Brevet FR2668170A1 — publié le 19920424

PROCEDE D'AMELIORATION DE LA CINTRABILITE DE TUBES DE CUIVRE A L'ETAT DUR PAR TRAITEMENT THERMIQUE DYNAMIQUE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé destiné à améliorer la cintrabilité de tubes de cuivre étirés, à l'état dur. RAPPEL DE L'ART ANTERIEUR Les tubes de cuivre à l'état dur sont utilisés essentiellement dans les installations sanitaires Leur taux d'utilisation en eau sanitaire sous pression à l'intérieur des habitations atteint aujourd'hui 90 %. Dans la présente demande l'expression "tubes de cuivre durs" comprend les tubes de cuivre ou alliages de cuivres susceptibles d'être utilisés entre autres dans les installations sanitaires. La mise en oeuvre de ces tubes nécessite des opérations de cintrage qui s'effectuent soit sur chantier avec des cintreuses manuelles, soit en atelier avec des cintreuses automatiques à commande pneumatique ou hydraulique. Les tubes de cuivres droits sont fabriqués le plus souvent à partir d'une ébauche tubulaire de gros diamètre obtenue par filage à chaud, suivi successivement par un laminage à froid et étirage jusqu'aux dimensions finales sans recuits intermédiaires. De ce fait, les tubes finis durs présentent une ductilité résiduelle très faible et par conséquent l'opération de cintrage risque de générer des criques, des amorces de rupture et même des casses. 2 2668170 Par ailleurs, l'emploi de tubes à l'état recuit est exclu en raison de leur ductilité excessive qui conduit à des déformations inesthétiques dans le cas d'installations o les tubes sont apparents. Les tubes de cuivre utilisés dans les installations sanitaires sont généralement des tubes durs en cuivre désoxydés au phosphore tels que le Cub 2 (Cu-DLP) et le Cubl (Cu-DHP), dont les valeurs moyennes des caractéristiques mécaniques sont les suivantes: * charge à la rupture (Rm) = 450 M Pa * limite élastique (RO 02) = 430 M Pa * allongement à la rupture sur une base de 50 mm (A 50 mm%) = 5 % Par ailleurs, il existe des normes pour les tubes durs de cuivre: selon la norme AFNOR (NF A 51-120), les tubes durs (état H 14) doivent avoir les propriétés suivantes * Rm > 310 M Pa * A > 5 % selon le projet de norme européenne (EN 133/22), les tubes durs doivent avoir les propriétés suivantes * Rm > 290 M Pa * A% > 3 % * HV 5 > 100 (dureté) Il est connu qu'une augmentation de l'allongement traduit une amélioration de la ductilité qui favorise la cintrabilité des tubes en général. On connaît aussi les effets des traitements thermiques sur les propriétés mécaniques telles que la charge à la rupture (Rn) et l'allongement (A%), typiquement représentés par le graphique de la figure 1 qui montre l'évolution de la charge à la rupture (Rn) et de l'allongement (A%) en fonction de la température (T), T étant en abscisse et Rm,A% en ordonnée. La courbe Rm = f(T) (appelé aussi dans la suite de la description "courbe d'adoucissement") tout comme la courbe A = F(T) a une forme en "S" (voir figure 1) Ces courbes ont chacune un point d'inflexion d'abcisse Tpm et TA% respectivement, ces points d'inflexion étant également très voisins du point d'intersection des deux courbes, d'abscisse T. Tous les alliages de cuivre présentent des courbes d'adoucissement caractéristiques, généralement décalées vers les hautes températures Ce décalage est, toutes choses égales par ailleurs, essentiellement dû à la présence des éléments d'addition. D'une manière générale, ce type de graphique montre que la charge à la rupture et l'allongement varient inversement l'un de l'autre et qu'il existe en fait 3 domaines de températures: domaine noté "A": Rm élevé et A% faible (métal écroui) domaine noté "T": domaine transitoire à forte instabilité domaine noté "B": Rm faible et A% élevé (métal recristallisé) Pour l'homme du métier, un traitement thermique de tubes de cuivre durs visant à améliorer la ductilité tout en conservant l'état dur serait à proscrire dans les zones T et B En effet, dans la zone T, les transitions sont d'une part trop brutales (d Rm/d T et d A%/d T trop élevés) et donc difficilement maîtrisables industriellement, et ne permettent pas d'avoir simultanément Rm et A% elevés. Quant'à la zone B, elle est exclue puisqu'elle correspond au domaine d'obtention de tubes recuits ayant une charge à la rupture "faible" et un allongement "élevé". Les traitements connus à ce jour effectués dans la zone A ont conduit à certains résultats Ainsi, la demande française No 83 09942 au nom de la demanderesse décrit un procédé d'amélioration de la cintrabilité de tubes de cuivre durs à l'aide d'un traitement thermique statique de recuit partiel intéressant uniquement la zone corticale du tube, effectué entre 150 et 3500 C et pendant une durée comprise entre 5 minutes et 24 heures Les résultats obtenus après traitement dans un four à air chaud étaient les suivants * Rm = entre 390 et 420 M Pa * A% = entre 4 et 6 % Ces résultats conduisaient à une amélioration significative de la cintrabilité, mais, outre que ce procédé n'était qu'une solution partielle au problème de la cintrabilité puisque ce procédé réduisait le nombre de défauts apparus lors du cintrage mais sans les éliminer totalement, ce procédé avait aussi le défaut d'être relativement long et coûteux, d'être, à l'usage, peu reproductible, et en particulier d'être très sensible au procédé d'obtention des ébauches tubulaires de départ, ce qui a conduit à limiter fortement voire à abandonner son application industrielle. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour premier objet un procédé permettant d'augmenter l'allongement (A%) des tubes de cuivre durs à un niveau suffisant pour que n'apparaissent pas les défauts résultant du cintrage de tubes de cuivre durs selon l'art antérieur, et cela, tout en respectant les normes actuelles ou en préparation sur les tubes de cuivre durs. Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication fiable et économique de tubes de cuivre durs cintrables sans apparition de défauts et donnant des résultats reproductibles quels que soient les procédés de fabrication des tubes de cuivre durs utilisés. DESCRIPTION DE L'INVENTION Selon l'invention, le procédé d'amélioration de la cintrabilité de tubes de cuivre ou alliage de cuivre durs comprend un traitement thermique desdits tubes durs et est caractérisé en ce qu'on fait défiler en continu des tubes durs dans un dispositif de chauffage permettant de porter le tube à une température de traitement comprise entre T Rm- 500 C et T Rm-100 o C pendant une durée comprise entre 0,1 et secondes, T Rm étant la température (OC) à laquelle la courbe d'adoucissement dudit cuivre ou alliage de cuivre, qui donne la charge à la rupture Rm en fonction de la température, présente un point d'inflexion (cette température est appelée température de demi-adoucissement). Selon une modalité préférée de l'invention le dispositif de chauffage est un four à induction ayant une puissance suffisante pour permettre le défilement de tubes à une vitesse comprise entre 30 et 250 m/min. L'homme du métier peut adapter la géométrie de l'inducteur, choisir la puissance et la fréquence pour réaliser l'invention. Dans le cas de tubes de cuivre durs en cuivre désoxydé au phosphore Cub 1 ou Cub 2, la température T Rm correspondant au point d'inflexion de la courbe d'adoucissement Rm = f(T) est voisine de 4700 C (pour un chauffage dynamique par induction), de sorte que la température du traitement selon l'invention est comprise dans ce cas entre 370 et 4200 C. De préférence, la température de traitement est comprise entre 380 et 4150 C. La demanderesse a observé qu'il était avantageux de contrôler l'atmosphère à l'intérieur et à l'extérieur des tubes durs pendant le court laps de temps o ils sont portés à haute température. Ainsi, de préférence, l'atmosphère gazeuse extérieure des tubes durs pendant le chauffage est constituée d'un gaz 6 2668170 neutre alors que celle de l'intérieur des tubes durs contient de l'oxygène Ainsi, l'atmosphère gazeuse à l'intérieur des tubes durs peut être de l'air ou un mélange d'air et d'oxygène en toutes proportions, que l'on peut éventuellement faire circuler. Il est ainsi possible d'une part de diminuer fortement la teneur en résidus de lubrifiant et d'autre part de former une couche mince de Cu 2 O sur la surface intérieure du tube, toutes choses qui améliorent la résistance à la corrosion. L'exemple suivant illustre l'invention sans la limiter On a travaillé avec deux couronnes de tubes durs en Cubl. Ces couronnes, désignées par Cl et C 2 sont constituées d'environ 1200 m de tubes durs, de 14 mm de diamètre extérieur et de 0,94 mm d'épaisseur Leur poids est de 400 Kg. Propriétés mesurées sur ces couronnes couronne Cl couronne C 2 Charge à la rupture Rm (M Pa) 453 + 4 449 _ 5 Allongement A 50 % 4,5 + 0,5 4,0 + 0,5 Carbone résiduel (mg/dm 2) 0,1 + 0,05 0,1 + 0,05 *Teneur en phosphore (ppm) 273 325 Somme d' impuretés (ppm) 30 25 Dans ce tableau, les valeurs de la charge à la rupture, l'allongement et le carbone résiduel sont données avec un intervalle de confiance à 95 %. On a traité les deux couronnes suivant le procédé de l'invention en faisant passer les tubes durs droits dans un four à induction avec les paramètres opératoires suivants: atmosphère à l'intérieur des tubes: air atmosphère à l'extérieur des tubes: azote température visée de traitement: 4000 C durée du traitement: 0,8 s La figure 2 donne le schéma de l'installation Elle comporte une alimentation en tube de cuivre ( 9) dur, droit avec des moyens ( 7) pour assurer un avancement régulier du tube et à vitesse prédéterminée, le passage du tube dans un dispositif de chauffage par induction comprenant le four à induction ( 1) et le générateur ( 6), le passage dans un dispositif de refroidissement ( 2) permettant de faire chuter rapidement la température du tube (trempe). Afin de contrôler l'atmosphère extérieure du tube pendant le traitement thermique, on a fait circuler le tube dans une enceinte ( 3) munie d'une circulation d'azote. L'installation peut comporter, comme représenté schématiquement sur la figure 2, un dispositif de contrôle de la dureté ( 5) qui mesure en continu, au défilé, la dureté du tube traité Comme la dureté varie sensiblement comme la charge à la rupture, il est avantageux d'asservir le temps de séjour et/ou la température de traitement à la dureté mesurée en continu par exemple à l'aide d'un dispositif ( 10) pilotant l'installation de manière automatique en fonction de valeurs de consigne prédéterminées et en fonction des valeurs des paramètres tels que la dureté (schématisé par le capteur 5) ou la température (capteur non représenté sur la figure), ce qui contribue encore à améliorer la fiabilité et la reproductibilité du procédé. L'installation peut comporter un dispositif ( 8) de débitage de tubes durs, droits, de longueur constante prédéterminée. On a mesuré les propriétés des tubes durs traités selon l'invention: 8 2668170 couronne Cl Jcouronne C 2 Charge à la rupture Rm (M Pa) 391 L 1 I 375 i 2 l j Allongement A 50 Allogemnt 50 * 10 + 0,5 9 + 0,-5 *Carbone résiduel (mg/dm 2) 0,04 + 0,005 0,04 + 0,005 On a aussi réalisé des tests de cintrage sur les deux couronnes avant et après le traitement de l'invention avec une cintreuse hydraulique et automatique permettant de faire des cintres de rayon (à la fibre neutre) de 52,5 mm, 49 mm (valeur normalisée), 42 mm, 35 mm et 28 mm Ces rayons correspondent respectivement aux rapports de cintrage (rayon de cintrage/diamètre du tube) 3,75, 3,5, 3,0, 2,5 et 2,0. Le diagramme de la figure 3 résume les résultats: en abscisse est porté le rapport de cintrage (= rayon de cintrage/diamètre du tube) qui varie inversement à la sévérité de cintrage, et en ordonnée est porté le pourcentage de cintrages "bons", c'est à dire ne présentant pas de défaut visible. Chaque point du diagramme correspond à 300 essais de cintrage. Le diagramme comporte 3 courbes la courbe A correspond au tube non traité la courbe B correspond au tube traité selon l'exemple à 4000 C. la courbe C résulte d'un essai réalisé à partir des mêmes tubes durs de départ, avec le dispositif de l'invention mais à 300 'C, c'est à dire à une température plus basse et en dehors du domaine prévu par l'invention. Ces résultats illustrent tout l'intérêt de l'invention et montrent le progrès considérable que l'invention a permis de réaliser en ce qui concerne la cintrabilité de tubes de cuivre ou alliage de cuivre à l'état dur Ce progrès est obtenu à l'aide d'un procédé continu, économique, de bonne fiabilité et reproductibilité des résultats, et peu sensible à la manière dont les tubes ont été élaborés, la composition de l'alliage mise à part, qui a, comme cela a déjà été mentionné, une incidence sur la courbe d'adoucissement de l'alliage et donc sur la valeur de T Rm. Typiquement, l'invention permet d'obtenir de tubes de cuivre ou alliage de cuivre à l'état dur présentant simultanément une charge à la rupture élevée supérieure à 360 M Pa un allongement élevé, supérieur à 8 % entraînant un comportement excellent à la cintrabilité une tenue à la corrosion améliorée d'une part par réduction de la teneur en carbone et d'autre part par formation d'une couche de Cu 20 sur la surface intérieure du tube. De tels tubes de cuivre à l'état dur, aux performances nettement supérieures aux normes en vigueur, présente le plus grand intérêt à la fois d'un point de vue économique et pour l'utilisateur qui doit mettre en forme les tubes par cintrage. DESCRIPTION DES FIGURES La figure 1 est un diagramme représentant l'évolution qualitative de la charge à la rupture Rm (axe des ordonnées à gauche) en fonction de la température T (courbe d'adoucissement de l'alliage), et l'évolution qualitative de l'allongement à la rupture A% (axe des ordonnées à droite) en fonction de la température. La figure 2 schématise une installation pour mettre en oeuvre l'invention qui comporte: des moyens ( 7) pour assurer le déplacement du tube à vitesse constante contrôlée par le dispositif de commande ( 10), un dispositif de chauffage par induction comportant un four à induction ( 1) muni d'une enceinte ( 3) dans laquelle passe le tube ( 9) et dans laquelle circule un gaz neutre 2668170 ( 4), et d'un générateur ( 6) rélié au dispositif de commande ( 10), un dispositif de refroidissement ( 2) permettant une trempe rapide du tube, un appareil de mesure de la dureté ( 5) en continu, relié au dispositif de commande ( 10). A noter que ne figurent pas sur ce schéma, pour ne pas l'alourdir, les capteurs de température et le dispositif permettant d'introduire ou de faire circuler une atmosphère oxydante à l'intérieur du tube. La figure 3 est un diagramme qui traduit les résultats de cintrabilité, avec en ordonnée le pourcentage d'essais de cintrage reconnus bons et en abscisse le rapport "rayon de cintrage / diamètre du tube" Plus ce rapport est petit, plus le cintrage est sévère. La courbe A correspond aux tubes avant le traitement selon l'invention. La courbe B correspond aux tubes obtenus selon l'invention, avec un traitement à 4000 C. La courbe C correspond aux tubes ayant subi un traitement à 300 'C (hors du domaine défini par l'invention). il REVENDICATIONS 1 Procédé d'amélioration de la cintrabilité de tubes de cuivre ou alliage de cuivre durs comprenant un traitement thermique desdits tubes durs caractérisé en ce qu'on fait défiler en continu des tubes durs dans un dispositif de chauffage permettant de porter le tube à une température de traitement comprise entre TRM_ 50 o C et TRM-100 'C pendant une durée comprise entre 0,1 et 10 secondes, T Rm étant la température (OC) à laquelle la courbe d'adoucissement dudit cuivre ou alliage de cuivre, qui donne la charge à la rupture Rm en fonction de la température, présente un point d'inflexion. 2 Procédé selon la revendication 1 dans lequel ledit dispositif est un four à induction ayant une puissance suffisante pour permettre le défilement de tubes à une vitesse comprise entre 30 et 250 m/min. 3 Procédé selon une quelconque des revendications 1 et 2 dans lequel ledit tube de cuivre dur est en cuivre désoxydé au phosphore Cubl ou Cub 2 et chauffé à une température de traitement comprise entre 370 et 420 'C. 4 Procédé selon la revendication 3 dans lequel la température de traitement est de préférence comprise entre 380 et 415 'C. 5 Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel l'atmosphère extérieure des tubes durs pendant le chauffage est constituée d'un gaz neutre alors que celle de l'intérieur des tubes durs contient de l'oxygène. 6 Procédé selon la revendication 5 dans lequel l'atmosphère à l'intérieur des tubes durs contient de l'air ou un mélange d'air et d'oxygène en toutes proportions. 7 Tubes durs en cuivre ou alliage de cuivre obtenus selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 6 qui présentent des propriétés améliorées en cintrabilité 8 Tubes selon la revendication 7 présentant une charge à la rupture Rm supérieure à 360 M Pa et un allongement A% supérieur à 8 %. 9 Tubes selon une quelconque des revendications 5 ou 6 dont la surface intérieure est recouverte d'une couche mince de Cu 20 qui présentent des propriétés améliorées en cintrabilité et en résistance à la corrosion.