Brevet FR2635336A1 — publié le 19900216

La présente invention concerne une bague pour rou- lement, essentiellement formée d'acier au carbone pour construction. Contrairement à d'autres parties de machine de pré- cision, une bague de roulement à billes et à rouleaux ou une bague de coussinet (appelée dans la suite bague de - roulement) est soumise à une contrainte de contact extrê- mement élevée. En conséquence, les bagues de roulement doivent avoir une excellente résistance-à la fatigue sous charge (appelée "durée de vie sous charge" ou tout simple- ment dans la suite "durée"). Un acier pour roulement au chrome et à teneur élevée en carbone contenant 0,95 à 1,10 % de carbone, 1,30 à 1,60 % de chrome, 0,15 à 0,35 % de silicium, 0,50 % au maximum de manganèse, 0, 025 % au maximum de phosphore et 0,025 % au maximum de soufre, en poids (équivalant à l'acier SUJ2 de la norme JIS) a été utilisé essentiellement afin que cette résistance élevée à la fatigue sous charge soit obtenue. Etant donné que l'acier précité au chrome à teneur élevée en carbone pour roulement contient des éléments d'alliage abondants, une ségrégation des éléments d'alliage apparait dans l'opéra- tion de solidification au cours de la fabrication de l'acier. L'élimination de cette ségrégation nécessite un traitement d'égalisation dans lequel l'acier est chauffé à une température élevée pendant une longue durée (par exemple à 1200 OC pendant 12 h). En outre, le coût de l'acier est élevé car il contient du chrome. Dans le cas des applications peu contraignantes à certains roulements, de l'acier au carbone pour construc- tion (moins coûteux que l'acier au chrome à teneur élevée en carbone pour roulement) contenant 0,45 à 0,65 % de car- bone (équivalant aux aciers S45C et S55C de la norme JIS) est parfois utilisé après que la surface de la bague de roulement a été trempée après chauffage par induction. Cependant, l'acier au carbone pour construction a des pro- priétés inférieures à celles de l'acier au chrome à teneur élevée en carbone pour roulement en ce que la durée du premier est inférieure à la moitié de celle du second. A titre d'aboutissement de diverses études et expé- riences concernant les bagues de roulement essentiellement formées d'acier moins coûteux que l'acier au chrome à teneur élevée en carbone pour roulement et dont la durée est égale à celle de l'acier au chrome à teneur élevée en carbone pour roulement, -'invention concerne une bague pour roulement essentiellement formée d'acier au carbone de construction et remplissant les conditions précitées. Plus précisément, l'invention concerne une bague pour roulement formée d'acieZ contenant 0,60 à 0,85 % en poids de carbone, 0,5 à 1,0 % en poids, séparément ou au total, de silicium et d'aluminium, et au maximum 13 ppm d'oxygène, la bague de roulement étant refroidie brusque- ment puis recuite afin qu'elle contienne au maximum 15 % d'austénite conservée, et la dureté HRC de la bague est comprise entre 60 et 63. Les structures et propriétés de l'acier au carbone pour construction selon l'invention sont résumées de la manière suivante. (i) La teneur en carbone de l'acier au carbone pour construction est réglée entre celle de l'acier à teneur moyenne en carbone et l'acier à teneur élevée en carbone. (ii) Silicium et aluminium, seuls ou en combinaison, présents en quantité comprise entre 0,5 et 1,0 % en poids, séparément ou au total, sont ajoutés afin qu'ils augmentent la résistance à l'adoucissement par recuit si bien que l'acier peut être recuit à une température supérieure à la température normale de recuit. En outre, la dureté de l'acier est portée à une valeur HRC supérieure ou égale à et de préférence comprise entre 60 et 63. La durée de l'acier au carbone pour construction est prolongée afin qu'elle soit égale à celle de l'acier au chrome à teneur élevée en carbone pour roulement. (iii) La stabilité dimensionnelle de l'acier au carbone pour construction ainsi que sa durée sont accrues par le recuit précité à température élevée. (iv) L'austénite conservée est réduite à une valeur inférieure ou égale à 15 % de manière que la durée de vie soit longue et que la stabilité dimensionnelle soit excellente. (v) La teneur en oxygène est réduite à une valeur inférieure ou égale à 13 ppm afin que la résistance à la fatigue par fissuration soit accrue. (vi) La teneur en silice est limitée à 1,0 % afin que la résistance à la rouille soit conservée dans la gamme des applications pratiques. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui -va suivre, faite en référence aux dessins annexes sur lesquels: la figure l(a) est un graphique représentant la relation entre la température de recuit et la dureté de l'acier au carbone pour construction contenant 0,8 % de carbone, avec addition de silicium et d'aluminium; la figure l(b) est un graphique représentant la relation entre la température de trempe et la dureté d'un acier au carbone pour construction contenant 0,65 % de carbone, avec addition de silicium et d'aluminium; la figure 2 est un graphique représentant la rela- tion entre la quantité totale de silicium et d'aluminium ajoutée à l'acier au carbone pour construction et la réduc- tion de dureté (AH - dureté après recuit à 180 C - dureté après recuit à 260 'C); la figure 3 est un graphique représentant la rela- tion entre la résistance à la rouille et la quantité de Si ajoutée dans un acier au carbone pour construction conte- nant du silicium seul ou A la fois du silicium et de l'aluminium; la figure 4 est un graphique représentant la rela- tion entre la teneur en aluminium de l'acier au carbone pour construction contenant 0,8 % de carbone et la durée de l'acier; la figure-5 est un graphique représentant la rela- tion entre la teneur en oxygène de l'acier classique au chrome à teneur élevée en carbone et la longueur des inclu- sions non métalliques formées aux surfaces de fracture, les points représentant la moyenne de cinq mesures; la figure 6 est un graphique représentant la rela- tion entre les longueurs des inclusions non métalliques et la résistance à la fatigue par fissuration de l'acier au carbone pour construction; la figure 7 est un graphique représentant la rela- tion entre la dureté et la durée d'un acier au carbone pour construction selon l'invention, par rapport à l'acier au carbone pour construction de la technique antérieure; et la figure 8 est un graphique représentant la rela- tion entre le temps de séjour et le rapport de variation dimensionnelle de l'acier au carbone pour construction des échantillons du tableau donné dans la suite de la description. On considère maintenant en détail l'action des élé- ments contenus dans l'acier de la bague pour roulement selon l'invention. (i) Carbone Il faut au moins 0,60 % de carbone pour obtenir une dureté suffisante par refroidissement brusque et recuit (bien que cette quantité ne soit pas représentée). Lors- qu'une grande quantité de carbone est incorporée cependant, un traitement d'adoucissement est nécessaire (traitement thermique réalisé par exemple à 1200 C pendant 12 h afin que la ségrégation du carbone et des éléments d'alliage créée pendant la solidification soit supprimée). On a cons- taté expérimentalement que le traitement d'adoucissement n'était pas nécessaire lorsque la teneur en carbone était inférieure ou égale à 0,85 %. Ainsi, la teneur en carbone peut être comprise entre 0,60 et 0,85 %. (ii) Silicium, aluminium Les figures l(a) et l(b) représentent l'effet du silicium seul, de l'aluminium seul ou du silicium et de l'aluminium ensemble sur la résistance à l'adoucissement au recuit entre 180 et 260 C, c'est-à-dire au-delà de la température normale de recuit de 170 OC. La résistance de l'acier ne contenant que Si est soit presque égale soit légèrement supérieure à celle de l'acier contenant de l'aluminium. Comme l'indique la figure 2, la résistance à l'adou- c.ssement par recuit est la plus grande lorsque la quantité totale de silicium et d'aluminium augmente. L'effet est important lorsque la quantité totale est supérieure ou égale à 0,5 %. Cependant, lorsque la quantité totale de silicium et d'aluminium augmente, l'usinabilité de l'acier diminue et un traitement d'adoucissement est nécessaire, bien que ceci ne soit pas représenté. En conséquence, la limite supérieure de la quantité totale doit être de 1 %. La figure 3 représente l'effet du silicium seul sur la résistance à la rouille. La résistance à la rouille diminue brutalement lorsque la quantité de silicium dépasse 1 %. En conséquence, la limite supérieure du silicium doit être de 1 %. Lorsque seul de l'aluminium est contenu, il n'affecte pas de façon nuisible la résistance à la rouille, bien que cela ne soit pas représenté. Cependant, lorsque la-quantité d'aluminium augmente, la propreté de l'acier diminue. Comme représenté sur la figure 4, la durée de vie de l'acier contenant 1,5 % d'aluminium est nettement inférieure à celle de l'acier contenant 1,0 % d'aluminium. En consé- quence, la limite supérieure de la quantité d'aluminium est de 1,0 %. Ainsi, la quantité totale de silicium seul, d'aluminium seul ou de silicium et d'aluminium doit être comprise entre 0,5 et 1,0 %. (iii) Manganèse, chrome En plus des éléments d'alliage précités ayant les effets positifs indiqués, l'addition de quantités conve- nables de manganèse et de chrome à l'acier au carbone pour construction d'un type qui doit avoir une longue durée de vie a été réalisée afin que les performances après refroi- dissement brusque soient accrues. L'acier selon l'invention peut aussi contenir du manganèse et du chrome, selon l'épaisseur des organes pour roulement, pourvu que les teneurs soient comprises dans les plages utilisées habi- tuellement. Cependant, le chrome ne doit pas dépasser 1,0 * afin qu'un traitement d'adoucissement ne soit pas néces- saire, et le manganèse ne doit pas dépasser 0,5 * pour des raisons de rentabilité. (iv) Oxygène Dans le cas de l'acier au chrome à teneur élevée en carbone pour roulement (SUJ2 de la norme JIS), on sait que la quantité des inclusions non métalliques est faible de manière stable lorsque la teneur en oxygène est inférieure ou égale à 13 ppm comme l'indique la figure 5. Dans le cas de l'acier au carbone pour construction, la résistance à la fatigue par fissuration augmente notablement lorsque la longueur des inclusions est inférieure ou égale à 2,0 mm comme indiqué sur la figure 6. Compte tenu de la techno- logie actuelle de fabrication de l'acier, la relation entre la teneur en oxygène et les inclusions non métalliques de l'acier au carbone pour construction est considérée comme presque la même que celle qui est représentée sur la figure 5. Ainsi, la teneur en oxygène de l'acier selon l'invention doit être de 13 ppm. (v) Dureté Comme l'indique la figure 7, la durée de vie de l'acier au carbone pour construction est raccourcie lorsque la dureté HRC tombe audessous de 60. Au contraire, si la dureté dépasse 63, la durée est aussi raccourcie. Ainsi, on peut dire simplement que la plage de dureté HRC doit être comprise entre 60 et 63 afin que la durée de vie soit longue. Cependant, même lorsque la dureté dépasse 63, lorsque le recuit est réalisé à la température normale de recuit de 170 C, la dureté peut être réduite entre 60 et 63 par élévation de la température de recuit. (vi) Austénite conservée L'élévation de la température de recuit afin que la dureté ne soit pas trop réduite est souhaitable pour l'ob- tention d'une longue durée et d'une bonne stabilité dimen- sionnelle. Dans le cas de l'acier selon l'invention, il est évident, d'après les explications qui précèdent, que la résistance à l'adoucissement par recuit est accrue par le silicium et l'aluminium contenus dans-l'acier et le recuit est ainsi possible à une température accrue. Le tableau qui suit indique la relation entre la quantité d'austénite retenue et la dureté dans le cas de l'acier au carbone pour construction. Dans ce tableau, la limite supérieure d'aus- ténite retenue doit être de 15 % afin que la dureté HRC reste à 62. Tableau - austénite retenue (%) et dureté Température 0,65 % C, 0,8 % Si 0,80 % C, 0,8 % Si de recuit C 11 % à 13% 13 % à 15 % (HRC 61 à 62) (HRC 62 à 63) 200 C 7 % à9 9 % 9% à 11% (HRc 60 à 61) (HRC 61,5 à 62) La figure 8 représente la relation entre le temps de séjour ou de retenue et le rapport de variation dimension- nelle des bagues pour roulement qui ont été recuites à la température normale de recuit de 170 OC. Le rapport de variation dimensionnelle de l'acier au carbone pour cons- truction selon l'invention est inférieur à celui de l'acier au carbone à teneur élevée en carbone pour roulement de type connu (SUJ2 de la norme JIS) aux deux températures de séjour de 150 et 120 OC. Lorsque ce fait est rapproché des résultats du tableau, il en résulte que l'austénite retenue doit être inférieure ou égale à 15 % afin que les bagues pour roulement aient une longue durée de vie et une grande stabilité dimensionnelle, pourvu que les bagues pour rou- lement soient recuites à la température normale de recuit de 170 OC. Comme décrit précédemment, l'invention permet la réalisation d'une bague pour roulement ayant une longue durée de vie, égale à celle des bagues formées d'acier au chrome à teneur élevée en carbone pour roulement, et ayant une meilleure stabilité dimensionnelle, une meilleure résistance à la fatigue par fissuration et une meilleure résistance à la rouille, par augmentation de la résistance à l'adoucissement par trempe, malgré le fait que la bague pour roulement soit essentiellement formée d'acier au car- bone pour construction qui est moins coQteux que l'acier au chrome à teneur élevée en carbone pour roulement. Ainsi, l'invention permet l'utilisation de l'acier au carbone pour construction dans la réalisation de bagues de roulement, et présente ainsi de nombreux avantages. REVENDICATIONS 1. Bague pour roulement, caractérisée en ce qu'elle est formée d'acier contenant 0,60 à 0,85 % en poids de carbone, 0,5 à 1,0 % en poids de silicium seul, d'aluminium seul ou de silicium et d'aluminium considérés ensemble, et au maximum 13 ppm d'oxygène, la bague pour roulement étant trempée puis recuite afin qu'elle contienne au maximum 15 % d'austénite. 2. Bague pour roulement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient au maximum 1,0 % en poids de chrome. 3. Bague pour roulement selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisée en ce que la dureté HRC de la bague pour roulement est supérieure ou égale à 60 et est de préférence comprise entre 60 et 63. 4. Bague pour roulement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient 0,60 à 0,85 % de car- bone, 0,8 % de silicium et 7 à 15 % d'austénite retenue, et la dureté HRC de la bague pour roulement est comprise entre 60 et 63. 5. Bague pour roulement selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle contient 0,80 % de carbone, 0,8 % de silicium et 13 à 15 % d'austénite retenue, et la dureté HRC de la bague pour roulement est comprise entre 62 et 63. 6. Bague pour roulement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la bague pour roulement est une bague pour roulement à billes ou à rou- leaux ou pour coussinet.