Brevet FR2721542A1 — publié le 19951229

La présente invention concerne un procédé pour réaliser une pièce mécanique allégée usinable et susceptible de subir un traitement de surface tel qu'une nitruration. La réduction du poids des pièces de véhicule est un des buts principaux de l'industrie automobile. Cette réduction de poids concerne en particulier les pièces oscillantes du moteur des véhicules comme par exemple les bielles qui, en état de mouvement, génèrent un moment d'inertie qui doit être compensé par des masses placées sur le vilebrequin. La réduction des masses en mouvement peut être apportée notamment par une augmentation des caractéristiques mécaniques des matériaux utilisés dans la fabrication des pièces. II existe différents types de fabrication de pièces mécaniques comme par exemple le forgeage à chaud, à mi-chaud, à froid, le moulage, le compactage de poudres suivi d'un frittage et d'un forgeage. Pour ces types de fabrication, les matériaux utilisés sont en général soit des fontes de caractéristiques mécaniques médiocres, nécessitant des volumes de pièces relativement importantes, générant du poids, soit des aciers de hautes caractéristiques mécaniques et difficilement usinables, soit des poudres d'acier frittées donnant des pièces particulièrement fragiles. Dans tous les cas, les pièces obtenues sont, du point de vue de leurs caractéristiques mécaniques, totalement homogènes et de caractéristique mécanique en traction Rm inférieure à 1000 MPa. Le but de l'invention est de proposer un procédé pour réaliser une pièce mécanique allégée, usinable, de caractéristiques mécaniques en traction élevées, procédé dans lequel - on forme une ébauche à partir d'un acier ayant la composition pondérale suivante carbone : nickel : - 5] % aluminium : l1 - 5] % manganèse: [0,5 - 3] % soufre : [0,020 - 0,100] % le reste étant du fer et des impuretés inhérentes à l'élaboration, - on usine l'ébauche pour réaliser les parties mécaniques de la pièce nécessitant des dimensions avec tolérances, - on soumet tout ou partie de la pièce à une élévation de température, traitement thermique conférant à tout ou partie de la pièce une caractéristique mécanique en traction supérieure à 1000 MPa et une résilience inférieure à 8 J/cm2. Les autres caractéristiques de l'invention sont - on forme une ébauche à partir d'un acier dont la composition comprend, en outre, les éléments suivants choisis seuls ou en combinaison chrome : molybdène: cuivre : [0 - 3,5] % phosphore : L'invention concerne également une bielle, notamment de moteur à combustion interne, obtenue par le procédé, constituée d'un corps, d'un pied et d'une tête de bielle, le pied et la tête de bielle formant paliers destinés à recevoir un coussinet, ladite bielle étant composée de deux éléments assemblés l'un avec l'autre le long d'une surface de jointure et immobilisés par un moyen de liaison. - les caractéristiques de la bielle sont - elle est réalisée en acier dont la composition est la suivante carbone : nickel : [1 - 5] % aluminium : [1 - 5] % manganèse: [0,5 - 3] % soufre : [0,020 0,100] % le reste étant du fer et des impuretés inhérentes à l'élaboration. - L'acier avec lequel la bielle est réalisée comprend, dans sa composition, en outre et en proportion, au moins un des éléments suivants chrome : molybdène: cuivre : [0 - 3,5] % phosphore : J/cm2 permettant une fabrication de la bielle en une pièce susceptible d'être cassée pour former deux éléments, tels que corps de bielle et chapeau de tête de bielle. La description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre l'invention. Le procédé selon l'invention permet la réalisation d'une pièce mécanique allégée, facilement usinable et qui acquiert entièrement ou localement des caractéristiques mécaniques particulièrement élevées après un traitement de revenu qui suit l'usinage. Selon le procédé, et dans un exemple d'application - on forme à chaud une ébauche à partir d'un acier ayant la composition pondérale suivante carbone : nickel : [1 - 5] % aluminium : [1 - 5] % manganèse : [0,5 - 3] % soufre : [0,020 - 0,100] % le reste étant du fer et des impuretés inhérentes à l'élaboration. L'ébauche a, à ce stade du procédé, une dureté de 200 à 300 HV et une résilience supérieure à 100 J/cm2. On usine du fait de ces caractéristiques, aisément, L'ébauche pour réaliser les parties mécaniques de la pièce nécessitant des dimensions avec des tolérances telles que palier, maneton, axe. La pièce étant usinée, on soumet tout ou partie de ladite pièce à un traitement thermique de revenu qui confère à tout ou partie de la pièce des caractéristiques mécaniques en traction supérieures à 1000 MPa et également une résilience inférieure à 8 J/cm2. Un acier de faible résilience, pour la réalisation de pièces mécaniques supportant des efforts, est considéré comme inacceptable, car il a l'inconvénient de rendre les pièces ainsi réalisées fragiles. Or la demanderesse a constaté que dans bon nombre d'applications, comme par exemple, dans le domaine de l'automobile, il est couramment utilisé des pièces en fontes dont la grande fragilité ne semble pas être mise en question. De ce fait, un acier, même fragile, peut être utilisé dans la réalisation de pièces qui jusqu'à présent étaient traditionnellement en fonte, comme par exemple, des bielles, des vilebrequins, des bras de suspension, des chapes. Selon l'invention, on effectue sur la pièce le traitement de revenu, dans un intervalle de températures compris entre 300 et 7000C pendant un temps pouvant varier de 1 à 180 mn. Le revenu génère un durcissement par précipitation de nickelaluminium conférant à la pièce, ou à une partie de la pièce, des caractéristiques mécaniques supérieures à 1000 MPa associées à une fragilité contrôlable. Le tableau ci-dessous présente des caractéristiques de la fonte et celles de l'acier selon l'invention. Tableau Usinabilité Caractéristiques Durcissement Aptitude å mécaniques par nitruration la fragilité FONTE Très bon Moyen Mauvais Très bon ACIER Bon Très bon Très bon Très bon selon l'invention Ni-AI Etat trempé Etat revenu On constate une usinabilité acceptable de l'acier à l'état d'ébauche, avant traitement thermique, et une amélioration nette, comparée à la fonte, des caractéristiques mécaniques après traitement thermique de revenu. D'autre part, pour une fragilité comparable à la fonte, L'acier selon l'invention permet avantageusement des traitements de surface tels que la nitruration, la carburation. L'acier selon l'invention peut contenir en outre les éléments choisis suivants : chrome : Concernant les éléments de la composition de l'ébauche, le nickel et l'aluminium sont les éléments durcissant et fragilisant par précipitation sous traitement thermique de revenu. Le cuivre participe également au durcissement structural lors du traitement de revenu après usinage. Le chrome et le manganèse assurent une trempabilité suffisante conduisant à éviter une précipitation de Ni-AI en cours de refroidissement après élaboration de l'ébauche, par exemple, par forgeage à chaud. Le phosphore participe à la fragilisation lors du traitement de revenu après usinage. Le procédé selon l'invention permet - de conserver une ductilité de l'ébauche lors de la mise en forme, par exemple, par forgeage, - d'assurer un usinage facile de ladite ébauche qui, à ce stade du procédé, a des caractéristiques d'usinabilité satisfaisantes, - de conférer à la pièce, après un traitement thermique adapté, des caractéristiques mécaniques en traction particulièrement élevées, caractéristiques qui permettent une réduction du volume de la pièce et un allégement appréciable de son poids. Avantageusement, le revenu peut être réalisé par exemple dans une enceinte de nitruration, ainsi, en une seule étape, sont réalisés l'amélioration des caractéristiques mécaniques de la pièce et un traitement de surface. Dans un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on réalise une bielle constituée d'un corps, d'un pied et d'une tête de bielle, le pied et la tête de bielle formant paliers destinés à recevoir un coussinet et/ou un axe d'articulation, ladite bielle étant composée de deux éléments assemblés l'un avec l'autre le long d'une surface de jointure et immobilisés par un moyen de liaison. L'acier de la bielle a la composition suivante : carbone : Dans le domaine de la réalisation d'une bielle dite sécable, les jointures séparant, par exemple la tête de bielle en un berceau demicylindrique et un chapeau de tête de bielle également demi-cylindrique, sont effectuées par cassure provoquée d'une ébauche unique usinée. Selon l'invention, on forme une ébauche à froid ou à chaud suivi d'un refroidissement à l'air d'un acier de composition suivante : 0,061 % de carbone ; 4,33 % de nickel ; 1,95 % d'aluminium ; 1,84 % de chrome 0,5 % de molybdène ; 1,69 % de manganèse. Après refroidissement à l'air en dessous de 10000C, l'acier de l'ébauche a une résilience de 240 J/cm2. On usine à l'état brut de forge les paliers de bielle, L'acier de l'ébauche ayant, à ce stade, une dureté de 200 à 330 HV, et une résistance à la rupture inférieure à 1000 MPa. On soumet l'ébauche, ou des zones de l'ébauche destinées à comporter des surfaces de jointure, à une température, par exemple, de 550 à 6000C pendant une heure, pour conférer à l'ébauche ou à des zones de l'ébauche, une résilience d'environ 4 J/cm2. Ce traitement thermique de revenu génère dans l'acier un durcissement par précipitation de Ni-AI. L'acier ainsi fragilisé permet, après un choc provoqué, une cassure dans une zone de séparation de la pièce en deux éléments, pour réaliser, d'une part, le corps de bielle avec un berceau de tête de bielle semi-cylindrique, et d'autre part le chapeau de bielle également demi-cylindrique, la jointure étant brute de rupture entre lesdits éléments. Les surfaces de jointure obtenues par rupture provoquée peuvent être placées soit perpendiculairement à l'axe longitudinal de la bielle pour former le chapeau de tête de bielle, soit dans le plan longitudinal de la bielle pour former deux demi bielles identiques. Les parties de la bielle soumissent à traitement thermique ont une résistance mécanique en traction supérieure à 1000 MPa et d'environ 1200 MPa et une résilience d'environ 4 J/cm2. En résumé, le procédé de l'invention utilise un acier de caractéristiques mécaniques qui, après forgeage, assure un usinage facile, ledit acier étant soumis à un revenu de durcissement après usinage qui confère à la pièce élaborée, avec cet acier, des caractéristiques mécaniques en traction élevées permettant une réduction de la masse de ladite pièce. L'élévation des caractéristiques mécaniques en traction est accompagnée d'une diminution de la résilience, résilience qui est utilisée pour réaliser des pièces sécables. Dans un exemple de réalisation, la bielle selon l'invention et son chapeau sont obtenus en une ébauche brute de forge, usinée, traitée en durcissement puis soumise à un choc pour la séparation du corps de bielle et de son chapeau de tête de bielle. Un autre avantage de l'invention est le fait d'utiliser le revenu de durcissement pour traiter chimiquement la pièce en surface, par exemple sous la forme d'une nitruration. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser une pièce mécanique allégée, usinable et susceptible de subir un traitement de surface tel qu'une nitruration, caractérisé en ce que - on forme une ébauche à partir d'un acier ayant la composition pondérale suivante carbone : nickel : [1 - 5] % aluminium : [1 - 5] % manganèse : [0,5 - 3] % soufre : [0,020 - 0,00] % le reste étant du fer et des impuretés inhérentes à l'élaboration, - on usine l'ébauche pour réaliser les parties mécaniques de la pièce nécessitant des dimensions avec tolérances, - on soumet tout ou partie de la pièce à une élévation de température, traitement thermique conférant à tout ou partie de la pièce une caractéristique mécanique en traction supérieure à 1000 MPa et une résilience inférieure à 8 J/cm2. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on forme une ébauche à partir d'un acier dont la composition comprend, en outre, les éléments suivants choisis seuls ou en combinaison chrome : molybdène : cuivre : [0 - 3,5] % phosphore : 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on forme l'ébauche par forgeage à chaud. 4. Procédé selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le traitement thermique du type revenu est effectué à une température comprise entre 300 et 7000C. 5. Procédé selon les revendication 1 à 4 caractérisé en ce que le traitement thermique est effectué pendant un temps compris entre 1 et 180 mn. 6. Procédé selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que, simultanément au traitement thermique, on effectue sur la pièce une nitruration et/ou une carburation. 7. Procédé selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'on soumet des zones de la pièce comportant une faible résilience à un choc pour réaliser une pièce en au moins deux éléments. 8. Bielle, notamment de moteur à combustion interne, constituée d'un corps, d'un pied et d'une tête de bielle, le pied et la tête de bielle formant un palier destiné à recevoir un coussinet, ladite bielle étant composée de deux éléments assemblés l'un avec l'autre le long d'une surface de jointure et immobilisés par un moyen de liaison, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par le procédé selon les revendications 1 à 7, 9. Bielle selon la revendication 8 caractérisée en ce qu'elle est réalisée en acier dont la composition est la suivante carbone : nickel : [1 - 5] % aluminium : [1 - 5] % manganèse: [0,5 - 3] % soufre : [0,020 - 0,100] % le reste étant du fer et des impuretés inhérentes à l'élaboration. 10. Bielle selon la revendication 8 et 9 caractérisée en ce que l'acier avec lequel elle est réalisée comprend, en outre, dans sa composition les éléments suivants chrome : molybdène : cuivre : [0 - 3,5] % phosphore : 11. Bielle selon les revendications 8 à 10 caractérisée en ce qu elle comporte, après traitement thermique, des zones déterminées, ayant une caractéristique mécanique de résistance à la rupture supérieure à 1000 MPa et une résilience inférieure à 8 J/cm2. 12. Bielle selon les revendications 10 et 11 caractérisée en ce qu après usinage de son ébauche et traitement thermique, elle comporte au moins des zones de jointure ayant une résilience inférieure à 8 J/cm2 permettant une fabrication de la bielle en une pièce susceptible d'être cassée pour former deux éléments tels que corps de bielle et chapeau de tête de bielle.