Brevet FR2682685A1 — publié le 19930423

La présente invention concerne la fabrication de pièces massives en acier, notamment de tôles fortes, ayant un fort gradient de dureté dans l'épaisseur. Pour certaines applications telles que la fabrication de plateaux chauffants pour presses destinées à l'industrie du bois pressé, on a besoin d'utiliser des tôles de forte épaisseur dont la surface soit très dure et dont le corps soit beaucoup plus doux. En effet, le corps des tôles doit pouvoir être muni de trous obtenus par forage. Pour pouvoir forer les trous sur toute la longueur de la tôle, il est nécessaire que le corps de la tôle ne soit pas trop dur et en tous cas moins dur que ce qui est exigé de la surface qui doit en particulier résister à l'abrasion. Pour réaliser de telles pièces on utilise fréquemment des tôles plaquées mais ces tôles plaquées sont très coûteuses. On peut également utiliser des tôles massives auxquelles on fait subir une trempe interrompue, mais ce procédé est difficile à mettre en oeuvre et surtout conduit à des gradients de dureté coeur-peau limités et en tous cas insuffisants. Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de pièces massives et notamment de tôles fortes à fort gradient de dureté dans l'épaisseur qui soit économique et facile à mettre en oeuvre. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en acier massive, notamment d'une tôle d'acier de forte épaisseur ayant un fort gradient de dureté dans l'épaisseur selon lequel - on place la pièce dans un four dont la température d'indexation est supérieure à la température AC3 de l'acier dont est constituée la pièce, - on contrôle en permanence la température de la surface de la pièce, - dès que la température de la surface dépasse AC3 on retire la pièce du four et on la refroidit rapidement. Le refroidissement peut être fait à l'air ou par trempe à l'eau ou à l'huile. Après refroidissement on peut faire subir à la pièce un revenu. L'invention concerne également une tôle en acier à fort gradient de dureté dans l'épaisseur dont les couches superficielles ont une structure martensitique et la couche interne une structure mixte composée d'ilôts de martensite noyés dans une matrice très fortement adoucie. Un tel procédé est très économique, facile à mettre en oeuvre et permet d'obtenir des tôles ayant un fort gradient de dureté entre le coeur et la peau. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures annexées. La figure 1 est un graphique qui montre la répartition de température à l'intérieur d'une tôle épaisse lors de son chauffage (seule une demi-épaisseur est représentée). La figure 2 est un graphique qui montre la répartition de dureté à l'intérieur d'une tôle obtenue par le procédé selon l'invention. La figure 3 est un abaque qui donne en fonction de l'épaisseur de la tôle, l'écart de température et de dureté qu'on peut obtenir entre le coeur et la peau pour un acier particulier. On sait que les aciers de construction notamment peuvent être soumis à des traitments thermiques qui font changer leur structure micrographique et leurs propriétés mécaniques, notamment la dureté. A basse température l'acier a une structure qui est soit ferrito-perlitique, soit bainitique, soit marten sitique soit un mélange de ces structures ; à haute température l'acier a une structure austénitique. Lorsqu'on chauffe l'acier, la structure ferritoperlitique, bainitique ou martensitique commence à se transformer en austénite à partir d'une température appelée AC1 et finit de se transformer à partir d'une température appelée AC3. Un acier réchauffé au-dessus de AC3 et refroidi suffisamment vite acquiert une structure martensitique très dure. Un tel traitement thermique est appelé trempe. Un acier réchauffé entre AC1 et AC3 et refroidi acquiert une structure mixte contenant par exemple des ilôts de martensite dans une matrice constituée principalement de ferrite et de carbures coalescés et cette structure sera beaucoup moins dure que la martensite. Un tel traitement est appelé traitement intercritique. Un acier réchauffé en-dessous de AC1 et refroidi aura une structure dite revenue, moins dure que la structure initiale. Un tel traitement est appelé revenu. Lorsqu'on réchauffe une pièce massive, notamment une tôle forte en la plaçant dans un four, du fait des lois du transfert de chaleur, la peau s'échauffe plus vite que le coeur et au bout d'un certain temps la température se répartit de façon parabolique à l'intérieur de la tôle comme celà est représenté à la figure 1 (on a représenté la répartition de température en fonction de la position par rapport au coeur pour une demi-épaisseur de tôle). Dans le procédé selon l'invention on utilise ce phénomène de répartition de la température dans l'épais- seur pour réaliser une trempe en surface et un traitement intercritique ou un revenu à haute température dans le coeur de la tôle. Pour celà, on prend une tôle de forte épaisseur et on la place dans un four d'austénitisation dont la température de consigne a été indexée au-dessus de AC3. Ce four peut chauffer la tôle au-dessus de AC3. Pendant tout le chauffage on suit la température de la peau de la tôle. Dès que cette température dépasse AC3, on retire la tôle du four et on la refroidit soit à l'air soit par trempe à l'eau ou à l'huile ou par tout autre moyen de trempe connu de l'homme de métier. Au moment où on retire la tôle du four, la répartition de température dans son épaisseur correspond au graphique de la figure 1. La température de surface Ts est légèrement supérieure à AC3 ; sur une profondeur p sous la surface, la température est également supérieure à AC3 ; à une plus grande profondeur et jusqu'a coeur la température est inférieure à AC3 ; elle est généralement comprise entre AC et AC3 mais peut dans certains cas être inférieure à AC1. Au moment du refroidissement, la zone en peau d'épaisseur p subit une trempe et acquiert une dureté très importante. La zone située à une profondeur supérieure à p subit un traitement intercritique ou un revenu à très haute température et acquiert une dureté beaucoup plus faible que celle de la zone de peau et plus faible que la dureté qu'avait le coeur de la tôle avant le traitement objet de l'invention. On obtient ainsi une répartition de dureté dans l'épaisseur telle que représentée à la figure 2. Le gradient de température au chauffage dépend de l'épaisseur de la tôle et le gradient de dureté dépend à la fois de l'épaisseur et de la composition chimique. L'homme de métier sait déterminer l'influence de ces facteurs. A titre d'exemple on a représenté à la figure 3 un abaque qui donne en fonction de l'épaisseur, l'écart de température coeur-peau au chauffage (Tp - Tc) et l'écart de dureté Vickers AHv pour un acier contenant C : 0,28 % Mn : 0,9 % Mo : 0,2 % Si : 0,3 % Cr : 1 % B : 0,003 %. Pour une tôle de 120 mm d'épaisseur, au chauffage l'écart de température entre la peau et le coeur est de 80"C ; après trempe à l'eau, l'écart de dureté entre la peau et le coeur est de 220 Hv ; la dureté en peau est de 500 Hv environ et la dureté à coeur n'est que de 280 Hv environ. Pour une tôle de 50 mm d'épaisseur, l'écart de température coeur-peau serait de 30"C et l'écart de dureté coeur-peau de 100 Hv seulement. Après avoir réalisé des tôles par le procédé qui vient d'être décrit, il est possible de faire subir aux tôles un revenu, notamment pour rendre la surface moins fragile ou la détensionner. L'homme de métier sait déterminer un tel revenu. Ce revenu se traduit toujours par une diminution de l'écart de dureté coeur-peau. En effet, le revenu n'a que peu d'effet sur le coeur tandis qu'il adoucit de façon importante la peau. Ce procédé est plus particulièrement adapté à des tôles d'épaisseur supérieure à 50 mm. En effet, pour des tôles plus minces l'écart de température coeur-peau est trop faible. Enfin, il peut être appliqué à des pièces de forme quelconque pourvu qu'elles soient suffisamment massive. Les tôles obtenues par le procédé ont une structure qui n'est pas la même en peau et à coeur Si l'acier est suffisamment trempant et si le refroidissement est suffisamment énergique, ce qui est le cas pour l'acier pris en exemple et trempé à l'eau, la peau a une structure martensitique par contre le coeur a une structure mixte qui correspond à des ilôts de marten site noyés dans une matrice ayant une structure très fortement revenue comprenant principalement de la ferrite. En outre, l'écart de dureté peut être encore renforcé en utilisant un mode de refroidissement permettant d'avoir un écart de vitesse de refroidissement entre peau et coeur. Dans ce cas, l'homme de métier sait choisir le mode de refroidissement et adapter l'analyse de 1' acier de telle sorte que la peau austénitisée reste martensitique, et les ilots austénitisés à coeur (dans le domaine intercritique) deviennent, après refroidissement, non plus martensitiques mais bainitiques (plus doux) du fait de la vitesse de refroidissement plus lente. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'une pièce en acier massive notamment d'une tôle d'acier de forte épaisseur à fort gradient de dureté dans l'épaisseur, caractérisé en ce que - on place la pièce dans un four dont la température dtindexation est supérieure à la température AC3 de l'acier dont est constitué la pièce, - on contrôle en permanence la température de la surface de la pièce, - dès que la température de la surface dépasse AC3, on retire la pièce du four et on la refroidit rapidement. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement est fait à l'air. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement est fait par trempe. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la trempe est faite à l'huile ou à l'eau. 5.- Procédé selon les revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'après refroidissement on réalise un revenu de la pièce. 6.- Tôle en acier à fort gradient de dureté dans l'épaisseur caractérisée en ce qu'elle comporte une couche superficielle ayant une structure martensitique et une couche interne ayant une structure mixte comprenant des ilôts de martensite noyés dans une matrice ayant une structure très fortement adoucie par revenu et contenant principalement de la ferrite.