une très faible proportion de métaux plusieurs fois plus onéreux que lui, tel que le chrome, le nickel et le mobybdène, permet d'obtenir un alliage beaucoup moins onéreux que les alliages de même classe utilisés actuellement pour la boulonnerie à haute résistance. I1 faut aussi ajouter que les aciers alliés de ce type se caractérisent par une faible hydrogénabilité, lors des préparations et pose de revêtements de protection, une fragilité réduite au froid, et par une très faible sensibilité aux problèmes de décarburation superficielle. Dans une forme d'élaboration visant l'application particulière à la boulonnerie forgée à chaud, cet acier allié comprend en proportion par rapport au poids total - de 1,80 à 2,30 nÓ de manganèse, - de 0,29 à 0,32 % de carbone, - de 0,4 à 0,8 % de chrome, - de 0,003 à 0,006 Ó de bore,. - de O à 0,2 Ó de nickel, - de O à 0,2 nÓ de mobybdène, - de O à 0,1 Ó de cuivre, - des traces de phosphore, soufre, silicium, titane et aluminium, - et pour le solde du fer formule dans laquelle les composants carbone, manganèse, chrome, nickel et mobybdène satisfont à la formule de trempabilité à coeur 6C + Mn + Cr + Ni + Mo # 4,5 Ainsi, par exemple, un acier de ce type correspondant à la définition AFNOR 30MCB8, comprend, par mesure spectographique effectuée sur échantillon de contrôle de coulée, laminé, ayant subi un recuit de globulisation., décapé, phosphaté et tréfilé suivant le procédé connu sous la dénomination SKIN PASS Mn 2 % C 0,30 Ó Cr 0,6 % B 0,0035 % Ni 0,1 Ó Mo 0,1 m Traces de Cu, S, Si, Ti, Al Fer en solde. La formule de trempabilité : 6C + Mn + Cr + Ni + Mo > 4,5 donne (6 X 0,3) + 2 + 0,6 + 0,1 + 0,1 = 4,6. En pratique, un acier allié de ce type est destiné à la fabrication de la boulonnerie ayant un diamètre compris entre 22 et 48 mm, bien qu'il puisse aussi être utilisé pour des diamètres plus faibles. Les barres, tréfilées au diamètre adapté, sont tronçonnées en lopins, de longueurs appropriées. Après chauffage entre 850 et 9500C, ces lopins sont forgés pour former la tête et le corps de la vis. Après usinage et roulage à froid du filet, la vis est soumise aux traitements thermiques. Ceux-ci comprennent une trempe et un revenu. La trempe s'effectue par chauffage à 9000C + 100C, dans un four à atmosphère contrôlée, et par trempe dans un bac d'huile à une température comprise entre 50 et 70 C. Le revenu s effectue à une température comprise entre 435 et 5500C, et dépendant des caractéristiques mécaniques recherchées, et sur une durée égale à 1,5 fpis le temps d'austénisation, sans pour autant être inférieur à 45 minutes. Dans une forme d'élaboration, visant l'application à la boulonnerie forgeable à froid, cet acier allié comprend, en proportion en poids par rapport au poids total : - de 1,5 à 1,75 0 de manganèse, - de 0,26 à 0,29 Ó de carbone, - de 0,1 à 0,3 Ó de chrome, - de 0,003 à 0,005 Ó de bore, - de O à 0,15 , Ó de nickel, - de O à 0,10 m de cuivre, - des traces de mobybdène, de phosphore, de soufre, de silicium, de titane et d'aluminium, - et pour le solde du fer, formule dans laquelle les composants carbone, manganèse, nickel, chrome et mobybdène satisfont å la formule de trempabilité à coeur suivante 6C + Mn + Ni + Cr + Mo # 3,2, tandis que les composants nickel, chrome, cuivre et mobybdène satisfont à la formule de forgeabilité suivante Ni + Cr + Cu + Mo Pour un acier allié de ce type, correspondant à la définition AFNOR 28MC86, l'analyse spectographique effectuée sur échantillon de contrôle de coulée, réalisée dans les mêmes conditions que pour le 30MCB8, indique - Mn 1,63 - C 0,27 - B 0,0032 - Ni 0,08 - Cr 0,17 - Cu 0,08 - Mo 0,01 - traces de Cu, S, Si, Ti et Al - et Fe en solde. La formule de trempabilité : 6C + Mn + Cr + Ni + Mi ) 3,2 donne (0,27 X 6) + 1,63 + 0,17 + 0,08 + 0,01 = 3,51, tandis que la formule de forgeabilité Ni + Cr + Cu + Mo 4 0,4donne 0,08 + 0,17 + 0,08 + 0,01 = 0,34. En pratique, un acier allié de ce type est-destiné à-la fabrication par forge à froid de boulonnerie à haute résistance ayant un diamètre inférieur à 22 mm. Le fil, étiré suivant la méthode SKIN PASS et fournit au diamètre de roulage, alimente une presse multiposte réalisant le forgeage à froid de la tête. Après chanfreinage du fût, appelé aussi pointage, le filet est élaboré par roulage à froid. Les vis obtenues sont ensuite soumises aux traitements thermiques dont les conditions sont précisées ci-dessus à propos de l'acier allié 30MCB8. Les caractéristiques de cette famille d'acier vont maintenant être comparées avec celles d'aciers alliés normalisés particuliers, en référence aux courbes représentées sur les figures annexées. Figure 1 est un graphique représentant la variation d'effort de traction F, en newton, en fonction de l'allongement A (en o) d'une éprouvette de traction normalisée étirée sur une presse AMSLER et donnant l'allure de la courbe d'allongement d'un acier allié selon l'invention, Figure 2 est un graphique représentant la variation de dureté HRc en fonction de la distance, en mm, entre la zone de mesure et la zone de refroidissement de l'éprouvette, correspondant donc au rayon de l'éprouvette, et montrant les courbes de trempabilité ou courbes JOMINY des aciers selon l'invention par rapport à des aciers alliés de référence, Figures 3 à 6 sont des graphiques indiquant, en fonction de la température de revenu, donnée en abcisses, en ordonnées à gauche, la résistance mécanique Rm et la limite élastique R 0,02 en N/mm2 et, en ordonnées à droite, l'allongement A en pourcentage et la fragilité KCu en daJ/cm2 ; et ceci en comparant les courbes caractéristiques des aciers alliés selon l'invention avec celles d'aciers alliés de référence définis selon la norme AFNOR. Figure 7 est un graphique indiquant, en fonction de la température du revenu, et donc des caractéristiques des classes de boulonnerie, la résilience KCU en daJ/cm2 d'une éprouvette de 28MCB6 pour différentes températures d'essais sur mouton CHARPY. A la figure 1, montrant l'allure de la courbe de traction des aciers alliés selon l'invention, on constate que l'angle a' caractérisant le module d'élasticité est important, et que la transition dt entre la phase de déformation élastique de, caractérisée par la droite OE, et la phase de déformation permanente dp, considérée conventionnellement à partir du point P correspondant à R 0,002, s'effectue suivant un rayon régulier indiquant un phénomène graduel. I1 faut ici rappeler que bien souvent cette zone se caractérise par un palier ou par des ondulations traduisant une décohésion intercristalline, qui n'apparait pas ici. De plus, sur la courbe de figure 1, la zone de déformation permanente dp est représentée par un arc de courbe de grand rayon et de grande longueur, justifiant l'allongement de 14 , Ó avant striction et la grande garantie apportée par cet acier allié. A la figure 2, les courbes Al et A2 correspondant aux limites des caractéristiques des aciers alliés selon l'invention et respectivement du 28MCB6 et du 30MCB8. En examinant ce graphique, on constate que pour des distances allant de O à respectivement 10 et 25 mm à partir de l'ordonnée de gauche, les courbes Al et A2 sont'peu inclinées sur l'horizontale, ce qui démontre l'excellente trempabilité à coeur pour des vis de diamètre de O à 20 pour Al et de O à 50 pour A2. Dans ces parties de courbes, la dureté mesurée est supérieure à celles des aciers de référence pour des diamètres plus grands. Il en résulte que de tels aciers alliés satisfont, après revenu, aux conditions de la classe de boulonnerie 12.9 représentée sur la droite T, pour des vis de diamètres plus importants que ceux maximaux atteints par les aciers de références définis dans le préambule et dont les courbes sont représentées.En effet, comme le montre la courbe A3, représentative de l'acier allié 35M5, retenu en raison de l'absence de bore et de chrome dans sa composition, ce dernier ne peut pas être utilisé pour des vis ayant un diamètre supérieur à 10 mm, même dans la classe 10.9, représentée par la droite S. La courbe A4, correspondant à un acier allié 32C4, forgeable à froid et permettant la réalisation de vis six pans creux, montre que ce matériau présente un indice JOMINY amélioré, mais inférieur à celui des aciers alliés selon l'invention. Enfin, la courbe A5,correspondant à un 34CD4, utilisable en forge à chaud pour réaliser des vis ayant un diamètre inférieur ou égal à 22 mm, présente de meilleures caractéristiques, mais celles-ci restent cependant inférieures à celles des aciers selon l'invention. Sa composition est indiquée dans le préambule. De plus, et il s'agit là d'un inconvénient important, les trois aciers de références 35M5, 32C4 et 34CD4 ne sont pas utilisables pour des mesures de contraintes par échographie ou élasticimétrie ultrasonore, car leur structure cristalline entraine des imprécisions ultrasonores. I1 n'en est pas de même pour les aciers alliés selon l'invention qui, non seulement on un bon indice de transparence ultrasonore, mais, en plus ont des performances mécaniques supérieures comme le confirment les courbes suivantes de figures 3 à 6. Ces courbes représentent les variations des caractéristiques mécaniques de la famille d'aciers alliés selon l'invention, en fonction des variations de la température de revenu entre 400 et 6000 C, et par comparaison avec des aciers alliés de référence. En d'autres termes sur ces figures 3 à 6, les courbes B1, B2, B3, B4 représentent les variations respectivement de la résistance mécanique Rm, de la limite élastique R 0,02, de l'allongement A et de la résistance KCU pour un acier allié selon l'invention ayant une composition correspond à la définition AFNOR 28MCB6. A la figure 3 et en comparaison avec les courbes C1, C2, C3, C4 corresondantes à B1, 82, 83,84, mais relatives aux caractéristiques d'un acier 30NCD16 comportant, entre autres, 0,30 % de carbone, 4 % de nickel, 1,37 , Ó de chrome et 0,5 D de mobybdène et connu pour ses très hautes performances, on constate que le 28MC86 est supérieur en allongement A 50 et en résilience KCU et que sa résistance mécanique Rm et sa limite élastique sont peu inférieures. Cela fait préférer l'acier allié, selon l'invention, au 30NCD16 plus coûteux et exigeant des traitements de mise en forme onéreux, tels que recuit intermédiaire à vitesse lente. A la figure 4, les courbes D1, D2, D3 et D4 indiquent les caractéristiques d'un acier allié 30NCll comprenant 0,30 Ó de carbone, 2,7 , Ó de nickel et 0,8 , Ó de chrome. Ce matériau, qui n'est pas forgeable à froid, est coûteux et présente une bonne trempabilité, et est connu comme étant le moins fragile des aciers alliés de traitement thermique. Pourtant, lorsque l'on compare ses courbes avec celles B1 à 84, on constate que pour des résistances mécaniques guère inférieures, le 28MCB6 possède un allongement et une résilience très largement supérieure. Ces bons résultats du 28MCB6 sont d'ailleurs confirmés par le graphique de figure 7 montrant que, pour une température d'essai de 200C, la courbe L1 du 28MC86 est bien au dessus de la courbe M d'un 30NC11, de sorte que ses courbes L2 et L3 correspondent à des essais effectués à basse température, respectivement à -400C et - 600C, sont bien au dessus de celles de cet alliage et les aciers alliés connus. Cela montre que l'acier allié 28MC86 et la famille d'acier selon l'invention, conservent une résilience supérieure à celle des meilleurs aciers existants aux-basses températures. A la figure 5, la comparaison est réalisée avec les courbes El à E4 d'un acier 34CD4, comprenant 0,34 , Ó de carbone, 1,1 , Ó de chrome et 0,25 Ó de mobybdène, déjà cité dans l'introduction comme étant onéreux et présentant de mauvaises caractéristiques ultrasonores. Le 28MCB6 présente des' caractéristiques mécaniques voisines mais un allongement et une résilience supérieurs. Enfin, la figure 6 établit la comparaison avec les courbes F1 à F4 d'un 35NC6 comprenant 0,33 Ó de carbone, 3,5 , Ó de nickel et 1 , Ó de chrome. I1 s'agit d'un acier allié très onéreux, non forgeable à froid, dit de sécurité, car couramment utilisé en aéronautique en raison de ses performances mécaniques. Pour des-résistances mécaniques voisines, le 28MCB6 est aussi très largement supérieur en résilience et en allongement. La famille d'aciers alliés selon l'invention, se différencie des aciers alliés existants par une bonne forgeabilité, à froid ou à chaud, par une bonne trempabilité à coeur, entrainant de meilleures caractéristiques mécaniques, satisfaisant aux plus hautes classes de boulonnerie à haute résistance, et une structure cristalline homogène procurant une fiabilité aux tests et mesures ultrasonores et cela pour un coût de composition et d'élaboration bien moins élevé. Par rapport aux aciers mangano-boreux existants ayant des compositions normalisées, de type 20MB6, 25MB5 ou 38MB5, les aciers alliés selon l'invention, de type 28MCB6 ou 30MCB8, possèdent en plus et simultanément les caractéristiques suivantes : trempabilité à l'huile, forgeabilité à chaud ou à froid en fonction de l'indice de la formule de forgeabilité, meilleur indice JOMINY et meilleures caractéristiques mécaniques pour des températures de revenu comprise entre 4350C et 5500C. Bien entendu, ces caractéristiques sont combinées simultanément avec une excellente transparence ultrasonore, une insensibilité à la décarburation superficielle, et une quasi insensibilité à l'hydrogénabilité au cours des opérations de traitement de surface. REVENDICATIONS 1. Acier allié pour boulonnerie à haute résistance à contrôle de serrage par ultrasons de type manégo-boreux caractérisé en ce qu'il comprend, en proportion en poids par rapport au poids total - entre 1,5 et 2,30 Ó de manganèse, - entre 0,26 et 0,32 Ó de carbone, - entre 0,1 et 1,1 de chrome, - entre 0,003 et 0,006 % de bore, - entre 0 et 0,2 % de nickel, - entre 0 et 0,2 % de mobybdène, - entre 0 et 0,1 % de cuivre, - des traces de phosphore inférieures à 0,025 , ÓS - des traces de soufre inférieures à 0,03 , - des traces de silicium inférieures à 0,2 0, - des traces de titane inférieures à 0,005 o - des traces d'aluminium inférieures à 0,04 0 - et pour le solde, du fer formule dans laquelle les composants carbone, manganèse, chrome, nickel et mobybdène satisfont à la formule de trempabilité à coeur suivante 6 C + Mn + Cr + Ni + Mo ? x dans laquelle x est à 3,2 pour des vis forgeable à froidet x est & à 4,5 pour des vis forgeable à chaud. 2. Acier allié selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas de son application aux vis forgeables à chaud il comprend, en proportion en poids par rapport au poids total - de 1,80 à 2,30 % de manganèse, - de 0,29 à 0,32 % de carbone, - de 0,4 à 0,8 % de chrome, - de 0,003 à 0,006 Ó de bore, - de O à 0,2 MÓ de nickel, - de O à 0,2 % de mobybdène, - de O à 0,1 %' de cuivre, - des traces de phosphore, soufre, silicium, titane et aluminium, - et pour solde, du fer, formule dans laquelle les composants carbone, manganèse, chrome, nickel et mobybdène satisfaisants à la formule de trempabilité à coeur suivante 6C + Mn + Cr + Ni + MO 4,5. 3. Acier allié selon la revendication 1 caractérisé en ce que, dans le cas de son application aux vis forgeables à froid,il comprend, en proportion en poids par rapport au poids total, - de 1,5 à 1,75 gÓ de manganèse, - de 0,26 à 0,29 m de carbone, - de 0,1 à 0,3 SÓ de chrome, - de 0,003 à 0,005 % de bore, - de 0 à 0,15 % de nickel, - de O à 0,10 gÓ de cuivre, - des traces de mobybdène, de phosphore, de soufre, de silicium, de titane et d'aluminium, - et pour le solde, du fer, les composants carbone, manganèse, nickel, chrome et mobybdène satisfont à la formule de trempabilité à coeur suivante 6C + Mn + Ni + Cr + MO # 3,2, tandis que les composants manganèse, nickel, chrome et mobybdène satisfont à la formule de forgeabilité suivante Ni + Cr + CU + Mo # 0,4.