Brevet FR2672827A1 — publié le 19920821

FIL METALLIQUE COMPORTANT UN SUBSTRAT EN ACIER AYANT UNE STRUCTURE DE TYPE MARTENSITE REVENUE ECROUIE, ET UN REVETEMENT ; PROCEDE POUR OBTENIR CE FIL. L'invention concerne les fils en acier et les procédés pour obtenir ces fils. Ces fils sont utilisés par exemple pour renforcer des articles en matières plastiques ou en caoutchouc, notamment des tuyaux, des courroies, des nappes, des enveloppes de pneumatiques. Les fils de ce type couramment utilisés actuellement sont constitués d'acier contenant au moins 0,6 % de carbone, cet acier ayant une structure perlitique écrouie. La résistance à la rupture de ces fils est environ de 2800 MPa (mégapascals), leur diamètre varie en général de 0,15 à 0,35 mm, et leur allongement à la rupture est compris entre 0,4 et 2 %. Ces fils sont réalisés par tréfilage d'un fil de départ, dit "fil machine'l, dont le diamètre est de l'ordre de 5 à 6 mm, la structure de ce fil machine étant une structure dure, constituée de perlite et de ferrite avec un fort taux de perlite qui est en général supérieur à 72 %. Lors de la réalisation de ce fil, on interrompt au moins une fois l'opération de tréfilage pour effectuer un ou plusieurs traitements thermiques qui permettent de régénérer la structure initiale.Après le dernier traitement thermique, un dépôt d'alliage, par exemple de laiton, sur le fil est nécessaire pour que la dernière opération de tréfilage s'effectue correctement. Ce procédé présente les inconvénients suivants - la matière première est coûteuse, car le taux de carbone est relativement élevé - les paramètres ne peuvent pas être modifiés facilement, en particulier le diamètre du fil machine et le diamètre final sont maintenus dans des limites rigides, le procédé manquant donc de souplesse ; - la grande dureté du fil machine due à sa structure fortement perlitique rend le tréfilage difficile, avant le traitement thermique, de telle sorte que le taux de déformation e de ce tréfilage est nécessairement inférieur à 3 ; d'autre part les vitesses de ce tréfilage sont faibles et il peut y avoir des casses du fil lors de cette opération ; - l'opération d'un dépôt d'alliage, par exemple de laiton, est une étape nécessaire au procédé et n'est pas intégrée à l'étape de traitement thermique qui la précède. D'autre part, les fils eux-mêmes ont une résistance à la rupture et une ductilité à la rupture parfois insuffisante, et leur résistance à la fatigue est limitée, par suite probablement d'un endommagement de ces fils lors du tréfilage avant le traitement thermique, à cause de la grande dureté du fil machine. Le but de l'invention est de proposer un fil d'acier écroui et revêtu d'un alliage métallique, l'acier de ce fil ayant une structure non perlitique écrouie et présentant une résistance à la rupture et un allongement à la rupture au moins aussi élevés que les fils d'acier perlitiques écrouis connus, et une meilleure tenue en endurance que les fils connus. Un autre but de l'invention est de proposer pour réaliser ce fil un procédé qui ne présente pas les inconvénients précités. Le fil métallique conforme à l'invention, comportant un substrat et un revêtement, présente les caractéristiques suivantes a) il comporte un substrat en acier ayant une teneur en carbone au moins égale à 0,05 % et au plus égale à 0,6 % b) cet acier présente une structure de type martensite revenue écrouie c) le substrat est revêtu d'un alliage métallique autre que l'acier d) le diamètre du fil est au moins égal à 0,10 mm et au plus égal à 0,40 mm ; e) la résistance à la rupture du fil est au moins égale à 2800 MPa f) l'allongement à la rupture du fil est au moins égal à 0,4 %. Le procédé conforme à l'invention pour produire ce fil en acier revêtu est caractérisé par les points suivants a) on écrouit un fil machine en acier, cet acier ayant une teneur en carbone au moins égale à 0,05 % et au plus égale à 0,6 %, cet acier comportant de 28 % à 96 % de ferrite proeutectoïde et de 72 % à 4 % de perlite ; le taux de déformation e de cet écrouis sage étant au moins égal à 3 b) on arrête l'écrouissage et on effectue un traitement thermique de trempe sur le fil écroui, ce traitement consistant à chauffer le fil au-dessus du point de transformation AC3 pour lui donner une structure d'austénite homogène, puis à le refroidir rapidement au dessous du point de fin de transformation martensitique la la vitesse de ce refroidissement étant au moins égale à 250"C/seconde, de façon à obtenir une structure de martensite en lattes ; c) on effectue ensuite sur le fil un dépôt d'au moins deux métaux susceptibles de former par diffusion un alliage, l'acier servant ainsi de substrat d) on chauffe ensuite le fil à une température au moins égale à 0,3 TF et au plus égale à 0,5 TF, de façon à provoquer la formation, par diffusion, d'un alliage de ces métaux déposés, ainsi que la formation, pour l'acier, d'une structure de martensite revenue, T F étant la température de fusion de l'acier, exprimée en Kelvin e) on refroidit ensuite le fil à une température inférieure à 0,3 TF f) on effectue ensuite un écrouissage sur le fil7 la température du fil lors de cet écrouis sage étant inférieure à 0,3 TF, le taux de déformation e de cet écrouissage étant au moins égal à 1. L'invention concerne également les assemblages comportant au moins un fil conforme à l'invention. L'invention concerne également les articles renforcés au moins en partie par des fils ou des assemblages conformes aux définitions précédentes, de tels articles étant par exemple des tuyaux, des courroies, des nappes, des enveloppes de pneumatiques. L'invention sera aisément comprise à l'aide des exemples de réalisation qui suivent, et des figures toutes schématiques relatives à ces exemples. Sur le dessin - la figure 1 représente la structure de l'acier d'un fil avant les traitements thermiques, lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention - la figure 2 représente la structure de l'acier d'un fil après le traitement thermique de trempe, lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention ; - la figure 3 représente la structure de l'acier d'un fil laitonné, lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention ; - la figure 4 représente la structure de l'acier d'un fil conforme à l'invention. Dans ce qui suit, tous les pourcentages indiqués sont en poids et les mesures de résistance à la rupture et d'allongement à la rupture sont effectuées selon la méthode AFNOR NFA 03-151. Par définition, le taux de déformation e d'un écrouissage est donné par la formule e = Ln SO Ln étant le logarithme népérien, So étant la section initiale du fil avant cet écrouissage et Sf étant la section du fil après cet écrouissage. Le but des exemples qui suivent est de décrire la préparation et les propriétés de trois fils conformes à l'invention. On utilise dans ces exemples un fil machine non écroui de 5,5 mm de diamètre. Ce fil machine est constitué d'un acier dont les caractéristiques sont les suivantes - teneur en carbone : 0,4 % ; - teneur en manganèse : 0,5 % ; - teneur en silicium : 0,2 % ; - teneur en phospore : 0,015 % ; - teneur en soufre : 0,02 % ; - teneur en aluminium : 0,015 % ; - teneur en azote : 0,005 % ; - teneur en chrome : 0,05 % ; - teneur en nickel : 0,10 % ; - teneur en cuivre : 0,10 % - teneur en molybdène : 0,01 % ; - teneur en ferrite proeutectoïde : 53 % ; - teneur en perlite : 47 % - température de fusion de l'acier, T F : 1795 K ; - point de fin de transformation martensitique MF : 150 C ; - résistance à la rupture Rm : 700 a ; - allongement à la rupture Ar: 17 % On réalise avec ce fil machine trois fils conformes à l'invention de la façon suivante Exemple I On décalamine le fil machine, on l'enduit d'un savon de tréfilage, par exemple du borax, et on tréfile à sec pour obtenir un fil de diamètre 1,1 mm, ce qui correspond à un taux de déformation e légèrement supérieur à 3,2. Le tréfilage est réalisé facilement grâce à la structure relativement ductile du fil machine. A titre d'exemple, un acier à 0,7 % de carbone non écroui présente une résistance à la rupture R d'environ 900 MPa et un allongement à la rupture m A r de 8 % environ, c'est-à-dire qu'il est nettement moins ductile. A titre d'exemple, ce tréfilage est effectué à une température inférieure à 0,3 TF, dans un but de simplification, bien que cela ne soit pas indispensable, la température de tréfilage pouvant éventuellement égaler ou dépasser 0,3 TF La figure 1 représente la coupe d'une portion 1 de la structure du fil ainsi obtenue. Cette structure est constituée de blocs allongés 2 de cémentite et de blocs allongés 3 de ferrite, la plus grande dimension de ces blocs étant orientée dans la direction de tréfilage. On effectue alors sur le fil ainsi obtenu les traitements thermiques suivants - on chauffe le fil par convection dans un four à mouffle pour le porter à 950"C, c'est-à-dire au dessus du point de transformation AC3, et on le maintient pendant 30 secondes à cette température de façon à obtenir une structure d'austénite homogène - on refroidit ensuite le fil, dans un anneau gazeux, produit par une turbine, jusqu'à une température de 75"C, c'est-à-dire en dessous du point de fin de transformation martensitique MF (Martensite Finish) en moins de 3,5 secondes de façon à obtenir une structure en lattes. La figure 2 représente une coupe d'une portion 4 de la structure 5 de martensite en lattes du fil ainsi obtenu. Le fil est ensuite dégraissé. Ensuite on le cuivre, puis on le recouvre de zinc par voie électrolytique à la température ambiante. On le traite ensuite thermiquement par effet joule à 540"C pendant 2,5 secondes, puis on le refroidit à la température ambiante (environ 20"C). Ce dernier traitement permet d'obtenir du laiton par diffusion du cuivre et du zinc, ainsi qu'une structure martensitique revenue de l'acier. L'épaisseur de cette couche de laiton est faible (de l'ordre du m) et elle est négligeable par rapport au diamètre du fil avant laitonnage. La figure 3 représente une coupe d'une portion 6 de la structure du fil ainsi obtenu. Cette structure, de type martensitique revenue, est constituée de précipités de carbures 7, répartis de façon pratiquement homogène dans une matrice 8 de type ferritique. Cette structure est obtenue grâce aux traitements thermiques précédents, et elle est conservée lors du refroidissement à la température ambiante. Les précipités 7 ont en général des dimensions au moins égales à 0,005 m (micromètre) et au plus égales à 1 Mm. On réalise ensuite un tréfilage humide de ce fil de façon à obtenir un diamètre final de 0,2 mm, ce qui correspond pratiquement à e = 3,4. La température du fil, lors de ce tréfilage, est nécessairement inférieure à 0,3 TF La figure 4 représente une coupe longitudinale de la portion 9 de ce fil conforme à l'invention ainsi obtenu. Cette portion 9 présente une structure de type martensite revenue écrouie constituée de carbures 10 de forme allongée qui sont pratiquement parallèles entre eux et dont la plus grande dimension est orientée selon l'axe du fil, c'est-à-dire selon la direction de tréfilage schématisée par la flèche F à la figure 4. Ces carbures 10 sont disposés dans une matrice écrouie 11. Ce fil conforme à l'invention a une résistance à la rupture de 3000 MPa et un allongement à la rupture de 0,7 %. Exemple 2 On décalamine le fil machine, on l'enduit d'une couche de savon de tréfilage, par exemple du borax, et on le tréfile à sec pour obtenir un fil de diamètre 0,9 mm, ce qui correspond à un taux de déformation e légèrement supérieur à 3,6. La structure obtenue est analogue à celle représentée à la figure 1. On effectue alors sur le fil ainsi obtenu les traitements thermiques suivants On chauffe le fil par effet joule pour le porter à 1000"C, pendant 3 secondes, c'est-à-dire au dessus du point de transformation AC3 de façon à obtenir une structure d'austénite homogène.On refroidit ensuite le fil dans un bain d'huile jusqu'à une température de 100 C, c'est-à-dire en dessous du point de fin de transformation MF, en moins de 3 secondes de façon à obtenir une structure martensitique en lattes conforme à la figure 2. Le fil est ensuite dégraissé. Ensuite on le cuivre, puis on le recouvre de zinc par voie électrolytique à la température ambiante. On le traite ensuite thermiquement par effet joule à 540"C pendant 2,5 secondes, puis on le refroidit à la température ambiante, ces traitements étant identiques à l'exemple 1. La structure obtenue pour ce fil ainsi laitonné est analogue à celle représentée à la figure 3. On tréfile alors le fil par voie humide de façon à obtenir un diamètre final de 0,17 mm, ce qui correspond pratiquement à e = 3,3. La température du fil lors de ce tréfilage est inférieure à 0,3 TF Le fil conforme à l'invention ainsi obtenu a une structure analogue à celle représentée à la figure 4. Ce fil a une résistance à la rupture égale à 2850 MPa et un allongement à la rupture égal à 1 %. Exemple 3 Un fil de diamètre 1,1 mm obtenu de la même façon que dans l'exemple 1 par tréfilage du fil machine est chauffé par effet joule à 1000"C, pendant 3 secondes, c'est-à-dire au dessus du point de transformation AC3 de façon à obtenir une structure d'austénite homogène. On refroidit ensuite le fil, dans un anneau gazeux produit par une turbine, jusqu'à une température de 100"C, c'est-à-dire en dessous du point de fin de transformation en moins de 3 secondes, de façon à obtenir une structure martensitique en lattes. Le fil est ensuite cuivré puis zingué par voie électrolytique, à la température ambiante puis traité thermiquement par effet joule à 500"C pendant 5 secondes. On le refroidit ensuite à la température ambiante, le fil ainsi laitonné est alors tréfilé par voie humide jusqu'au diamètre 0,17 mm, ce qui correspond pratiquement à e = 3,7. Ce fil, conforme à l'invention a une résistance à la rupture égale à 3200 MPa et un allongement à la rupture égal à 0,6 %. Les structures intermédiaires et la structure finale sont analogues aux structures précédemment décrites. L'invention présente les avantages suivants - on part d'un fil machine à faible taux de carbone, et donc d'un coût peu élevé - on bénéficie d'une grande souplesse dans le choix des diamètres des fils, c'est ainsi par exemple qu'on peut utiliser des fils machines dont le diamètre est notablement supérieur à 6 mm, ce qui réduit encore les coûts, et on peut réaliser des fils très variés en diamètre - le tréfilage avant les traitements thermiques est relativement aisé, de telle sorte que le taux de déformation e de ce tréfilage peut être supérieur à 3 ; d'autre part, ce tréfilage peut être réalisé avec des vitesses élevées ; enfin on réduit la fréquence des casses de fils et des changements de filières, ce qui réduit encore les coûts - le traitement de diffusion pour obtenir l'alliage est effectué en même temps que le revenu du fil, ce qui évite une opération supplémentaire de diffusion et limite donc les coûts de fabrication tout en permettant un traitement global en ligne du fil, depuis le fil machine jusqu'au fil final ; - le fil obtenu présente une résistance à la rupture et un allongement à la rupture de valeurs au moins égales à celles des fils classiques, ce qui se traduit donc par une énergie de rupture au moins égale à celle des fils classiques ; - le fil est moins endommagé lors du tréfilage avant traitement thermique, ce qui lui permet d'avoir une meilleure tenue en endurance ;; - le fil obtenu présente une meilleure résistance à la corrosion que les fils classiques par suite de sa faible teneur en carbone. De préférence, l'acier du fil conforme à l'invention, et donc le fil machine de départ, a une teneur en carbone au moins égale à 0,2 % et au plus égale à 0,5 %. De préférence, dans l'acier du fil conforme à l'invention et donc dans le fil machine de départ, on a les compositions suivantes : 0,3 % # Mn P Avantageusement dans l'acier du fil conforme à l'invention et donc dans le fil machine de départ, on a les compositions suivantes : Cr # 0,06 % ; Ni ( 0,15 % ; Cu # 0,15 % ; Mo # 0,015 %. De préférence, dans le procédé conforme à l'invention, on a au moins une des caractéristiques suivantes - le fil machine de départ a une teneur en ferrite proeutectoïde au moins égale à 41 %, et au plus égale à 78 % et une teneur en perlite au moins égale à 22 % et au plus égale à 59 % - le taux de déformation e lors de l'écrouissage avant les traitements thermiques est au moins égal à 3,2 et au plus égal à 6 ; - le taux de déformation e lors de l'écrouissage final après les traitements thermiques est au moins égal à 3 et au plus égal à 5. L'écrouissage du fil dans les exemples précédents est réalisé par tréfilage, mais d'autres techniques sont possibles, par exemple un laminage, associé éventuellement à un tréfilage, pour au moins une des opérations d'écrouissage. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation précédemment décrits, c'est ainsi par exemple que l'invention s'applique aux cas où on réalise un alliage autre que le laiton, avec deux métaux, ou plus de deux métaux, par exemple les alliages ternaires cuivre - zinc - nickel, cuivre - zinc - cobalt, cuivre - zinc - étain, l'essentiel étant que les métaux utilisés soient susceptibles de former un alliage, par diffusion, à une température au moins égale à 0,3 T F et au plus égale à 0,5 TF. REVENDICATIONS 1. Fil métallique comportant un substrat et un revêtement, ce fil présentant les caractéristiques suivantes a) il comporte un substrat en acier ayant une teneur en carbone au moins égale à 0,05 % et au plus égale à 0,6 % b) cet acier présente une structure de type martensite revenue écrouie ; c) le substrat est revêtu d'un alliage métallique autre que l'acier ; d) le diamètre du fil est au moins égal à 0,10 mm et au plus égal à 0,40 mm ; e) la résistance à la rupture du fil est au moins égale à 2800 MPa ; f) l'allongement à la rupture du fil est au moins égal à 0,4 %. 2. Fil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier a une teneur en carbone au moins égale à 0,2 % et au plus égale à 0,5 %. 3. Fil métallique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'acier vérifie les relations suivantes : 0,3 % s Mn # 0,6 % ; 0,1 % # Si P 4. Fil métallique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'acier vérifie les relations suivantes : Cr Ni # 0,15 % ; Cu ( 0,15 % ; Mo # 0,015 %. 5. Fil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'alliage métallique est un laiton. 6. Procédé pour obtenir le fil conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par les points suivants a) on écrouit un fil machine en acier, cet acier ayant une teneur en carbone au moins égale à 0,05 % et au plus égale à 0,6 %, cet acier comportant de 28 % à 96 % de ferrite proeutectoïde et de 72 % à 4 % de perlite ; le taux de déformation e de cet écrouissage étant au moins égal à 3 ; b) on arrête l'écrouissage et on effectue un traitement thermique de trempe sur le fil écroui, ce traitement consistant à chauffer le fil au-dessus du point de transformation AC3 pour lui donner une structure d'austénite homogène, puis à le refroidir rapidement au dessous du point de fin de transformation martensitique MF, la vitesse de ce refroidissement étant au moins égale à 250"C/seconde, de façon à obtenir une structure de martensite en lattes ; c) on effectue ensuite sur le fil un dépôt d'au moins deux métaux susceptibles de former par diffusion un alliage, l'acier servant ainsi de substrat ; d) on chauffe ensuite le fil à une température au moins égale à 0,3 T F et au plus égale à 0,5 TF, de façon à provoquer la formation, par diffusion, d'un alliage de ces métaux déposés, ainsi que la formation, pour l'acier, d'une structure de martensite revenue, T F étant la température de fusion de l'acier, exprimée en Kelvin ; e) on refroidit ensuite le fil à une température inférieure à 0,3 TF f) on effectue ensuite un écrouissage sur le fil, la température du fil lors de cet écrouissage étant inférieure à 0,3 TF, le taux de déformation z de cet écrouissage étant au moins égal à 1. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le fil machine de départ a une teneur en carbone au moins égale à 0,2 % et au plus égale à 0,5 %. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le fil machine vérifie les relations suivantes : 0,3 % ( Mn P 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fil machine vérifie les relations suivantes Cr # 0,06 % ; Ni # 0,15 % ; Cu # 0,15 % ; Mo # 0,015 %. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le fil machine de départ a une teneur en ferrite proeutectoïde au moins égale à 41 % et au plus égale à 78 %, et une teneur en perlite au moins égale à 22 % et au plus égale à 59 %. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le taux de déformation e lors de l'écrouissage avant les traitements thermiques est au moins égal à 3,2 et au plus égal à 6. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que l'écrouissage final après les traitements thermiques est au moins égal à 3 et au plus égal à 5. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que le dépôt effectué sur le fil, après traitement thermique de trempe, est un dépôt de cuivre et de zinc. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 13, caractérisé en ce qu'au moins un écrouissage est effectué au moins en partie par tréfilage. 15. Assemblage comportant au moins un fil conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5. 16. Article renforcé avec au moins un fil conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5. 17. Article renforcé avec au moins un assemblage conforme à la revendication 15. 18. Article selon l'une quelconque des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce qu'il est une enveloppe de pneumatique.